輸水盾構隧洞內襯自密實混凝土施工技術

石愛軍，汪永劍*，姚楚康，謝祥明，伍玉龍，蔡怡欣

(1.廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340；2.廣東省新材料與結構工程技術研究中心，廣東 廣州 511340；3.廣東省水利水電工程技術研究中心，廣東 廣州 511340)

中國水資源時空分布極不均勻，水資源短缺和水環境惡化嚴重影響經濟社會的可持續發展[1]。為緩解水資源時空分布不均問題，自20世紀80年代開始，中國已經興建或規劃設計了數十項大型跨流域調水工程[2]，先后建成了天津“引灤入津”、山東“引黃濟青”、遼寧“引碧入連”、甘肅“引大入秦”、山西“引黃入晉”、新疆“引額濟克(烏)”、廣東“東深供水”、云南“牛欄江-滇池補水”、南水北調工程東線、中線一期等工程，這些調水工程的投入運行提高了受水區供水保障能力，發揮了顯著的經濟社會和生態環境效益，對支撐當地的經濟社會發展發揮了重要作用[3]。

隨著調水工程的規模越來越大，輸水隧洞越來越長(可達幾十千米)、埋入地下越來越深(可達上千米)，工程地質也越來越復雜。傳統的鉆爆法難以適應長距離深埋輸水隧洞施工要求，而常用于交通隧洞施工的盾構法機械化、自動化程度高，能適應各種復雜地質，可實現破巖、出碴、運輸、襯砌等多種工序聯合作業，具有優質、高效、安全等優點，已開始應用于水資源調配隧洞工程[4]。但輸水隧洞與交通隧洞并不完全相同，輸水隧洞在運行期間除承受外部的水土壓力外，還須承受較大的內水壓力；而盾構管片單襯結構無法承擔內水壓力荷載產生的環向拉力，需采用復合襯砌結構(外襯為盾構管片，內襯為現澆預應力混凝土或“鋼內筒+混凝土”)[5]。而隧洞內襯結構厚度小、鋼筋密，混凝土振搗難度大，為保證內襯質量，須采用自密實混凝土[6]。

自密實混凝土是一種無需振搗能在重力作用下自動流平充滿模型并包裹鋼筋的高流動性混凝土，具有施工效率高、勞動成本低、噪聲污染小等優點[7]，適用于配筋密集、結構復雜等施工空間受限的工程結構。近年來，在中國得到廣泛研究和推廣，已逐步應用于超高層建筑[8]、橋梁特殊結構[9]、堆石混凝土壩[10]、裝飾裝修工程[11]，取得了良好的效果。

因輸水盾構隧洞的特殊性，其內襯自密實混凝土施工面臨在工作井內高落差垂直運輸、在圓形隧洞內長距離水平運輸、密閉環形襯砌結構入倉等難題。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是目前世界上輸水壓力最大、盾構隧洞最長的調水工程，西起西江干流佛山順德江段鯉魚洲，經廣州南沙區新建的高新沙水庫，向東至東莞市松木山水庫、深圳市羅田水庫、公明水庫，輸水線路總長113.2 km，采用全封閉深層地下輸水方式。隧洞位于地下40～60 m處，內外水壓力高，襯砌設計、施工難度大。為驗證、優化隧洞襯砌結構設計，積累盾構隧洞襯砌施工經驗，進行試驗段項目建設。

試驗段項目為珠江三角洲水資源配置工程深圳分干線(羅田水庫—公明水庫段)的一部分，位于深圳市公明水庫下游，包括1 436 m長盾構隧洞、公明水庫進庫閘及交通橋、盾構施工工作井。隧洞內徑4.8 m(設計水流流速1.66 m/s)，采用盾構法施工，外襯預制管片(外徑6 m、內徑5.4 m)、內襯DN4800鋼管(外設加勁環)，鋼管與管片間充填C30自密實混凝土。隧洞襯砌結構見圖1。

