南水北調配套工程淺埋暗挖段自密實混凝土澆筑施工技術

劉 泰

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

南水北調工程是實現中國水資源優化配置、促進地區經濟繁榮和社會可持續發展、保障和改善民生、實現生態環境良性循環的重大戰略性基礎設施。在南水北調配套工程中，多數采用埋地管道或輸水隧洞的輸水方案。輸水隧洞方案中通常運用內襯為鋼管，管外為鋼筋混凝土的襯砌結構形式[1]，內襯鋼管外自密實混凝土的澆筑施工是工程的重點和難點之一。

1 工程概況

1.1 淺埋暗挖工程整體設計

北京市南水北調配套工程河西支線工程施工第七標段淺埋暗挖工程全長927 m，樁號范圍為YS0+000-YS0+927。

淺埋暗挖工程線路設計由5#豎井(YS0+000)開始，直線布置至樁號YS0+229.520處后，采用曲線過渡的辦法(曲線半徑50 m)，布置線路至YS0+304.378處，隨后直線貫穿3#豎井至YS0+650.458處，并再次采用曲線過渡的辦法(曲線半徑50m)布置線路至YS0+714.833處后，繼續直線行進至淺埋暗挖終點4#豎井位置(YS0+927)，整段線路布置設計呈“Z”字型，如圖1所示。

圖1 淺埋暗挖工程線路設計整體平面布置

淺埋暗挖工程結構斷面凈洞直徑4.4 m，洞內由外而內布置有三層同厚度(0.3 m)不同形式的結構，分別是作為隧洞成型用的初期支護結構、隧洞承擔外力荷載的二襯鋼筋混凝土結構及抵抗鋼管內力且保證鋼管耐久性的自密實混凝土外內襯鋼管結構。隧洞斷面結構如圖2所示。

圖2 淺埋暗挖工程隧洞結構斷面(單位：mm)

1.2 自密實混凝土外內襯鋼管結構設計

自密實混凝土外內襯鋼管結構設計凈空3.2 m，厚度0.3 m(拱底中心往兩側寬度1.475 m范圍除外)。在該結構內，根據工程設計及其使用功能要求，其整體結構由外而內分別布置有聚乙烯低發泡閉孔泡沫塑料板、通信硅芯管、自密實混凝土及鋼管等，如圖3所示。

圖3 自密實混凝土外內襯鋼管結構斷面

聚乙烯低發泡閉孔泡沫塑料板采用密度為0.10～0.14 g/cm3、厚度為2 cm的板材，沿結構內拱頂部分240°范圍布設。

通信硅芯管采用直徑40 mm、厚度3.5 mm的彩條硅芯管，3根一組，外套套管后，隨結構縱向布設。

自密實混凝土采用標號為C30W6F150型、自密實性能指標不低于二級的自密實混凝土，填充布設于鋼管與二襯之間。

內襯鋼管為DN2 600 mm、厚度18 mm，長度6 m的鋼管，采用Q235C鋼材分節制作，每節鋼管拱頂位置上設置兩個孔口，分別用于混凝土澆筑及回填灌漿。鋼管內外均涂刷防腐層。

2 施工方案

本項目淺埋暗挖工程主要由隧洞工程及豎井工程構成，在對整個淺埋暗挖工程中自密實混凝土外內襯鋼管結構施工時，根據淺埋暗挖工程中豎井與隧洞設計關系及布置樣式情況，考慮相關施工部署后，按照先施工隧洞內自密實混凝土外內襯鋼管結構、后施工豎井內自密實混凝土外內襯鋼管結構的順序，組織整個淺埋暗挖工程結構中的鋼管安裝及自密實混凝土澆筑施工。

隧洞內結構施工按照先施工曲線段、后施工直線段的方式進行。考慮區段內單元工程施工工序搭接的順暢性及施工過程中相關材料、物資運輸的便利性，曲線段采取由止點樁號到起點樁號倒序施工的順序進行，直線段采取由曲線起止點至相鄰豎井的順序進行施工。

3 自密實混凝土澆筑施工方法

根據鋼管設計長度，在考慮隧洞各區段布置位置、設計長度后，為保證整體自密實混凝土澆筑質量，按照每6節鋼管(即36 m)為一段，洞內完成安裝后，采用由內向外的順序配套進行一次自密實混凝土澆筑施工，先期澆筑區段及后期連接澆筑區段內鋼管對接時均采用“V”型單面坡口電弧焊。

