小斷面引水隧洞混凝土襯砌施工關(guān)鍵技術(shù)研究

孫露，丁繼輝，王宇寧

摘要：為解決桓仁供水工程小斷面輸水隧道開挖、混凝土襯砌等施工技術(shù)存在的運(yùn)輸費(fèi)用高、供應(yīng)不連續(xù)、澆筑質(zhì)量差、施工工效低、襯砌成型尺寸難控制等問題，研究試配高強(qiáng)度一級配自密實(shí)混凝土、改造混凝土運(yùn)輸車、改造混凝土襯砌用全圓針梁式鋼模臺車、改造可分離式混凝土運(yùn)輸澆筑一體化設(shè)備、多臺襯砌臺車聯(lián)合襯砌施工等多項(xiàng)工程措施。結(jié)果表明：通過以上措施，工程按期實(shí)現(xiàn)了通水目標(biāo)，保證了施工質(zhì)量，提高了施工效率，降低了施工成本。不同洞徑、不同洞型的小斷面隧洞，通過試配高強(qiáng)度一級配自密實(shí)混凝土、改造工程用施工設(shè)施、設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期工程進(jìn)度、質(zhì)量和安全等目標(biāo)，對類似小斷面隧洞工程設(shè)計(jì)和施工有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：引水隧洞； 小斷面； 自密實(shí)混凝土； 襯砌施工； 鋼模臺車

中圖法分類號：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.009

文章編號：1006-0081（2023）09-0057-05

0引言

為有效滿足鐵路、公路、隧道、橋梁長距離通行，設(shè)計(jì)出大跨斷面、特大跨斷面形式，并相應(yīng)采用大型鋼模臺車進(jìn)行分序連續(xù)襯砌施工［1］。目前中國已成功積累大量隧洞工程建設(shè)寶貴經(jīng)驗(yàn)，但有關(guān)小斷面隧洞混凝土結(jié)構(gòu)及全斷面混凝土襯砌結(jié)構(gòu)方案研究等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工仍面臨較多困難［2-3］。

小斷面是指面積小于20 m2的斷面，其結(jié)構(gòu)特征使大型或高效機(jī)械化施工設(shè)施無法全部進(jìn)入工作區(qū)，給機(jī)械化作業(yè)帶來難題［4］。同時，在小斷面隧洞施工操作過程中的多工序作業(yè)交叉造成施工工序之間互相干擾，降低施工效率［5］。受小斷面作業(yè)空間限制，工程案例中，各施工階段只能輪流分段進(jìn)行局部周期性調(diào)配作業(yè)，增加了設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)工作難度［6］。因此，提高小斷面隧洞建設(shè)水平，對工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度管理十分關(guān)鍵［7-9］。

由于斷面半徑相對較小、襯砌距離較長，混凝土襯砌施工管理難度較大，當(dāng)前國內(nèi)小斷面隧洞混凝土襯砌澆筑多為邊頂拱和仰拱分序進(jìn)行、木模板或鋼模組合，外觀質(zhì)量較差，成型尺寸誤差較大并較難控制。本文以桓仁供水工程為例，對適用于小斷面引水隧洞的襯砌混凝土配合比、襯砌設(shè)備、施工運(yùn)輸系統(tǒng)及施工方法開展研究，為后續(xù)小斷面隧洞施工提供經(jīng)驗(yàn)積累和技術(shù)支持。

1工程概況

桓仁供水工程為遼寧省重點(diǎn)輸供水工程的補(bǔ)償工程。隧洞全長4.39 km，圓弧拱頂為斜墻形壓力洞，襯砌成型斷面為圓形，圍巖類別以Ⅲ類為主，開挖尺寸2.35 m×2.56 m（寬×高），Ⅲ類襯砌厚25 cm，Ⅳ，Ⅴ類襯砌厚40 cm，成洞斷面為圓形，洞徑為2.0 m。按照隧洞斷面尺寸進(jìn)行分類，本隧洞屬于小斷面隧洞。

2主要研究內(nèi)容

（1） 小斷面隧洞襯砌混凝土配合比研究。襯砌厚度薄，混凝土入倉及人工振搗困難，采用常規(guī)泵送混凝土很難保證倉內(nèi)混凝土完全密實(shí)。由于自密實(shí)混凝土具有高流動性，能不經(jīng)振搗、依靠自重流填充結(jié)構(gòu)并包裹鋼筋，因此試驗(yàn)開展自密實(shí)混凝土配合比研究。

