小直徑長距離盾構隧道全圓二次襯砌成套高效施工技術*

戴小松，劉開揚，谷海華，陳 偉

(中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在礦山法隧道施工中，二次襯砌是一個極其重要的環節，公路、鐵路等非全圓隧道二次襯砌施工已經形成了十分成熟的施工技術，在引水、排水等全圓隧道二次襯砌施工中，針梁式、穿行式模板臺車或散拼模板的應用也有較為成熟的施工技術[1-10]。但這些技術在小直徑長距離盾構隧道二次襯砌施工中，均存在較差的適應性，無法保障物料運輸通道也無法多點同步作業，可實施性差、施工效率極低。

以武漢大東湖核心區污水傳輸系統工程(以下簡稱“武漢大東湖深隧工程”)主隧二次襯砌為例，從總體方案設計、成套設備設計及配置、施工組織及工藝方面，介紹該工程所開創的小直徑長距離盾構隧道全圓二次襯砌成套高效施工技術。

1 工程概況

武漢大東湖深隧工程位于武漢市，全長17.5km，建設內容包括污水深隧系統和地表完善系統兩大部分，其中污水深隧系統包含主隧工程及支隧工程兩部分。

1.1 隧道區間

主隧工程包括9個豎井，9個區間隧道，隧道埋深30～56m，最長區間3.6km，最小轉彎半徑250m。隧道斷面設計為預制管片+現澆鋼筋混凝土二次襯砌的疊合式襯砌，成型內徑3.0～3.4m。隧道區間如表1所示。

