曲線盾構(gòu)隧道內(nèi)大直徑內(nèi)襯鋼管的安裝及外包混凝土施工技術(shù)

廣東省基礎(chǔ)工程公司 廣州 510620

1 工程概況

廣州市西江引水輸水管線小塘立交段工程，全長約3.26 km，呈曲線狀。盾構(gòu)段長約2.42 km，需要安裝DN4 800 mm內(nèi)襯鋼管；明挖段長約840 m，敷設(shè)2DN3 600 mm PCCP管，設(shè)盾構(gòu)井3 個(gè)。工程總造價(jià)約為2.7 億元。

本文介紹了在外徑6.0 m、內(nèi)徑5.4 m曲線盾構(gòu)隧道內(nèi)安裝DN4 800 mm大直徑內(nèi)襯鋼管，并澆筑內(nèi)襯鋼管外包混凝土的主要施工技術(shù)和措施，研制了專用的臺車裝置，提出并實(shí)施了多項(xiàng)先進(jìn)的施工技術(shù)和措施，在國內(nèi)可查閱資料中尚無先例可循，對同類工程的施工具有一定的參考價(jià)值。

2 大直徑內(nèi)襯鋼管截面形式

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m。盾構(gòu)隧道完成后于管片隧道內(nèi)鋪設(shè)DN4 800 mm內(nèi)襯鋼管，壁厚20 mm，材質(zhì)為Q235-C，每延米重2.38 t。

內(nèi)襯鋼管與盾構(gòu)管片間隙填充C20自密實(shí)混凝土以保證內(nèi)襯鋼管在管片內(nèi)不移動。根據(jù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖，鋼管內(nèi)襯隧道斷面如圖1所示，從外往里分別為：盾構(gòu)管片→上部240°范圍薄層聚乙烯閉孔泡沫板→上部240°均布5 根與隧道通長的DN50 mm排水花管→自密實(shí)混凝土→DN4 800 mm×20 mm內(nèi)襯鋼管。

圖1 隧洞內(nèi)襯鋼管斷面示意

根據(jù)建模計(jì)算分析，上部240°范圍薄層聚乙烯閉孔泡沫板可以有效地降低外圍盾構(gòu)隧道管片應(yīng)力，從而避免管片開裂。

3 盾構(gòu)隧道內(nèi)安裝大直徑內(nèi)襯鋼管施工需要解決的主要技術(shù)難題

（a）盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.4 m，隧道內(nèi)安裝Φ4 800 mm內(nèi)襯鋼管，管壁20 mm，大直徑薄壁鋼管在三維曲線的隧道內(nèi)運(yùn)輸、對接、焊接施工難道大，在國內(nèi)可查閱資料中尚無先例可循。

（b）盾構(gòu)隧道與鋼管內(nèi)襯之間的平均間隙僅280 mm，設(shè)計(jì)采用混凝土填充。由于需要填充的部分為一密閉圓環(huán)間隙，填充混凝土施工的難道很大。

4 大直徑內(nèi)襯鋼管制作

DN4 800 mm內(nèi)襯鋼管規(guī)格為單節(jié)長6.0 m，選用3.0 m的板材，由專業(yè)工廠加工制作。

內(nèi)襯鋼管的內(nèi)支撐采用內(nèi)法蘭+傘形槽鋼的內(nèi)支撐形式，如圖2、圖3所示。該支撐形式試驗(yàn)中橢圓度為10 mm，在管口縮進(jìn)250 mm進(jìn)行安裝，滿足鋼管對接和焊接的要求，采用法蘭管的內(nèi)支撐形式，能有效控制鋼管在公路運(yùn)輸過程中的變形量。

圖2 鋼管真圓保持支撐平面示意

圖3 鋼管真圓保持支撐立面示意

5 大直徑內(nèi)襯鋼管在曲線盾構(gòu)隧道內(nèi)水平運(yùn)輸技術(shù)