（2） 小斷面隧洞襯砌設(shè)備研制。對照SL 279-2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10304-2020《鐵路隧道施工規(guī)范》，根據(jù)前期工程積累經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)外類似規(guī)模隧洞經(jīng)驗(yàn)，研究襯砌臺車液壓系統(tǒng)以及液壓針梁臺車構(gòu)成，確定小斷面襯砌混凝土合理的循環(huán)長度。

（3） 小斷面襯砌施工運(yùn)輸系統(tǒng)研究。洞內(nèi)空間無法滿足大型混凝土罐車行走需要，加之市場上無適合本工程的混凝土運(yùn)輸罐車，為解決混凝土洞內(nèi)運(yùn)輸困難問題，對運(yùn)輸系統(tǒng)開展研究。

（4） 小斷面隧洞襯砌施工方法研究。為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的混凝土運(yùn)輸設(shè)備費(fèi)用高、混凝土供應(yīng)不連續(xù)、混凝土澆筑質(zhì)量差、工效低、襯砌成型尺寸較難控制等問題，對測量放線、巖面處理、鋼筋安扎、臺車定位、止水帶安裝、混凝土入倉、拆模與養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行研究，形成小斷面隧洞混凝土運(yùn)輸及襯砌施工技術(shù)。

2.1小斷面隧洞襯砌混凝土配合比

隧道內(nèi)部工作空間狹小，襯砌厚度偏薄，大多為25 cm，人工或機(jī)械振搗困難，難以保證混凝土密實(shí)良好。為保證混凝土內(nèi)部性能及外觀質(zhì)量，查閱大量資料并經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：自密實(shí)混凝土依靠自重流可填充孔隙縫充分包裹混凝土，具有很高的流動性和良好的保溫絕熱性能，且其砂漿層不離析，硬化后滿足力學(xué)性能和耐久性能，有助于減少人員勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率，降低安全隱患。分別試配常規(guī)泵送混凝土配合比和自密實(shí)混凝土配合比，對比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終找出適合本工程的自密實(shí)混凝土配合比。

本次常規(guī)泵送混凝土配合比分別試拌0.34，0.37，0.40共3種水膠比，用水量155 kg/m3，粉煤灰摻量20%，抗裂防水劑摻量6%，砂率43%，減水劑摻量1%，引氣劑摻量1/10 000。通過檢測拌和物抗壓、抗?jié)B、抗凍結(jié)果，確定了最終的常規(guī)泵送混凝土配合比，見表1。

分別選取上述3種水膠比進(jìn)行試配試驗(yàn)，根據(jù)所得混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（表2～3），繪制強(qiáng)度和膠水比線性關(guān)系圖（圖1），確定略大于配制強(qiáng)度對應(yīng)的膠水比并進(jìn)行調(diào)整。配合比調(diào)整后根據(jù)選定的水膠比進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)，最終確定出滿足設(shè)計(jì)和施工要求的混凝土配合比。

綜合計(jì)算分析了以上混凝土各試驗(yàn)分項(xiàng)計(jì)算結(jié)果，初步分析試驗(yàn)結(jié)果，確定自密實(shí)混凝土中水膠比強(qiáng)度系數(shù)范圍為0.36（粉煤灰摻量25%），并按現(xiàn)行施工安全規(guī)范和試驗(yàn)要求逐項(xiàng)復(fù)核。經(jīng)初步計(jì)算調(diào)整試算參數(shù)，確定水膠比系數(shù)下混凝土28 d抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，對應(yīng)的抗凍試驗(yàn)參數(shù)質(zhì)量損失率平均值3.2%（＜5%）、相對動彈性模量平均值72.3%（＞60%）均滿足F200抗凍等級設(shè)計(jì)要求，抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果平均值1.3 MPa滿足W12抗?jié)B等級設(shè)計(jì)要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合對比分析、驗(yàn)證，確定施工混凝土用自密實(shí)砂漿混凝土配合比見表4。

2.2小斷面隧洞襯砌設(shè)備

根據(jù)前期工程積累經(jīng)驗(yàn)及國內(nèi)外類似規(guī)模隧洞施工經(jīng)驗(yàn)研制液壓針梁臺車。模板和針梁是針梁臺車的主受力部位。進(jìn)行針梁模板臺車結(jié)構(gòu)計(jì)算，重點(diǎn)考慮強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。臺車受力荷載主要考慮持續(xù)工作負(fù)載及非連續(xù)工作承載。對模板總成進(jìn)行基礎(chǔ)準(zhǔn)備，在模板總成進(jìn)行完全脫模或安裝完成后，兩大次要部分自重也全部由針梁承擔(dān)。

