方俊波，羅斌智，劉洪震

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511400)

0 引言

隧道混凝土包括初期支護(hù)噴混凝土及二次襯砌模筑混凝土。根據(jù)新奧法施工理念，我國(guó)隧道初期支護(hù)施工均全面推廣應(yīng)用濕噴混凝土，濕噴混凝土在隧道初期支護(hù)中占有重要地位，與拱架等共同承擔(dān)絕大部分圍巖荷載，噴混凝土類型多為C20～C30。二次襯砌是隧道施工及運(yùn)營(yíng)的安全保障，是圍巖最終的承載結(jié)構(gòu)。二次襯砌混凝土施工是隧道施工的重要工序，混凝土耗用量較大，類型較多，既有拱墻、仰拱混凝土，常為C30～C40，又有填充混凝土，常為C25、C30。隧道混凝土(含噴混凝土及模筑混凝土，下同)施工是項(xiàng)目成本管控的重點(diǎn)，也是一個(gè)隧道工程項(xiàng)目能否盈利的關(guān)鍵。

以時(shí)速為350 km的單洞雙線高鐵隧道(以下簡(jiǎn)稱高鐵隧道)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為例，設(shè)計(jì)每延米耗用的初期支護(hù)噴射混凝土量達(dá)到11～13 m3，拱墻二次襯砌混凝土量達(dá)到12～15 m3，仰拱混凝土量達(dá)到7～9 m3，填充混凝土量達(dá)到8.92 m3。一般地，噴射混凝土價(jià)格在500元/m3左右、模筑混凝土價(jià)格在400元/m3左右，若不考慮人工工費(fèi)及機(jī)械臺(tái)班費(fèi)，則高鐵隧道延米混凝土的成本價(jià)平均在18 000元左右。但在實(shí)際施工中，由于各方面的原因，隧道支護(hù)混凝土實(shí)際用量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)用量，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為超耗率，即超耗率=(實(shí)際耗用量-設(shè)計(jì)量)/設(shè)計(jì)量，噴混凝土超耗率過(guò)大一直是造成項(xiàng)目虧損的主要原因。

目前，有許多學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)隧道施工噴混凝土超耗原因進(jìn)行了分析，并探討了相應(yīng)的管控措施。如王正瑜[1]對(duì)隧道工程噴射混凝土超耗控制措施進(jìn)行了探究，指出噴混凝土量在管控前的超耗率平均為94%，在管控后的超耗率平均為45%；徐朝峰[2]對(duì)長(zhǎng)大隧道噴射混凝土超耗進(jìn)行了分析及控制技術(shù)研究，噴混凝土量在管控前的超耗率平均為101.2%，在管控后的超耗率平均為54.6%；張毅等[3]對(duì)隧道混凝土超耗原因進(jìn)行了分析，并提出解決方案；任文光等[4]對(duì)隧道初期支護(hù)噴混凝土超耗原因進(jìn)行了分析，并提出了降耗措施；康政等[5]對(duì)降低隧道開(kāi)挖施工中噴射混凝土的超耗量制定了相應(yīng)的措施，并取得了較好的效果，采取措施前噴混凝土超耗百分比在100%以上，采取措施后噴混凝土超耗百分比平均降至50%。

以上研究表明，采取工程技術(shù)措施能在一定程度上降低隧道初期支護(hù)噴混凝土超耗量，但不能完全避免，而不可避免的噴混凝土超耗量或超耗率到底應(yīng)控制在什么范圍內(nèi)才合理并沒(méi)有相關(guān)論述；另外，簡(jiǎn)單的以超耗率來(lái)評(píng)價(jià)混凝土消耗亦不合理，因?yàn)閷?shí)耗量中含有因工藝等原因而產(chǎn)生的不可避免的消耗。實(shí)際上，鐵路隧道施工定額中混凝土消耗量已包含了部分超耗量。故很有必要對(duì)混凝土施工理論允許超耗量(以下簡(jiǎn)稱應(yīng)耗量)進(jìn)行深入研究，對(duì)實(shí)際消耗量進(jìn)行系統(tǒng)分析，擬定計(jì)算公式，給出控制標(biāo)準(zhǔn)，以幫助隧道項(xiàng)目施工技術(shù)及管理人員有目的的制定降低混凝土施工超耗措施，減少混凝土施工虧損，亦為今后有關(guān)隧道混凝土量的計(jì)算、施工定額修正等提供有益參考。

