戴小松，劉開揚，谷海華，陳 偉

(中建三局基礎設施建設投資有限公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

在礦山法隧道施工中，二次襯砌是一個極其重要的環(huán)節(jié)，公路、鐵路等非全圓隧道二次襯砌施工已經形成了十分成熟的施工技術，在引水、排水等全圓隧道二次襯砌施工中，針梁式、穿行式模板臺車或散拼模板的應用也有較為成熟的施工技術[1-10]。但這些技術在小直徑長距離盾構隧道二次襯砌施工中，均存在較差的適應性，無法保障物料運輸通道也無法多點同步作業(yè)，可實施性差、施工效率極低。

以武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程(以下簡稱“武漢大東湖深隧工程”)主隧二次襯砌為例，從總體方案設計、成套設備設計及配置、施工組織及工藝方面，介紹該工程所開創(chuàng)的小直徑長距離盾構隧道全圓二次襯砌成套高效施工技術。

1 工程概況

武漢大東湖深隧工程位于武漢市，全長17.5km，建設內容包括污水深隧系統(tǒng)和地表完善系統(tǒng)兩大部分，其中污水深隧系統(tǒng)包含主隧工程及支隧工程兩部分。

1.1 隧道區(qū)間

主隧工程包括9個豎井，9個區(qū)間隧道，隧道埋深30～56m，最長區(qū)間3.6km，最小轉彎半徑250m。隧道斷面設計為預制管片+現(xiàn)澆鋼筋混凝土二次襯砌的疊合式襯砌，成型內徑3.0～3.4m。隧道區(qū)間如表1所示。

表1 隧道區(qū)間概況

1.2 二次襯砌

現(xiàn)澆鋼筋混凝土二次襯砌厚200mm，采用C40 P12高性能自密實早強補償收縮混凝土+雙層鋼筋結構，鋼筋外側保護層厚25mm，內側保護層厚45mm(見圖1)。

圖1 二次襯砌配筋

1.3 施工重難點

1)隧道二次襯砌厚度薄(20cm)，且后期需承受內水壓，對耐久性、防水、防腐質量要求高，混凝土澆筑質量控制難度大。

2)區(qū)間長，斷面小，工期緊，物料運輸困難，現(xiàn)場施工及組織難度大。

3)小斷面長距離隧道混凝土輸送難度大。

4)小半徑薄壁二次襯砌施工精度要求高，臺車設計難度大。

2 總體方案設計

2.1 方案設計原則

1)具備多點、大面積組織施工的條件，可滿足工期進度要求。

2)可形成流水施工，多工序穿插同步作業(yè)，縮短總體工期。

3)滿足小直徑、長距離隧道澆筑自密實混凝土要求。

4)鋼筋在盾構配套設施拆除及隧道清理的同時運入隧道，避免后期運輸交叉作業(yè)。

5)模板體系施工方法簡單、穩(wěn)定可靠，無復雜流程，對工人技術能力要求低。

2.2 方案設計

基于方案設計原則，結合常規(guī)工法優(yōu)缺點及現(xiàn)場實施條件，方案設計如下。

1)盾構隧道貫通后，從隧道一端向另一端進行清理，同時將二次襯砌鋼筋運入隧道進行擺放，然后根據鋼筋擺放情況分別從兩端向中間平行流水施工二次襯砌。

2)二次襯砌施工縱向分倉、分段，豎向分層(見圖2)，仰拱與拱墻分開施工，避免澆筑過程中承受過大浮力及側壓力，簡化模板體系。

圖2 豎向分層示意

3)先行施工的仰拱可為后續(xù)大范圍施工組織提供底部通行條件，拱墻臺車設計為滿足通行要求的門架結構，解決物料運輸、通行問題，為工人作業(yè)提供較大的操作空間。

