某海外隧道二次衬砌带牛腿施工技术

2020-04-20徐子振

成都工业学院学报 2020年1期

徐子振

摘要：二次衬砌施工作为隧道工程建设中的重要环节，对隧道工程整体质量起着关键性的决定作用。同时随着经济及科技不断进步，隧道工程不仅规模及数量不断增大，而且相关施工技术也在不断进步和更新，二次衬砌带牛腿施工技术在隧道工程中应用得越来越广泛。基于此，结合本单位海外某隧道工程的施工实例对二次衬砌带牛腿施工技术展开了相关论述。因为本隧道二次衬砌带牛腿施工中对牛腿的受力要求很高，所以，为保证牛腿施工质量及安全，先是进行了相关的荷载计算，并根据计算结果拟定牛腿施工方案，再对比优选方案，最后确定实施方案。此次隧道二次衬砌带牛腿施工中，牛腿上承载了可移动轨道式行走桥式吊车，对常规衬砌台车进行加装牛腿模板，衬砌带牛腿采取一次性浇筑混凝土，保证了工期和质量要求，并得到推广使用，以期对类似隧道工程施工提供帮助。

关键词：隧道衬砌，牛腿，一次性整体浇筑，混凝土

中图分类号：U455.91 文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2020）01-0045-08

Abstract：Secondary lining construction plays an important role in the overall quality of tunnel project as an important part of tunnel construction. At the same time，under the background of continuous economic and technological progress，tunnel engineering is not only increasing in scale and quantity，but also related construction technology is constantly improving and updating. The application of construction technology of secondary lining with corbel in tunnel project is becoming more and more extensively. Based on the construction example of an overseas tunnel project of the unit，the related secondary lining with corbel construction technology was discussed. Because of the high force requirements on the corbel in the construction of the lining of the tunnel. Therefore，in order to ensure the quality and safety of the construction of the corbel，the relevant load calculation was first carried out，and the construction scheme of the corbel was prepared according to the calculation result，and then the preferred scheme was compared，and the implementation scheme was finally determined. In the construction of the secondary lining with corbel of the tunnel，the movable rail type walking bridge crane was carried on the corble，the shank formwork was added to the conventional lining trolley，and the lining with corbel adopted one-time pouring concrete to guarantee the construction period and quality requirements. And they have been promoted and used in order to provide assistance to similar tunnel construction.

Keywords：tunnel lining，beef legs，one-time integral pouring，concrete

1 工程概况

海外某隧道项目，建筑结构安全等级一级，耐火等级设计为Ⅰ级，使用年限设计为50年，设计断面尺寸是12 m×14.1 m马蹄形断面直墙圆拱、直墙上部带牛腿。隧道全长3 432 m，其中，带牛腿隧道长度为1 780 m，牛腿为现浇混凝土结构，牛腿上部承载可移动轨道式行走桥式吊车。该隧道工程牛腿施工中对整个结构的受力有着很高的要求。因此，确保牛腿施工质量非常关键。若直接采取常规衬砌台车方式开展施工难以达到现实施工要求的标准，因此，现实施工中对常规二次衬砌施工采取了必要的优化措施。牛腿设置及结构形式见图1、图2。

2 地质概况

该项目围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级，地质情况为表层上覆褐黄色崩塌堆积碎、块石，碎、块石成分为强、中风化灰岩，块石粒径最大值是6 m，堆积体为松散状，且没有胶结现象，厚度在0～10.5 m范围内。隧道周围岩石以泥岩夹灰岩为主，颜色呈灰绿色，中度风化，薄～中厚层状，岩层产出状态为：135° ∠3° ，呈水平狀。节理裂隙较不发育，岩石整体比较完整，含有生物化石，属于软岩，在失水之后很容易破碎成碎块状，而且暴露在外界环境后很容易被风化。岩体主要结构面（节理）包括a、b两组产出状态，a组产出状态是：342° ∠85° ，0.5～5 条/m，与隧道近于平行，b组产状为：245° ∠80° ，1～2 条/m，与隧道呈大夹角相交。成洞过程中偶有掉块。

3 荷载结构模型计算

由于该隧道工程中对整个牛腿结构的受力要求比较高，所以先针对二次衬砌进行了荷载试验计算，再依据计算结果制定并优选施工方案，以确保整体施工安全及质量。

3.1 荷载计算

在依据隧道施工相关现行规范要求及规定，对深埋荷载进行计算的过程中，围岩压力按照松散体理论进行具体计算，并分别在围岩垂直和水平方向上布置压力，具体压力计算公式如下：

式（1）～（3）中：q为垂直均布压力，γ为围岩重度，s为围岩级别，ω为宽度影响系数，B为隧道跨度，i是每当B增加或减少1 m的时候的围岩压力增减率，当B<5 m时，取i=0.2，当B>5 m时，取i=0.1，代表地层侧压力系数，对V级围岩取=0.3～0.5。

对该隧道工程，取γ=20 kN/m3，s=5，取B=14 m，故i=0.1，由式（2）可得：ω=1.9，由式（1）可得：q=273.6 kPa，取=0.5，由式（3）可得：p=136.8 kPa。