1 隧道混凝土消耗量組成

隧道混凝土實(shí)際消耗量由設(shè)計(jì)量、噴射混凝土回彈量、允許超挖及預(yù)留變形回填量等組成[6]，以上4部分工程量均得到鐵路工程預(yù)算定額[7]、隧道設(shè)計(jì)[8-9]及施工規(guī)范[10]的認(rèn)可。

1.1 隧道混凝土設(shè)計(jì)量

隧道斷面不同，混凝土設(shè)計(jì)量亦不同；圍巖級(jí)別不同，混凝土設(shè)計(jì)量亦不同。本文以高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面為例，給出了延米混凝土量，如表1所示。

表1 高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面設(shè)計(jì)延米混凝土量Table 1 Design linear meter quantity of section concrete for lining of surrounding rock at all levels of high speed railway tunnel m3

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]要求，Ⅱ級(jí)圍巖隧道襯砌宜采用曲墻帶底板結(jié)構(gòu)形式，底板厚度不應(yīng)小于30 cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C35，并應(yīng)配置雙層鋼筋；Ⅲ～Ⅴ級(jí)圍巖隧道襯砌應(yīng)采用曲墻有仰拱結(jié)構(gòu)形式，邊墻與仰拱應(yīng)圓順連接，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30；仰拱填充混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20。

1.2 允許超挖回填量

受鉆孔設(shè)備結(jié)構(gòu)影響，周邊孔在鉆進(jìn)過(guò)程中需要有一定的外插角，保持一定量的超挖量，才能始終滿足隧道凈空設(shè)計(jì)要求。特別是Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，受支護(hù)結(jié)構(gòu)影響，鉆孔外插角會(huì)更大，超挖量會(huì)愈大。由于鉆爆法施工超挖不可避免，故隧道施工時(shí)圍巖有一個(gè)允許超挖量，并且需要用同級(jí)混凝土回填。根據(jù)Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》[9]第10.2.1條的規(guī)定，采用人工手持風(fēng)鉆鉆孔允許超挖值應(yīng)符合如表2所示的要求。

表2 高鐵隧道采用人工手持風(fēng)鉆鉆孔允許超挖值Table 2 Allowable overbreak value of artificial drilling in highway tunnel cm

拱部、邊墻、仰拱各部位平均線性超挖值乘以其設(shè)計(jì)周長(zhǎng)則可計(jì)算出隧道延米允許超挖量，該部分超挖量是施工中不可避免的，且被施工規(guī)范所允許，其混凝土回填量應(yīng)納入混凝土應(yīng)耗量范圍。

1.3 噴射混凝土回彈量

在目前隧道施工大力推行機(jī)械化的今天，愈來(lái)愈多的施工單位采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行噴混凝土初期支護(hù)作業(yè)，并進(jìn)行專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，將施工工藝對(duì)回彈率的影響降至最低。同時(shí)，采用較適宜的配合比將回彈率盡可能降低。結(jié)合TZJ 2003—2017《鐵路工程預(yù)算定額 第三冊(cè) 隧道工程》[7]以及現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，將濕噴機(jī)械手施工時(shí)的回彈率定為16%(該值由鐵路定額編制部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)綜合測(cè)定)。本文以目前隧道施工中最常用的濕噴機(jī)械手，即回彈率16%為計(jì)算參考數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在已知回彈率的情況下，只需要得知噴混凝土總量即可計(jì)算出施工所浪費(fèi)的回彈量。由以上分析可知，噴混凝土總量不僅包括設(shè)計(jì)量，還包括允許超挖的回填量。2部分回填量的回彈亦是因?yàn)槭┕ぴ蚨a(chǎn)生不可避免的超挖，均應(yīng)納入應(yīng)耗量范圍。施工中超挖量愈大，不被計(jì)量的噴混凝土回彈量亦愈大，故施工中應(yīng)盡量減少隧道超挖。

1.4 圍巖預(yù)留變形量

隧道開(kāi)挖后，周邊圍巖會(huì)向內(nèi)收斂或位移一部分，因此實(shí)際開(kāi)挖尺寸應(yīng)略大于設(shè)計(jì)開(kāi)挖輪廓線，其差值稱為預(yù)留變形量。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]第8.2.3條的規(guī)定，復(fù)合式襯砌各級(jí)圍巖隧道預(yù)留變形量可根據(jù)圍巖級(jí)別、開(kāi)挖跨度、埋深等采用類比法確定，無(wú)類比時(shí)可采用如表3所示的圍巖預(yù)留變形量。