4)拱墻跟進仰拱施工，同步澆筑混凝土，減少混凝土澆筑次數，增加單次澆筑量，降低組織難度。

2.3 總體施工流程

1)盾構洞通之前，鋼筋采用基于BIM的集約數控技術加工成半成品。

2)由隧道一端向另一端拆除盾構配套材料(走道板、軌道、風管等)，同步將二次襯砌鋼筋下井運至洞內擺放。

3)根據鋼筋擺放情況進行鋼筋綁扎，鋼筋整圓綁扎，一次成型。

4)仰拱施工至一定長度后開始采用多臺模板臺車跳倉跟進施工拱墻。

5)跟進流水施工至仰拱合龍后運出仰拱施工模板，施工完成剩余拱墻并退出拱墻臺車。

6)拆除洞內設施，清理隧道并在二次襯砌表面涂刷水泥結晶型防腐涂料，完成二次襯砌施工。

3 成套設備及配置

3.1 配套設備

1)洞內鋼筋卸車擺放設備

洞內鋼筋卸車擺放設備設計為斜向支撐行走輪式懸臂起重機，支撐行走輪為橡膠輪，與管片弧面垂直。橫向支撐門架內部預留足夠寬度及高度，可供電瓶車進入進行鋼筋吊運卸車?？v向主梁上2個吊裝葫蘆可縱向移動，根據吊物尺寸調整，主梁可橫向移動，調整弧形鋼筋擺放位置(見圖3)。

圖3 輪式懸臂起重機

2)仰拱模板體系

仰拱施工需解決抗浮及模板轉運問題，設置抗浮支撐。結合盾構隧道特點，抗浮支撐一端支撐固定在管片手孔內，一端支撐在模板上，但考慮后期混凝土澆筑空間，抗浮支撐間距應較大，且數量較少，因此仰拱模板設計為整體鋼模，模板環(huán)寬1.2m，環(huán)向為整體，通過法蘭連接，無縱向拼縫，剛度、強度較大，僅需在兩側設置抗浮支撐即可。模板轉運根據上海某隧道預制車道板安裝方法，結合現(xiàn)場模板大量投入的情況，通過前后2臺小型門式起重機及1臺電動平板車實施。小型門式起重機負責模板吊裝安拆，電動平板車用于模板運輸，小型門式起重機及電動平板車均通過模板上集成縱向軌道行進；同時在兩側設置斜向支撐，模板安裝時頂在管片上支撐模板及設備自重，避免擠壓鋼筋骨架，混凝土澆筑完成后可拔出，與模板表面平齊，避免形成孔洞(見圖4)。

圖4 仰拱模板示意

3)拱墻臺車

根據總體施工方案要求，拱墻臺車設計為可通行門式臺車；結合隧道曲線半徑及施工經驗，單套模板臺車由3節(jié)組成，每節(jié)長4.8m，節(jié)之間采用鉸接連接，以適應曲線段施工，模板采用企口搭接連接，單節(jié)臺車兩端分別設計為搭接小模板和承插小模板，保證曲線段施工時節(jié)與節(jié)之間模板搭接緊密。單套臺車端部設計為可拆卸搭接小模板，適應跳倉法施工，施工奇數倉時可拆除安裝端模，施工偶數倉時可安裝搭接小模板與已施工完成的奇數倉搭接(見圖5)。

圖5 拱墻臺車

4)混凝土澆筑設備

本工程混凝土要求采用高性能自密實早強補償收縮混凝土，經試配和地面盤管試驗，混凝土泵送距離保持在600m以內混凝土出泵性方可滿足仰拱混凝土澆筑要求，無法采用超遠距離水平泵送，混凝土需運入洞內泵送。

混凝土洞內澆筑設備采用軌行式拖泵及軌行式小罐車(見圖6)。軌行式拖泵通過軌道行進至拱墻臺車末端，動力采用電能，支腿設計為弧面與二次襯砌面形成支撐；軌行式小罐車行進過程中，可通過輪對的轉動帶動罐體進行轉動，以保證混凝土性能，進卸料后直接接入動力線進行供電轉動。

圖6 混凝土澆筑設備

為提高混凝土澆筑效率，在豎井內安裝軌道平移擺渡車或道岔，實現(xiàn)2臺小罐車快速切換(見圖7)，提高混凝土澆筑效率。

圖7 擺渡車示意

3.2 設備配置

1)單作業(yè)面設備配置如表2所示。

表2 設備配置

2)模板配置計算

由于混凝土泵送距離限制，考慮盡量減少混凝土澆筑次數，增大單次澆筑量，模板配置應盡量增多，結合隧道曲線半徑、臺車設計長度、變形縫設置距離要求及拱墻跳倉法施工布置，仰拱或拱墻模板最大配置數量為最遠泵送距離的1/4，即最多配置10套模板，共計144m(見圖8)。

