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        水工隧洞開(kāi)挖與襯砌同步施工技術(shù)研究

        2022-10-31 06:14:54汪良軍王松茂劉光星
        廣西水利水電 2022年5期
        關(guān)鍵詞:仰拱棧橋端頭

        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(tǒng)水工隧洞施工常采用開(kāi)挖貫通后再進(jìn)行混凝土襯砌的施工方法,對(duì)于圍巖穩(wěn)定性差的長(zhǎng)隧洞來(lái)說(shuō),臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)使用時(shí)間長(zhǎng),有變形失穩(wěn)的安全風(fēng)險(xiǎn),因此設(shè)計(jì)往往要求襯砌緊跟開(kāi)挖同步施工,但同步施工受斷面結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)備等因素影響,施工難度大,工序交叉施工相互干擾導(dǎo)致工效低、成本高等問(wèn)題。

        對(duì)于隧洞開(kāi)挖與襯砌同步施工技術(shù),國(guó)內(nèi)不少專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)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(tái)車(chē)襯砌方案;盛重權(quán)等[2]總結(jié)了隧道仰拱機(jī)械設(shè)備配套快速施工技術(shù);陳俊超[3]對(duì)開(kāi)挖與襯砌平行施工問(wèn)題進(jìn)行了探討;李曉華[4]總結(jié)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(kāi)挖及襯砌施工技術(shù)和工藝;張民慶[7]研究了鐵路隧道襯砌施工自動(dòng)澆筑振搗新技術(shù);李校珂[8]研究了新型智能化隧道襯砌臺(tái)車(chē)施工技術(shù)。

        本文結(jié)合環(huán)北部灣廣東水資源配置工程合江支洞工程,針對(duì)復(fù)雜圍巖條件、復(fù)雜斷面結(jié)構(gòu)、洞身縱坡大、工期緊的特點(diǎn),開(kāi)展隧洞開(kāi)挖與襯砌同步施工技術(shù)研究,配置自動(dòng)化仰拱施工棧橋和高效襯砌臺(tái)車(chē)設(shè)備,解決交叉施工相互干擾的問(wèn)題,確保工程安全、質(zhì)量和進(jìn)度,為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

        1 工程概況

        環(huán)北部灣廣東水資源配置工程是解決粵西地區(qū)水資源短缺問(wèn)題的重大水利工程,合江支洞作為前期試驗(yàn)段項(xiàng)目,建成后主要作為輸水干線隧洞盾構(gòu)設(shè)備步進(jìn)、出渣及進(jìn)料通道,同時(shí)兼顧作為處理主洞斷層破碎帶的備用通道。支洞長(zhǎng)約1100 m,縱坡約6.54%,結(jié)構(gòu)斷面為圓拱直墻反弧底形,Ⅲ類(lèi)圍巖邊頂拱采用錨噴支護(hù),Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖初支后及時(shí)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(gè)月。

        隧洞沿線主要為低山丘陵,洞身地層為泥盆系下統(tǒng)蓮花山組(D1l),薄~中厚層狀變質(zhì)中細(xì)粒石英砂巖、含礫不等粒石英雜砂巖,產(chǎn)狀較亂,全風(fēng)化巖破碎,強(qiáng)風(fēng)化巖較破碎,弱風(fēng)化巖完整性差,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)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(wěn)定,洞室處于地下水位以下,隧洞東側(cè)地表有魚(yú)塘通過(guò)F1斷層與洞線相通,滲水和圍巖穩(wěn)定是主要的工程地質(zhì)問(wèn)題。

        2 總體思路

        (1)隧洞施工的關(guān)鍵工作是開(kāi)挖,按照以“隧洞開(kāi)挖”為主的原則,襯砌作業(yè)盡量減少對(duì)開(kāi)挖作業(yè)的影響,當(dāng)開(kāi)挖與襯砌作業(yè)相互干擾時(shí),襯砌作業(yè)給開(kāi)挖作業(yè)讓路。

