摘 "要：南水北調(diào)穿黃隧洞項目為我國首次采用盾構(gòu)管片拼裝式結(jié)構(gòu)與襯砌預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型雙層復(fù)合襯砌型式，外襯為拼裝式管片環(huán)，在盾構(gòu)施工過程中完成;內(nèi)襯為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)外襯以排水墊層分隔，具單獨受力特性，在基本荷載組合下，全截面受壓，通過墊層的設(shè)置，加強對滲漏水的排放，借以防止內(nèi)水外滲造成洞外圍土滲透破壞。本文通過對現(xiàn)場運輸合理布置、波紋管安裝精度的控制、預(yù)應(yīng)力孔道堵塞處理、混凝土拆模時間的分析研究，為隧洞施工提供有效的經(jīng)驗和技術(shù)。

關(guān)鍵詞：穿黃隧洞內(nèi)襯;岔道;排水墊層;波紋管;軟軸疏通器;拆模強度;

中圖分類號：TV5 " " "文章編號：1674-3520（2014）-11-00-03

一、工程概述

穿黃工程位于河南省鄭州市上游約30km處，線路總長19.30km，主體工程由南、北岸渠道，穿黃隧道，進、出口建筑物等工程組成。穿黃工程是南水北調(diào)中線的關(guān)鍵工程，穿黃隧洞為工程的咽喉。穿黃隧洞包括過黃河隧洞和邙山隧洞，共長4250m。過黃河隧洞長3450m，坡度在北向南2000m處由2‰變?yōu)?‰。隧洞段兩端各設(shè)有施工豎井。邙山隧洞水平投影長800m，由北向南設(shè)計坡度為49.107‰，用半徑為800m的豎曲線將過黃河隧洞與邙山隧洞相連。如圖1

圖1 "穿黃隧洞縱坡面示意圖

穿黃隧洞為全圓斷面，內(nèi)徑7.0m，外徑8.7m。隧洞襯砌由內(nèi)外兩層組成，外襯為7塊鋼筋混凝土預(yù)制管片錯縫拼裝，采用C50.W12.F200的高強防水鋼筋混凝土，管片厚40cm，環(huán)寬1.6m;內(nèi)襯采用現(xiàn)澆法施工（二次襯砌），為后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，采用C40.W12.F200預(yù)應(yīng)力混凝土，厚45cm，標準分段長度為9.6m。預(yù)應(yīng)力錨索間距為45cm，每束由12根預(yù)應(yīng)力鋼絞線集束而成。如圖2、3所示。

圖2 "隧洞結(jié)構(gòu)全斷面圖

圖3 "隧洞內(nèi)襯斷面圖

二、洞內(nèi)道岔最佳位置布置研究分析

洞內(nèi)車道底板寬度為3.1m，考慮空間限制、施工影響等因素，采用單軌道進行物資運輸。由于洞內(nèi)工序復(fù)雜，施工作業(yè)面較多，面對如何有效的施工，材料的及時供應(yīng)成為一個制約因素，通過減少軌道車在豎井、道岔及作業(yè)面的等候時間，使軌道車能夠有效利用，是控制的關(guān)鍵。因此對洞內(nèi)岔道的合理布置，顯得尤為重要，通過對施工狀況進行了分析，建立模型，模擬施工情況，確定岔道布置的位置，為施工進行指導。

圖4 "作業(yè)面施工布置

（一）根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況進行計算假設(shè)

電瓶車到豎井直接接料，無須等候。

豎井準備接料至接料完畢發(fā)車的時間，取10min。

混凝土罐車到工作面時間至出料完畢發(fā)車時間，取6min。

△t1-----兩車在道岔相遇會車時間為2min。

△t2----1#車在道岔處等待時間。

車輛在x段行駛速度為5.7km/h，在y段行駛速度為8.6km/h。

作業(yè)面臺車布置160m，考慮安全行駛速度，電瓶車速度取2.4km/h。

x---道岔至臺車作業(yè)面的距離

y---豎井至道岔的距離

x+y=1278*1.6-0.16=2.04

（二）最佳行駛狀態(tài)：

假設(shè)1#車出料完成后與2#送料車在道岔相遇時，1#車優(yōu)先行駛，2#等1#車過道岔后往工作面行駛。則最佳狀態(tài)為，2#送完料行駛到道岔處時，1#車剛好進道岔躲避，等候1#的通過。