圖8 拱墻施工澆筑示意

正常施工流水階段包括鋼筋運輸及綁扎、仰拱模板安拆、拱墻模板安拆、泵管布設、仰拱澆筑、拱墻澆筑、仰拱養(yǎng)護、拱墻養(yǎng)護、軌道鋪設、隧道清理，共計10道工序，其中鋼筋運輸及綁扎超前，可不占用關鍵工序。根據各工序作業(yè)位置及條件，當現(xiàn)場各工序達到最大的穿插搭接時，且各工序均無自由時差時為最高效的施工組織，該階段的資源配置數量為最優(yōu)資源配置。

單個循環(huán)總施工時間：

T=T1+T2+T3

(1)

式中：T1為仰拱澆筑時間；T2為仰拱和拱墻施工時間的較大值，T2=max[(仰拱養(yǎng)護+仰拱模板安拆+軌道延伸)，(拱墻澆筑+隧道清理+拱墻模板拆模、移模、支模)]；T3為泵管連接時間。

由施工總時間可見，當仰拱養(yǎng)護+仰拱模板安拆+軌道延伸所需時間=拱墻澆筑+隧道清理+拱墻模板拆模、移模、支模所需時間時，即為最優(yōu)模板配置。

仰拱養(yǎng)護時間t1=12h；仰拱模板安拆時間t2=12N×(1.2×12N/V1)×2(N為模板套數；V1為電動平板車轉運模板速度，為600m/h)；軌道延伸時間t3=1.2×12N/V2(V2為軌道延伸速度，為6m/h)；拱墻澆筑時間t4=4×N；隧道清理時間t5=12h；拱墻模板安拆時間t6=3×N。最優(yōu)模板配置時：12+12N×(1.2×12N/600)×2+1.2×12N/6=4×N+12+3×N，可求得N≈8。

4 施工組織及施工工藝

4.1 施工組織

根據工序穿插要求即現(xiàn)場實際組織情況，最終優(yōu)化后的施工組織如圖9所示。

圖9 施工組織

4.2 鋼筋運輸及綁扎

鋼筋運輸利用盾構施工階段鋪設的軌道及電瓶車實施，在拆除軌道的同時采用“倒退法”將鋼筋運入洞內并卸車擺放至清理完成區(qū)域。鋼筋運輸至對應倉段后采用輪式懸臂起重機卸車擺放，本倉段的鋼筋擺放在下一倉段內，擺放原則按照二次襯砌鋼筋綁扎先后順序實施。擺放過程中需注意不同類型鋼筋嚴禁互相堆壓，且做到下墊上蓋。

鋼筋綁扎一次成型，通過管片預埋接駁器安裝定位鋼筋，拱頂鋼筋綁扎過程中要求適當提高1～2cm，預留鋼筋在自重作用下的下墜空間，水平施工縫位置預留2根縱向鋼筋在施工縫鑿毛完成后再綁扎，確保鑿毛、清理空間，保證鑿毛效果。

4.3 仰拱施工

第1節(jié)段仰拱鋼筋綁扎完成后，立即在井下鋪設軌道，安裝小型門式起重機進行仰拱模板安裝。

模板安拆均采用小型門式起重機實施，利用吊裝葫蘆將模板吊起后進行清理，清理完成即可利用電動平板車轉運至安裝區(qū)域進行安裝。

安裝時利用小型門式起重機將模板吊裝就位，并用水平尺進行檢驗，要求模板左右水平，模板拼縫與管片環(huán)縫對齊；選取左、中、右3個點位量測支模高度，根據量測數據適當調整套筒外露段長度，確保支模高度滿足要求。

