采用钢管混凝土为骨架的隧道加宽段二次衬砌设计施工技术研究

陈玉键，王 璐，闭 芬，王忠伟，李 强

（1.云南建设投资控股集团有限公司路桥总承包部，云南昆明650000；2.保<山>施<甸>高速公路投资开发有限公司，云南保山678200）

1 工程背景

隧道二次衬砌多为钢筋混凝土结构，二次衬砌施工多数采用模板台车进行混凝土的浇筑施工，模板台车背后空间狭小，而二衬钢筋的绑扎工艺十分复杂，多种工序之间具有显著交叉影响，导致施工周期延长，影响施工质量。对于隧道工程而言，由于隧道的空间是标准的，因此模板台车的尺寸同样也是固定的，因此当长隧道需要设置紧急停车带的时候，一般需要在行车带的外侧进行加宽，对于隧道加宽段的施工常规模板台车难以适应，因此需要在模板外侧增加额外的支架模板改变模板的外轮廓才能适用加宽段施工，待加宽段施工完成后又要拆除附加的支架和模板，因此导致施工过程延长，工序变得更加复杂。以公路隧道双车道Ⅳ级围岩加宽段为例，常规断面的月施工进尺为140m左右，而50m长的加宽段施工需要耗时30～35d，其中多耗费的时间主要产生在二衬衬砌施工过程中。在隧道工程的二次衬砌施工时，如何解决模板台车断面尺寸固定，难以适应不断变化的施工断面需求的问题，提出一种灵活多变、占用施工空间小、施工速度较快的模板体系与施工方法是当前隧道工程领域急需解决的难题之一。

钢管混凝土拱架具有拼装灵活、刚度大、强度高等优势，在矿山等领域得到了广泛应用，本文拟吸取矿山应用钢管混凝土拱架的经验，提出以钢管混凝土拱架为骨架的二次衬砌设计方案与施工方法，为上述问题的解决提出全新的方案。

2 以钢管混凝土为骨架的隧道加宽段二次衬砌设计方案

2.1 以钢管混凝土为骨架的二次衬砌设计原理

钢管混凝土通过在钢管内部充填混凝土发挥出钢管对内部混凝土的套箍约束作用，使得充填的混凝土处于三维受压状态，进而提高混凝土的抗压强度减小其抗压变形，与此同时，钢管通过借助内部混凝土的支撑作用，提高钢管的稳定性能，综合两方面的作用充分发挥钢材和混凝土的力学特性，提高钢管混凝土的整体力学性能。以钢管混凝土拱架为骨架，在内部充填钢纤维混凝土共同组成二次衬砌结构，由钢管混凝土发挥刚度和抗压作用，钢纤维混凝土发挥韧性和抗裂作用，替代传统二次衬砌的钢筋混凝土结构，在满足结构强度的同时，还能节约用钢量。此外，本方案还能根据隧道截面的变化进行灵活调整，还具有便于拼装施工、缩短工期、施工简便等优点，不仅能够降低工程造价，还能减少对施工空间的占用，具有显著的经济效益。

2.2 以钢管混凝土为骨架的二次衬砌整体设计方案

以钢管混凝土为骨架的隧道加宽段二次衬砌结构的基本构件包括：拱架锚固器、钢管混凝土拱架、加宽段衬砌模板、模板锚固装置、模板混凝土浇筑窗口等。施工时，先在隧道的初期支护与周边围岩上预留拱架锚固器，在洞外分段预制钢拱架，再将预制的钢管拱架节段运至掌子面，在掌子面附近进行钢管节段的拼装，将拼装好的钢管拱架固定在隧道初期支护的内表面，待钢管拱架固定好以后将混凝土注入钢管内部，形成完整的钢管混凝土拱架；待钢管混凝土拱架达到设计强度后，通过模板锚固装置将衬砌模板固定在钢管混凝土拱架上。衬砌模板上预留了混凝土浇筑窗口，通过浇筑窗口将钢纤维混凝土浇筑在钢管混凝土之间，填满钢管拱架之间的孔隙，钢管混凝土拱架与钢纤维混凝土共同组成隧道加宽段的二次衬砌，该技术方案的整体结构如图1所示。

图1 加宽段衬砌结构整体方案

采用预留的锚固器将钢管拱紧贴初期支护表面进行安装，根据围岩类别与衬砌断面的不同，钢管拱架的纵向间距为1～2m，钢管直径为15～45cm。钢管拱架按设计进行分段预制，待使用前再进行整体拼装，钢管拱架按设计分成四个节段，拱顶一段、边墙左右各一段、仰拱一段，钢管壁厚度取0.8～2.5cm，钢管拱架节段采用法兰连接的方式进行拼装，在工作面拼装成一个完整的环形拱架，在钢管拱架的每一个节段的上部预留了混凝土浇灌窗口，下部预留了混凝土排气孔。根据隧道初期支护内净空的变化，钢管拱架的尺寸可按需下料预制，以达到满足隧道加宽段截面尺寸变化需求的目的。

