小直径长距离盾构隧道全圆二次衬砌成套高效施工技术*

戴小松，刘开扬，谷海华，陈 伟

(中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北 武汉 430070)

0 引言

在矿山法隧道施工中，二次衬砌是一个极其重要的环节，公路、铁路等非全圆隧道二次衬砌施工已经形成了十分成熟的施工技术，在引水、排水等全圆隧道二次衬砌施工中，针梁式、穿行式模板台车或散拼模板的应用也有较为成熟的施工技术[1-10]。但这些技术在小直径长距离盾构隧道二次衬砌施工中，均存在较差的适应性，无法保障物料运输通道也无法多点同步作业，可实施性差、施工效率极低。

以武汉大东湖核心区污水传输系统工程(以下简称“武汉大东湖深隧工程”)主隧二次衬砌为例，从总体方案设计、成套设备设计及配置、施工组织及工艺方面，介绍该工程所开创的小直径长距离盾构隧道全圆二次衬砌成套高效施工技术。

1 工程概况

武汉大东湖深隧工程位于武汉市，全长17.5km，建设内容包括污水深隧系统和地表完善系统两大部分，其中污水深隧系统包含主隧工程及支隧工程两部分。

1.1 隧道区间

主隧工程包括9个竖井，9个区间隧道，隧道埋深30～56m，最长区间3.6km，最小转弯半径250m。隧道断面设计为预制管片+现浇钢筋混凝土二次衬砌的叠合式衬砌，成型内径3.0～3.4m。隧道区间如表1所示。

表1 隧道区间概况

1.2 二次衬砌

现浇钢筋混凝土二次衬砌厚200mm，采用C40 P12高性能自密实早强补偿收缩混凝土+双层钢筋结构，钢筋外侧保护层厚25mm，内侧保护层厚45mm(见图1)。

图1 二次衬砌配筋

1.3 施工重难点

1)隧道二次衬砌厚度薄(20cm)，且后期需承受内水压，对耐久性、防水、防腐质量要求高，混凝土浇筑质量控制难度大。

2)区间长，断面小，工期紧，物料运输困难，现场施工及组织难度大。

3)小断面长距离隧道混凝土输送难度大。

4)小半径薄壁二次衬砌施工精度要求高，台车设计难度大。

2 总体方案设计

2.1 方案设计原则

1)具备多点、大面积组织施工的条件，可满足工期进度要求。

2)可形成流水施工，多工序穿插同步作业，缩短总体工期。

3)满足小直径、长距离隧道浇筑自密实混凝土要求。

4)钢筋在盾构配套设施拆除及隧道清理的同时运入隧道，避免后期运输交叉作业。

5)模板体系施工方法简单、稳定可靠，无复杂流程，对工人技术能力要求低。

2.2 方案设计

基于方案设计原则，结合常规工法优缺点及现场实施条件，方案设计如下。

1)盾构隧道贯通后，从隧道一端向另一端进行清理，同时将二次衬砌钢筋运入隧道进行摆放，然后根据钢筋摆放情况分别从两端向中间平行流水施工二次衬砌。

2)二次衬砌施工纵向分仓、分段，竖向分层(见图2)，仰拱与拱墙分开施工，避免浇筑过程中承受过大浮力及侧压力，简化模板体系。

图2 竖向分层示意

3)先行施工的仰拱可为后续大范围施工组织提供底部通行条件，拱墙台车设计为满足通行要求的门架结构，解决物料运输、通行问题，为工人作业提供较大的操作空间。

4)拱墙跟进仰拱施工，同步浇筑混凝土，减少混凝土浇筑次数，增加单次浇筑量，降低组织难度。

2.3 总体施工流程

1)盾构洞通之前，钢筋采用基于BIM的集约数控技术加工成半成品。

2)由隧道一端向另一端拆除盾构配套材料(走道板、轨道、风管等)，同步将二次衬砌钢筋下井运至洞内摆放。

3)根据钢筋摆放情况进行钢筋绑扎，钢筋整圆绑扎，一次成型。

4)仰拱施工至一定长度后开始采用多台模板台车跳仓跟进施工拱墙。

5)跟进流水施工至仰拱合龙后运出仰拱施工模板，施工完成剩余拱墙并退出拱墙台车。

6)拆除洞内设施，清理隧道并在二次衬砌表面涂刷水泥结晶型防腐涂料，完成二次衬砌施工。

3 成套设备及配置

3.1 配套设备

1)洞内钢筋卸车摆放设备

洞内钢筋卸车摆放设备设计为斜向支撑行走轮式悬臂起重机，支撑行走轮为橡胶轮，与管片弧面垂直。横向支撑门架内部预留足够宽度及高度，可供电瓶车进入进行钢筋吊运卸车。纵向主梁上2个吊装葫芦可纵向移动，根据吊物尺寸调整，主梁可横向移动，调整弧形钢筋摆放位置(见图3)。