模板安裝完成后，將鋼管支撐安裝在模板兩側及對應管片手孔位置進行加固。

4.4 拱墻施工

臺車吊裝下井后，從高到低依次將各節(jié)小臺車頂升就位，并調節(jié)平移油缸，確保模板對中；然后安裝橫撐絲桿并將側模支設就位，支設側模時要求前后油缸同時動作，避免模板變形。

支模加固完成即可安裝RPC注漿管及變徑固定管，待混凝土澆筑完成后即可進行帶模注漿。

奇數倉采用弧形鋼板封閉端部，上部抵緊止水帶，下端通過螺栓與臺車連接緊固；偶數倉采用搭接小模板與奇數倉已澆筑混凝土搭接。

混凝土終凝后即可拆除模板橫向絲桿提供通行空間；養(yǎng)護達到8MPa強度即可進行拆模，拆模順序與支模順序相反，臺車拆模清理完成后，即可用電瓶車推行至下一倉或下一節(jié)段就位。

4.5 混凝土澆筑

泵管由仰拱最前端模板布置到拱墻臺車尾部，拱墻范圍布置在電瓶車軌道中部，拖泵通過電瓶車由洞口推至洞內與泵管對接，拖泵出口設置變徑管及彎管。混凝土經檢測合格后，采用天泵輸送至井底小罐車入料口，通過2輛小罐車接力運輸至洞內拖泵處進行泵送。

仰拱混凝土澆筑由靠近鋼筋施工區(qū)域澆筑至仰拱完成區(qū)域，澆筑時利用仰拱模板運輸電動平板車配合分料溜槽實現(xiàn)仰拱混凝土快速對稱澆筑。

拱墻混凝土澆筑由遠端至近端，每倉頂部設置3個澆筑口。澆筑時，從隧道中部依次利用各澆筑口進行澆筑，澆筑完成后及時進行帶模注漿。

4.6 洞內布置

根據施工流水作業(yè)區(qū)域劃分，各區(qū)域洞內布置如下：①鋼筋堆放及綁扎區(qū)域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、鋼筋。②仰拱施工區(qū)域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、已綁扎鋼筋、仰拱模板、小型門式起重機。③仰拱完成區(qū)域及拱墻施工區(qū)域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、進水管、污水管、拱墻臺車。④二次襯砌完成區(qū)域 洞內布置包括照明線、動力線、通信線、進水管、污水管，管線通過弧形支架進行掛設，無需在結構上打孔。

4.7 臨時用電

二次襯砌施工臨時用電分為2個階段，第1階段為地面變壓器低壓出線柜→一級箱→二級箱→設備開關箱→各用電設備；第2階段為地面變壓器低壓出線柜→一級箱→自動升壓穩(wěn)壓裝置→二級箱→各用電設備。

4.8 設備出洞

1)仰拱施工設備出洞 仰拱合龍后，將中軌延伸至最靠近洞口模板處，同步將仰拱模板集成軌道延伸至中軌范圍，然后利用電瓶車+平板車將模板運出洞。

2)拱墻施工設備出洞 拱墻合龍后，在平板車上焊接支架，電瓶車駛入拱墻臺車內部，然后將拱墻臺車收模落至平板車支架上，即可進行外運，外運過程中要求緩慢低速，并在兩端設置橡膠墊，避免剮蹭已成型二次襯砌。

5 結語

大東湖深隧工程小直徑長距離全圓二次襯砌施工，創(chuàng)新研發(fā)了全圓二次襯砌施工成套設備及全圓二次襯砌高效施工技術。通過施工技術創(chuàng)新，克服了全圓二次襯砌施工難題，解決了二次襯砌工期緊、施工難度大的問題，最長區(qū)間3.6km二次襯砌施工用時不足3個月，全長17.5km二次襯砌施工僅用時不到5個月。成套設備研發(fā)成功可行，設備簡單實用，功能明確，簡單培訓即可快速上手操作，大幅降低了勞動力的投入?，F(xiàn)場施工效率表明，機械配置合理，工序銜接緊湊，實現(xiàn)了高效施工。應用高性能自密實早強補償收縮混凝土，結合整體性好、剛度大的定制鋼模和精細化現(xiàn)場管理，使二次襯砌成型密實性好，施工質量優(yōu)。