小斷面水工隧洞全環襯砌施工工法研究

劉孝東

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 概 述

隧洞種類按斷面積及等效直徑劃分，可分為小斷面隧洞、中斷面隧洞、大斷面隧洞、特大斷面隧洞。小斷面隧洞的斷面積低于20m2，等效直徑在5m以下；中斷面隧洞的斷面積在20-35m2之間，其等效直徑則在5-6.5m之間；大斷面隧洞的斷面積在35-120m2之間，等效直徑在6.5-12m之間；特大斷面隧洞的斷面積>120m2，等效直徑>12m。

由于鐵路隧道、公路隧道均需滿足車輛通行條件，均設計成大斷面、特大斷面，襯砌均采用鋼模襯砌臺車邊頂拱和仰拱分序襯砌。大型輸水工程大斷面也多采用鋼模臺車進行分序襯砌。但小斷面由于其斷面面積低于20m2，這種“小”的特征對于施工帶來的主要問題就是大型高效率的施工設施無法進行工作區，而在施工過程中還要面臨多種工程工序的交叉進行，造成彼此之間的工作受到干擾，降低施工的效率。由于小斷面的空間小，許多工程施工的具體工作只能進行周期性的調配安排，然后輪流進行?；炷烈r砌的過程中，其相關的工序也因為受到了空間限制，無形中增加了其工作難度。另外，大型的運輸設備、機械設備無法進入，同時也對工程內的各個相關管線的鋪設造成了麻煩，整體上說，小斷面隧洞的工程施工難度較大，整體施工質量和進度都會造成影響。

國內外的經驗表明，小斷面襯砌多采用以下幾種方法：①底板先行100m左右、邊頂拱緊跟；②仰拱全部澆筑完成后再進行邊頂拱襯砌；③采用拼裝組合模板的方式；④采用頂管瓦片襯砌技術的方式進行襯砌施工。這幾種施工方法已積累了大量寶貴經驗。但小斷面隧洞混凝土襯砌的全斷面襯砌方案的研究目前仍處于起步階段，而文章通過對小斷面隧洞全斷面混凝土襯砌方案的研究，既提高了襯砌結構的完整性，減少內水外滲造成圍巖遇水軟化的危害；又會提高混凝土襯砌施工進度，降低施工成本，提高襯砌混凝土的外觀質量。

2 全環襯砌施工工法研究

全環襯砌施工工法要解決的技術問題是，提供一種小斷面隧洞混凝土運輸及襯砌施工方法，以克服現有技術存在的混凝土運輸設備費用高、混凝土供應不連續、混凝土澆筑質量差、工效低、襯砌成型尺寸較難控制等問題。

混凝土襯砌采用全圓針梁式鋼模臺車一次襯砌成型(每倉9m)，從隧洞中間部位向隧洞洞口位置逐倉襯砌，隧洞襯砌鋼模臺車設計總長9.2m，每段搭接長度20cm，每一循環臺車襯砌有效長度為9m。襯砌混凝土在洞外拌合站統一集中拌制，混凝土運輸方式為利用拖拉機頭牽引混凝土罐、U型車軸等設計組裝，并進行創造后的3輛2m3混凝土罐車，將混凝土從拌合站運輸至洞內作業面，使用HBT40型混凝土泵泵送入倉，混凝土使用鋼模臺車附著式振搗器振搗密實。

全圓針梁式鋼模臺車利用自帶附加行走機構及卷揚系統行走到襯砌位置，利用簡易臺架人工進行鋼筋安扎。鋼筋安扎完成后，利用臺車卷揚系統將鋼模部分水平位移至待澆倉面。通過操作豎向油缸、側向油缸、頂模油缸，將臺車前后底座及鋼模板就位并支撐牢固，采用木模散板立模封堵。隨后，使用3輛2m3混凝土罐車輪流運輸混凝土至作業面，以保證混凝土供應不中斷，通過HBT40拖式混凝土輸送泵泵送入倉。

使用該施工工法，混凝土運輸設備費用低、混凝土供應不中斷，在保證混凝土襯砌內在質量的同時，提高了隧洞混凝土襯砌施工工效，降低了施工成本，全環襯砌一次成型，提高了混凝土襯砌外觀質量，加快了施工進度[1]。

2.1 關鍵性技術

全環襯砌施工工法關鍵性技術包括下述步驟：臺車就位，利用自帶附加行走機構及卷揚系統將臺車行走到襯砌位置。利用簡易臺架人工進行鋼筋安扎，鋼筋安扎完成后利用臺車卷揚系統將鋼模部分水平位移就位，通過豎向、側向、頂模油缸，將臺車前后底座及鋼模板支承牢固。借助測量儀器，使模板斷面與隧洞斷面中心重合一致。安裝橡膠止水帶并立模封堵，隨后使用3輛設計組裝的2m3混凝土罐車輪流運輸混凝土至作業面，使用改裝后的HBT40型混凝土泵泵送入倉。混凝土強度達到規定要求，臺車進行脫模。開始進行下一倉隧洞混凝土襯砌施工。隧洞混凝土襯砌采用全圓針梁式鋼模臺車支模，一次澆筑成型，提高工效，降低成本，加快進度。