        (2)襯砌結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)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(nèi)運(yùn)輸問(wèn)題,橋下進(jìn)行襯砌作業(yè);邊頂拱襯砌采用步履式液壓襯砌臺(tái)車(chē)一次澆筑成型,利用多功能作業(yè)平臺(tái)提前鋪設(shè)防水板、安裝鋼筋。

        (3)由于圍巖穩(wěn)定性較差,需盡快完成襯砌,結(jié)合爆破振動(dòng)對(duì)新澆襯砌結(jié)構(gòu)的影響和開(kāi)挖作業(yè)所需最小距離,開(kāi)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(guò)程中根據(jù)初支變形監(jiān)測(cè)結(jié)果優(yōu)化調(diào)整,同步施工布置如圖1所示。

        圖1 隧洞開(kāi)挖與襯砌同步施工布置圖

        3 同步施工技術(shù)

        3.1 洞身開(kāi)挖施工方法

        洞身開(kāi)挖采用鉆爆法,根據(jù)圍巖條件、隧洞坡度,結(jié)合后續(xù)仰拱棧橋架設(shè)需預(yù)留的臺(tái)階高度,按照參考文獻(xiàn)[10]開(kāi)挖施工要求,采取如下施工方法:

        (1)Ⅲ類(lèi)圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好,采用全斷面開(kāi)挖,循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5~3.0 m,每掘進(jìn)2~3個(gè)循環(huán)做一次錨噴支護(hù),出渣時(shí)底部預(yù)留1.2 m 厚堆渣高度,待仰拱施工時(shí)再進(jìn)行清理。

        (2)Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖采用臺(tái)階法開(kāi)挖,分上、中、下3個(gè)臺(tái)階,上臺(tái)階長(zhǎng)度控制在15~20 m,Ⅴ類(lèi)圍巖上臺(tái)階預(yù)留核心土,臺(tái)階高度和開(kāi)挖順序如圖2所示,下臺(tái)階待仰拱施工時(shí)再進(jìn)行開(kāi)挖。

        圖2 Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖示意圖

        (3)Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺分別控制在1.0 m 和2.0 m 左右,上、中臺(tái)階同時(shí)爆破掘進(jìn),每循環(huán)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(wǎng)、噴射混凝土;Ⅴ類(lèi)圍巖在開(kāi)挖前按設(shè)計(jì)要求拱頂120°打設(shè)超前注漿小導(dǎo)管。

        3.2 仰拱開(kāi)挖襯砌施工技術(shù)

        3.2.1 仰拱棧橋的選定

        仰拱棧橋是解決隧洞開(kāi)挖與仰拱施工相互干擾的關(guān)鍵設(shè)備,棧橋正常通行時(shí),棧橋下可同時(shí)進(jìn)行仰拱清基、襯砌等工序的施工。采用全液壓移動(dòng)式仰拱棧橋,由大型鋼結(jié)構(gòu)件制作,主要由主橋、長(zhǎng)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(tǒng)組成(如圖3、圖4所示),特點(diǎn)如下:

        圖3 全自動(dòng)液壓仰拱棧橋縱剖面示意圖

        圖4 全自動(dòng)液壓仰拱棧橋橫剖面示意圖

        (1)棧橋有效襯砌長(zhǎng)度24 m,有效行車(chē)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(dòng)及左右調(diào)整采用無(wú)軌式液壓行走,1 人即可操控,自動(dòng)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(diào)節(jié),確保運(yùn)輸車(chē)輛上棧橋最大坡度不超過(guò)10%。棧橋跨度大,凈高1.7 m,橋下有足夠的空間方便作業(yè),仰拱襯砌可按12.0 m 段長(zhǎng)流水作業(yè),保證了班組連續(xù)作業(yè)和混凝土等強(qiáng)時(shí)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(jī)、堵頭模板等附屬配套設(shè)施,實(shí)現(xiàn)仰拱高效施工。