2.3 二次衬砌的细部设计

通过预埋在围岩及初期支护中的锚固器将钢管拱架固定在初期支护的表面，钢管拱架之间的纵向间距设置为1～2m，拱架钢管的直径为15～45cm，具体参数根据围岩类别及隧道内净空的尺寸经结构计算后确定。在施工前，钢管拱架先进行分段预制，然后运送至工作面再拼装而成，一个完整的钢管拱架分成四段预制，钢管壁厚度0.8～2.5cm，钢管节段端头焊接在法兰连接器上，相邻节段的钢管用螺栓将法兰连接在一起，形成闭合的拱架，在每一节钢管节段上部预留混凝土浇灌洞口，下部预留了排气口。钢管拱架的尺寸可根据隧道内净空尺寸预制下料，以匹配隧道不断变化的截面。

钢管拱架外部加装了模板锚固件，隧道二次衬砌模板通过模板锚固件用螺栓固定在钢管混凝土拱架上，隧道二次衬砌模板4分成四块，两侧边墙各一块，两侧拱部各一块，每片模板的宽度按照与三榀拱架相同的宽度进行下料。每片隧道二次衬砌模板的上部设置了两个50cm×50cm可开关式窗口，用于混凝土的浇筑和振捣。经检测当混凝土强度达到设计与规范的要求后，拧开模板固定螺栓，自上而下分段拆除隧道模板，并将模板移至下一个工作面进行混凝土浇筑，依次重复施工，详见图2所示。

图2 二次衬砌模板安装示意图

3 以钢管混凝土为骨架的隧道加宽段二次衬砌施工步骤

本文提出的采用钢管混凝土的隧道加宽段衬砌施工方法为：在隧道加宽段衬砌施工前，先根据隧道加宽段衬砌内轮廓以及初期支护的外轮廓确定钢拱架的整体尺寸，并分段预制钢管焊接法兰；在隧道初期支护施工期间，将拱架固定器锚固在围岩中；待初期支护施工完成后，将钢管拱架阶段运至工作面，然后自下而上边安装边连接，形成一个整体，将钢管拱架密贴初期支护表面进行安装和固定，然后通过钢管上部预留窗口注入混凝土，通过底部的排气孔排气，提高混凝土的密实度，浇筑形成钢管混凝土拱架。钢管混凝土拱架不同位置均预留了模板锚固装置，当钢管混凝土拱架施工完成后，采用锚固件将模板固定在钢管混凝土拱架上，并通过模板上预留的混凝土浇筑窗口将钢纤维混凝土浇筑在拱架之间，钢管混凝土拱架与钢纤维混凝土共同形成完整的隧道加宽段二次衬砌。具体的施工步骤如下：

第一步，在隧道初期支护施工前，先采用砂浆锚杆将钢拱架的固定装置锚固在围岩中，锚固长度大于2m，拱架锚固器的另一端伸出隧道初期支护外部；

第二步，根据隧道加宽段的内轮廓以及初期支护的内轮廓确定钢拱架的尺寸，通过结构计算确定钢拱架的壁厚以及纵向间距，根据设计尺寸在隧道外钢筋加工场分段下料，完成钢管拱架阶段的预制工作；

第三步，待隧道加宽段初期支护施工完成后，将分段预制的钢管拱架运至工作面，自下而上安装钢管阶段，首先安装仰拱段，然后安装两侧边墙段，最后安装拱顶段，防水板敷设在钢管拱架和隧道初期支护之间，敷设工作与钢管安装同步进行，在拱架锚固装置穿透防水板的位置采用胶水补强，并在外部进行防水处理；通过锚固器将钢拱架紧贴隧道初期支护表面固定，然后通过预留窗口将高强混凝土注入拱架内部，依次完成全部钢管拱架的混凝土浇筑；

第四步，钢管拱架上采用套管装置预留了混凝土模板的锚固装置，在钢管拱架内部混凝土达到设计强度后，将模板分片固定在钢管拱架上；

第五步，通过模板表面预留的混凝土浇筑窗口在钢管拱架之间浇筑钢纤维混凝土并振捣密实，钢纤维混凝土与钢管混凝土拱架一起形成隧道二次衬砌结构；

第六步，待钢纤维混凝土强度达到标准后，拆除隧道二次衬砌模板，继续下一段二次衬砌的施工。

4 结语

本文提出以钢管混凝土为骨架的隧道加宽段二次衬砌结构可根据隧道内轮廓形状任意预制钢管拱架，适用于隧道内加宽段二次衬砌施工，克服了传统模板台车对隧道加宽段衬砌施工工期长、工序干扰大的缺陷；通过钢管混凝土拱架中钢管与包裹的混凝土共同承受外部荷载，具有承载力高、稳定性好、抗震性能优越等多方面的优势。此外钢管拱架分段预制，拼装施工后再充填混凝土，具有施工便利、工期短、干扰小等优点，模板通过锚固件安装在拱架上，占用隧道施工空间小，极大地减少了对其他工序的干扰，可支持多个工作面同步连续作业。本文提出的方案适用于自稳性较好的围岩地段隧道加宽段衬砌施工，同时也可适用于曲线变截面隧道的施工，不仅具有显著的技术优势，同时还具有良好的环境效益和经济效益。