某海外隧道二次襯砌帶牛腿施工技術

徐子振

摘要：二次襯砌施工作為隧道工程建設中的重要環節，對隧道工程整體質量起著關鍵性的決定作用。同時隨著經濟及科技不斷進步，隧道工程不僅規模及數量不斷增大，而且相關施工技術也在不斷進步和更新，二次襯砌帶牛腿施工技術在隧道工程中應用得越來越廣泛。基于此，結合本單位海外某隧道工程的施工實例對二次襯砌帶牛腿施工技術展開了相關論述。因為本隧道二次襯砌帶牛腿施工中對牛腿的受力要求很高，所以，為保證牛腿施工質量及安全，先是進行了相關的荷載計算，并根據計算結果擬定牛腿施工方案，再對比優選方案，最后確定實施方案。此次隧道二次襯砌帶牛腿施工中，牛腿上承載了可移動軌道式行走橋式吊車，對常規襯砌臺車進行加裝牛腿模板，襯砌帶牛腿采取一次性澆筑混凝土，保證了工期和質量要求，并得到推廣使用，以期對類似隧道工程施工提供幫助。

關鍵詞：隧道襯砌，牛腿，一次性整體澆筑，混凝土

中圖分類號：U455.91?文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2020）01-0045-08

Abstract：Secondary lining construction plays an important role in the overall quality of tunnel project as an important part of tunnel construction. At the same time，under the background of continuous economic and technological progress，tunnel engineering is not only increasing in scale and quantity，but also related construction technology is constantly improving and updating. The application of construction technology of secondary lining with corbel in tunnel project is becoming more and more extensively. Based on the construction example of an overseas tunnel project of the unit，the related secondary lining with corbel construction technology was discussed. Because of the high force requirements on the corbel in the construction of the lining of the tunnel. Therefore，in order to ensure the quality and safety of the construction of the corbel，the relevant load calculation was first carried out，and the construction scheme of the corbel was prepared according to the calculation result，and then the preferred scheme was compared，and the implementation scheme was finally determined. In the construction of the secondary lining with corbel of the tunnel，the movable rail type walking bridge crane was carried on the corble，the shank formwork was added to the conventional lining trolley，and the lining with corbel adopted one-time pouring concrete to guarantee the construction period and quality requirements. And they have been promoted and used in order to provide assistance to similar tunnel construction.

Keywords：tunnel lining，beef legs，one-time integral pouring，concrete

1?工程概況

海外某隧道項目，建筑結構安全等級一級，耐火等級設計為Ⅰ級，使用年限設計為50年，設計斷面尺寸是12 m×14.1 m馬蹄形斷面直墻圓拱、直墻上部帶牛腿。隧道全長3 432 m，其中，帶牛腿隧道長度為1 780 m，牛腿為現澆混凝土結構，牛腿上部承載可移動軌道式行走橋式吊車。該隧道工程牛腿施工中對整個結構的受力有著很高的要求。因此，確保牛腿施工質量非常關鍵。若直接采取常規襯砌臺車方式開展施工難以達到現實施工要求的標準，因此，現實施工中對常規二次襯砌施工采取了必要的優化措施。牛腿設置及結構形式見圖1、圖2。

2?地質概況

該項目圍巖級別為Ⅳ、Ⅴ級，地質情況為表層上覆褐黃色崩塌堆積碎、塊石，碎、塊石成分為強、中風化灰巖，塊石粒徑最大值是6 m，堆積體為松散狀，且沒有膠結現象，厚度在0～10.5 m范圍內。隧道周圍巖石以泥巖夾灰巖為主，顏色呈灰綠色，中度風化，薄～中厚層狀，巖層產出狀態為：135° ∠3° ，呈水平狀。節理裂隙較不發育，巖石整體比較完整，含有生物化石，屬于軟巖，在失水之后很容易破碎成碎塊狀，而且暴露在外界環境后很容易被風化。巖體主要結構面（節理）包括a、b兩組產出狀態，a組產出狀態是：342° ∠85° ，0.5～5 條/m，與隧道近于平行，b組產狀為：245° ∠80° ，1～2 條/m，與隧道呈大夾角相交。成洞過程中偶有掉塊。

