水工隧洞開挖與襯砌同步施工技術研究

汪良軍，王松茂，劉光星

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340）

0 引言

傳統水工隧洞施工常采用開挖貫通后再進行混凝土襯砌的施工方法，對于圍巖穩定性差的長隧洞來說，臨時支護結構使用時間長，有變形失穩的安全風險，因此設計往往要求襯砌緊跟開挖同步施工，但同步施工受斷面結構、機械設備等因素影響，施工難度大，工序交叉施工相互干擾導致工效低、成本高等問題。

對于隧洞開挖與襯砌同步施工技術，國內不少專家學者開展了相關研究，吳高明等[1]提出了有效跨度12 m的底拱棧橋和軌行式模板臺車襯砌方案；盛重權等[2]總結了隧道仰拱機械設備配套快速施工技術；陳俊超[3]對開挖與襯砌平行施工問題進行了探討；李曉華[4]總結了隧洞襯砌先邊頂拱后仰拱的施工方案；雷鳴[5]、吳志勇[6]研究了隧洞開挖及襯砌施工技術和工藝；張民慶[7]研究了鐵路隧道襯砌施工自動澆筑振搗新技術；李校珂[8]研究了新型智能化隧道襯砌臺車施工技術。

本文結合環北部灣廣東水資源配置工程合江支洞工程，針對復雜圍巖條件、復雜斷面結構、洞身縱坡大、工期緊的特點，開展隧洞開挖與襯砌同步施工技術研究，配置自動化仰拱施工棧橋和高效襯砌臺車設備，解決交叉施工相互干擾的問題，確保工程安全、質量和進度，為類似工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

環北部灣廣東水資源配置工程是解決粵西地區水資源短缺問題的重大水利工程，合江支洞作為前期試驗段項目，建成后主要作為輸水干線隧洞盾構設備步進、出渣及進料通道，同時兼顧作為處理主洞斷層破碎帶的備用通道。支洞長約1100 m，縱坡約6.54%，結構斷面為圓拱直墻反弧底形，Ⅲ類圍巖邊頂拱采用錨噴支護，Ⅳ、Ⅴ類圍巖初支后及時施工鋼筋混凝土襯砌[9]，仰拱回填素混凝土，凈斷面尺寸為8.0 m×8.0 m（寬×高），工期要求18個月。

隧洞沿線主要為低山丘陵，洞身地層為泥盆系下統蓮花山組（D1l），薄～中厚層狀變質中細粒石英砂巖、含礫不等粒石英雜砂巖，產狀較亂，全風化巖破碎，強風化巖較破碎，弱風化巖完整性差，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占32.3%、38.3%、29.6%。隧洞穿越F1、F2兩條斷層破碎帶，寬度20～40 m，圍巖極不穩定，洞室處于地下水位以下，隧洞東側地表有魚塘通過F1斷層與洞線相通，滲水和圍巖穩定是主要的工程地質問題。

2 總體思路

（1）隧洞施工的關鍵工作是開挖，按照以“隧洞開挖”為主的原則，襯砌作業盡量減少對開挖作業的影響，當開挖與襯砌作業相互干擾時，襯砌作業給開挖作業讓路。

（2）襯砌結構分段長度為12 m，按先仰拱、后邊頂拱的順序澆筑，仰拱施工采用棧橋解決洞內運輸問題，橋下進行襯砌作業；邊頂拱襯砌采用步履式液壓襯砌臺車一次澆筑成型，利用多功能作業平臺提前鋪設防水板、安裝鋼筋。

（3）由于圍巖穩定性較差，需盡快完成襯砌，結合爆破振動對新澆襯砌結構的影響和開挖作業所需最小距離，開挖與仰拱、邊拱頂襯砌施工步距初步控制在60 m、120 m左右，施工過程中根據初支變形監測結果優化調整，同步施工布置如圖1所示。

圖1 隧洞開挖與襯砌同步施工布置圖

3 同步施工技術

3.1 洞身開挖施工方法

洞身開挖采用鉆爆法，根據圍巖條件、隧洞坡度，結合后續仰拱棧橋架設需預留的臺階高度，按照參考文獻[10]開挖施工要求，采取如下施工方法：

（1）Ⅲ類圍巖穩定性相對較好，采用全斷面開挖，循環進尺控制在2.5～3.0 m，每掘進2～3個循環做一次錨噴支護，出渣時底部預留1.2 m 厚堆渣高度，待仰拱施工時再進行清理。