3.1 施工準備工作

混凝土澆筑前，要求所澆筑區段鋼管安裝已全部驗收合格；混凝土配合比經過審批，各類混凝土施工記錄表按要求、程序準備齊全，混凝土性能檢驗工具已準備完畢且經過檢驗，混凝土進場后各項技術控制質量指標經過檢查驗收。

3.2 機械選擇及管路布置

隧洞內鋼內襯結構自密實混凝土澆筑采取移動車載汽車泵連通洞內管路后，將混凝土泵送至待澆筑倉面進行澆筑的辦法進行。

移動車載汽車泵選用泵送壓力為20 MPa、型號為SY5128THB-10020C-8S的汽車泵進行混凝土泵送。泵管則根據汽車泵出料口直徑，選用管徑為DN150 mm、壁厚10 mm的鋼管及配合鋼管預留混凝土澆筑口的管徑橡膠泵管進行混凝土輸送。

汽車泵在距離豎井2 m外平行于豎井進行布置。混凝土輸送管道分為豎井內固定管道和隧洞內臨時管道兩種形式，布置方法分別為：①豎井內鋼管沿豎井馬頭門側井身通長布置(井身上設3道與豎井井身連接的鋼管固定抱箍)，并在布置至其中心處后設置同管徑、同壁厚的鋼管彎頭，以備同隧洞管道進行連接；②隧洞內臨時管道與馬頭門處鋼管連通后，沿隧洞拱底一側通長布置，并在布置過程中，于每個泵管接頭下縱向20 m處采用方木及砂袋對其進行支墊及固定。泵送管道布置如圖4所示。

圖4 汽車泵及管道布置縱斷面

隧洞內臨時管道布置至已完成鋼管安裝段前2 m位置處后，采用同鋼管預留混凝土澆筑口管徑相同的橡膠泵管，沿隧洞拱底進行布置(拱底事先放置弧形聚乙烯閉孔泡沫板)，布置完成后上放砂袋進行固定，如圖5所示。

圖5 隧洞內混凝土泵管布置

3.3 端頭封堵模板設計和安裝

3.3.1 端頭封堵模板設計與制作

端頭封堵模板采用木模板，外形同鋼管安裝后隧洞結構外形，外圓半徑1.6 m，內圓半徑1.3 m，拱底1.475 m范圍內圓弧處高度0.12 m。

根據端頭封堵木模板外形設計，結合區段內混凝土澆筑體量、現場模板支撐條件，隧洞端頭封堵木模板結構采用面板體系及面板后背肋體系組合而成進行設計。

面板采用1.22 m×2.44 m×0.012 m膠合板按端頭設計外形中心往兩側分2塊分別制作，頂部塊面板設觀察排氣孔一個，孔長30 cm，孔寬15 cm。為避免破壞鋼管外表面防腐漆，內側模板采用泡沫板雙側卷曲固定于膠合板上。結構如圖6所示。

為確保后續面板安裝后，端頭加固措施能與面板連接緊密，面板制作完成后，采用10 cm×15 cm方木，沿面板弧形中心按間距0.3 m設置面板后背肋。面板及其后背肋體系設計如圖6所示。

圖6 端頭封堵木模板面板及其后背肋體系設計

3.3.2 端頭封堵模板安裝與加固

每段鋼管安裝完成后，即開始進行端頭封堵木模板安裝。端頭封堵木模板安裝采取人工搬運、搭設臨時施工平臺的形式進行。

安裝時，先將端頭封堵木模板搬運至鋼管安裝后端，隨后按制作的分塊形式，緊貼二襯壁面，由下往上、由外而內進行安裝。安裝過程中隨時觀察外側模板與二襯壁面、內側模板與鋼管接觸面緊密情況，并對存在空隙的部位采用棉紗進行封堵，避免漏漿。