表3 隧道不同跨度各級(jí)圍巖預(yù)留變形量Table 3 Reserved deformation of surrounding rocks at different levels of tunnel span mm

高鐵隧道的斷面寬度一般在13～15 m，屬大跨范疇，故可根據(jù)表3得知各級(jí)圍巖預(yù)留變形量。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的隧道收斂變形后，未收斂變形的部分則要用混凝土回填，即該回填是被設(shè)計(jì)規(guī)范所允許的，回填的混凝土量應(yīng)納入混凝土應(yīng)耗量范圍。回填值等于設(shè)計(jì)預(yù)留變形量減去該地段隧道圍巖平均變形值。

1.5 混凝土施工過(guò)程損耗量

混凝土加工、生產(chǎn)、施工過(guò)程中必然存在著一定量的損耗，如混凝土加工、運(yùn)輸車中的留滯，泵送時(shí)堵管及澆筑完畢后管中留滯，為了確保灌注飽滿超設(shè)計(jì)量的預(yù)留以及模板漏漿等。中國(guó)中鐵股份有限公司工程施工物資消耗卡控考核指標(biāo)確定混凝土施工過(guò)程的損耗量為2%。

2 混凝土理論消耗量計(jì)算

隧道施工時(shí)，混凝土正常的理論消耗由設(shè)計(jì)量、允許超挖及預(yù)留變形回填量、噴射混凝土回彈量、過(guò)程損耗量等組成。

2.1 混凝土設(shè)計(jì)量

一旦圍巖確定，則隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式就確定了，支護(hù)厚度也就確定了，無(wú)論是噴混凝土量(A)還是二次襯砌模筑混凝土量(B)也就確定了，且為一定值。

2.2 允許超挖混凝土回填量

根據(jù)Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》[9]第12.1.3條的規(guī)定，隧道超挖部分應(yīng)采用噴射混凝土或襯砌混凝土回填；第12.3.9條又規(guī)定，混凝土噴射時(shí)應(yīng)先填平較大凹洼處。假設(shè)無(wú)其他施工超挖，則較大凹洼處只能為允許最大超挖(成鋸齒狀)，故在設(shè)計(jì)有噴混凝土的地段需要用噴混凝土回填，如有拱架支護(hù)時(shí)(Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖)，先要用噴射混凝土回填超挖量，再噴混凝土覆蓋拱架；無(wú)拱架拱墻地段支護(hù)時(shí)(Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖)，由于防水板鋪設(shè)要求初期支護(hù)表面平順，亦需要用噴射混凝土回填隧道表面凹凸不平至設(shè)計(jì)厚度。但對(duì)于設(shè)計(jì)無(wú)噴混凝土支護(hù)地段，則只能用模筑混凝土回填，如Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖底板和仰拱地段。

允許平均線性超挖值(C)按表2取值，即除Ⅱ～Ⅳ級(jí)圍巖拱部為15 cm外，其余各級(jí)圍巖均為10 cm，乘以隧道設(shè)計(jì)周長(zhǎng)(L)，則可得出隧道延米平均允許超挖量，該超挖量即為噴混凝土回填量(CL)。其中，高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面允許超挖混凝土延米回填量如表4所示。

表4 高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面允許超挖混凝土延米回填量Table 4 Linear meter backfill volume of concrete for surrounding rock lining section at all levels of high speed railway tunnel under allowable overbreak m3

2.3 噴射混凝土回彈量

毫無(wú)疑問(wèn)，濕噴機(jī)械手的回彈率要小于小型濕噴機(jī)。正常情況下，濕噴機(jī)械手噴射混凝土回彈率在16%左右，假設(shè)小型濕噴機(jī)作業(yè)時(shí)回彈率為22%，則1 km長(zhǎng)高鐵隧道設(shè)計(jì)需要噴射混凝土約10 000 m3，則僅回彈率一項(xiàng)，使用機(jī)械手比小型濕噴機(jī)少損耗約915 m3噴混凝土，節(jié)約的噴混凝土直接成本在70萬(wàn)～90萬(wàn)元，再加上其他施工直接成本，使用小型濕噴機(jī)因回彈率大而造成浪費(fèi)的成本完全可購(gòu)置1臺(tái)中型的國(guó)產(chǎn)濕噴機(jī)械手。在目前國(guó)內(nèi)隧道施工人工成本高的情況下，使用濕噴機(jī)械手進(jìn)行隧道支護(hù)作業(yè)日益普遍。故本文計(jì)算隧道噴射混凝土回彈量?jī)H以濕噴機(jī)械手施工為研究對(duì)象，即回彈率確定為16%。