圖1 盾構隧洞D6000標準斷面襯砌結構

試驗段項目盾構隧洞自密實混凝土只能通過工作井(始發井及接收井)運輸，且在隧洞內運輸線路長、內襯鋼管內壁涂敷了高等級防腐涂料，自密實混凝土的垂直和水平運輸方法將是影響其施工質量和進度的重要因素；盾構隧洞外襯管片與內襯鋼管之間的密閉環形結構凈厚度只有28.0 cm，通過設置在鋼管上的澆筑孔入倉后的自密實混凝土無法人工平整、振搗，在隧洞頂部位置需翻越內襯鋼管外側間距1.5 m、高12 cm的加勁環，自流填滿結構空間，其澆筑孔的位置及間距將對其填充質量產生重大影響；內襯鋼管管徑大、單節長達12 m，外部空間小，就位后只能在鋼管的兩端進行加固，自密實混凝土澆筑過程鋼管易上浮、側移，對混凝土的澆筑方法提出了較高要求。

2 自密實混凝土施工技術

試驗段項目盾構隧洞總長1 436 m，其中，公明水庫進庫閘井至盾構始發井之間隧洞長452 m，盾構始發井至接收井之間隧洞長984 m。由于盾構隧洞結構特點，自密實混凝土需采用合理的垂直和水平運輸方式運送至隧洞各個澆筑倉位。部分自密實混凝土通過盾構始發井垂直運輸到井底，向下游水庫進庫閘井方向水平運輸完成452 m長隧洞澆筑，向上游盾構接收井方向水平運輸完成504 m長隧洞澆筑；部分自密實混凝土通過盾構接收井垂直運輸到井底，向下游始發井方向水平運輸完成480 m長隧洞澆筑。工程使用的C30自密實混凝土配合比見表1。

表1 自密實混凝土配合比

2.1 自密實混凝土運輸方法

2.1.1工作井內垂直運輸方法

混凝土拌和物是一種具有彈性、黏性、塑性等特征的流變體，其骨料的相對位移(骨料的分離程度)與骨料密度、粒徑的平方、骨料運行速度成正比，與混凝土黏性系數成反比[12]。即混凝土配合比已確定時，混凝土骨料的分離程度只與其下落速度有關，其自由落差越大，混凝土下落速度越快，骨料就越容易分離。因此，《水工混凝土施工規范》[13]規定，混凝土自由下落高度不宜大于2 m，超過時，應采取緩降或其他措施，防止混凝土中骨料分離。目前采用的緩降措施主要是采用溜筒、溜槽[14]、真空溜管[15]、My-Box溜管[16]、緩降溜管[17]、滿管溜筒[18]、抗分離溜管[19]等進行混凝土高落差輸送。

試驗段項目始發井深16.2 m(平面30 m×13.4 m)，混凝土輸送落差大，結合工程實際情況、混凝土特性及各種溜送筒、管、槽的制作難易、操作復雜程度等因素，確定自密實混凝土在工作井內的垂直運輸采用串筒與溜管相結合的方式進行。上部采用鋼串筒，每節長1.2 m(上口徑30 cm、下口徑25 cm)，上節串筒伸入下節串筒20 cm，共7節，總長7 m，垂直布置；串筒進口與混凝土料斗相接，出口與下部溜管的進料斗相接。下部鋼溜管管徑30 cm，溜管坡度為1∶1，溜管總長11.3 m(包括進料斗)，溜管出料口位于混凝土輸送泵喂料口上方。混凝土料斗、串筒及溜管采用腳手架平臺進行安裝固定，并與工作井支撐梁、井壁等混凝土結構采用預埋膨脹螺栓進行焊接連接錨固。

2.1.2隧洞內長距離水平運輸方法

隧洞內自密實混凝土施工在內襯鋼管全部安裝完成后進行，因內襯鋼管內壁涂敷了高等級防腐涂料，混凝土土水平運輸不能采用對防腐涂料有損傷的輪胎式攪拌運輸車或需鋪設、固定軌道的運輸設備，因此選用混凝土輸送泵。