則有2#車從道岔會車到下次道岔相遇的時間為：

△t1+2x/5.7+2*0.16/2.4+6/60=2/60+2x/5.7+2*0.16/2.4+6/60

1#車從道岔通過到接料后再次在道岔等候2#通過時間為：

y/8.6+10/60+y/8.6+△t2

綜上所述，當y/8.6+10/60+y/8.6+△t2=2/60+2x/5.7+2*0.16/2.4+6/60且△t2為零時，是最佳行駛狀態(tài)。

解：y/8.6+10/60+y/8.6+△t2=2/60+2x/5.7+2*0.16/2.4+6/60

得：y=1.4

即岔道布置在距豎井1.4km處是最佳狀態(tài)，由于施工的推進，考慮x+y的值逐漸縮短，可考慮道岔布置設(shè)在距離北岸豎井1.2km附近。通過施工距離的變化，根據(jù)模型分析將岔道重新布設(shè)合理的位置。

三、內(nèi)襯工藝研究

穿黃隧洞結(jié)構(gòu)為內(nèi)外襯雙層結(jié)構(gòu)，外襯由預(yù)制管片拼裝而成，內(nèi)襯為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力薄壁結(jié)構(gòu)。內(nèi)外襯之間鋪設(shè)排水墊層（兩層土工布，中間為PE格柵），內(nèi)襯和外襯滲水通過排水墊層及時匯集排出，如土工布出現(xiàn)破損，則施工時水泥漿可能進度排水墊層，造成排水墊層堵塞，從而引起局部水壓不能及時釋放而影響隧洞的長期安全運行，因此對排水墊層的保護尤為重要。

（一）排水墊層的防護

排水墊層鋪設(shè)完成之后，進行外層鋼筋的綁扎工作。由于鋼筋焊接時容易燒傷排水墊層，為了保護排水墊層，主要從兩個方面考慮施工措施：

1gt;在墊層上表面涂刷防燙傷材料

2gt;鋼筋采用機械連接，避免洞內(nèi)的焊接作業(yè)。

由于機械連接適合直徑較大的鋼筋的連接，內(nèi)襯施工所用鋼筋最大直徑為Φ22mm，且洞內(nèi)底板與邊頂拱分開施工，兩側(cè)預(yù)埋插筋車絲施工比較困難，因此通過機械連接來減少焊接作業(yè)，此種方案不適合穿黃隧洞內(nèi)襯。

試驗中通過在墊層表面鋪設(shè)濕硬紙殼、石棉布、薄鐵片等發(fā)現(xiàn)雖能減少焊渣對墊層的燙傷，但施工比較麻煩且現(xiàn)場比較凌亂。最后通過多次努力嘗試，采用在墊層上涂刷一層2～3mm厚的水泥漿，可有效的防止焊渣對墊層的燙傷，且施工簡單，減少了文明施工的投入，大大提高了施工效率。

（二）軟軸疏通器的發(fā)明與應(yīng)用

內(nèi)襯施工中出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力孔道進漿，導致孔道不通暢，穿鋼絞線困難的情況。對此種情況需要開槽疏通，影響結(jié)構(gòu)。經(jīng)過現(xiàn)場施工人員的不斷摸索，發(fā)明了專門疏通孔道堵塞的軟軸疏通器（見圖5），經(jīng)過施工實踐證明，軟軸疏通器對堵塞的預(yù)應(yīng)力孔道的疏通效果良好且對結(jié)構(gòu)物損傷，尤其在孔道內(nèi)水泥漿強度不高時，效果更加明顯，此項專利發(fā)明解決了曲線孔道堵塞的疏通問題，提供了寶貴的經(jīng)驗。

工作原理：通過振搗器進行改造，由電機帶動軟軸進行轉(zhuǎn)動，軟軸帶動外鍍金剛砂的磨頭（見圖6）轉(zhuǎn)動，通過導向盤的支撐來控制行進方向。施工時，人為施加推進力，使磨頭與砼緊挨，在外鍍金剛砂磨頭的高速下，將混凝土磨成細粉。疏通時，通過透水管向磨頭注壓力水，將水泥灰漿排出，降低磨頭切削砼而產(chǎn)生的高溫，避免設(shè)備因高溫而損壞。

圖5 "軟軸疏通器剖面圖

圖6 "外鍍金剛砂磨頭模型

（三）鋼模臺車脫模強度分析

按規(guī)范要求，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學原理建立計算模型，確定邊界條件和計算方法。