        3.2.2 仰拱開(kāi)挖

        隧洞開(kāi)挖預(yù)留仰拱開(kāi)挖高度約1.2 m,Ⅲ類(lèi)圍巖段已經(jīng)爆破開(kāi)挖完成,僅需清渣即可,Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖段仰拱開(kāi)挖采用預(yù)裂爆破和液壓破碎錘聯(lián)合開(kāi)挖,開(kāi)挖完成后移動(dòng)仰拱棧橋就位,橋下進(jìn)行仰拱初期支護(hù)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(dòng)模架,與液壓棧橋設(shè)計(jì)成整體,腋角模板采用弧形鋼模板,單側(cè)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(diào)絲桿連接,模板通過(guò)手拉葫蘆懸掛在橫梁體系的行走小車(chē)上,端頭采用木模板(如圖4所示)。這種模板設(shè)計(jì),定位更容易、準(zhǔn)確,能有效控制模板在施工過(guò)程中的變形,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于安裝,大大節(jié)省周轉(zhuǎn)材料和輔助材料,施工質(zhì)量穩(wěn)定,且省時(shí)、省力、工效快?;炷镣ㄟ^(guò)輸送泵和布料機(jī)輸送入倉(cāng),在腋角模板弧段中心每隔2.0 m 布置一個(gè)附著式振動(dòng)器,解決腋角混凝土振搗不密實(shí)易產(chǎn)生氣泡、蜂窩等質(zhì)量通病。

        3.3 邊頂拱襯砌施工技術(shù)

        3.3.1 多功能高效襯砌鋼模臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)

        考慮隧洞坡度較大,襯砌施工選用抗滑性能強(qiáng)的步履式液壓行走鋼模板臺(tái)車(chē),無(wú)需鋪設(shè)軌枕,總長(zhǎng)12.1 m,有效長(zhǎng)度為12 m,最大通過(guò)能力3.98 m×4.90 m(寬×高),行走速度8 m/min(如圖5 所示)。臺(tái)車(chē)配置有先進(jìn)的混凝土自動(dòng)化分倉(cāng)澆筑系統(tǒng)、附著式振搗系統(tǒng)及防止空洞系統(tǒng)、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(huán)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(tái)車(chē)布置示意圖

        3.3.2 自動(dòng)逐倉(cāng)澆筑技術(shù)

        模板臺(tái)車(chē)自動(dòng)澆注系統(tǒng)主要由自動(dòng)澆注主機(jī)裝置、自動(dòng)澆注控制系統(tǒng)、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(tǒng)等組成。左、右側(cè)模板各對(duì)稱(chēng)布置14個(gè)澆注窗口(50 cm×50 cm),分4 層梅花型布置,頂部布置3個(gè)Φ125 mm 灌注口,布料分管共計(jì)15 根,左、右側(cè)模板每層窗口布置2 根,正拱部3根,自動(dòng)澆注系統(tǒng)各管路之間可自動(dòng)切換,滿足混凝土分層逐窗澆筑和拱頂分孔澆筑?;炷翝仓r(shí)按照“分層、由低到高、左右對(duì)稱(chēng)、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(jié)構(gòu)縫質(zhì)量控制是施工的薄弱環(huán)節(jié),常發(fā)生滲漏等問(wèn)題,對(duì)臺(tái)車(chē)端頭鋼模結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì),按設(shè)計(jì)襯砌厚度為50 cm/60 cm,端頭鋼模與臺(tái)車(chē)搭接50 mm,止水銅片位置為臺(tái)車(chē)面板以上250 mm處,端頭模板結(jié)構(gòu)為下部鋼堵頭+上部高分子復(fù)合擋板裝置(如圖6 所示),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、安拆迅速、密封性好的特點(diǎn)。

        圖6 端頭模板結(jié)構(gòu)布置示意圖

        3.3.4 智能混凝土澆筑預(yù)警技術(shù)

        在隧洞襯砌施工時(shí),拱頂混凝土澆注是質(zhì)量控制的要點(diǎn)和難點(diǎn),澆注不飽滿導(dǎo)致拱頂背后脫空,存在質(zhì)量隱患,增加后續(xù)處理難度和費(fèi)用。模板臺(tái)車(chē)配置DoLa?-360P智能混凝土灌注預(yù)警系統(tǒng)保證混凝土灌注飽滿,解決拱頂脫空問(wèn)題,預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),當(dāng)注滿提示燈變亮(紅色),同時(shí)發(fā)出蜂鳴聲,提示拱頂澆筑到位時(shí);當(dāng)未滿提示燈一在亮狀態(tài)(綠色),提示可以繼續(xù)澆筑。