由前述可知，噴射混凝土總量由設(shè)計(jì)量(A)、允許超挖回填量(CL)及回彈量組成，而回彈量等于回填率乘以隧道噴射混凝土總量，故濕噴機(jī)械手施工時(shí)，噴射混凝土回彈量為0.16×(A+CL)/(1-0.16)=0.19(A+CL)。高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面噴混凝土延米回彈量如表5所示。

表5 高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面噴混凝土延米回彈量Table 5 Rebound linear meter amount of shotcrete in lining section of surrounding rock at all levels of high speed railway tunnel m3

2.4 圍巖預(yù)留變形混凝土回填量

無(wú)論是立拱支護(hù)地段還是無(wú)拱架段，預(yù)留變形量未收斂部分均需要用模筑混凝土回填，各級(jí)圍巖拱墻部位收斂厚度由隧道實(shí)測(cè)圍巖變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出[11]。但實(shí)際施工中，設(shè)計(jì)單位常根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，取1/3的預(yù)留變形量值計(jì)算模筑混凝土回填量。亦就是說(shuō)，設(shè)計(jì)給出的模筑混凝土回填量是根據(jù)預(yù)留變形量確定的。按照工程量計(jì)算規(guī)則，噴射混凝土和模筑混凝土的回填量均需要由設(shè)計(jì)給出。

圍巖預(yù)留變形量(D)按表3取中間平均值，圍巖級(jí)別不同，取值不同。圍巖預(yù)留變形量(D)乘以隧道設(shè)計(jì)周長(zhǎng)(L)可計(jì)算得出隧道延米預(yù)留變形量，該量的1/3即為預(yù)留變形模筑混凝土回填量(1/3DL)。高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面預(yù)留變形延米回填量如表6所示。

施工單位應(yīng)在施工初始階段做好各級(jí)圍巖或初期支護(hù)位移監(jiān)控量測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析工作，設(shè)置合適的預(yù)留變形量，使得該值等于或略大于實(shí)際位移值，達(dá)到在保證二次襯砌設(shè)計(jì)厚度的前提下使預(yù)留變形混凝土回填量最小。

表6 高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面預(yù)留變形延米回填量Table 6 Linear meter backfill volume of surrounding rock lining section at all levels of high speed railway tunnel under reserved deformation

2.5 混凝土施工過(guò)程損耗量

混凝土施工過(guò)程中總的損耗量為2%。

2.6 混凝土理論消耗量計(jì)算

噴混凝土理論消耗量主要由噴混凝土設(shè)計(jì)量(A)、允許超挖噴混凝土回填量(CL)、合適的濕噴混凝土回彈量(0.19(A+CL))及施工過(guò)程2%的損耗量組成，即1.02×1.19(A+CL)=1.21(A+CL)。模筑混凝土理論消耗量主要由模筑混凝土設(shè)計(jì)量(B)、圍巖預(yù)留變形混凝土回填量(1/3DL)及施工過(guò)程2%的損耗量組成，即1.02(B+1/3DL)。高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面混凝土延米理論消耗量如表7所示。

表7 高鐵隧道各級(jí)圍巖襯砌類型斷面混凝土延米理論消耗量Table 7 Theoretical consumption of concrete linear meter of surrounding rock lining section at all levels of high speed railway tunnel

由表7可知：隧道施工時(shí)，理論上噴混凝土應(yīng)耗量是設(shè)計(jì)噴混凝土的1.6～3.8倍(Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖為1.6～1.9倍)，噴混凝土超耗率在60%～280%(Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖為60%～90%)，圍巖愈硬，噴混凝土應(yīng)耗量相對(duì)愈小，超耗率(倍數(shù))愈高；理論上模筑混凝土應(yīng)耗量是設(shè)計(jì)量的1.04～1.12倍，模筑混凝土超耗率在3.0%～12.0%，圍巖愈軟，模筑混凝土應(yīng)耗量相對(duì)愈小，超耗率(倍數(shù))愈低。綜上所述，高鐵隧道施工時(shí)，混凝土應(yīng)耗量是設(shè)計(jì)量的1.20～1.41倍，超耗率在20%～41%(除較硬的Ⅱ級(jí)圍巖外，其余超耗率在20%～25%)，各級(jí)圍巖平均超耗率為25%。即隧道施工時(shí)，理論上可將混凝土超耗率控制在30%以下。