本工程混凝土輸送泵最大水平輸送距離為504 m，自密實混凝土最大骨料粒徑為20 mm，參照《混凝土泵送施工技術規程》[20]相關要求，混凝土輸送管選用直徑為125 mm的標準高壓泵送管，并根據輸送管管徑、配管情況、泵送系統附件、混凝土澆筑強度要求、混凝土性能指標等實際情況，選用HBT80C型混凝土輸送泵(理論混凝土輸送量，低壓/高壓：85/50 m3/h；理論混凝土輸送壓力，低壓/高壓：10/18 MPa)。經計算，在低壓輸送60 m3/h時，最遠可輸送720 m，滿足自密實混凝土最大水平輸送距離504 m的施工要求。

混凝土輸送泵放置在工作井底溜管出口下，通過混凝土泵管將自密實混凝土輸送至隧洞內襯鋼管的澆筑孔進行澆筑。

2.2 自密實混凝土澆筑方法

2.2.1澆筑分段

為減少施工干擾，提高施工效率，自密實混凝土在隧洞內襯鋼管全部安裝完后進行施工。內襯鋼管分節安裝長度為12 m，3節鋼管36 m長分為1個澆筑段，504 m隧洞共分14個澆筑段。采用快易收口網免拆模板作為各澆筑段間的分隔模板，即每隔36 m在隧洞外襯管片與內襯鋼管之間采用快易收口網進行全環分倉。單環快易收口網免拆模板加工成單片構件，采用鋼筋作為支架，在內襯鋼管安裝時將快易收口網預制構件焊接固定于鋼管端口外壁面(圖2)。

圖2 收口網免拆模版固定

2.2.2澆筑孔設置

因復合內襯結構空間全封閉，自密實混凝土入倉需在內襯鋼管上設置澆筑孔；入倉后自密實混凝土無法人工平整、振搗，需自流填滿結構空間。為確保倉內自密實混凝土能澆筑均勻、密實飽滿，進行倉內空間自密實混凝土施工模擬試驗，以合理設置澆筑孔。

試驗模擬內襯鋼管頂部最不易填充密實的部位，在長6 m、寬1 m、高28 cm、兩端端頭板上分別設有進料孔和排氣孔的木盒內(每隔1.5 m設置1條高12 cm、厚3 cm的肋條、上部封蓋透明有機玻璃，見圖3)進行。試驗時，自密實混凝土通過端頭板上的進料孔灌入，往另一端自流充填，在自流翻越3條橫肋后流動速度變得緩慢，雖然還能自流至木盒尾端，但在接近尾端的1.0 m范圍內形成一個斜坡，不能填滿木盒頂部(圖4)。試驗完成后，在每條橫肋附近鉆孔取芯，混凝土芯樣表面平整光滑，無蜂窩麻面，內部充填密實，骨料分布均勻。試驗結果表明，自密實混凝土在內襯鋼管頂部單向能夠自流填滿空間的長度為5.0 m。

圖3 模擬試驗澆筑模盒

圖4 試驗成型混凝土結構

根據模擬試驗成果，為確保施工質量，確定在內襯鋼管上的澆筑孔水平間距為6.0 m(考慮自密實混凝土入倉后能向上、下游兩側各填充3.0 m)。每個斷面左、右腰部各布置1個，拱部布置1個，澆筑孔徑孔φ150 mm。

