小直徑長距離大曲率隧道薄壁二次襯砌質(zhì)量控制技術(shù)

王 浩 劉康宇 蔣尚志 周 浩

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

在小直徑、長距離、大曲率、薄壁隧道施工中，施工作業(yè)面狹小、單作業(yè)面距離長、轉(zhuǎn)彎段線形控制難度高、防水要求高以及其他一些人為因素，均會導(dǎo)致二次襯砌質(zhì)量受到影響，進而直接影響隧道的使用效果和工作壽命。在這種情況下，武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程（以下簡稱“本工程”）從實際出發(fā)，對二次襯砌施工中易出現(xiàn)的問題進行分析，在施工前及施工過程中總結(jié)出質(zhì)量預(yù)防措施及控制要點，對隧道的二次襯砌質(zhì)量控制起到了良好的效果，具有良好的參考意義。

1 工程概況

大東湖深隧主隧工程包括9個豎井，9個區(qū)間隧道，全長17.5 km，隧道埋深30～56 m，最長區(qū)間3.6 km，最小轉(zhuǎn)彎半徑250 m。隧道斷面設(shè)計為厚250 mm預(yù)制管片＋厚200 mm現(xiàn)澆鋼筋混凝土二次襯砌的疊合式襯砌，成形內(nèi)徑為3.0～3.4 m。二次襯砌混凝土為C40P12高性能自密實早強補償收縮混凝土，采用雙層鋼筋結(jié)構(gòu)，鋼筋外側(cè)保護層厚25 mm，內(nèi)側(cè)保護層厚45 mm（圖1）。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100 a，隧道傳輸介質(zhì)為污水，具有較強的腐蝕性且為帶壓運輸，內(nèi)外部荷載工況組合復(fù)雜，二次襯砌施工質(zhì)量要求較高。二次襯砌施工在盾構(gòu)隧道貫通后進行，其中下部仰拱先行施工，為拱墻臺車及電瓶運輸車提供底部通行條件；上部拱墻采用拱墻臺車跳倉法跟進仰拱施工。

圖1 二次襯砌配筋示意

2 技術(shù)難點

1）鋼筋工程。由于隧道二次襯砌為厚200 mm的薄壁雙層鋼筋結(jié)構(gòu)，鋼筋加工及安裝偏差可能對隧道凈空造成影響。

2）模板工程?；炷翝仓^程中會產(chǎn)生較大浮力，對支模體系、模板剛度要求高。在曲線段施工中，模板拼接困難、難以滿足線形要求，易帶來二次襯砌侵限隱患。由于隧道轉(zhuǎn)彎半徑小，傳統(tǒng)模板臺車內(nèi)部無法穿行且難以保證質(zhì)量。

3）混凝土工程?；炷列阅芤蟾?，混凝土難以密實，易出現(xiàn)蜂窩麻面、澆筑不密實、露筋等質(zhì)量問題[1]。

4）防水工程。變形縫為隧道防水薄弱處，不僅要保證外水不內(nèi)漏，更要防止污水外滲，防水質(zhì)量要求高。

3 質(zhì)量控制措施

3.1 二次襯砌鋼筋的質(zhì)量控制

二次襯砌鋼筋采用BIM集約加工，制作精度高，尺寸偏差小，加工過程嚴(yán)格控制鋼筋加工弧度，避免后期綁扎過程中影響隧道凈空。

在鋼筋施工中，鋼筋應(yīng)采用一次綁扎成形，以便于過程的質(zhì)量控制。綁扎中先進行接駁器連接鋼筋安裝，在接駁器鋼筋上沿環(huán)向均布綁扎6根縱向通長鋼筋用作外側(cè)環(huán)向鋼筋定位筋，利用定位鋼筋綁扎外側(cè)環(huán)向鋼筋后，再進行外側(cè)縱向鋼筋綁扎。在接駁器鋼筋上沿縱向綁扎4根內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋用作內(nèi)側(cè)縱向鋼筋定位筋，同理，利用定位鋼筋綁扎內(nèi)側(cè)縱向鋼筋（圖2）。在完成環(huán)縱向鋼筋綁扎后，再按梅花形布置拉鉤筋，并將手孔鋼筋彎折段綁扎在內(nèi)側(cè)鋼筋上，端部與管片螺栓綁扎連接牢靠。

圖2 二次襯砌鋼筋綁扎示意

在鋼筋綁扎過程中要嚴(yán)格控制保護層厚度，每環(huán)鋼筋設(shè)置9個墊塊，每間隔2環(huán)鋼筋設(shè)置1環(huán)墊塊。在拱頂鋼筋綁扎過程中，注意適當(dāng)提高1～2 cm以預(yù)留鋼筋在自重作用下的下墜空間。