（2）Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用臺階法開挖，分上、中、下3個臺階，上臺階長度控制在15～20 m，Ⅴ類圍巖上臺階預留核心土，臺階高度和開挖順序如圖2所示，下臺階待仰拱施工時再進行開挖。

圖2 Ⅳ、Ⅴ類圍巖臺階法開挖示意圖

（3）Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖每循環進尺分別控制在1.0 m 和2.0 m 左右，上、中臺階同時爆破掘進，每循環爆破后立即噴混凝土封閉巖面，出渣后，再架立鋼拱架，打錨桿、掛網、噴射混凝土；Ⅴ類圍巖在開挖前按設計要求拱頂120°打設超前注漿小導管。

3.2 仰拱開挖襯砌施工技術

3.2.1 仰拱棧橋的選定

仰拱棧橋是解決隧洞開挖與仰拱施工相互干擾的關鍵設備，棧橋正常通行時，棧橋下可同時進行仰拱清基、襯砌等工序的施工。采用全液壓移動式仰拱棧橋，由大型鋼結構件制作，主要由主橋、長引橋、短引橋、桁架體系、縱移滑座、橫移滑座、仰拱模板、液壓系統組成（如圖3、圖4所示），特點如下：

圖3 全自動液壓仰拱棧橋縱剖面示意圖

圖4 全自動液壓仰拱棧橋橫剖面示意圖

（1）棧橋有效襯砌長度24 m，有效行車寬度3.6 m，前后坡腳坡度9.1°，升降油缸行程500 mm，前坡腳起升行程800 mm，額定承載能力50 t，棧橋前后移動及左右調整采用無軌式液壓行走，1 人即可操控，自動化程度及安全性高；

（2）考慮隧洞坡度較大，棧橋前后引橋坡度可以調節，確保運輸車輛上棧橋最大坡度不超過10%。棧橋跨度大，凈高1.7 m，橋下有足夠的空間方便作業，仰拱襯砌可按12.0 m 段長流水作業，保證了班組連續作業和混凝土等強時間；

（3）仰拱棧橋配整體式仰拱混凝土施工模板、澆筑溜槽、仰拱填充攤鋪機、堵頭模板等附屬配套設施，實現仰拱高效施工。

3.2.2 仰拱開挖

隧洞開挖預留仰拱開挖高度約1.2 m，Ⅲ類圍巖段已經爆破開挖完成，僅需清渣即可，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段仰拱開挖采用預裂爆破和液壓破碎錘聯合開挖，開挖完成后移動仰拱棧橋就位，橋下進行仰拱初期支護和襯砌施工。

3.2.3 仰拱混凝土襯砌

仰拱模板采用整體式移動模架，與液壓棧橋設計成整體，腋角模板采用弧形鋼模板，單側模板分為4件，模板之間采用螺栓連接成整體，模板與桁架體系采用可調絲桿連接，模板通過手拉葫蘆懸掛在橫梁體系的行走小車上，端頭采用木模板（如圖4所示）。這種模板設計，定位更容易、準確，能有效控制模板在施工過程中的變形，結構簡單，易于安裝，大大節省周轉材料和輔助材料，施工質量穩定，且省時、省力、工效快。混凝土通過輸送泵和布料機輸送入倉，在腋角模板弧段中心每隔2.0 m 布置一個附著式振動器，解決腋角混凝土振搗不密實易產生氣泡、蜂窩等質量通病。

3.3 邊頂拱襯砌施工技術

3.3.1 多功能高效襯砌鋼模臺車設計

考慮隧洞坡度較大，襯砌施工選用抗滑性能強的步履式液壓行走鋼模板臺車，無需鋪設軌枕，總長12.1 m，有效長度為12 m，最大通過能力3.98 m×4.90 m（寬×高），行走速度8 m/min（如圖5 所示）。臺車配置有先進的混凝土自動化分倉澆筑系統、附著式振搗系統及防止空洞系統、新型端頭模板，并具有防泄露、防堵管、快速清洗功能，配有廢料回收和處理裝置，滿足環保要求，邊墻底部模板與仰拱混凝土采用軟搭接，確保接縫平順和密封性。