（1）計算假定：

1、根據(jù)圓形混凝土襯砌斷面受力特點及其襯砌施工時間，取上半拱180°作為計算斷面。

2、外襯采用混凝土預(yù)制管片，管片變形已經(jīng)穩(wěn)定，故計算不考慮管片影響，只考慮內(nèi)襯混凝土自重。

3、隧洞無滲水現(xiàn)象，故不考慮外水壓力。

4、洞內(nèi)氣溫在15～18°C，不計混凝土溫度應(yīng)力。

5、為簡化計算，不考慮混凝土中的鋼筋骨架作用。

6、取上半拱180°，按單寬對無鉸拱進行內(nèi)力計算，計算簡圖見圖7、圖8。

圖7無鉸拱計算模型 " " " " " " " " " " " " " 圖8 單位寬度襯砌截面

（2）計算及結(jié)果：

f/L=3.75/7.5=0.5

g-拱體材料的自重，取25kN/m3

d―內(nèi)襯厚度，取0.4m

L-拱體跨度

MA 、MB、MC----A、B、C點的彎矩

HA 、HB 、HC----A、B、C點的軸力

G----半跨拱的自重

Ix----單位寬度的內(nèi)襯截面對x軸的慣性矩

G=0.7854gdL=58.905kN

MA =MB=0.031GL=13.7kN.m

MC =0.0133GL=5.88kN.m

HC =HB=HA =0.40147G=23.65KN

Ix=bh3/12

A點最大拉應(yīng)力：σA max = MA×y/Ix=0.513Mpa

C點最大拉應(yīng)力：σC max= MC ×y/Ix=0.22 Mpa

A點最大壓應(yīng)力：σA max=0.059 Mpa

（3）計算結(jié)果分析：

拱頂最大彎矩為5.88kN.m （內(nèi)側(cè)受拉），混凝土的最大拉應(yīng)力0.22 Mpa。拱角最大彎矩13.7kN.m ，最大拉應(yīng)力0.513Mpa 。由以上結(jié)果可知，當混凝土的抗劈拉強度大于0.513Mpa時，可作為邊頂拱鋼模臺車理論脫模時間關(guān)鍵控制點。

（4）安全系數(shù)：

研究分析未考慮鋼筋骨架對混凝土的作用，根據(jù)鋼筋混凝土理論，混凝土內(nèi)的鋼筋對混凝土的抗拉強度具有一定的改善作用。

通過對影響鋼模臺車拆模時間的綜合分析，為保證混凝土的質(zhì)量和施工安全，安全系數(shù)取K=1.2，則拆模強度σ拆抗拉=K×σmax抗拉=1.2×0.513Mpa=0.6156 Mpa

混凝土立方體抗壓強度fcu與抗拉強度ft.s的關(guān)系表達式：

ft.s=0.1457+0.0678fcu.

fcu= （ft.s-0.145）/0.0678=（0.6156-0.145）/0.0678=6.94 Mpa

因此混凝土立方體抗壓強度達到6.94 Mpa時，即可脫模。

（5）脫模時間的確定

根據(jù)拆模強度的分析，結(jié)合現(xiàn)場多組混泥立方體土試塊20h抗壓強度達到7 Mpa，現(xiàn)場24h進行脫模，為高效施工提供的可借鑒的依據(jù)。

四、結(jié)語

南水北調(diào)穿黃隧洞項目為我國首次采用盾構(gòu)管片拼裝式結(jié)構(gòu)與襯砌預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型雙層復(fù)合襯砌型式，外襯為拼裝式管片環(huán)，在盾構(gòu)施工過程中完成;內(nèi)襯為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)外襯以排水墊層分隔，具單獨受力特性，在基本荷載組合下，全截面受壓，通過墊層的設(shè)置，加強對滲漏水的排放，借以防止內(nèi)水外滲造成洞外圍土滲透破壞。

1、穿黃隧洞內(nèi)襯施工工藝復(fù)雜、交叉作業(yè)多、技術(shù)難度高、工期緊，通過從施工運輸?shù)啦砗侠聿贾?、混凝土澆筑脫模時間研究，通過科學化、精細化、標準化控制，提高生產(chǎn)效率。

2、預(yù)應(yīng)力孔道為環(huán)向布置，在波紋管被堵后，疏通難度大，傳統(tǒng)的方法達不到疏通的效果，且容易偏離原孔道位置，要是對堵塞位置進行開孔處理，又破壞原混凝土的結(jié)構(gòu)，影響后續(xù)張拉施工。施工中創(chuàng)新設(shè)計并采用了“軟軸疏通器”，本軟軸疏通器在疏通環(huán)型孔道中以其操作簡單、移動迅速、鉆進速度快而準、維護保養(yǎng)方便，大提高施工效率，節(jié)約成本，疏通效果理想，創(chuàng)造了廣泛的影響力和良好的經(jīng)濟效益。解決了環(huán)型管道堵塞后不易疏通的技術(shù)難題，極大提高了預(yù)應(yīng)力張拉施工速度。

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