3.2 模板工程的質(zhì)量控制

3.2.1 傳統(tǒng)木制模板試驗

本工程根據(jù)以往施工經(jīng)驗對仰拱及拱墻施工的模板工程進行地面試驗。傳統(tǒng)木制模板吸附力大，脫模困難，可周轉(zhuǎn)次數(shù)少，混凝土表觀質(zhì)量差，且木制模板本身剛度弱，仰拱及拱墻施工需設(shè)置較多的螺桿及鋼管支撐，螺桿會導(dǎo)致澆筑完成后出現(xiàn)螺桿孔，小直徑隧道中鋼管支撐嚴(yán)重影響施工效率及人員通行。

3.2.2 定制仰拱鋼模板

根據(jù)地面仰拱施工試驗及過往施工經(jīng)驗提出定制鋼模＋鋼管支撐進行支模。模板采用小門吊＋電動平板車進行轉(zhuǎn)運，模板上設(shè)置有鋼軌及斜向支撐系統(tǒng)，鋼軌為模板轉(zhuǎn)運設(shè)備及后續(xù)拱墻臺車提供行進軌道（圖3）。

圖3 二次襯砌仰拱模板設(shè)計示意

仰拱模板在施工中主要承受混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的浮力。定制鋼模采用厚6 mm面板，環(huán)向次楞為厚10 mm鋼板，兩側(cè)主楞為∠110 mm×10 mm角鋼，有效提升模板剛度。模板環(huán)寬1.2 m，便于轉(zhuǎn)運及線形控制。頂部支撐鋼管采用φ48 mm×3.5 mm鋼管，有效防止模板因混凝土浮力而上浮。

仰拱根據(jù)變形縫劃分每14.4 m進行一次定位，沿著定位邊線左右側(cè)各100 mm進行模板二次清潔，涂刷氯丁膠后沿著定位線兩側(cè)背貼泡沫板為變形縫施工預(yù)留凹槽。

斜向撐桿系統(tǒng)設(shè)置有銷筒、撐桿及限位銷軸，銷筒上設(shè)置1個定位孔。撐桿上設(shè)置有2個限位孔，當(dāng)模板轉(zhuǎn)運至鋼筋區(qū)域時，將撐桿支出為模板提供支撐，避免鋼模對鋼筋造成擠壓，確保二次襯砌厚度滿足要求。在混凝土澆筑完成后，及時將撐桿退回避免產(chǎn)生孔洞。

曲線段處的模板拼接是質(zhì)量控制的難點。應(yīng)在外彎一側(cè)墊設(shè)墊片保證模板拼縫與管片環(huán)縫對齊，模板縫隙填充泡沫膠封堵，達到模板拼接適應(yīng)曲線變化的效果。

3.2.3 拱墻臺車模板工程

二次襯砌拱墻施工每個工作面配備8套拱墻臺車，每套臺車長14.4 m，與變形縫設(shè)置保持一致，避免設(shè)置環(huán)向施工縫形成新的滲水薄弱點。

定制拱墻臺車在滿足變形及受力要求的基礎(chǔ)上，盡可能地滿足內(nèi)部人員及電瓶車通行條件。臺車配備升降油缸，可通過機械操作保證支模厚度。臺車兩端采用鋼端模封模，有效避免端部跑模漏漿（圖4）。

為適應(yīng)大曲率曲線段工況，每套臺車采用3個獨立小臺車連接而成，節(jié)間采用搭接模板機構(gòu)及鉸接耳座組成的鉸接式設(shè)計。在曲線段封模時，分節(jié)臺車間以固定銷軸為旋轉(zhuǎn)中心，模板內(nèi)弧側(cè)間隙適應(yīng)曲線變化而咬合或部分咬合、外弧側(cè)間隙拉開但仍能保證內(nèi)外2塊搭接模板保持搭接，大幅提高襯砌臺車對小曲線半徑隧道的適應(yīng)性（圖5）。

圖5 臺車連接示意

3.3 混凝土工程的質(zhì)量控制

3.3.1 混凝土原材控制

二次襯砌混凝土采用C40高性能自密實早強補償收縮混凝土，抗?jié)B等級為P12?；炷撂鋽U展度為SF3級（760～850 mm），擴展時間為VS2級（＜2 s），保坍時間4 h。