2.2 全環襯砌施工工法內容

1)全環襯砌施工工法特點：

①全環襯砌施工工法與傳統小斷面隧洞襯砌施工方法相比，采用全圓針梁式鋼模臺車，隧洞混凝土襯砌一次成型，克服了以往小斷面隧洞采用組合模板邊頂拱與底板分開澆筑、外觀質量較差、成型尺寸較難控制等弊端，提高了施工工效，保證了施工質量。

②全環襯砌施工工法利用拖拉機頭、混凝土罐、U型車軸等設計組裝，自行創造研制了3輛2m3混凝土罐車，將混凝土從拌合站運輸至洞內作業面，保證混凝土在澆筑過程中供應不中斷，提升了混凝土的內在質量，降低了施工成本。

2)全環襯砌施工工法適用范圍：

全環襯砌施工工法適用于單掌子面距離較長、斷面<20m2的大型機械設備由于受斷面限制無法進入的小斷面隧洞襯砌施工。可廣泛應用于跨流域引水工程、城市污水管線工程、廊道工程等。

3) 全環襯砌施工工法工藝原理：

全環襯砌施工工法的工藝原理是：在小斷面隧洞襯砌施工中，采用全圓針梁式鋼模臺車使一次襯砌成型，襯砌混凝土在洞外拌合站統一集中拌制，混凝土運輸方式為利用創造后的混凝土罐車，將混凝土從拌合站運輸至洞內作業面，保證混凝土供應不中斷。實現了提升混凝土質量、提高施工工效、降低施工成本的效果[2]。

4)全環襯砌施工工法操作要點：

①測量放線

首先，檢查隧洞基礎斷面結構尺寸，檢查是否滿足隧洞襯砌凈空和鋼模臺車就位尺寸。如開挖斷面基礎結構侵入襯砌混凝土凈空，應進行修鑿處理。凈空滿足要求后，使用水準儀在隧洞兩側拱基礎上用紅色油漆標出鋼模臺車就位標高，使用全站儀標出隧洞中心線及鋼模臺車就位的法線。中心線必須放在拱墻襯砌的兩個端頭，放線長度以9m(9.2m長鋼模臺車)的每倉段長控制，預留20cm的模板搭接長度，中心線和就位高程點精確放在兩個里程斷面，且便于施工過程中點位的可使用性。

②巖面處理

基面處理主要對隧洞初期支護表面的滲漏水、外露的突出物及表面凸凹不平等進行處理。處理基面滲漏水，采用灌漿止水或埋設排水管直接排水到邊溝，保持基面無明顯漏水(線流)，滿足混凝土澆筑要求；對初期支護混凝土表面外露的錨桿頭，鋼筋尖頭等硬物予以割除。

③鋼筋安裝

鋼筋在隧洞出口鋼筋加工場統一加工，運輸車輛運到洞內工作面，人工卸車，利用簡易臺架人工安裝綁扎。根據測量控制點先扎環向定位鋼筋，用縱向筋將定位鋼筋連接后，以縱向筋作為其他環向筋安扎依據，并及時將鋼筋用架立筋固定，電弧焊點焊，以加強整體剛度。

④臺車定位

臺車定位前應先檢查油位情況及電路系統無異常后，在多人細心配合下方能操作啟動，操作各油缸手柄時動作要平穩加力，伸縮針梁前后端油缸時，前后、左右的油缸伸縮量要基本一致，如單邊或某一端油缸伸縮量過大，易使模板整體重量偏移，嚴重時導致針梁座滑下支撐底座；走模時如出現發卡、走不動等現象，應排除后再行走，不能利用慣性的方法拉動模板；每澆筑完一倉混凝土后，要對整體模板所有聯接螺栓進行檢查緊固，防止出現螺栓松動，各機構的螺栓是否牢固，以保證臺車行走和襯砌的安全有效。

⑤止水帶安裝

襯砌鋼模臺車各項準備工作就緒后，沿襯砌設計軸線每間隔0.45m在擋頭板上鉆一φ12鋼筋孔，然后將加工成形的φ8鋼筋卡由待模注混凝土一側向另一側穿入，鋼筋卡內側卡緊一半止水帶，待模注混凝土凝固后拆除擋頭板，彎曲φ8鋼筋卡套上止水帶的另一半，模注下一循環混凝土。澆筑隧洞襯砌混凝土時，加強混凝土振搗，排除止水帶底部氣泡和空隙，使止水帶和混凝土緊密結合。止水帶的接頭，搭接寬度≥10cm，冷接或焊接的縫寬≥5cm。