2.2.3注漿孔及觀察孔設置

自密實混凝土凝固并收縮完成后，會在混凝土與外襯管片間留下細微間隙，為保證復合內襯的整體性，需對細微間隙進行注漿。注漿孔設在隧洞拱部，除利用拱部澆筑孔封板預留直徑為φ50 mm注漿孔外，在拱部2個澆筑孔之間增設1個φ50 mm的注漿孔(注漿管伸入內襯鋼管內距外襯管片1 cm)，該注漿孔可用于觀察混凝土泵送過程的情況，同時兼有排氣功能，防止鋼管頂部出現較大的空洞。待自密實混凝土澆筑完成后將臨時螺栓旋入澆筑孔，從臨時螺栓中預留的注漿孔進行注漿。注漿結束后取下臨時螺栓，旋入永久螺栓，再放置封堵鋼板并焊接。

2.2.4輸送管路布置

自密實混凝土采用后退式澆筑方法，輸送管從輸送泵出機口接出，沿隧洞底部一次性安裝504 m，然后由遠至近拆管依次澆筑每個36 m節段。因36 m節段內襯鋼管由3節12 m長鋼管在洞內就位后焊接而成，其外部加固只能在每節12 m鋼管的頭尾兩端進行，中間無法進行外部加固，在澆筑過程，易產生上浮、側移等質量問題。為防止質量問題產生，需確保內襯鋼管兩側的自密實混凝土同步下料、均衡上升，因此在混凝土輸送管端部連接一條“Y”型三通管，三通管中的2條管同時對接內襯鋼管兩側腰部的澆筑孔。為因應泵管安裝誤差及不同澆筑孔高度，在三通管尾部接軟膠管與澆筑孔相連。為避免輸送管、混凝土漿碴損壞、污染鋼管內壁防腐涂料，在輸送管下墊方木并在澆筑節段內鋪設布墊。為防止隧洞拱頂澆完拆管時混凝土倒流導致拱頂混凝土脫空，在內襯鋼管頂部澆筑孔上設置止回閥(管徑φ125 mm，內側設法蘭盤與澆筑孔相接，外側與三通管尾部的軟膠管連接)。

2.2.5分層澆筑

自密實混凝土采用平鋪法澆筑，根據其施工性能、內襯鋼管的受力(浮力、側壓力)計算分析，各倉段分3層澆筑(第1層厚72 cm，第2層厚198 cm澆至內襯鋼管腰部，第3層厚270 cm澆至隧洞頂)，每層澆完初凝后再澆筑上層(每層澆筑速度不超過2 m/h)。第1層與第2層自密實混凝土經“Y”型三通管及內襯鋼管腰部兩側的澆筑孔同步下料、均衡上升，第3層經內襯鋼管拱部的止回閥及澆筑孔入倉。

當內襯鋼管拱部2個澆筑孔之間的觀察管(注漿管)向下流混凝土漿液時，表明2個澆筑孔之間的6 m段長結構空間被自密實混凝土完全填滿。當每層每個澆筑孔的自密實混凝土澆完后，拆下軟膠管(第3層拆軟管前需先關閉止回閥)，接入下一澆筑孔繼續澆筑，如此循環往復、逐孔澆筑。

2.2.6反向清洗輸送管

每倉段自密實混凝土澆筑完成后，在不能連續進行作業時，需清洗輸送管路。常規采用的在混凝土泵處壓入水或高壓氣將輸送管內殘留混凝向澆筑倉方向推出的正向清洗方法，清洗出的混凝土及漿碴(管線越長，量越大)會導致作業倉面污水橫流，影響施工，且大量的混凝土及漿碴需人工長距離清運出隧洞，耗時費力。本項目中，針對工程特點，研發了一種反向清洗輸送管的方法[21]，在澆筑倉面的輸送管端頭連接空壓機(本工程采用1臺15 m3箱式空壓機)供氣，輸送管內塞入清洗球，將輸送管內殘留混凝土向輸送泵方向推出，清出的殘余混凝土與漿液全部在工作井混凝土泵處接取，并妥善處理外運。