大直徑內(nèi)襯鋼管在曲線盾構(gòu)隧道內(nèi)的運(yùn)輸、鋪設(shè)，國內(nèi)尚無先例。內(nèi)襯鋼管的運(yùn)輸主要集中在氣囊運(yùn)輸方法與臺車運(yùn)輸方法之間進(jìn)行選擇，經(jīng)過比較和試驗(yàn)摸索，選用臺車運(yùn)輸方法，并自行研制該裝置，主要技術(shù)要求o為：

（a）在隧道內(nèi)鋪設(shè)22 kg/m的輕軌，底部澆筑混凝土，采用自行研制的托架式隧道管道運(yùn)輸安裝車承托鋼管，以盾構(gòu)施工所用電瓶車作為動力，電瓶車與臺車采用連桿固定連接，進(jìn)行隧洞內(nèi)運(yùn)輸安裝。

（b）運(yùn)輸臺車車輪組設(shè)計(jì)要求：由于采用電瓶車作為動力，輪組參照火車車輪，內(nèi)側(cè)車輪轂的形式進(jìn)行重新加工而成。

（c）臺車上設(shè)置龍門支撐架，如圖4所示，并通過液壓油缸調(diào)整成水平。

圖4 龍門支撐架示意

臺車實(shí)現(xiàn)的功能有：

（a）支腿帶液壓裝置（每個(gè)支腿都配1 個(gè)獨(dú)立的液壓油缸），用以調(diào)整各支腿高度，可靈活地實(shí)現(xiàn)始發(fā)井內(nèi)穿管和隧道內(nèi)已安裝鋼管的爬管動作；臺車馱運(yùn)鋼管后，通過控制電瓶車，實(shí)現(xiàn)鋼管的水平平移動作，以便調(diào)整鋼管的水平對接微調(diào)。

（b）通過在臺車凹槽上安裝的液壓油缸和轉(zhuǎn)臺輪組裝置，一方面可頂升、支承鋼管，實(shí)現(xiàn)馱運(yùn)，且可通過調(diào)節(jié)2 組液壓油缸的高度實(shí)現(xiàn)裝配間隙的調(diào)節(jié)；另一方面可對鋼管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在曲線段鋼管對接時(shí)使得鋼管斜口對正。

6 大直徑內(nèi)襯鋼管對接安裝技術(shù)[1-3]

鋼管出廠時(shí)單節(jié)長度為6.0 m ，為加快施工進(jìn)度，先在井口將2 節(jié)6.0 m鋼管在轉(zhuǎn)臺上焊接成12.0 m，再用臺車運(yùn)進(jìn)隧道。鋼管的排版按照每段12.0 m進(jìn)行，在轉(zhuǎn)彎段，采用雙向楔形的方式根據(jù)不同情況段設(shè)定相應(yīng)楔形量。

鋼管從始發(fā)井往接收井方向運(yùn)送，從接收井開始鋪設(shè)，往始發(fā)井方向推進(jìn)，形成鋼管鋪設(shè)的流水作業(yè)。

鋼管鋪設(shè)的步驟：每節(jié)6.0 m鋼管吊入始發(fā)井內(nèi)→2 節(jié)鋼管在轉(zhuǎn)臺上對接成12.0 m→12.0 m鋼管通過臺車運(yùn)入隧道。

內(nèi)襯鋼管的對接由臺車輔助，結(jié)合千斤頂、限位板進(jìn)行。臺車進(jìn)入后，利用管道上在工廠制作時(shí)留設(shè)的4 個(gè)準(zhǔn)線點(diǎn)和頂部注漿孔（12點(diǎn)位置）進(jìn)行對中，利用臺車上安裝的轉(zhuǎn)臺輪組轉(zhuǎn)動鋼管，調(diào)整位置。采用耐磨的復(fù)合橡膠材料作內(nèi)襯鋼管運(yùn)輸?shù)膲|板，復(fù)合材料纏繞固定在臺車輪組上，此材料摩擦系數(shù)非常小，非常耐磨，只需要較小的力就可以使鋼管轉(zhuǎn)動，便于對中。