基于此，结合现行规范要求对本隧道工程二次衬砌荷载进行计算，计算荷载分布如图3所示。

3.2 二次衬砌内力计算与分析

3.2.1 计算工况

以荷载结构模型为基础，选择使用MIDAS-GTS有限元程序就二次衬砌的内部受力情况实施了具体计算，且主要对计算荷载作用及实测荷载作用2种工程进行计算分析。

在本次荷载计算过程中，选用梁单元来模拟二次衬砌，而针对地层反作用力则是选用在衬砌结构外侧布置全环径向弹簧单元来进行模拟，同时只计算弹簧的受压情况，而不计算弹簧的受拉情况。径向弹簧选择单向弹簧单元来实施模拟，且此单向弹簧单元不仅有着非线性功能，而且也能对围岩和衬砌结构之间的受力情况进行有效模拟。在计算过程中，二次衬砌取0.5 m厚度值，弹性模量取值为30 GPa，泊松比取值0.2，围岩（弹性）抗力系数取值K=200 MPa/m。

就现实情况而言，初期支护和二次衬砌二者间的接触受力不仅包括荷载模型计算过程中作用在二次衬砌上的围岩压力，而且也包括弹性抗力。由此可知，通过在衬砌结构外侧布置径向弹簧单元模拟地层抗力来对实测荷载情况下二次衬砌的内力进行计算分析，还不够完全合理。但是，因为在现实中很难对初期支护和二次衬砌二者间的整体环向断面接触压力进行精确监测，同时为了提高实测荷载工况下和计算荷载工况下二次衬砌内力计算分析的便利性，所以，在计算实测荷载工况下二次衬砌内力的过程中，依然选用了全环径向弹簧单元来对地层反作用力进行模拟。

3.2.2 计算结果与分析

计算荷载工况下二次衬砌内力计算结果如图4所示，实测荷载工况下二次衬砌内力计算结果如图5所示。

由图4、图5可知：

计算荷载工况下，二次衬砌受到最大正弯矩在拱顶位置，值为260 kN·m，而最大负弯矩则出现在拱肩部位，值为229 kN·m，而且在拱底两端和拱脚位置的正弯矩和负弯矩也比较大。二次衬砌受到的轴力即为压力从拱顶向拱底呈增长趋势。同时，相对在实测荷载工况下而言，计算荷载工况下的二次衬砌所受内力分布更加均匀，且离散性更小。

利用相关规范计算方法对衬砌结构每个截面安全系数进行计算得出：计算荷载工况下，二次衬砌拱顶位置的截面弯矩比较大，而轴力相对比较小。由此可知，该截面受偏心作用压力，安全性较差。

实测荷载工况下，二次衬砌在拱腰位置受到了最大正弯矩，值为159 kN·m，而在拱脚位置受到最大负弯矩，值为194 kN·m，而且也在拱肩位置存在比较大的负弯矩。同时，二次衬砌受到的轴力都是压力，从拱顶位置往下呈增长趋势，且在左拱脚处轴力最大，因为偏压荷载影响，实测荷载工况下二次衬砌的内部压力分布比较离散，而且左侧内力明显比右侧内力大。

和计算荷载工况对比可知，实测荷载工况下，因为拱顶部位的实测荷载比较下，所以二次衬砌拱顶位置的截面弯矩比较小，而安全性比较高。由此可知，计算荷载工况下，二次衬砌拱顶位置的截面内力和现实情况存在较大的偏差。

3.3 围岩弹性抗力对衬砌结构内力的影响

现行的隧道施工相关规范内规定了各级围岩弹性抗力系数明确的建议取值范围，而且这一围岩弹性抗力系数取值会对二次衬砌内力大小和内力分布情况产生直接影响。计算荷载工况下二次衬砌内力和围岩弹性抗力系数关系如图6所示。

经过具体计算得出，二次衬砌每个截面受到的弯矩会随围岩弹性抗力系数减小而增大，同时轴力也会随之减小，这就降低了截面的安全性。而且，若围岩弹性抗力系数<50 MPa/m的情况下，二次衬砌拱顶和拱肩位置的截面弯矩会明显变大，而轴力则会明显降低，截面的安全性也会更低，同时拱底位置的正弯矩会明显增强。由此可知，围岩压力作用一样的情况下，围岩越软，衬砌结构的受力性越差。但是，若围岩弹性抗力系数达到100 MPa/m以上时，二次衬砌内部的压力变化就没那么明显了。

3.4 荷载计算结论分析

在各项监测数据都趋于稳定后，该隧道工程的初期支护和二次衬砌直接的接触压力都<0.2 MPa，这一数据比此V级围岩深埋隧道设计垂直荷载值及素混凝土标准厚度的极限承载力小，说明此二次衬砌的安全设计理念具有很好的可行性。

随着时间的变化，初支和二次衬砌之间的接触压力呈先增长再减少又增长，最后逐渐稳定的发展趋势。引起这种变化的主要原因有二次衬砌模板拆除前混凝土的强度及刚度变化、浇筑混凝土的密实情況、模板拆掉后释放的应力情况及混凝土的收缩变化等。