表1 隧道區間概況

1.2 二次襯砌

現澆鋼筋混凝土二次襯砌厚200mm，采用C40 P12高性能自密實早強補償收縮混凝土+雙層鋼筋結構，鋼筋外側保護層厚25mm，內側保護層厚45mm(見圖1)。

圖1 二次襯砌配筋

1.3 施工重難點

1)隧道二次襯砌厚度薄(20cm)，且后期需承受內水壓，對耐久性、防水、防腐質量要求高，混凝土澆筑質量控制難度大。

2)區間長，斷面小，工期緊，物料運輸困難，現場施工及組織難度大。

3)小斷面長距離隧道混凝土輸送難度大。

4)小半徑薄壁二次襯砌施工精度要求高，臺車設計難度大。

2 總體方案設計

2.1 方案設計原則

1)具備多點、大面積組織施工的條件，可滿足工期進度要求。

2)可形成流水施工，多工序穿插同步作業，縮短總體工期。

3)滿足小直徑、長距離隧道澆筑自密實混凝土要求。

4)鋼筋在盾構配套設施拆除及隧道清理的同時運入隧道，避免后期運輸交叉作業。

5)模板體系施工方法簡單、穩定可靠，無復雜流程，對工人技術能力要求低。

2.2 方案設計

基于方案設計原則，結合常規工法優缺點及現場實施條件，方案設計如下。

1)盾構隧道貫通后，從隧道一端向另一端進行清理，同時將二次襯砌鋼筋運入隧道進行擺放，然后根據鋼筋擺放情況分別從兩端向中間平行流水施工二次襯砌。

2)二次襯砌施工縱向分倉、分段，豎向分層(見圖2)，仰拱與拱墻分開施工，避免澆筑過程中承受過大浮力及側壓力，簡化模板體系。

圖2 豎向分層示意

3)先行施工的仰拱可為后續大范圍施工組織提供底部通行條件，拱墻臺車設計為滿足通行要求的門架結構，解決物料運輸、通行問題，為工人作業提供較大的操作空間。

4)拱墻跟進仰拱施工，同步澆筑混凝土，減少混凝土澆筑次數，增加單次澆筑量，降低組織難度。

2.3 總體施工流程

1)盾構洞通之前，鋼筋采用基于BIM的集約數控技術加工成半成品。

2)由隧道一端向另一端拆除盾構配套材料(走道板、軌道、風管等)，同步將二次襯砌鋼筋下井運至洞內擺放。

3)根據鋼筋擺放情況進行鋼筋綁扎，鋼筋整圓綁扎，一次成型。

4)仰拱施工至一定長度后開始采用多臺模板臺車跳倉跟進施工拱墻。

5)跟進流水施工至仰拱合龍后運出仰拱施工模板，施工完成剩余拱墻并退出拱墻臺車。

6)拆除洞內設施，清理隧道并在二次襯砌表面涂刷水泥結晶型防腐涂料，完成二次襯砌施工。

3 成套設備及配置

3.1 配套設備

1)洞內鋼筋卸車擺放設備

洞內鋼筋卸車擺放設備設計為斜向支撐行走輪式懸臂起重機，支撐行走輪為橡膠輪，與管片弧面垂直。橫向支撐門架內部預留足夠寬度及高度，可供電瓶車進入進行鋼筋吊運卸車。縱向主梁上2個吊裝葫蘆可縱向移動，根據吊物尺寸調整，主梁可橫向移動，調整弧形鋼筋擺放位置(見圖3)。

圖3 輪式懸臂起重機

2)仰拱模板體系

仰拱施工需解決抗浮及模板轉運問題，設置抗浮支撐。結合盾構隧道特點，抗浮支撐一端支撐固定在管片手孔內，一端支撐在模板上，但考慮后期混凝土澆筑空間，抗浮支撐間距應較大，且數量較少，因此仰拱模板設計為整體鋼模，模板環寬1.2m，環向為整體，通過法蘭連接，無縱向拼縫，剛度、強度較大，僅需在兩側設置抗浮支撐即可。模板轉運根據上海某隧道預制車道板安裝方法，結合現場模板大量投入的情況，通過前后2臺小型門式起重機及1臺電動平板車實施。小型門式起重機負責模板吊裝安拆，電動平板車用于模板運輸，小型門式起重機及電動平板車均通過模板上集成縱向軌道行進；同時在兩側設置斜向支撐，模板安裝時頂在管片上支撐模板及設備自重，避免擠壓鋼筋骨架，混凝土澆筑完成后可拔出，與模板表面平齊，避免形成孔洞(見圖4)。

圖4 仰拱模板示意

3)拱墻臺車

根據總體施工方案要求，拱墻臺車設計為可通行門式臺車；結合隧道曲線半徑及施工經驗，單套模板臺車由3節組成，每節長4.8m，節之間采用鉸接連接，以適應曲線段施工，模板采用企口搭接連接，單節臺車兩端分別設計為搭接小模板和承插小模板，保證曲線段施工時節與節之間模板搭接緊密。單套臺車端部設計為可拆卸搭接小模板，適應跳倉法施工，施工奇數倉時可拆除安裝端模，施工偶數倉時可安裝搭接小模板與已施工完成的奇數倉搭接(見圖5)。

圖5 拱墻臺車

4)混凝土澆筑設備

本工程混凝土要求采用高性能自密實早強補償收縮混凝土，經試配和地面盤管試驗，混凝土泵送距離保持在600m以內混凝土出泵性方可滿足仰拱混凝土澆筑要求，無法采用超遠距離水平泵送，混凝土需運入洞內泵送。

混凝土洞內澆筑設備采用軌行式拖泵及軌行式小罐車(見圖6)。軌行式拖泵通過軌道行進至拱墻臺車末端，動力采用電能，支腿設計為弧面與二次襯砌面形成支撐；軌行式小罐車行進過程中，可通過輪對的轉動帶動罐體進行轉動，以保證混凝土性能，進卸料后直接接入動力線進行供電轉動。