3?荷載結構模型計算

由于該隧道工程中對整個牛腿結構的受力要求比較高，所以先針對二次襯砌進行了荷載試驗計算，再依據計算結果制定并優選施工方案，以確保整體施工安全及質量。

3.1?荷載計算

在依據隧道施工相關現行規范要求及規定，對深埋荷載進行計算的過程中，圍巖壓力按照松散體理論進行具體計算，并分別在圍巖垂直和水平方向上布置壓力，具體壓力計算公式如下：

式（1）～（3）中：q為垂直均布壓力，γ為圍巖重度，s為圍巖級別，ω為寬度影響系數，B為隧道跨度，i是每當B增加或減少1 m的時候的圍巖壓力增減率，當B<5 m時，取i=0.2，當B>5 m時，取i=0.1，代表地層側壓力系數，對V級圍巖取=0.3～0.5。

對該隧道工程，取γ=20 kN/m3，s=5，取B=14 m，故i=0.1，由式（2）可得：ω=1.9，由式（1）可得：q=273.6 kPa，取=0.5，由式（3）可得：p=136.8 kPa。

基于此，結合現行規范要求對本隧道工程二次襯砌荷載進行計算，計算荷載分布如圖3所示。

3.2?二次襯砌內力計算與分析

3.2.1?計算工況

以荷載結構模型為基礎，選擇使用MIDAS-GTS有限元程序就二次襯砌的內部受力情況實施了具體計算，且主要對計算荷載作用及實測荷載作用2種工程進行計算分析。

在本次荷載計算過程中，選用梁單元來模擬二次襯砌，而針對地層反作用力則是選用在襯砌結構外側布置全環徑向彈簧單元來進行模擬，同時只計算彈簧的受壓情況，而不計算彈簧的受拉情況。徑向彈簧選擇單向彈簧單元來實施模擬，且此單向彈簧單元不僅有著非線性功能，而且也能對圍巖和襯砌結構之間的受力情況進行有效模擬。在計算過程中，二次襯砌取0.5 m厚度值，彈性模量取值為30 GPa，泊松比取值0.2，圍巖（彈性）抗力系數取值K=200 MPa/m。

就現實情況而言，初期支護和二次襯砌二者間的接觸受力不僅包括荷載模型計算過程中作用在二次襯砌上的圍巖壓力，而且也包括彈性抗力。由此可知，通過在襯砌結構外側布置徑向彈簧單元模擬地層抗力來對實測荷載情況下二次襯砌的內力進行計算分析，還不夠完全合理。但是，因為在現實中很難對初期支護和二次襯砌二者間的整體環向斷面接觸壓力進行精確監測，同時為了提高實測荷載工況下和計算荷載工況下二次襯砌內力計算分析的便利性，所以，在計算實測荷載工況下二次襯砌內力的過程中，依然選用了全環徑向彈簧單元來對地層反作用力進行模擬。

3.2.2?計算結果與分析

計算荷載工況下二次襯砌內力計算結果如圖4所示，實測荷載工況下二次襯砌內力計算結果如圖5所示。

由圖4、圖5可知：

計算荷載工況下，二次襯砌受到最大正彎矩在拱頂位置，值為260 kN·m，而最大負彎矩則出現在拱肩部位，值為229 kN·m，而且在拱底兩端和拱腳位置的正彎矩和負彎矩也比較大。二次襯砌受到的軸力即為壓力從拱頂向拱底呈增長趨勢。同時，相對在實測荷載工況下而言，計算荷載工況下的二次襯砌所受內力分布更加均勻，且離散性更小。