二次襯砌混凝土性能要求高，混凝土配合比應(yīng)嚴(yán)格設(shè)計試驗，做好原材控制，粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、硅灰等礦物摻合料，其性能指標(biāo)應(yīng)符合國家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；粗骨料宜采用連續(xù)級配或2個及以上單粒徑級配搭配使用，最大公稱粒徑不宜大于16 mm，針片狀顆粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）≤8.0%，含泥量≤1.0%，泥塊泥量≤0.5%；細骨料宜選用級配Ⅱ區(qū)的中砂，天然砂的含泥量≤3.0%，泥塊泥量≤1.0%；外加劑需選用聚羧酸減水劑。

混凝土運輸采用特制罐車＋拖泵泵送的形式，特制罐車可實現(xiàn)運輸過程中的不間斷攪拌，防止混凝土離析。若混凝土擴展度損失或離析嚴(yán)重，經(jīng)補充外加劑或快速攪拌已無法恢復(fù)混凝土性能時，應(yīng)及時退出洞內(nèi)進行清理，不得澆筑入模。

3.3.2 仰拱混凝土澆筑質(zhì)量控制

二次襯砌為薄壁結(jié)構(gòu)，若采用人工拆管分節(jié)澆筑，則泵管難以對準(zhǔn)入料口，混凝土流量難以控制，澆筑過程中易造成大量混凝土流撒在仰拱模板及二次襯砌拱墻鋼筋上，導(dǎo)致模板清理困難、污染拱墻鋼筋。

利用運輸平板車配合分料溜槽進行澆筑，分料溜槽為上部開口的矩形結(jié)構(gòu)，兩個側(cè)面各對稱設(shè)置有多個出料口，底板橫截面為中間凸起的人字形坡，便于澆筑時混凝土朝各個出料口流動，達到快速對稱澆筑的目的（圖6）。

圖6 仰拱混凝土澆筑裝置

在分料溜槽對稱澆筑過程中，同步安排人員進行振搗，振搗要求快插慢拔，振搗時間控制在20 s以內(nèi)，避免造成薄壁混凝土出現(xiàn)過振離析。

3.3.3 拱墻混凝土澆筑質(zhì)量控制

拱墻混凝土澆筑由遠端至近端拆管式澆筑，每倉頂部設(shè)置3個澆筑口，澆筑口端部焊接泵管接頭，直接與軟管連接。澆筑之前，需要注意使所有澆筑口均處于打開狀態(tài)以便排氣，避免封模之后內(nèi)部氣壓過大而導(dǎo)致混凝土澆筑不密實[2]。

澆筑過程中，先澆筑3#澆筑口（圖7），澆筑至側(cè)模頂部觀察窗時，適當(dāng)停泵，開啟平板振搗器振搗排除氣泡。當(dāng)2#澆筑口漏漿時，立即停泵關(guān)閉3#澆筑口，拆除泵管，并將軟管接入2#澆筑口進行澆筑，依次按此方式澆筑至1#澆筑口，利用1#澆筑口進行澆筑時，應(yīng)密切關(guān)注模板上設(shè)置的帶模注漿孔，當(dāng)所有的注漿孔均冒漿時，立即停泵關(guān)閉，并安排人員敲擊模板，檢查密實情況，同步查看拖泵澆筑量，并與理論澆筑量對比。若已確定密實且澆筑量超過理論量，則補泵3～5泵后即可換下一倉澆筑；若敲擊臺車確定未澆筑密實或拖泵澆筑量未達到理論量，則繼續(xù)利用該口澆筑，并加強觀察，直至密實或達到理論澆筑量以上。

圖7 拱墻澆筑示意

3.3.4 二次襯砌施工帶模注漿

二次襯砌混凝土澆筑過程中拱部容易脫空且后期難以進行修復(fù)處理。為保證拱頂澆筑密實，臺車頂部設(shè)置帶模注漿孔，帶模注漿孔由固定法蘭、定位法蘭組成（圖8）。拱墻混凝土澆筑完畢后立即進行拱頂注漿，且不遲于混凝土澆筑完畢后12 h[3]。

圖8 帶模注漿設(shè)計方案

在臺車安裝定位后，混凝土澆筑前，安裝RPC注漿管。在固定法蘭上安裝定位法蘭，并將RPC管穿入定位法蘭，其中上端十字切口端與管片頂緊，下端要求超出定位法蘭套管3 cm。定位法蘭外接管上連接套管及注漿管固定管。待拱墻澆筑完成立即開始注漿，注漿順序由主注漿孔向端模注漿孔依次進行。

注漿管外露部位應(yīng)使用角磨機切割打磨平整，并使用改性環(huán)氧樹脂進行表面處理。對內(nèi)部完全密實的注漿孔，以注漿孔為中心涂刷改性環(huán)氧樹脂膠。注漿孔未完全密實的，先使用環(huán)氧樹脂膠泥封堵注漿孔，封堵深度不低于5 cm，然后表面再涂刷環(huán)氧樹脂膠。