图3 轮式悬臂起重机

2)仰拱模板体系

仰拱施工需解决抗浮及模板转运问题，设置抗浮支撑。结合盾构隧道特点，抗浮支撑一端支撑固定在管片手孔内，一端支撑在模板上，但考虑后期混凝土浇筑空间，抗浮支撑间距应较大，且数量较少，因此仰拱模板设计为整体钢模，模板环宽1.2m，环向为整体，通过法兰连接，无纵向拼缝，刚度、强度较大，仅需在两侧设置抗浮支撑即可。模板转运根据上海某隧道预制车道板安装方法，结合现场模板大量投入的情况，通过前后2台小型门式起重机及1台电动平板车实施。小型门式起重机负责模板吊装安拆，电动平板车用于模板运输，小型门式起重机及电动平板车均通过模板上集成纵向轨道行进；同时在两侧设置斜向支撑，模板安装时顶在管片上支撑模板及设备自重，避免挤压钢筋骨架，混凝土浇筑完成后可拔出，与模板表面平齐，避免形成孔洞(见图4)。

图4 仰拱模板示意

3)拱墙台车

根据总体施工方案要求，拱墙台车设计为可通行门式台车；结合隧道曲线半径及施工经验，单套模板台车由3节组成，每节长4.8m，节之间采用铰接连接，以适应曲线段施工，模板采用企口搭接连接，单节台车两端分别设计为搭接小模板和承插小模板，保证曲线段施工时节与节之间模板搭接紧密。单套台车端部设计为可拆卸搭接小模板，适应跳仓法施工，施工奇数仓时可拆除安装端模，施工偶数仓时可安装搭接小模板与已施工完成的奇数仓搭接(见图5)。

图5 拱墙台车

4)混凝土浇筑设备

本工程混凝土要求采用高性能自密实早强补偿收缩混凝土，经试配和地面盘管试验，混凝土泵送距离保持在600m以内混凝土出泵性方可满足仰拱混凝土浇筑要求，无法采用超远距离水平泵送，混凝土需运入洞内泵送。

混凝土洞内浇筑设备采用轨行式拖泵及轨行式小罐车(见图6)。轨行式拖泵通过轨道行进至拱墙台车末端，动力采用电能，支腿设计为弧面与二次衬砌面形成支撑；轨行式小罐车行进过程中，可通过轮对的转动带动罐体进行转动，以保证混凝土性能，进卸料后直接接入动力线进行供电转动。

图6 混凝土浇筑设备

为提高混凝土浇筑效率，在竖井内安装轨道平移摆渡车或道岔，实现2台小罐车快速切换(见图7)，提高混凝土浇筑效率。

图7 摆渡车示意

3.2 设备配置

1)单作业面设备配置如表2所示。

表2 设备配置

2)模板配置计算

由于混凝土泵送距离限制，考虑尽量减少混凝土浇筑次数，增大单次浇筑量，模板配置应尽量增多，结合隧道曲线半径、台车设计长度、变形缝设置距离要求及拱墙跳仓法施工布置，仰拱或拱墙模板最大配置数量为最远泵送距离的1/4，即最多配置10套模板，共计144m(见图8)。

图8 拱墙施工浇筑示意

正常施工流水阶段包括钢筋运输及绑扎、仰拱模板安拆、拱墙模板安拆、泵管布设、仰拱浇筑、拱墙浇筑、仰拱养护、拱墙养护、轨道铺设、隧道清理，共计10道工序，其中钢筋运输及绑扎超前，可不占用关键工序。根据各工序作业位置及条件，当现场各工序达到最大的穿插搭接时，且各工序均无自由时差时为最高效的施工组织，该阶段的资源配置数量为最优资源配置。

单个循环总施工时间：

T=T1+T2+T3

(1)

式中：T1为仰拱浇筑时间；T2为仰拱和拱墙施工时间的较大值，T2=max[(仰拱养护+仰拱模板安拆+轨道延伸)，(拱墙浇筑+隧道清理+拱墙模板拆模、移模、支模)]；T3为泵管连接时间。

由施工总时间可见，当仰拱养护+仰拱模板安拆+轨道延伸所需时间=拱墙浇筑+隧道清理+拱墙模板拆模、移模、支模所需时间时，即为最优模板配置。

仰拱养护时间t1=12h；仰拱模板安拆时间t2=12N×(1.2×12N/V1)×2(N为模板套数；V1为电动平板车转运模板速度，为600m/h)；轨道延伸时间t3=1.2×12N/V2(V2为轨道延伸速度，为6m/h)；拱墙浇筑时间t4=4×N；隧道清理时间t5=12h；拱墙模板安拆时间t6=3×N。最优模板配置时：12+12N×(1.2×12N/600)×2+1.2×12N/6=4×N+12+3×N，可求得N≈8。

4 施工组织及施工工艺

4.1 施工组织

根据工序穿插要求即现场实际组织情况，最终优化后的施工组织如图9所示。

图9 施工组织

4.2 钢筋运输及绑扎

钢筋运输利用盾构施工阶段铺设的轨道及电瓶车实施，在拆除轨道的同时采用“倒退法”将钢筋运入洞内并卸车摆放至清理完成区域。钢筋运输至对应仓段后采用轮式悬臂起重机卸车摆放，本仓段的钢筋摆放在下一仓段内，摆放原则按照二次衬砌钢筋绑扎先后顺序实施。摆放过程中需注意不同类型钢筋严禁互相堆压，且做到下垫上盖。