2.2.7拱頂回填注漿

在隧洞自密實混凝土襯砌完28 d，其收縮變形基本穩定后進行拱頂回填注漿。注漿前需鉆設及清理注漿孔，在澆筑孔處的注漿孔位，需擰開澆筑孔中部的臨時封蓋注漿螺栓，采用YT-28型手風鉆鉆孔徑38 mm孔，孔深穿透自密實混凝土層，但不得傷及外襯管片；在兼作排氣孔及觀察孔的注漿孔位，因預先埋設了φ50管，只需清除管中的漿渣即可。

回填注漿采用純壓注漿法(水泥漿料水灰比為0.5)，以12 m長隧洞為一個施工段，每段頂部有4個注漿孔。注漿時，4個孔全部打開，采用0.1 MPa的注漿壓力，從低處孔注進(高處孔作排氣孔)，直至高處孔有漿液溢出，且注漿孔停止吸漿后，繼續灌注10 min后結束該孔注漿，轉入下一孔位。各注漿孔回填注漿結束后，焊接鋼板封堵注漿孔。

3 應用效果及建議

3.1 應用效果

自密實混凝土經垂直運輸后未觀察到骨料分離現象，水平泵送過程中未發生堵管，混凝土質量基本不受影響；自密實混凝土澆筑時內襯鋼管兩側能夠同步下料、均衡上升，內襯鋼管未發生上浮和側移，施工過程未對內襯鋼管內壁防腐涂料造成損壞和污染。

自密實混凝土澆筑完回填注漿前，通過內襯鋼管拱部隨機選取的4個預留未封堵澆筑孔，鉆孔取芯。鉆取的自密實混凝土芯樣外表平整光滑、飽滿密實，芯樣長27.0～27.5 cm，與理論長度相差0.5～1.0 cm，即內襯鋼管頂部的自密實混凝土與外襯管片之間存在最大1.0 cm的空隙，滿足設計的脫空高度小于2.0 cm要求。回填注漿后隨機鉆取12孔芯樣，自密實混凝土芯樣長度均達28 cm，即內襯鋼管頂部注漿飽滿，不存在脫空現象。

該技術經總結后，在韓江粵東灌區續建配套與節水改造工程半洋隧洞引水工程推廣應用，效果良好，并即將在本單位承建的珠江三角洲水資源配置工程主體中采用。

3.2 應用建議

混凝土輸送管尾采用軟膠管與澆筑孔相接，可保證輸送管與不同高度澆注孔順利連接，但較長的軟膠管易造成堵管，因此，軟膠管應盡量短。

當輸水盾構隧洞縱向坡度較大時，內襯自密度混凝土一次澆筑段長應適中，不宜過長，否則每層混凝土澆筑時，澆筑段頭、尾兩處混凝土厚度相差太大，導致內襯鋼管(模板)頭、尾2處產生較大的混凝土浮力差，對內襯鋼管(模板)穩定不利。

混凝土采用管式裝置進行高落差垂直溜送，其骨料是否分離，目前主要是憑經驗進行主觀定性判斷，在實踐中易產生分歧，建議參照文獻[22]采用定量檢測的方法進行評價。

4 結語

輸水盾構隧洞復合襯砌自密實混凝土在豎井內垂直運輸采用串筒和溜管相結合的方式，其結構簡單、制安方便，能有效防止自密實混凝土骨料分離，保證混凝土運輸質量。

隧洞內襯自密實混凝土采用輸送泵及尾部連接“Y”型三通管的輸送管進行水平運輸，并分層間歇澆筑，可使內襯鋼管兩側混凝土同步下料、均衡上升、浮力可控，能避免澆筑過程加固受限的鋼管產生上浮、側移等質量問題。

隧洞拱頂澆筑孔連接止回閥，可避免拱頂自密實混凝土澆完拆管時混凝土倒流，防止澆筑孔上部混凝土因拆管而造成脫空。自密實混凝土輸送泵管采用氣壓反向清洗法，可避免對內襯鋼管的污染，清洗出的廢料可集中處理，可減少對環境的污染。

采用本技術進行輸水盾構隧洞復合內襯自密實混凝土施工，可保證施工質量，具有參考應用價值。