3 混凝土實(shí)耗量與設(shè)計(jì)量對(duì)比分析

許多鐵路隧道施工項(xiàng)目中一般由設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際情況給出一定數(shù)量的允許超挖回填量(不會(huì)超出規(guī)范規(guī)定值)，并且普遍將超挖回填量與預(yù)留變形量混為一談，認(rèn)為是二合一的關(guān)系，故導(dǎo)致設(shè)計(jì)噴混凝土量要小于實(shí)際施工耗用量。但實(shí)際上預(yù)留變形量與超挖回填量是2個(gè)不同的施工階段所產(chǎn)生的子項(xiàng)，二者要分別考慮。目前，有的鐵路設(shè)計(jì)院(如鐵一院等)已在新中標(biāo)的鐵路隧道項(xiàng)目(如川藏鐵路隧道、新烏鞘嶺隧道等)中分別給出了噴混凝土超挖回填量及預(yù)留變形量，設(shè)計(jì)說(shuō)明中明確規(guī)定“超挖噴混凝土回填是按照全部回填量計(jì)列，仰拱不設(shè)噴層中按同級(jí)混凝土回填(工程數(shù)量中單開(kāi)此項(xiàng))；預(yù)留變形量按照二次襯砌同等級(jí)的混凝土回填，回填量按照預(yù)留變形量的1/3計(jì)列(工程數(shù)量中單開(kāi)此項(xiàng))，預(yù)留變形量按規(guī)范中間值取值”。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中，除了以上原因外，還有因地質(zhì)原因(如圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、涌突水、巖爆等)、掉塊及找頂而產(chǎn)生的大量超挖需要用噴混凝土回填，因防止巖爆石塊噴射傷人毀物而用噴混凝土臨時(shí)封閉掌子面，因圍巖滲水、涌水等原因致使混凝土噴不上而造成大量浪費(fèi)等等，這部分的混凝土均不能被設(shè)計(jì)計(jì)量。可以說(shuō)，只要是隧道施工遇到困難，噴混凝土是首當(dāng)其沖的主要措施之一。故施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土耗用量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)量(據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，噴混凝土實(shí)際耗用量一般為設(shè)計(jì)量的200%左右)，這亦是目前鐵路項(xiàng)目普遍虧損的原因之一。如果正常計(jì)量的項(xiàng)目不被計(jì)量或被忽略，則更會(huì)加劇這一現(xiàn)象。

表8統(tǒng)計(jì)了20個(gè)在建鐵路項(xiàng)目41條共計(jì)15 222.5 m已施工隧道的混凝土實(shí)耗量與混凝土設(shè)計(jì)量，數(shù)據(jù)包括了各級(jí)圍巖。

表8 鐵路鉆爆法隧道混凝土實(shí)耗量與設(shè)計(jì)量統(tǒng)計(jì)Table 8 Statistics of actual consumption and design quantity of railway tunnel concrete by drilling and blasting method

由表8可知：噴射混凝土實(shí)際量是設(shè)計(jì)量的1.5倍，即所有在建鐵路隧道的噴射混凝土平均超耗率為50%，這個(gè)值遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，而定額也只考慮了一小部分的回彈率。因?qū)λ淼纼艨者M(jìn)行紅線控制管理，嚴(yán)禁欠挖出現(xiàn)，因此，施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留變形量往往不敢取較小值。表中數(shù)據(jù)表明，未變形部分的混凝土回填量是設(shè)計(jì)給定的預(yù)留混凝土回填量的1.3倍。施工圖中預(yù)留混凝土回填量是根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)留變形量的1/3計(jì)算確定的，這1/3的取值，如果對(duì)應(yīng)施工中實(shí)際的混凝土消耗量，就顯得極不合理。

因此，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在當(dāng)前施工技術(shù)水平及環(huán)境條件下，混凝土設(shè)計(jì)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，不論是初期支護(hù)混凝土還是二次襯砌預(yù)留混凝土回填量的消耗量都遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)混凝土量。