        4 應(yīng)用效果

        4.1 工效分析

        (1)合江支洞按照以“開(kāi)挖為主”的同步襯砌施工方案,洞身開(kāi)挖施工進(jìn)度受襯砌施工的影響較少,開(kāi)挖效率達(dá)到傳統(tǒng)施工方法的95%,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖的月均開(kāi)挖進(jìn)度為153.0 m、76.5 m、38.3 m,見(jiàn)表1。

        表1 隧洞開(kāi)挖月均進(jìn)度表

        (2)仰拱施工按棧橋有效長(zhǎng)度分A、B兩個(gè)流水施工段(每段為12 m),Ⅴ類(lèi)圍巖仰拱施工循環(huán)時(shí)間為68 h(見(jiàn)圖7),根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]渣車(chē)行走對(duì)仰拱混凝土強(qiáng)度的要求,仰拱充填混凝土7 d 強(qiáng)度后采取加鋪鋼板的措施開(kāi)放交通,9 d完成1個(gè)澆筑循環(huán)(24 m),連續(xù)施工情況下月均襯砌進(jìn)度為80 m,大于Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖開(kāi)挖施工進(jìn)度,不會(huì)影響開(kāi)挖施工,仰拱實(shí)際襯砌進(jìn)度取決于隧洞開(kāi)挖進(jìn)度。

        圖7 仰拱施工循環(huán)作業(yè)時(shí)間(Ⅴ類(lèi)圍巖)

        (3)邊頂拱施工循環(huán)時(shí)間為68 h(見(jiàn)圖8),其中防水板、鋼筋安裝可提前平行作業(yè),不影響臺(tái)車(chē)就位和混凝土澆筑,拱頂襯砌強(qiáng)度達(dá)到5 MPa[12]即可脫模,臺(tái)車(chē)完成12 m 襯砌混凝土澆筑消耗時(shí)間為38 h,連續(xù)施工情況下月均襯砌進(jìn)度為192 m,遠(yuǎn)大于隧洞開(kāi)挖、仰拱施工進(jìn)度,實(shí)際襯砌速度取決于仰拱襯砌進(jìn)度。

        圖8 邊頂拱施工循環(huán)作業(yè)時(shí)間(Ⅴ類(lèi)圍巖)

        4.2 安全效果

        從圖9可以看出,IV、V類(lèi)圍巖洞身收斂變形分別持續(xù)30 d、45 d左右趨于穩(wěn)定,開(kāi)挖與邊頂拱襯砌施工步距控制在60 d開(kāi)挖進(jìn)尺的距離(約80-150 m)是合適的,符合初期支護(hù)變形穩(wěn)定后及時(shí)進(jìn)行襯砌施工的設(shè)計(jì)要求,初支結(jié)構(gòu)在砌襯施工前的收斂變形量穩(wěn)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(kāi)挖、襯砌共計(jì)600 m,其中Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖分別為348 m、252 m,實(shí)際工期11.5 個(gè)月,從圖10 中可以看出,與傳統(tǒng)施工方法比較,開(kāi)挖進(jìn)度基本一致,襯砌施工時(shí)間較長(zhǎng),人工、設(shè)備施工成本相對(duì)較高,但總工期縮短了1.5個(gè)月,工期節(jié)省11.5%,工期優(yōu)勢(shì)明顯,工期提前帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益要遠(yuǎn)大于增加的施工成本。

        圖10 兩種施工方法工期對(duì)比分析

        5 結(jié)語(yǔ)

        環(huán)北部灣廣東水資源配置工程合江支洞施工實(shí)踐證明,所采用的開(kāi)挖與襯砌同步施工技術(shù)先進(jìn)、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(xù)輸水干線隧洞設(shè)計(jì)和施工提供了經(jīng)驗(yàn),也值得類(lèi)似工程借鑒。

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