2.2.1針梁結(jié)構(gòu)受力分析

針梁受力考慮模板、托架、梁框、混凝土自重。模板總成、梁框及行走的質(zhì)量約32 t。襯砌長度9 m，針梁支承點(diǎn)總長18.756 m，梁框與針梁之間行走支承輪8個，每側(cè)計(jì)算可簡化成4個受力點(diǎn)。截面尺寸單位1 200 mm×1 100 mm。計(jì)算得其截面模量、針梁結(jié)構(gòu)外在荷載。計(jì)算所得梁最大彎曲應(yīng)力σ=83 MPa，A3鋼抗拉強(qiáng)度［σs］=160 MPa，彎曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，安全系數(shù)S=1.93，屈服剛度滿足規(guī)范要求。

2.2.2臺車模板受力分析

臺車模板分頂模與邊模，頂模受混凝土自重、施工荷載及注漿口封口壓力等荷載作用，受力條件比其他部位更復(fù)雜，受力更大、結(jié)構(gòu)要求更高。由于邊模、底模的結(jié)構(gòu)構(gòu)造一樣，邊模不承受混凝土自重，荷載較小，因此在強(qiáng)度分析中只考慮頂模。

模板沿洞軸方向是圓柱殼，由多個1.5 m高的圓柱形組合而成。通過計(jì)算得知模板下托架支承及圓弧拱板的剛度足夠，而頂模最危險處應(yīng)在最頂部。因此，其力學(xué)模型可取最頂部長1.5 m、寬2.0 m的模板進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度校核，如圖2所示。

（1） 自重P1和擠壓荷載P2。頂拱混凝土模板長1.5 m、寬2.0 m，混凝土厚約0.4 m，密度2.35 t/m3，混凝土自重W=1.5 m×2 m×0.4 m×2.45 t/m3=2.94 t，單位荷載P1=2.94 t/（1.5 m×2.0 m）=0.98 t/m2。擠壓板面荷載P2取4.60 t/m2，此部分模板受P1和P2聯(lián)合作用，模板受疊加合力為P=P1+P2=5.58 t/m2。

（2） 模板彎曲應(yīng)力。查常用型鋼角鋼理論重量表知角鋼75 mm×6 mm（邊長×厚度）慣性矩為469 500 mm4，橫截面積879.7 mm2，組合截面慣性矩Ix=2 798 204.093 mm4?？箯澖孛婺?shù)W1=103 946 mm3?？箯澗刈畲蠼孛婺?shù)W2=48 179 mm3。簡支梁截面最大抗彎矩值Mmax=4.0×103 N·m位于跨梁截面中部。梁鋼最大彎曲應(yīng)力σ=Mmax/W2=83 MPa。Q235鋼［σs］=160 MPa，梁最大彎曲強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

（3） 模板的最大位移。單位模板最大位移相當(dāng)于最大變形模量，利用簡支梁均布力荷載位移公式計(jì)算：

fmax=5ql4384EI

式中：E為彈性模量，2.1×105 MPa；I為慣性矩，2.8×10-6 m4；q為均布荷載，1.42×104 N；l為梁截面長度，1.5 m。

將各值代入公式得到fmax=1.59 mm，即模板最大位移。通過對上述材料進(jìn)行有限元分析，確認(rèn)整個模板體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)及彎曲剛度滿足要求。

2.3小斷面襯砌施工運(yùn)輸系統(tǒng)

小斷面隧道混凝土襯砌施工的空間無法滿足大型罐車行走需要，洞內(nèi)運(yùn)輸困難。結(jié)合國內(nèi)外類似工程施工經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)要求，重點(diǎn)對比分析混凝土有軌運(yùn)輸和無軌運(yùn)輸設(shè)計(jì)施工方案。有軌運(yùn)輸即鋪設(shè)鐵軌運(yùn)輸混凝土拌和物；無軌運(yùn)輸即通過改裝運(yùn)輸車輛進(jìn)行混凝土拌和物及其他工程設(shè)備設(shè)施的運(yùn)輸。經(jīng)過前期專題研討與專家論證，確定采用改裝混凝土罐車進(jìn)行小斷面隧道施工。