4 二次襯砌臺(tái)車輪廓外放量

二次襯砌混凝土灌注時(shí)，大量混凝土作用于模板臺(tái)車上，模板臺(tái)車會(huì)有一定量的變形，該變形主要表現(xiàn)在臺(tái)車面板上(由于篇幅限制，暫不考慮臺(tái)車其他結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算)。在側(cè)模剛開(kāi)始澆筑時(shí)到混凝土初凝階段，混凝土對(duì)臺(tái)車的側(cè)壓力最大，需對(duì)臺(tái)車側(cè)面板進(jìn)行受力分析。假定模板臺(tái)車長(zhǎng)9 m，模板厚度為12 mm(按Q/CR 9604—2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》[9]應(yīng)不小于10 mm)，根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[12]，計(jì)算模板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

4.1 計(jì)算參數(shù)

混凝土的重力密度rc為25 kN/m3，澆筑速度v為4 m/h，入模時(shí)的溫度T為30 ℃，摻外加劑。鋼材取Q235鋼，重力密度為78.5 kN/m3，彈性模量為2.0×105MPa，容許拉壓應(yīng)力為215 MPa，容許彎曲應(yīng)力為215 MPa。

4.2 計(jì)算載荷

動(dòng)荷載p動(dòng)：振動(dòng)器產(chǎn)生的荷載取為4.0 kN/m2，或傾倒混凝土產(chǎn)生的沖擊荷載取為4.0 kN/m2，二者不同時(shí)計(jì)算。

根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[12]第4.1.1條的規(guī)定，新澆混凝土作業(yè)于模板的最大側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值p可按照式(1)和式(2)計(jì)算，并取兩式中的較小值為恒荷載值。

p=0.22rct0β1β2v1/2。

(1)

式中：p為新澆混凝土對(duì)模板最大側(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；rc為混凝土的重力密度，kN/m3；t0為新澆混凝土的初凝時(shí)間，h，根據(jù)t0=200/(T+15)=4.4計(jì)算，T為混凝土入模時(shí)的溫度；β1為外加劑影響修正系數(shù)，摻緩凝劑時(shí)取為1.2；β2為混凝土坍落度影響系數(shù)，混凝土塌落度為50～90 mm時(shí)取1.0；v為混凝土的澆筑速度，取4 m/h。

p=rcH。

(2)

式中H為混凝土側(cè)壓力計(jì)算位置(邊墻)處至新澆混凝土頂面的總高度，取10.3 m。

由式(1)得到p=0.22×25×4.4×1.2×1.0×41/2=58.08 kN/m2，由式(2)得到p=25×10.3=257.5 kN/m2，按JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[12]的規(guī)定，取兩者中的較小值作為新澆混凝土作業(yè)于模板的最大側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值，即p=58.08 kN/m2。

然后，根據(jù)式(3)計(jì)算有效壓頭高度h。

h=F/rc。

(3)

式中h為有效壓頭高度，m。

計(jì)算得到h=58.08/25=2.3 m。新澆混凝土對(duì)模板側(cè)面的載荷系數(shù)取1.2，故混凝土澆筑施工時(shí)最大側(cè)壓力為p設(shè)=1.2rch=1.2×25×2.3=69 kN/m2。

檢算強(qiáng)度時(shí)載荷設(shè)計(jì)值為p側(cè)=p設(shè)+p動(dòng)=69+4.0=73 kN/m2。

4.3 側(cè)模板強(qiáng)度剛度校核

側(cè)模面板為12 mm厚的鋼板，由間距為745 mm的槽鋼支撐，面板縱向長(zhǎng)度為210 mm，可簡(jiǎn)化為跨度為745 mm的矩形平板進(jìn)行分析[13-15]，周界固定。側(cè)模面板受力示意見(jiàn)圖1。

圖1 側(cè)模面板受力示意圖(單位：mm)Fig.1 Stress diagram of side formwork panel (unit:mm)

側(cè)模面板中心撓度為

f=C3qb4/(Eh3)。

(4)

式中：f為側(cè)模面板中心撓度，mm；C3為矩形平板系數(shù)，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可取0.028 3；q為面板所受力，取為73 kN/m2；b為面板縱向長(zhǎng)度，取為210 mm；E為彈性模量，取為200 GPa；h為面板厚度，取為12 mm。

根據(jù)式(4)，得到f=0.028 3×73 000×0.214÷(2×1011×0.0123)=0.000 012 m=0.012 mm。

根據(jù)GB/T 50214—2013《組合鋼模板技術(shù)規(guī)定》[16]，鋼模板結(jié)構(gòu)允許撓度為1.5 mm。0.012 mm<1.5 mm，故側(cè)模面板剛度滿足要求，其中心最大變形不到1 mm，變形微小。