圖5 多功能高效襯砌臺車布置示意圖

3.3.2 自動逐倉澆筑技術

模板臺車自動澆注系統主要由自動澆注主機裝置、自動澆注控制系統、布料分管裝置、廢料回收和處理裝置、快速清洗裝置、各分層逐窗澆筑管路系統等組成。左、右側模板各對稱布置14個澆注窗口（50 cm×50 cm），分4 層梅花型布置，頂部布置3個Φ125 mm 灌注口，布料分管共計15 根，左、右側模板每層窗口布置2 根，正拱部3根，自動澆注系統各管路之間可自動切換，滿足混凝土分層逐窗澆筑和拱頂分孔澆筑。混凝土澆筑時按照“分層、由低到高、左右對稱、先前端再后端”的施工順序，分層厚度控制在30～50 cm，邊墻振搗以插入式為主、附著式為輔，頂拱振搗采用附著式。

3.3.3 新型端頭封堵模板

襯砌結構縫質量控制是施工的薄弱環節，常發生滲漏等問題，對臺車端頭鋼模結構進行針對性設計，按設計襯砌厚度為50 cm/60 cm，端頭鋼模與臺車搭接50 mm，止水銅片位置為臺車面板以上250 mm處，端頭模板結構為下部鋼堵頭+上部高分子復合擋板裝置（如圖6 所示），具有結構簡便、安拆迅速、密封性好的特點。

圖6 端頭模板結構布置示意圖

3.3.4 智能混凝土澆筑預警技術

在隧洞襯砌施工時，拱頂混凝土澆注是質量控制的要點和難點，澆注不飽滿導致拱頂背后脫空，存在質量隱患，增加后續處理難度和費用。模板臺車配置DoLa?-360P智能混凝土灌注預警系統保證混凝土灌注飽滿，解決拱頂脫空問題，預警系統運行時，當注滿提示燈變亮（紅色），同時發出蜂鳴聲，提示拱頂澆筑到位時；當未滿提示燈一在亮狀態（綠色），提示可以繼續澆筑。

4 應用效果

4.1 工效分析

（1）合江支洞按照以“開挖為主”的同步襯砌施工方案，洞身開挖施工進度受襯砌施工的影響較少，開挖效率達到傳統施工方法的95%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的月均開挖進度為153.0 m、76.5 m、38.3 m，見表1。

表1 隧洞開挖月均進度表

（2）仰拱施工按棧橋有效長度分A、B兩個流水施工段（每段為12 m），Ⅴ類圍巖仰拱施工循環時間為68 h（見圖7），根據參考文獻[11]渣車行走對仰拱混凝土強度的要求，仰拱充填混凝土7 d 強度后采取加鋪鋼板的措施開放交通，9 d完成1個澆筑循環（24 m），連續施工情況下月均襯砌進度為80 m，大于Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖施工進度，不會影響開挖施工，仰拱實際襯砌進度取決于隧洞開挖進度。

圖7 仰拱施工循環作業時間（Ⅴ類圍巖）

（3）邊頂拱施工循環時間為68 h（見圖8），其中防水板、鋼筋安裝可提前平行作業，不影響臺車就位和混凝土澆筑，拱頂襯砌強度達到5 MPa[12]即可脫模，臺車完成12 m 襯砌混凝土澆筑消耗時間為38 h，連續施工情況下月均襯砌進度為192 m，遠大于隧洞開挖、仰拱施工進度，實際襯砌速度取決于仰拱襯砌進度。

圖8 邊頂拱施工循環作業時間（Ⅴ類圍巖）

4.2 安全效果

從圖9可以看出，IV、V類圍巖洞身收斂變形分別持續30 d、45 d左右趨于穩定，開挖與邊頂拱襯砌施工步距控制在60 d開挖進尺的距離（約80-150 m）是合適的，符合初期支護變形穩定后及時進行襯砌施工的設計要求，初支結構在砌襯施工前的收斂變形量穩定在4 mm左右，變形值較小，確保了隧洞安全。

圖9 洞身三角收斂變形曲線圖

4.3 工期效益

目前，合江支洞完成洞身開挖、襯砌共計600 m，其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖分別為348 m、252 m，實際工期11.5 個月，從圖10 中可以看出，與傳統施工方法比較，開挖進度基本一致，襯砌施工時間較長，人工、設備施工成本相對較高，但總工期縮短了1.5個月，工期節省11.5%，工期優勢明顯，工期提前帶來的經濟效益要遠大于增加的施工成本。

圖10 兩種施工方法工期對比分析

5 結語

環北部灣廣東水資源配置工程合江支洞施工實踐證明，所采用的開挖與襯砌同步施工技術先進、可行，取得較好的效果，保證了隧洞施工安全，縮短了工期，為后續輸水干線隧洞設計和施工提供了經驗，也值得類似工程借鑒。