3.3.5 脫模注漿

縱向注漿管在鋼筋綁扎時預(yù)埋在拱頂外側(cè)，注漿管采用孔徑20 mm的HDPE管（管壁開縫），每14.4 m設(shè)置1處注漿口，注漿口通過變形縫位置伸出拱墻臺車模板。

注漿在二次襯砌強度達到設(shè)計強度80%后進行，采用微膨脹水泥漿液進行注漿，注漿壓力0.05～0.10 MPa，注漿結(jié)束后，注漿孔應(yīng)封堵密實。

脫模后對出現(xiàn)錯臺的地方進行打磨處理，確保過水面的平順。磨除坡度以縱向1/30、垂向1/20為宜，打磨后在涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水涂料時進行抹面。對于蜂窩麻面的地方用水泥基滲透結(jié)晶防水涂料涂刷修補；對于輕微露筋現(xiàn)象，在脫模發(fā)現(xiàn)時要立即用環(huán)氧砂漿進行抹面處理。

3.4 防水工程控制措施

3.4.1 傳統(tǒng)防水施工

傳統(tǒng)施工方法采用中埋式止水材料置于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，因二次襯砌厚度較小、空間有限，中埋式止水材料下部混凝土難以填充密實，變形縫處易形成空洞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷。在內(nèi)外壓力的長期作用下，變形縫處混凝土容易崩裂，防水作用也將喪失。針對傳統(tǒng)防水施工出現(xiàn)的問題，本工程對防水設(shè)計進行優(yōu)化。

3.4.2 施工縫的防水施工

施工縫位于仰拱及拱墻交接處，采用外貼式橡膠止水帶進行防水，在止水帶背面涂刷氯丁膠，粘貼于隧道管片上。施工縫鑿毛是質(zhì)量控制的要點，鑿毛應(yīng)在混凝土強度達到10 MPa以后進行，除去所有浮漿皮和蜂窩狀混凝土，直到暴露出粗骨料為止，注意過程中不得損傷止水帶。施工縫進行鑿毛后能夠很好地使新老結(jié)合處的混凝土密實，結(jié)合牢固。

3.4.3 變形縫的防水施工

變形縫每14.4 m一道，采用環(huán)向2層防水結(jié)構(gòu)層（圖9）。第1道變形縫防水結(jié)構(gòu)層為外貼式橡膠止水帶，第2道變形縫防水結(jié)構(gòu)層為改性聚硫密封膠、Ω橡膠止水帶、金屬壓板組合形式。

圖9 變形縫構(gòu)造

外貼式橡膠止水帶粘貼于隧道管片上，縱向與環(huán)向止水帶交接處采用定制“十”字形接頭熱熔連接。為防止頂部止水帶自重脫空，應(yīng)利用鋼筋充分壓住止水帶，兩側(cè)扎絲綁在手孔螺栓上。

二次襯砌拱墻澆筑完成后，鑿除一定深度閉孔型聚乙烯泡沫板后進行改性聚硫密封膠填充，并在變形縫凹槽處涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水涂料。依次完成第1層丁基橡膠防水密封膠帶、Ω橡膠止水帶、第2層丁基橡膠防水密封膠帶粘貼。粘貼所述不銹鋼金屬壓板，變形縫凹槽底部打孔并安裝膨脹型扭矩控制式機械錨栓，最后利用聚合物水泥砂漿封堵凹槽。有效解決較小厚度二次襯砌變形縫封端問題，形成有效、穩(wěn)定的變形縫防水密封構(gòu)造。

4 結(jié)語

通過加強施工工藝控制，強化施工過程的管理，提前進行設(shè)計優(yōu)化以及施工設(shè)備改良，本工程隧道二次襯砌質(zhì)量符合要求，成形效果好。

1）鋼筋工程采用BIM集約加工、整體綁扎一次成形，能有效控制鋼筋加工精度，鋼筋綁扎質(zhì)量良好。

2）模板工程采用定制仰拱鋼模板及拱墻臺車能有效控制支模厚度、滿足曲線線形要求，抵抗仰拱混凝土浮力，承受拱墻混凝土重力。

3）二次襯砌混凝土性能要求高，應(yīng)嚴(yán)格控制配合比及原材質(zhì)量；采用特制罐車＋拖泵泵送相結(jié)合的高效運輸方式，配合自制入模裝置及臺車帶模注漿系統(tǒng)，保障混凝土澆筑的連續(xù)及密實度，確保成形質(zhì)量。

4）結(jié)合二次襯砌施工情況，充分優(yōu)化接縫防水設(shè)計及材料的選用，落實細節(jié)，保障接縫防水效果。