钢筋绑扎一次成型，通过管片预埋接驳器安装定位钢筋，拱顶钢筋绑扎过程中要求适当提高1～2cm，预留钢筋在自重作用下的下坠空间，水平施工缝位置预留2根纵向钢筋在施工缝凿毛完成后再绑扎，确保凿毛、清理空间，保证凿毛效果。

4.3 仰拱施工

第1节段仰拱钢筋绑扎完成后，立即在井下铺设轨道，安装小型门式起重机进行仰拱模板安装。

模板安拆均采用小型门式起重机实施，利用吊装葫芦将模板吊起后进行清理，清理完成即可利用电动平板车转运至安装区域进行安装。

安装时利用小型门式起重机将模板吊装就位，并用水平尺进行检验，要求模板左右水平，模板拼缝与管片环缝对齐；选取左、中、右3个点位量测支模高度，根据量测数据适当调整套筒外露段长度，确保支模高度满足要求。

模板安装完成后，将钢管支撑安装在模板两侧及对应管片手孔位置进行加固。

4.4 拱墙施工

台车吊装下井后，从高到低依次将各节小台车顶升就位，并调节平移油缸，确保模板对中；然后安装横撑丝杆并将侧模支设就位，支设侧模时要求前后油缸同时动作，避免模板变形。

支模加固完成即可安装RPC注浆管及变径固定管，待混凝土浇筑完成后即可进行带模注浆。

奇数仓采用弧形钢板封闭端部，上部抵紧止水带，下端通过螺栓与台车连接紧固；偶数仓采用搭接小模板与奇数仓已浇筑混凝土搭接。

混凝土终凝后即可拆除模板横向丝杆提供通行空间；养护达到8MPa强度即可进行拆模，拆模顺序与支模顺序相反，台车拆模清理完成后，即可用电瓶车推行至下一仓或下一节段就位。

4.5 混凝土浇筑

泵管由仰拱最前端模板布置到拱墙台车尾部，拱墙范围布置在电瓶车轨道中部，拖泵通过电瓶车由洞口推至洞内与泵管对接，拖泵出口设置变径管及弯管。混凝土经检测合格后，采用天泵输送至井底小罐车入料口，通过2辆小罐车接力运输至洞内拖泵处进行泵送。

仰拱混凝土浇筑由靠近钢筋施工区域浇筑至仰拱完成区域，浇筑时利用仰拱模板运输电动平板车配合分料溜槽实现仰拱混凝土快速对称浇筑。

拱墙混凝土浇筑由远端至近端，每仓顶部设置3个浇筑口。浇筑时，从隧道中部依次利用各浇筑口进行浇筑，浇筑完成后及时进行带模注浆。

4.6 洞内布置

根据施工流水作业区域划分，各区域洞内布置如下：①钢筋堆放及绑扎区域 洞内布置包括照明线、动力线、通信线、钢筋。②仰拱施工区域 洞内布置包括照明线、动力线、通信线、已绑扎钢筋、仰拱模板、小型门式起重机。③仰拱完成区域及拱墙施工区域 洞内布置包括照明线、动力线、通信线、进水管、污水管、拱墙台车。④二次衬砌完成区域 洞内布置包括照明线、动力线、通信线、进水管、污水管，管线通过弧形支架进行挂设，无需在结构上打孔。

4.7 临时用电

二次衬砌施工临时用电分为2个阶段，第1阶段为地面变压器低压出线柜→一级箱→二级箱→设备开关箱→各用电设备；第2阶段为地面变压器低压出线柜→一级箱→自动升压稳压装置→二级箱→各用电设备。

4.8 设备出洞

1)仰拱施工设备出洞 仰拱合龙后，将中轨延伸至最靠近洞口模板处，同步将仰拱模板集成轨道延伸至中轨范围，然后利用电瓶车+平板车将模板运出洞。

2)拱墙施工设备出洞 拱墙合龙后，在平板车上焊接支架，电瓶车驶入拱墙台车内部，然后将拱墙台车收模落至平板车支架上，即可进行外运，外运过程中要求缓慢低速，并在两端设置橡胶垫，避免剐蹭已成型二次衬砌。

5 结语

大东湖深隧工程小直径长距离全圆二次衬砌施工，创新研发了全圆二次衬砌施工成套设备及全圆二次衬砌高效施工技术。通过施工技术创新，克服了全圆二次衬砌施工难题，解决了二次衬砌工期紧、施工难度大的问题，最长区间3.6km二次衬砌施工用时不足3个月，全长17.5km二次衬砌施工仅用时不到5个月。成套设备研发成功可行，设备简单实用，功能明确，简单培训即可快速上手操作，大幅降低了劳动力的投入。现场施工效率表明，机械配置合理，工序衔接紧凑，实现了高效施工。应用高性能自密实早强补偿收缩混凝土，结合整体性好、刚度大的定制钢模和精细化现场管理，使二次衬砌成型密实性好，施工质量优。