利用相關規范計算方法對襯砌結構每個截面安全系數進行計算得出：計算荷載工況下，二次襯砌拱頂位置的截面彎矩比較大，而軸力相對比較小。由此可知，該截面受偏心作用壓力，安全性較差。

實測荷載工況下，二次襯砌在拱腰位置受到了最大正彎矩，值為159 kN·m，而在拱腳位置受到最大負彎矩，值為194 kN·m，而且也在拱肩位置存在比較大的負彎矩。同時，二次襯砌受到的軸力都是壓力，從拱頂位置往下呈增長趨勢，且在左拱腳處軸力最大，因為偏壓荷載影響，實測荷載工況下二次襯砌的內部壓力分布比較離散，而且左側內力明顯比右側內力大。

和計算荷載工況對比可知，實測荷載工況下，因為拱頂部位的實測荷載比較下，所以二次襯砌拱頂位置的截面彎矩比較小，而安全性比較高。由此可知，計算荷載工況下，二次襯砌拱頂位置的截面內力和現實情況存在較大的偏差。

3.3?圍巖彈性抗力對襯砌結構內力的影響

現行的隧道施工相關規范內規定了各級圍巖彈性抗力系數明確的建議取值范圍，而且這一圍巖彈性抗力系數取值會對二次襯砌內力大小和內力分布情況產生直接影響。計算荷載工況下二次襯砌內力和圍巖彈性抗力系數關系如圖6所示。

經過具體計算得出，二次襯砌每個截面受到的彎矩會隨圍巖彈性抗力系數減小而增大，同時軸力也會隨之減小，這就降低了截面的安全性。而且，若圍巖彈性抗力系數<50 MPa/m的情況下，二次襯砌拱頂和拱肩位置的截面彎矩會明顯變大，而軸力則會明顯降低，截面的安全性也會更低，同時拱底位置的正彎矩會明顯增強。由此可知，圍巖壓力作用一樣的情況下，圍巖越軟，襯砌結構的受力性越差。但是，若圍巖彈性抗力系數達到100 MPa/m以上時，二次襯砌內部的壓力變化就沒那么明顯了。

3.4?荷載計算結論分析

在各項監測數據都趨于穩定后，該隧道工程的初期支護和二次襯砌直接的接觸壓力都<0.2 MPa，這一數據比此V級圍巖深埋隧道設計垂直荷載值及素混凝土標準厚度的極限承載力小，說明此二次襯砌的安全設計理念具有很好的可行性。

隨著時間的變化，初支和二次襯砌之間的接觸壓力呈先增長再減少又增長，最后逐漸穩定的發展趨勢。引起這種變化的主要原因有二次襯砌模板拆除前混凝土的強度及剛度變化、澆筑混凝土的密實情況、模板拆掉后釋放的應力情況及混凝土的收縮變化等。

初支和二襯之間的接觸壓力分布不是對稱的，整體從拱頂至拱肩、拱腰、拱墻上部、拱墻下部呈增長趨勢，但是拱腳和拱底的壓力值比較小。

實測荷載工況相比較計算荷載工況來說，其二次襯砌的內力（彎矩及軸力）比較小，同時這兩種工況下，二次襯砌的內力分布在規律上有著一定不同。

在圍巖壓力作用相同的情況下，隨著圍巖彈性抗力系數的減小（即圍巖越軟），二次襯砌每個截面受的彎矩就會增大，軸力會隨之減小，同時會降低截面的安全性和襯砌結構的受力性。

4?牛腿施工方案的選定

結合荷載受力計算結果，經過對現場條件、施工作業環境（境外偏僻、缺少加工制造條件）、工期要求和工程質量要求的分析比較，有3種施工方法：

4.1?方法一

牛腿與襯砌分開施工，先施工隧道襯砌部分，在牛腿位置預留契口，牛腿混凝土按照后澆帶進行二次澆筑施工，施工示意見圖7。優點：1）既有襯砌臺車不用改裝可直接按照傳統方法進行施工，2）襯砌施工簡單。缺點：1）對結構受力不利，在主要的受力部位增加了施工縫，2）次牛腿混凝土施工難度大，3）施工工作量大、效率低，4）牛腿施工鋼筋與混凝土工序交叉次數多，5）質量難以保證，結構耐久性差。