⑥混凝土運輸

混凝土運輸采用對3臺創造的2m3混凝土罐，將混凝土水平運輸至洞內工作面。定制2m3混凝土罐，在罐體下方安裝前后兩套車軸，采用拖拉機進行牽引。

⑦混凝土入倉

隧洞混凝土的澆筑采取泵送混凝土，模板采用定制的9.2m針梁式襯砌鋼模臺車，通過調整液壓元件，使模板正確對位。混凝土灌筑通過灌筑窗口，自下而上，從已灌段接頭處向未灌方向，水平分層對稱澆灌，邊澆邊搗，層厚不超過40cm，相鄰兩層澆筑時間不超過1.5h，確保上下層混凝土在初凝前結合好，不形成施工冷縫，垂直自由下落高度控制不超過2m，搗固采用附著式振搗器，安排專人負責，保證混凝土襯砌內實外光。

由于洞內空間狹小，不能將混凝土從混凝土罐出料口直接倒至混凝土泵內，所以創造一臺皮帶輸送機，解決混凝土從罐車到混凝土泵的輸送問題。入倉時，先用混凝土罐車將混凝土運至洞內，混凝土從罐車出料口倒料至皮帶輸送機上，再用皮帶輸送機將混凝土送至混凝土泵，再泵送入倉。

⑧拆模和養護

在混凝土澆筑完24h后，操作多路換向閥，操作橫向、豎向油缸，從而使整個臺車的外模模板與襯砌混凝土分離，達到整體全脫模的目的。脫模完成后立即進行混凝土的氣泡、麻面等缺陷修補，對模板進行清理，涂刷脫模劑，拆堵頭模板。待下一倉鋼筋驗收合格滑移到下一個倉位。

在混凝土強度達到5MPa后方可拆模，拆模后進行灑水養護作業，養護期齡為14d。

5)全環襯砌施工工法對材料與設備的要求

①材料要求

a、水泥：采用水泥強度等級不低于P.O.42.5級，水泥28天齡期實測抗壓強度不宜低于46MPa。

b、粗骨料：級配5-20mm、含泥量≤1.0%、泥塊含量≤0.5%、針片狀顆粒含量≤8%。

c、 細骨料：2級配區中砂，含泥量≤3.0%、泥塊含量≤1.0%。

d、 摻合料：選擇Ⅱ級以上，F類的粉煤灰；礦渣粉為S95級；摻加聚羧酸高性能減水劑，外摻引氣劑(含氣量不低于1.5%)。

②勞動力配置

表1 混凝土襯砌勞動力配置表人

③主要機械設備

3 應用實例

桓仁供水引水洞工程位于遼寧省本溪市桓仁縣境內，合同主體工程為引水隧洞工程，另有一條施工支洞、一個檢修井、一條檢修井進場道路。

引水隧洞主洞全長4394.971m，樁號S0+000-S4+394.971，隧洞為有壓隧洞，開挖斷面為圓拱斜墻形，圍巖以Ⅲ類為主，其Ⅲ類圍巖開挖尺寸為：2.39m(底寬)×2.58m(高)，隧洞襯砌成型斷面為圓形，全斷面襯砌，成洞洞徑D=2.0m，Ⅲ類圍巖襯砌厚度25cm，Ⅳ、Ⅴ類圍巖襯砌厚度40cm，縱坡i=0.05%。

隧洞混凝土襯砌采用全圓針梁臺車一次襯砌成型，配備1套針梁臺車從隧洞中間向隧洞出口逐倉襯砌，隧洞襯砌鋼模臺車設計總長9.2m，每段搭接長度20cm，每一循環臺車襯砌有效長度為9m。

襯砌混凝土在隧洞出口拌合站統一集中拌制，采用2臺JS500強制式攪拌機拌制，配備自動稱量系統，混凝土配合比采用C35 W12 F200同標號的自密實混凝土；混凝土運輸采用定制的3臺2m3混凝土罐車，從拌合站運輸混凝土至洞內作業面；采取HBT40型混凝土泵泵送入倉，鋼模臺車附著式振搗器振搗密實。隧洞混凝土襯砌鋼筋主要在隧洞出口鋼筋加工廠集中加工，洞內施工現場加工為輔，利用簡易臺架人工進行鋼筋安扎。

在隧洞襯砌施工中，采用本工法，工程質量良好，提高了施工效率，節約了施工成本。

表2 混凝土施工主要機械設備配置表

4 結 論

該工法解決了小斷面隧洞襯砌施工難題，加快了隧洞襯砌速度，有效縮短施工工期，同時提高了混凝土襯砌質量。對確保隧洞襯砌安全，保護周邊地下水流失破壞環境等有重要意義。

該工法采用全環襯砌技術，保證混凝土供應不中斷，大大縮短了常規施工方法所需工期，自制混凝土運輸車和全圓針梁式鋼模臺車，從而節約了機械設備和模板等周轉租賃費以及項目管理費用。