隧洞內(nèi)焊接采用林肯專用打底焊機(jī)和大西洋CHE506 3.2 mm（焊條）對鋼管接頭作打底焊接，雙機(jī)對稱同時(shí)施焊，填充焊采用時(shí)代焊接和E501T-1 Φ1.2 mm保護(hù)焊絲作過渡填充及蓋面，并輔以下措施：

（a）研制專用焊接平臺。由于焊接管內(nèi)徑4 800 mm，內(nèi)環(huán)縫需要全位置焊接，需研制一種管內(nèi)專用焊接平臺，平臺可以在管面上滑行，方便移位。同時(shí)搭建必要的遮篷，阻擋上層的溶水滴落下方管道，影響下方位的焊接。

（b）有效通風(fēng)措施。在始發(fā)井設(shè)置2 臺Φ800 mm的軸流風(fēng)機(jī)在隧道內(nèi)往2 個(gè)接收井送風(fēng)，同時(shí)在工作面范圍內(nèi)設(shè)置Φ300 mm的便攜螺旋式通風(fēng)機(jī)（送風(fēng)量為65 m3/min，風(fēng)壓達(dá)到370 Pa），以及放置Φ500 mm抽風(fēng)機(jī)，能有效改善工作面作業(yè)環(huán)境，保證空氣質(zhì)量。

為保證氣保焊的質(zhì)量，通風(fēng)采用設(shè)置上風(fēng)口擋板，以保證氣保焊工作面達(dá)到規(guī)范中CO2保護(hù)焊的空氣流速，滿足焊接的要求。另一方面，為保證隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量指標(biāo)，在工作面內(nèi)放置鳥籠，通過觀察鳥籠的狀態(tài)對隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量進(jìn)行判斷。

所有焊縫均須通過超聲波檢測合格，井口焊縫的10％須通過X光拍片檢測合格。

7 大直徑內(nèi)襯鋼管外包混凝土施工技術(shù)

采用自密實(shí)混凝土，以提高混凝土的流動性、高抗離析性、高填充性和良好的鋼筋間隙通過性為出發(fā)點(diǎn)，對低強(qiáng)度自密實(shí)混凝土進(jìn)行研配，選擇合理的原材料、適當(dāng)?shù)挠盟颗c外加劑摻量， 使高流動性和高抗離析性達(dá)到最佳平衡狀態(tài)。它的特征是具有良好的力學(xué)性能和耐久性能，施工方便， 防止因振搗不善出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)離析與質(zhì)量事故。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，混凝土強(qiáng)度C20，展開度600 mm，初凝時(shí)間8 h，終凝時(shí)間10 h。水泥用量260 kg，粉煤灰150 kg，減水劑采用QD強(qiáng)達(dá)聚羧酸，摻量為4.5％。

混凝土澆筑方法及措施：

（a）分倉分層澆注混凝土。分倉長度24～36 m，分3層澆注混凝土，避免鋼管上浮；采用快易收口網(wǎng)作分倉澆注模板，免除接縫鑿毛，且便于混凝土澆注過程中的排氣（圖5）。

圖5 混凝土澆筑分層施工示意

（b）混凝土灌漿孔的布置。在每24 m鋼管頂部布置3 個(gè)Φ136 mm的混凝土灌漿孔（2、3、5斷面），在3 點(diǎn)和9 點(diǎn)的腰部位置共布置4 個(gè)Φ136 mm的混凝土灌漿孔（2、5斷面）；在鋼管頂部布置3 個(gè)Φ48 mm的觀察孔（1、4、6斷面），用于觀察混凝土泵送的情況，同時(shí)兼顧排氣孔和后期注漿的功能。灌漿孔、注漿孔的位置均考慮避開縱向焊縫和十字焊縫（圖6～圖9）。