4.2?方法二

襯砌按照先墻后拱的順序施工，牛腿與邊墻襯砌同時施工。采用2個襯砌臺車，將襯砌臺車分為拱部和邊墻兩部分。即一個臺車只有邊墻部分并加裝牛腿模板，先澆筑襯砌邊墻至牛腿頂面以上，另一個臺車只留拱部模板，流水作業，緊隨邊墻襯砌施工拱部襯砌，完成襯砌施工。如圖8所示，優點：1）牛腿與邊墻襯砌一體澆筑，不影響牛腿結構受力，2）牛腿與邊墻襯砌一體澆筑，比方案一牛腿施工效率較高，質量有保證，3）比方案一投入的人力資源少。缺點：1）襯砌臺車資源占用大，需2個臺車先后共同完成襯砌施工，2）襯砌施工進度慢，施工周期長，不滿足工期要求，3）對原襯砌臺車需要改造，4）增加了2條二次襯砌縱向施工縫。

4.3?方法三

整體襯砌臺車分體一次性施工帶牛腿隧道二次襯砌，即將襯砌臺車進行分解，分解為邊墻和拱部模板兩部分，同時加裝牛腿模板，然后由邊墻和拱部模板組合共同一次性施工襯砌，如圖9所示。優點：1）牛腿與襯砌結構整體性好，無施工縫薄弱部位，2）施工速度快，周期短，效率高，3）臺車占用少，人力資源配置要求少，4）施工工序少。缺點：1）襯砌臺車需進行改造加工，現場加工設備機具簡單，加工誤差大，2）臺車需要分部定位，定位難度大，誤差不易控制，3）懸吊邊墻模板不易固定，臺車就位行走時晃動幅度大，臺車端頭錯位不易控制。

綜合結構功能要求、安全控制、工程進度、施工成本、資源配置、施工效率等方面的因素，最終確定采取方法三進行組織實施，即“整體襯砌臺車分體一次性施工帶牛腿隧道二次襯砌”。

5?技術改進實施

臺車改造以原襯砌臺車為基礎進行局部改造，達到現場便于實施，滿足使用要求的條件。技術改進包括：1）在原襯砌臺車主架上加裝邊墻模板懸吊支架系統，每側邊模兩端設置2個，共4個，邊墻模板通過4個5 t的導鏈懸吊。2）將臺車邊墻模板在牛腿頂面位置處分解為上、下兩部分，3）在邊墻模板與臺車主架梁之間增設水平定位調節絲杠。4）在邊墻模板與臺車前后末端主架梁之間增設邊模前后限位調節導鏈，每側設置2個2 t導鏈，共4個。5）在下部邊墻模板上，牛腿頂面處加裝牛腿蓋模板，保證拱部混凝土與邊墻混凝土一次性澆筑。模板臺車局部改造如圖10所示。

6?模板臺車就位方法

臺車就位步驟如下：1）精確定位拱部模板。2）通過邊墻模板懸吊導鏈調節邊墻模板的高度。3）通過前后限位調節導鏈調節模板前后端位于同一斷面。4）通過邊墻水平定位絲杠調節邊墻模板的平面位置。

7?模板臺車改造成果分析

襯砌臺車模板長度為6 m，本項目帶牛腿襯砌共計130模，通過襯砌臺車循環連續施工。對完成襯砌的各項主要資源配置與方法一和方法二模擬施工進行對比，如表1所示。

8?總結

該項施工技術在隧道帶牛腿襯砌段的施工的成功應用，確保了施工進度，滿足工程質量要求，未發現任何質量缺陷或隱患。“整體襯砌臺車分體一次性施工帶牛腿隧道二次襯砌技術”在其他類似項目具有很大的推廣和應用價值。

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