端頭封堵木模板全部安裝完成后，為避免混凝土澆筑時，最外端鋼管發生上浮，采用鋼板支撐及方木支撐相互配合的辦法對其進行防上浮措施固定。具體如下：①鋼板支撐采用厚度為40 mm的鋼板，裁剪成條形狀后進行鏤空式制作，整體型式為雙圓弧狀；寬度封堵斷面為0.35 m，由弧形面板及支撐鋼條制作成型，放置于鋼管中心往拱頂方向135°位置內，由4塊組成。②鋼管中心往拱頂方向135°范圍外，采用方木支撐，方木采用長0.35 m的10 cm×15 cm方木雙塊拼接后，支頂于封堵模板的背肋上。如圖7所示。

圖7 鋼管防上浮固定措施

待上述加固工作完成后，采用?48 mm鋼管設置斜撐支頂于每個方木、防浮鋼板后，再支撐于前端鋼軌下焊接的橫向?32 mm鋼筋上，如圖8所示。

圖8 端頭封堵木模板斜撐加固布置

端頭封堵木模板安裝與加固完成后，需要對其安裝、加固質量進行檢查。豎井馬頭門處端頭模板安裝、加固方法同上。

3.4 自密實混凝土澆筑過程

自密實混凝土澆筑前，先對鋼管內混凝土灌注口、回填灌漿管通暢情況進行檢查，確保通暢后，方可進行混凝土澆筑。澆筑前應保證全部灌注口、回填灌漿口均為開啟狀態，在澆筑過程中隨澆筑過程逐一按澆筑順序關閉。

混凝土澆筑時采用“梯”型全斷面一次澆筑法。專人負責移動頂拱泵管，使其沿鋼管中心移動，并保持縱向順序式后退，后退間距6 m。

具體澆筑時，首先將泵管移動至已安裝鋼管段最內側鋼管拱頂灰口位置，隨后打開泵管，混凝土入倉。混凝土入倉后，設專人由鋼管內側往外側，采用橡膠錘沿鋼管縱向、環向輕擊驗證混凝土流動情況，直至該節鋼管灰口內側完全被混凝土填滿且開始向外側移動后，負責敲擊的施工人員則移動到灰口外側鋼管回填灌漿管位置處，等待混凝土填充至此。

當回填灌漿管出現溢漿后，負責移動泵管的施工人員封閉該節灌灰口，移動泵管至下一節鋼管灰口處，并繼續進行澆筑。澆筑過程中，開始暫不對回填灌漿管進行封堵，在混凝土移動到該灌漿口外5 cm且拱底混凝土在其混凝土前端后，方可采用棉紗對其進行封堵。在該節混凝土澆筑過程中，同樣采用錘擊的辦法對混凝土移動情況進行檢查，如此往復，直至端頭模板觀察孔能觀察到混凝土及混凝土漿液已由觀察孔縫隙內浸出5 min左右，方可停止上拱混凝土的澆筑。

整個澆筑過程均保持連續進行且全程設專人看護鋼管，并對事先布置的鋼管變形監測點進行記錄、對比，以保證鋼管不發生變形。

自密實混凝土澆筑完成后，對澆筑孔位進行封堵。封堵采用與鋼管同材質的管箍和標準絲堵作為封堵的部件。封堵焊接完成后進行外觀檢查，每個孔的堵焊采用滲透探傷進行抽查，不允許出現裂紋。將焊縫部位打磨平整、光滑，清理飛濺物及藥皮，經驗收合格后，轉入下道工序防腐涂裝。

4 鋼管變形監測措施

為杜絕鋼內襯隧洞自密實混凝土澆筑時，鋼管發生變形現象，在混凝土澆筑前，事先布置監測點位，并在混凝土澆筑過程中，采取自制的變形監測設備，對混凝土澆筑過程進行全程監測。

(1)監測點位：混凝土澆筑前，測量人員在已完成鋼管安裝段鋼管內，按照2 m的間距，采用膠條沿隧洞拱頂橫向1 m布置一塊縱向長30 cm的監測區域，如圖9所示。

圖9 鋼管監測點布置位置

(2)監測設備：采用輕型鋼管及厚度為10 mm的鋼板，配合錐錘、水準儀、變形彈簧進行制作，具體樣式及制作辦法如圖10所示。

圖10 監測設備結構

(3)監測辦法：自密實混凝土澆筑前，質檢人員對計劃澆筑區段鋼管內監測點位范圍內所有數據進行監測。監測時，首先將監測設備上部弧形板與監測邊線對齊，隨后觀察設置輕型鋼管中部水準儀，當水準儀氣泡居中且弧形板與膠條邊線對齊后，即記錄此時彈簧頂到錐錘底的度數，并對該點進行編號。