初支和二衬之间的接触压力分布不是对称的，整体从拱顶至拱肩、拱腰、拱墙上部、拱墙下部呈增长趋势，但是拱脚和拱底的压力值比较小。

实测荷载工况相比较计算荷载工况来说，其二次衬砌的内力（弯矩及轴力）比较小，同时这两种工况下，二次衬砌的内力分布在规律上有着一定不同。

在围岩压力作用相同的情况下，随着围岩弹性抗力系数的减小（即围岩越软），二次衬砌每个截面受的弯矩就会增大，轴力会随之减小，同时会降低截面的安全性和衬砌结构的受力性。

4 牛腿施工方案的选定

结合荷载受力计算结果，经过对现场条件、施工作业环境（境外偏僻、缺少加工制造条件）、工期要求和工程质量要求的分析比较，有3种施工方法：

4.1 方法一

牛腿与衬砌分开施工，先施工隧道衬砌部分，在牛腿位置预留契口，牛腿混凝土按照后浇带进行二次浇筑施工，施工示意见图7。优点：1）既有衬砌台车不用改装可直接按照传统方法进行施工，2）衬砌施工简单。缺点：1）对结构受力不利，在主要的受力部位增加了施工缝，2）次牛腿混凝土施工难度大，3）施工工作量大、效率低，4）牛腿施工钢筋与混凝土工序交叉次数多，5）质量难以保证，结构耐久性差。

4.2 方法二

衬砌按照先墙后拱的顺序施工，牛腿与边墙衬砌同时施工。采用2个衬砌台车，将衬砌台车分为拱部和边墙两部分。即一个台车只有边墙部分并加装牛腿模板，先浇筑衬砌边墙至牛腿顶面以上，另一个台车只留拱部模板，流水作业，紧随边墙衬砌施工拱部衬砌，完成衬砌施工。如图8所示，优点：1）牛腿与边墙衬砌一体浇筑，不影响牛腿结构受力，2）牛腿与边墙衬砌一体浇筑，比方案一牛腿施工效率较高，质量有保证，3）比方案一投入的人力资源少。缺点：1）衬砌台车资源占用大，需2个台车先后共同完成衬砌施工，2）衬砌施工进度慢，施工周期长，不满足工期要求，3）对原衬砌台车需要改造，4）增加了2条二次衬砌纵向施工缝。

4.3 方法三

整体衬砌台车分体一次性施工带牛腿隧道二次衬砌，即将衬砌台车进行分解，分解为边墙和拱部模板两部分，同时加装牛腿模板，然后由边墙和拱部模板组合共同一次性施工衬砌，如图9所示。优点：1）牛腿与衬砌结构整体性好，无施工缝薄弱部位，2）施工速度快，周期短，效率高，3）台车占用少，人力资源配置要求少，4）施工工序少。缺点：1）衬砌台车需进行改造加工，现场加工设备机具简单，加工误差大，2）台车需要分部定位，定位难度大，误差不易控制，3）悬吊边墙模板不易固定，台车就位行走时晃动幅度大，台车端头错位不易控制。

综合结构功能要求、安全控制、工程进度、施工成本、资源配置、施工效率等方面的因素，最终确定采取方法三进行组织实施，即“整体衬砌台车分体一次性施工带牛腿隧道二次衬砌”。

5 技术改进实施

台车改造以原衬砌台车为基础进行局部改造，达到现场便于实施，满足使用要求的条件。技术改进包括：1）在原衬砌台车主架上加装边墙模板悬吊支架系统，每侧边模两端设置2个，共4个，边墙模板通过4个5 t的导链悬吊。2）将台车边墙模板在牛腿顶面位置处分解为上、下两部分，3）在边墙模板与台车主架梁之间增设水平定位调节丝杠。4）在边墙模板与台车前后末端主架梁之间增设边模前后限位调节导链，每侧设置2个2 t导链，共4个。5）在下部边墙模板上，牛腿顶面处加装牛腿盖模板，保证拱部混凝土与边墻混凝土一次性浇筑。模板台车局部改造如图10所示。

6 模板台车就位方法

台车就位步骤如下：1）精确定位拱部模板。2）通过边墙模板悬吊导链调节边墙模板的高度。3）通过前后限位调节导链调节模板前后端位于同一断面。4）通过边墙水平定位丝杠调节边墙模板的平面位置。

7 模板台车改造成果分析

衬砌台车模板长度为6 m，本项目带牛腿衬砌共计130模，通过衬砌台车循环连续施工。对完成衬砌的各项主要资源配置与方法一和方法二模拟施工进行对比，如表1所示。

8 总结

该项施工技术在隧道带牛腿衬砌段的施工的成功应用，确保了施工进度，满足工程质量要求，未发现任何质量缺陷或隐患。“整体衬砌台车分体一次性施工带牛腿隧道二次衬砌技术”在其他类似项目具有很大的推广和应用价值。

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