圖6 混凝土澆筑設備

為提高混凝土澆筑效率，在豎井內安裝軌道平移擺渡車或道岔，實現2臺小罐車快速切換(見圖7)，提高混凝土澆筑效率。

圖7 擺渡車示意

3.2 設備配置

1)單作業面設備配置如表2所示。

表2 設備配置

2)模板配置計算

由于混凝土泵送距離限制，考慮盡量減少混凝土澆筑次數，增大單次澆筑量，模板配置應盡量增多，結合隧道曲線半徑、臺車設計長度、變形縫設置距離要求及拱墻跳倉法施工布置，仰拱或拱墻模板最大配置數量為最遠泵送距離的1/4，即最多配置10套模板，共計144m(見圖8)。

圖8 拱墻施工澆筑示意

正常施工流水階段包括鋼筋運輸及綁扎、仰拱模板安拆、拱墻模板安拆、泵管布設、仰拱澆筑、拱墻澆筑、仰拱養護、拱墻養護、軌道鋪設、隧道清理，共計10道工序，其中鋼筋運輸及綁扎超前，可不占用關鍵工序。根據各工序作業位置及條件，當現場各工序達到最大的穿插搭接時，且各工序均無自由時差時為最高效的施工組織，該階段的資源配置數量為最優資源配置。

單個循環總施工時間：

T=T1+T2+T3

(1)

式中：T1為仰拱澆筑時間；T2為仰拱和拱墻施工時間的較大值，T2=max[(仰拱養護+仰拱模板安拆+軌道延伸)，(拱墻澆筑+隧道清理+拱墻模板拆模、移模、支模)]；T3為泵管連接時間。

由施工總時間可見，當仰拱養護+仰拱模板安拆+軌道延伸所需時間=拱墻澆筑+隧道清理+拱墻模板拆模、移模、支模所需時間時，即為最優模板配置。

仰拱養護時間t1=12h；仰拱模板安拆時間t2=12N×(1.2×12N/V1)×2(N為模板套數；V1為電動平板車轉運模板速度，為600m/h)；軌道延伸時間t3=1.2×12N/V2(V2為軌道延伸速度，為6m/h)；拱墻澆筑時間t4=4×N；隧道清理時間t5=12h；拱墻模板安拆時間t6=3×N。最優模板配置時：12+12N×(1.2×12N/600)×2+1.2×12N/6=4×N+12+3×N，可求得N≈8。

4 施工組織及施工工藝

4.1 施工組織

根據工序穿插要求即現場實際組織情況，最終優化后的施工組織如圖9所示。

圖9 施工組織

4.2 鋼筋運輸及綁扎

鋼筋運輸利用盾構施工階段鋪設的軌道及電瓶車實施，在拆除軌道的同時采用“倒退法”將鋼筋運入洞內并卸車擺放至清理完成區域。鋼筋運輸至對應倉段后采用輪式懸臂起重機卸車擺放，本倉段的鋼筋擺放在下一倉段內，擺放原則按照二次襯砌鋼筋綁扎先后順序實施。擺放過程中需注意不同類型鋼筋嚴禁互相堆壓，且做到下墊上蓋。

鋼筋綁扎一次成型，通過管片預埋接駁器安裝定位鋼筋，拱頂鋼筋綁扎過程中要求適當提高1～2cm，預留鋼筋在自重作用下的下墜空間，水平施工縫位置預留2根縱向鋼筋在施工縫鑿毛完成后再綁扎，確保鑿毛、清理空間，保證鑿毛效果。

4.3 仰拱施工

第1節段仰拱鋼筋綁扎完成后，立即在井下鋪設軌道，安裝小型門式起重機進行仰拱模板安裝。

模板安拆均采用小型門式起重機實施，利用吊裝葫蘆將模板吊起后進行清理，清理完成即可利用電動平板車轉運至安裝區域進行安裝。

安裝時利用小型門式起重機將模板吊裝就位，并用水平尺進行檢驗，要求模板左右水平，模板拼縫與管片環縫對齊；選取左、中、右3個點位量測支模高度，根據量測數據適當調整套筒外露段長度，確保支模高度滿足要求。