罐車改進(jìn)情況。根據(jù)隧洞斷面結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要求，采用3臺3T30-105B1型拖拉機(jī)頭、3臺2 m3混凝土罐、6套U型車軸以及其他附屬設(shè)備進(jìn)行混凝土運(yùn)輸罐車組裝改造。單臺混凝土罐車配備2套U型車軸，對U型車軸進(jìn)行改造，前后車軸可靈活轉(zhuǎn)向，解決了洞內(nèi)罐車無法掉頭的問題，且每個輪胎都配備了氣動剎車裝置，保證了混凝土罐車的安全性。洞口距澆筑倉面較遠(yuǎn)，斷面小、通風(fēng)困難，柴油拖拉機(jī)工作洞內(nèi)空氣污染嚴(yán)重，危害作業(yè)人員健康。

針對此問題，采用尾氣凈化器，對拖拉機(jī)進(jìn)行尾氣處理系統(tǒng)改造，加裝尾氣凈化器，通過現(xiàn)場檢測，洞內(nèi)空氣質(zhì)量良好，拖拉機(jī)尾氣中固體懸浮微粒及有毒有害氣體得到有效控制，尾氣處理效果理想。根據(jù)洞內(nèi)實(shí)際寬度及高度，拆除混凝土罐排料槽，改造混凝土罐出料口，提升了混凝土罐車下料口高度；混凝土輸送泵進(jìn)料口高度105 cm，安裝底盤后混凝土罐車卸料口高度99 cm，混凝土罐車無法直接將混凝土卸入混凝土輸送泵。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，通過將混凝土輸送泵輪胎換為小直徑剛性輪轂（15英寸，即2.54 cm），結(jié)合輸送泵出料口外側(cè)部分擋板的方式，使罐車出料口和混凝土進(jìn)料口高度匹配。最后，通過自制小溜槽將混凝土由罐車卸入混凝土輸送泵。

經(jīng)過試驗(yàn)論證比較：改裝之后的混凝土罐車運(yùn)行作業(yè)方式雖然仍可能繼續(xù)耗用人力等勞動準(zhǔn)備時間，但合理實(shí)用，能夠有效保證當(dāng)前各種建設(shè)施工作業(yè)現(xiàn)場運(yùn)行需要。所研制的可分離式混凝土運(yùn)輸澆筑一體化設(shè)備與傳統(tǒng)采用的軌行式混凝土運(yùn)輸車相比，其一次性投入總成本更小，運(yùn)行維護(hù)過程更安全、平穩(wěn)、可靠、耐用。

2.4小斷面隧洞襯砌施工技術(shù)

通過科學(xué)、系統(tǒng)、詳細(xì)分析小斷面工程測量放線、巖面處理、鋼筋混凝土綁扎、混凝土運(yùn)輸、臺車定位、止水帶施工安裝、混凝土運(yùn)輸入倉、拆模后維修管理與設(shè)備日常使用養(yǎng)護(hù)、鋼筋混凝土及長效使用的防銹與脫模劑技術(shù)措施等重點(diǎn)方面，形成了長距離小跨斷面隧洞混凝土運(yùn)輸及襯砌方法、小跨斷面長距離水工隧洞全環(huán)混凝土襯砌施工方法。

全環(huán)襯砌施工關(guān)鍵技術(shù)步驟：① 臺車就位，利用自帶行走機(jī)構(gòu)及卷揚(yáng)系統(tǒng)將臺車行走至襯砌位置。② 利用簡易臺架進(jìn)行人工鋼筋安扎，利用臺車卷揚(yáng)系統(tǒng)將鋼模水平就位，通過豎向、側(cè)向、頂模油缸，將臺車前后底座及鋼模板支承牢固。③ 借助測量儀器使模板斷面與隧洞斷面中心重合一致。④ 安裝橡膠止水帶并立模封堵，使用3輛設(shè)計(jì)組裝2 m3混凝土罐車輪流運(yùn)輸混凝土至作業(yè)面，混凝土強(qiáng)度達(dá)規(guī)定要求，臺車進(jìn)行脫模。⑤ 進(jìn)行下一倉隧洞混凝土襯砌施工。⑥ 隧洞混凝土襯砌采用全圓針梁鋼模臺車支模，一次澆筑成型，提高工效，降低成本，加快進(jìn)度。

該施工方法克服了混凝土施工、養(yǎng)護(hù)等技術(shù)方面存在的鋼筋混凝土運(yùn)輸與維修管理設(shè)備費(fèi)用偏高、混凝土供應(yīng)不連續(xù)、現(xiàn)場澆筑混凝土尺寸質(zhì)量一致性較差、工效利用率偏低、襯砌澆注穩(wěn)定性較低而難以有效降低開挖成本等技術(shù)問題。