圖6 混凝土灌漿孔/排氣孔布置縱剖面示意

圖7 頂部和兩側(cè)混凝土灌漿孔布置斷面（2、5斷面）

圖8 頂部混凝土灌漿孔布置斷面（3斷面）

圖9 注漿孔布置斷面（1、4、6斷面）

（c）混凝土采用90 kW輸送泵澆注。從接收井往始發(fā)井方向逐倉、逐層澆注。當(dāng)混凝土輸送管超過750 m后，泵送較為困難，在鋼管鋪設(shè)完成后改為從始發(fā)井泵送。

（d）混凝土灌漿孔的封堵：所有抽芯孔和鉆孔均應(yīng)采用不低于原注漿混凝土強(qiáng)度的砂漿或水泥漿填塞密實(shí)；灌漿孔封孔應(yīng)采用與內(nèi)襯鋼管母材一致或相近的材料進(jìn)行封焊，封頭擰緊后對封頭與鋼管縫隙進(jìn)行塞焊焊接，焊縫質(zhì)量等級按I級焊縫控制；焊接完成后對焊縫采用UT探傷進(jìn)行檢測，檢驗(yàn)等級為B級；封孔前清除灌漿孔中雜物擰緊封頭，烤干預(yù)留焊縫坡口，以補(bǔ)強(qiáng)板作外層墊板，塞焊灌漿孔并磨平。灌漿孔封孔施工如圖10所示。

圖10 灌漿孔封孔示意

（e）混凝土澆注效果檢查： 脫空區(qū)域的檢查，灌漿結(jié)束3～7 d后用錘擊法進(jìn)行灌漿質(zhì)量檢查，其脫空范圍和程度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，不合格的部位進(jìn)行補(bǔ)灌直到滿足設(shè)計(jì)要求為止；補(bǔ)充灌漿施工，利用頂部上準(zhǔn)線位置的Φ48 mm注漿孔，補(bǔ)充灌漿施工前可進(jìn)行通風(fēng)壓水，通風(fēng)壓水工作是對灌漿施工的模擬，以摸清各灌漿孔及各脫空區(qū)域相互串通情況，根據(jù)壓水記錄還可以初步估算灌漿工程量，為下一步灌漿施工提供幫助。

（f）自密實(shí)混凝土質(zhì)量和密實(shí)度檢測。在混凝土泵送及二次灌漿完成后，按要求進(jìn)行抽芯檢查。

8 結(jié)語

本工程通過自行研制一種用于隧道或涵洞內(nèi)管道運(yùn)輸、安裝、拆卸的臺車裝置，成功應(yīng)用于長2.42 km、外徑6.0 m、內(nèi)徑5.4 m曲線盾構(gòu)隧道內(nèi)安裝DN4 800 mm大直徑內(nèi)襯鋼管，完成內(nèi)襯鋼管的運(yùn)載、調(diào)節(jié)和對接功能，實(shí)現(xiàn)了曲線隧道內(nèi)大直徑鋼管的快速安裝；提出并實(shí)施了一種盾構(gòu)隧道內(nèi)鋼管內(nèi)襯外包混凝土的澆筑方法，較好地控制混凝土的質(zhì)量，縮短填充混凝土的施工工期；解決了國內(nèi)首例間隙如此小的大直徑內(nèi)襯鋼管在曲線隧道內(nèi)進(jìn)行運(yùn)輸、對接、固定、焊接以及內(nèi)襯鋼管外包混凝土澆筑等施工技術(shù)難題。經(jīng)檢測，內(nèi)襯鋼管安裝定位準(zhǔn)確、焊縫質(zhì)量優(yōu)良，外包混凝土填充密實(shí)，均達(dá)到設(shè)計(jì)和有關(guān)規(guī)范的要求，對同類工程的施工具有一定的參考價(jià)值。