同樣，側(cè)模面板長(zhǎng)邊中心應(yīng)力為

σ=C6qb2/h2。

(5)

式中：σ為側(cè)模面板長(zhǎng)邊中心應(yīng)力，MPa；C6為矩形平板系數(shù)，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，可取0.498 7。

根據(jù)式(5)，得到σ=0.498 7×73 000×0.212÷0.0122=3 640 510 Pa=3.64 MPa。

根據(jù)GB/T 50214—2013《組合鋼模板技術(shù)規(guī)定》[16]，鋼模板結(jié)構(gòu)允許應(yīng)力為3.64 MPa<140 MPa(允許拉壓應(yīng)力)，故側(cè)模面板強(qiáng)度也滿足要求。

以上分析可知，臺(tái)車最不利受力處底部側(cè)墻面板無(wú)論剛度還是強(qiáng)度均滿足二次襯砌混凝土澆筑施工至初凝時(shí)的壓力，且安全系數(shù)大。二次襯砌混凝土施加于臺(tái)車的壓力完全在臺(tái)車承載范圍內(nèi)，不需要將臺(tái)車輪廓外放大3～5 cm，以防臺(tái)車結(jié)構(gòu)受壓而回落。

5 結(jié)論與建議

1)初期支護(hù)噴混凝土應(yīng)耗量主要與設(shè)計(jì)量、回彈量及平均線性超挖量相關(guān)，在使用濕噴機(jī)械手及平均線性超挖控制在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍時(shí)，噴混凝土應(yīng)耗量是設(shè)計(jì)量的1.6～3.8倍，超耗率控制在60%～280%。二次襯砌模筑混凝土應(yīng)耗量主要與設(shè)計(jì)量及預(yù)留變形量相關(guān)，在回填量是設(shè)計(jì)預(yù)留量1/3的情況下，二次襯砌模筑混凝土應(yīng)耗量是設(shè)計(jì)量的1.04～1.12倍，超耗率控制在3.0%～12.0%。

2)一般情況下，混凝土施工時(shí)應(yīng)耗量是設(shè)計(jì)量的1.20～1.41倍，超耗率在20%～41%，各級(jí)圍巖平均超耗率為25%。亦就是說(shuō)，隧道施工時(shí)，理論上可將混凝土超耗率控制在30%以下。對(duì)于軟巖大變形情況，因變形(不可控)控制難度大，混凝土超耗率較為復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)方面的研究工作。

3)二次襯砌模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度較大，完全滿足二次襯砌混凝土澆筑施工至初凝時(shí)的自重壓力，定位時(shí)不需要將臺(tái)車輪廓外放大以防回落。

4)超欠挖無(wú)法避免，但應(yīng)注意盡量降低，在施工中應(yīng)加強(qiáng)操作人員隧道光面爆破技術(shù)學(xué)習(xí)培訓(xùn)，提高光爆施工水平，并做好超欠挖考核，努力將隧道超欠挖控制在最小范圍。

5)噴射混凝土過(guò)程中回彈不可避免，應(yīng)加強(qiáng)控制，降低回彈量。盡量采用機(jī)械手濕噴混凝土支護(hù)，噴射操作手應(yīng)選擇責(zé)任心強(qiáng)，經(jīng)過(guò)崗前技能培訓(xùn)并考核合格后上崗，以減少因人為操作不規(guī)范而引起的回彈量增大。對(duì)于水平巖層、節(jié)理發(fā)育巖層開(kāi)挖中出現(xiàn)的掉塊等引起的超挖，需要通過(guò)噴射混凝土填平，該部分噴射混凝土消耗應(yīng)在施工過(guò)程中通過(guò)全斷面掃描儀等測(cè)量方式加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)簽認(rèn)，納入動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)或變更設(shè)計(jì)施工圖。

6)隧道施工前期監(jiān)控量測(cè)非常關(guān)鍵，應(yīng)針對(duì)不同級(jí)別圍巖的累計(jì)變形量及時(shí)做好統(tǒng)計(jì)分析，明確各級(jí)圍巖在二次襯砌施作前的最終位移量及穩(wěn)定時(shí)間，從而合理確定預(yù)留變形量，達(dá)到在保證二次襯砌設(shè)計(jì)厚度的前提下使混凝土回填量最小。