3結(jié)論

（1） 根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)情況，結(jié)合混凝土抗壓試件強(qiáng)度、中間產(chǎn)品質(zhì)量檢測、混凝土外觀質(zhì)量、施工工效等進(jìn)行綜合分析，本工程研究使用的適用于小斷面引水隧洞的高強(qiáng)度一級配自密實(shí)混凝土在滿足高強(qiáng)度、高抗凍指標(biāo)等性能指標(biāo)要求的情況下，解決了因洞內(nèi)空間狹小、振搗困難而引起的混凝土不密實(shí)問題，且使機(jī)械、勞動力施工功效得到大幅提升，達(dá)到預(yù)期效果。

（2） 通過計(jì)算、研討與試驗(yàn)論證，根據(jù)工程建設(shè)實(shí)際進(jìn)度情況，研制了適用于小斷面襯砌的全圓針梁式鋼模臺車，并同時使用多臺全圓針梁式鋼模臺車連續(xù)澆筑，在國內(nèi)外工程中屬于首次。

（3） 施工過程中，通過對牽引拖拉機(jī)頭、混凝土攪拌罐、輸送泵等部位的改造，研制了可分離式混凝土運(yùn)輸澆筑一體化設(shè)備，解決了因斷面小、距離長造成的混凝土運(yùn)輸澆筑效率低、安全隱患大的問題。

目前，國內(nèi)外隧洞施工技術(shù)得到大幅度提高，但在小斷面襯砌方面還有很大的提升空間，尤其在配合比選擇、襯砌臺車選擇、襯砌方式、運(yùn)輸方式等方面。本文提出的一系列技術(shù)方法可為同類工程提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］龍?zhí)?移動式簡易臺車在特小斷面隧洞施工中的應(yīng)用［J］.水利水電快報(bào)，2019，40（6）：71-72.

［2］薛小攀，韓福，馮秋豐，等.軟弱地層小斷面引水隧洞超前小導(dǎo)管加固效果分析［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（7）：50-56.

［3］楊金華，馬江飛，王黎.高寒高海拔地區(qū)軟巖長引水隧洞施工降效原因分析及應(yīng)對措施［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（11）：62-66.

［4］閆肅.長距離小斷面隧道進(jìn)口獨(dú)頭串聯(lián)接力通風(fēng)技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2021（7）：130-133.

［5］孫露.地下洞室爆破開挖的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水利建設(shè)與管理，2016（12）：31-34.

［6］瞿志軍.小斷面隧道施工關(guān)鍵技術(shù)探析［J］.湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，35（2）：39-42.

［7］孫曉科.高壓富水弱膠結(jié)礫巖隧道施工降水方案優(yōu)化［J］.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2021（1）：160-163.

［8］呂鵬濤.高壓富水鐵路隧道綜合施工技術(shù)研究［J］.中國高新區(qū)，2018（7）：162-164.

［9］熊鵬，饒軍應(yīng)，孔德禹，等.基于支持向量機(jī)的軟巖隧道大變形預(yù)測模型及應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2021（11）：140-148.

（編輯：江燾，高小雲(yún)）

Research on key technologies of concrete lining construction for small?section water conveyance tunnel：a case of Huanren Water Supply?Project in Liaoning Province

SUN Lu 1，DING Jihui 2，WANG Yuning 3

（1.Liaoning Ecological Engineering Vocational College，Shenyang 110000，China；2.College of Agricultural Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Liaoning Water Resources Management Group，Shenyang 110000，China）

Abstract： In order to solve the problem of high transportation cost，discontinuous supply，poor pouring quality，low construction efficiency and difficult control of lining forming size in the existing construction technologies of the small section water conveyance tunnel of Huanren Water Supply Project，such as excavation and concrete lining.We studied several engineering measures，such as trial-fitting high-strength one-grade self-compacting concrete，reformed concrete transporter，reformed circular needle beam steel formwork trolley for concrete lining，reformed separable concrete transportation-casting integration equipment，and combined lining construction technology of several lining trolleys，etc.The results verified the use of this construction technique can achieve water supply on schedule，ensure the quality of design and construction，improve its efficiency and reduce its cost.The small-section tunnels with different diameters and types can achieve the expected project progress，quality and safety goals through trial-fitting high-strength first-grade self-compacting concrete and reforming the construction facilities and equipment，and it can provide a reference for design and construction of similar small section tunnel projects.

Key words： diversion tunnel； small section； self-compacting concrete； lining construction； steel formwork trolley