自密實混凝土澆筑開始后，質檢人員采用上述辦法，跟隨混凝土移動方向，對被澆筑鋼管及與其連接前段，每30 min進行一次鋼管形態監測及數據記錄、比對。當出現前后兩次記錄的差值超過5 mm且累計差值超過8 mm時，立即停止混凝土澆筑，并通知施工人員對監測超限鋼管段安裝防鋼管變形設備。

5 防鋼管變形支撐措施

根據隧洞內鋼管混凝土澆筑時施工面具備的施工條件，防鋼管變形措施采用具有搬運便捷、能分節組裝的支撐拱架對鋼管進行支撐，具體如圖11所示。

圖11 防鋼管變形支撐拱架結構

5.1 支撐拱架制作

(1)下半部分支撐拱架：采用10#槽鋼與?48 mm鋼管作為支撐骨架，厚度20 mm鋼板作為面板制作組成。拱架外輪廓結構均為槽鋼，弧形槽鋼、弧形鋼管外鋼板面板按鋼管底部往上0.9 m弧形制作，且弧形鋼管外鋼板貼泡沫板。

弧形槽鋼制作完成，再按往上0.9 m處尺寸制作水平槽鋼。水平槽鋼制作完成后，通過0.1 m×0.2 m×0.01 m鋼板將其固定于下部槽鋼之上。固定完成后，再根據上下槽鋼間距，采用7根?48 mm鋼管進行加工，并焊接于上下槽鋼內進行支撐。

為保證上部支撐安裝時能快速、及時完成，對下半部分主體支撐制作后，需采用?48 mm鋼管按圖12所示制作上半部分支撐結構，并焊接于已完成下半部支撐拱架上(2個拱架為一組)。

(2)上半部分支撐拱架：為防鋼管變形措施主要部分，采用帶肋面板、支撐拱架兩個部分組合而成。

面板外形同上半設計外形，面板材料選用厚度4 mm的Q235b鋼板。面板后設背肋，背肋高51 mm，“十”字型縱橫交錯布置，材質同為厚度4 mm的Q235b鋼板，每個斷面共6塊，每塊弧長0.8 m，寬1.0 m。

支撐拱架為弧形拱架，拱架材料為10#槽鋼、10 mm連接鋼板，材質均為Q235b。如圖13所示。

圖13 防鋼管變形支撐拱架拱部結構(單位：mm)

同時考慮與下半部分支撐拱架預留鋼管及時連接且利于安裝、搭設，拱架在按上述方法制作完成后，需在相應位置事先安裝?48 mm鋼管。

5.2 支撐拱架安裝

支撐拱架制作完成后，事先放置于計劃澆筑段外側。若鋼內襯自密實混凝土澆筑過程中相關監測數據超限，即按照先安裝下半部分、再安裝上半部分的順序對鋼管內支撐進行安裝。上半部分安裝時，鋼面板左右兩側同步進行，面板搭設一段即安裝一段鋼支撐架，并且2 m一道安裝剪刀撐。安裝過程中，保持混凝土處于停止澆筑狀態。

后續混凝土澆筑時，需待全部支撐安裝完成且被支撐段混凝土達到初凝后，方可繼續澆筑。后續繼續澆筑過程中，通過在支架拱頂、兩側懸掛垂球的辦法對支撐拱架體系進行監測。

支撐拆除時，需在被支撐段混凝土澆筑完成且全部終凝后，方可對支撐進行拆除。

6 結束語

北京市南水北調配套工程河西支線工程淺埋暗挖段內襯鋼管結構外自密實混凝土澆筑施工，采用相應的技術措施，優質高效完成了施工任務。有以下經驗可供借鑒：

(1)混凝土澆筑過程中，派專人使用橡膠錘由鋼管內側往外側，沿鋼管縱向和環向輕擊鋼管，可驗證混凝土的流動和充填情況。

(2)為防止鋼內襯自密實混凝土澆筑過程中鋼管發生變形，采取變形監測設備，對混凝土澆筑過程的鋼管變形情況進行全程監測。

(3)當鋼管變形監測值超限時，防鋼管變形措施采用具有搬運便捷、能分節組裝的支撐拱架對鋼管進行支撐。