模板安裝完成后，將鋼管支撐安裝在模板兩側及對應管片手孔位置進行加固。

4.4 拱墻施工

臺車吊裝下井后，從高到低依次將各節小臺車頂升就位，并調節平移油缸，確保模板對中；然后安裝橫撐絲桿并將側模支設就位，支設側模時要求前后油缸同時動作，避免模板變形。

支模加固完成即可安裝RPC注漿管及變徑固定管，待混凝土澆筑完成后即可進行帶模注漿。

奇數倉采用弧形鋼板封閉端部，上部抵緊止水帶，下端通過螺栓與臺車連接緊固；偶數倉采用搭接小模板與奇數倉已澆筑混凝土搭接。

混凝土終凝后即可拆除模板橫向絲桿提供通行空間；養護達到8MPa強度即可進行拆模，拆模順序與支模順序相反，臺車拆模清理完成后，即可用電瓶車推行至下一倉或下一節段就位。

4.5 混凝土澆筑

泵管由仰拱最前端模板布置到拱墻臺車尾部，拱墻范圍布置在電瓶車軌道中部，拖泵通過電瓶車由洞口推至洞內與泵管對接，拖泵出口設置變徑管及彎管。混凝土經檢測合格后，采用天泵輸送至井底小罐車入料口，通過2輛小罐車接力運輸至洞內拖泵處進行泵送。

仰拱混凝土澆筑由靠近鋼筋施工區域澆筑至仰拱完成區域，澆筑時利用仰拱模板運輸電動平板車配合分料溜槽實現仰拱混凝土快速對稱澆筑。

拱墻混凝土澆筑由遠端至近端，每倉頂部設置3個澆筑口。澆筑時，從隧道中部依次利用各澆筑口進行澆筑，澆筑完成后及時進行帶模注漿。

4.6 洞內布置

根據施工流水作業區域劃分，各區域洞內布置如下：①鋼筋堆放及綁扎區域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、鋼筋。②仰拱施工區域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、已綁扎鋼筋、仰拱模板、小型門式起重機。③仰拱完成區域及拱墻施工區域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、進水管、污水管、拱墻臺車。④二次襯砌完成區域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、進水管、污水管，管線通過弧形支架進行掛設，無需在結構上打孔。

4.7 臨時用電

二次襯砌施工臨時用電分為2個階段，第1階段為地面變壓器低壓出線柜→一級箱→二級箱→設備開關箱→各用電設備；第2階段為地面變壓器低壓出線柜→一級箱→自動升壓穩壓裝置→二級箱→各用電設備。

4.8 設備出洞

1)仰拱施工設備出洞 仰拱合龍后，將中軌延伸至最靠近洞口模板處，同步將仰拱模板集成軌道延伸至中軌范圍，然后利用電瓶車+平板車將模板運出洞。

2)拱墻施工設備出洞 拱墻合龍后，在平板車上焊接支架，電瓶車駛入拱墻臺車內部，然后將拱墻臺車收模落至平板車支架上，即可進行外運，外運過程中要求緩慢低速，并在兩端設置橡膠墊，避免剮蹭已成型二次襯砌。

5 結語

大東湖深隧工程小直徑長距離全圓二次襯砌施工，創新研發了全圓二次襯砌施工成套設備及全圓二次襯砌高效施工技術。通過施工技術創新，克服了全圓二次襯砌施工難題，解決了二次襯砌工期緊、施工難度大的問題，最長區間3.6km二次襯砌施工用時不足3個月，全長17.5km二次襯砌施工僅用時不到5個月。成套設備研發成功可行，設備簡單實用，功能明確，簡單培訓即可快速上手操作，大幅降低了勞動力的投入。現場施工效率表明，機械配置合理，工序銜接緊湊，實現了高效施工。應用高性能自密實早強補償收縮混凝土，結合整體性好、剛度大的定制鋼模和精細化現場管理，使二次襯砌成型密實性好，施工質量優。