特小断面长隧洞快速衬砌施工技术研究

阿 里 木 江， 李 明， 张 鹏， 黄 虹 茗

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

毗河供水一期工程新生灌区位于四川省遂宁市安居区境内，系四川省“再造一个都江堰灌区”工程项目的重要组成部分，为以灌溉、城镇供水为主，兼顾人畜用水和改善生态环境的民生工程[1]。

毗河供水一期工程新生灌区新安分干渠总长26.404 km，分为四个流量段，由引水隧洞、倒虹吸、渡槽、明渠组成。其中隧洞22座，总计长度17.74 km。新安分干渠隧洞断面最小且长度最长的隧洞为第四流量段村子湾隧洞，全长2 354.256 m，分为进出口两个控制段，其中进口控制段长1 200 m，出口控制段长1 154.256 m，未设支洞。隧洞结构形式采用城门洞型断面设计，主要为Ⅳ、Ⅴ类围岩，设计纵坡为1/1 000，开挖成型断面宽2.7 m、高2.75 m，设计衬砌断面尺寸宽2.1 m、高2.15 m，洞身段采用C20钢筋混凝土全断面衬砌，衬砌厚度为30 cm，属于特小断面、长隧洞(L>2 000 m，S<20 m2或D<4.5 m),详见附图1。

由于该隧洞断面小、距离长、转弯多(共有4个，主要集中在下游控制段，其中最大的转角为33°、最小的转弯半径为30 m)的特点，因此，施工中如何能够进行快速衬砌主要有以下几个问题需要解决：(1)衬砌方案如何选择？隧洞断面狭小，底板、边顶拱工序相互干扰大，如何尽可能地减少干扰？(2)混凝土等材料如何运输？受其施工空间狭小、工序交叉多等影响，材料转运和混凝土入仓困难[2]，主要存在无法采用大型、高效的车辆和混凝土搅拌罐车进行运输施工，而采用小型机械设备长距离运输材料与混凝土功效低，直接影响施工效率；(3)模板方案如何选择？衬砌施工过程中模板的洞内安装、行走、转弯困难；(4)钢筋制安如何选择？断面小，钢筋接头多，损耗大，进度慢。只有待以上问题研究解决后方能有利于提高施工速度，降低成本。

2 施工方案的选择

2.1 衬砌施工方案的选择

正确选择衬砌施工方案是资源配置的前提条件，也是隧洞衬砌快速、优质、高效目的实现的关键。考虑到村子湾隧洞施工空间狭小、距离长等因素，为减少施工期间各工序之间的交叉干扰影响，有效提高空间利用率及施工速度，项目部对该隧洞的混凝土衬砌制定了以下两种方案：①底板衬砌先行施工，边顶拱衬砌紧跟，底板混凝土衬砌施工一直超前边顶拱混凝土60 m左右；②待底板全部混凝土浇筑完成后，再进行边顶拱混凝土的衬砌[3]。

图1 村子湾隧洞断面图

由于该引水隧洞线路长、断面狭小，第②种方案底板混凝土全部衬砌完成后，降低了洞内空间利用率，待后期进行边顶拱衬砌时存在运输设备洞内通行困难、功效低、对已浇筑完成的底板混凝土造成的损坏较大等缺点。项目部为了最大限度提高工作效率，最终选择了第①种方案。

2.2 混凝土运输设备配置的选择

结合村子湾隧洞的结构形式和特点，通过多方了解及多年的施工经验得知：目前在建和已建小断面、长隧洞混凝土洞内运输多采用轨道式搅拌罐车、多台小型混凝土输送泵通过接力以及小型混凝土搅拌罐车等三种方式将混凝土输送至指定位置。

(1)对于该隧洞，若采用轨道搅拌罐车，因隧洞运输距离长(单头距离达1.2 km)，其需要铺设的轨道较长，运输速度慢，浇筑时间长，洞内交叉施工影响较大且当轨道罐车出现故障时洞内的衬砌施工将直接面临瘫痪，不利于提高施工进度。

(2)若采用多台混凝土输送泵接力的方式需要投入的混凝土输送泵数量较多、费用高，对泵机性能、混凝土的和易性、用电配置要求高，当其中一台发生故障或堵管时，不仅会造成大量的材料浪费，而且洞内混凝土浇筑质量将受到影响。

(3)若采用小型混凝土罐车，不仅可以有效提高混凝土材料的水平运输速度，更具有灵活的调节性，还可以减少因设备故障引起的混凝土浇筑进度和质量隐患，有利于提高施工进度。

经过综合比较，最终选择了小型混凝土罐车轮流进行洞内水平运输方案：通过市场调查并与多家罐车生产厂家进行技术讨论后该隧洞进口段采购了3台宽1.8 m，高2.35 m，容量为2 m3的小型搅拌罐车；出口控制段利用现有的三台6 t矿用自卸车经专业设计组装成宽1.8 m，高2.25 m，容量为2 m3的小型搅拌罐车投入使用。

2.3 模板的选择及优化设计

针对该隧洞转弯多、施工空间小等特点，在施工前期，考虑了拼装式定型模板施工和液压移动式钢模台车施工两种方案。

(1)采用拼装式定型钢模施工，虽然具有运输、拼装、拆卸方便，模板材料成本低、隧洞转弯处对模板安装、行走影响较小等特点，但每一仓衬砌施工结束需投入大量的人员进行模板拆卸、重新拼装，其需要时间较长，不利于加快施工进度。

(2)液压移动式钢模台车作为现代化机械施工的重要设备，与拼装式定型模板施工模式比较，具有移动速度快、需要投入的劳动力少、施工成本低、衬砌出的表面整洁的特点，有利于提高施工进度。

经过综合比较，最终选择投入两台液压移动式钢模台车，由专业钢模台车生产厂家负责设计及加工。根据该隧洞进出口控制段的特点，在满足台车自身强度、刚度的同时对钢模台车内架进行了优化，进口段钢模台车采用净长12.15 m(其中15 cm为搭接长度，分为两节,分节长度为6 m、6.15 m)；出口控制段钢模台车因考虑洞内转弯影响采用净长为12.15 m，分为3节(分节长度为4.5 m、4.5 m、3.15 m)。

2.4 钢筋安装方法的选择

目前常用的隧洞衬砌钢筋安装方法为底板、边顶拱钢筋整体安装和底板、边顶拱钢筋分别安装两种[4]。由于该引水隧洞运输距离长、断面小，底板、边顶拱钢筋分别安装对后期边顶拱钢筋材料的运输和边顶拱衬砌的连续性影响严重，材料损耗较大，经综合比较，对于底板、边顶拱钢筋采用整体安装方式更经济，更有利于快速施工。

3 总体施工方案

3.1 施工准备

(1)施工供电。考虑到洞内施工条件受限，采取低压进洞的方式，施工用电从进出口洞外供电站接入，利用前期开挖阶段所使用的供电线路。为保证施工期间混凝土泵机、抽水设备、钢模台车及照明设施稳定运行，在进出口洞内错车道处配置了2台增压柜(型号：JKW5C无功率自动补偿控制器)，用以改善长距离输电电压不足的问题。

(2)洞内通风准备。因隧洞断面小、距离长、转弯多，施工期间仅靠自然通风方式将会导致大量的车辆尾气、电焊散烟不易排出，无法满足施工作业面的正常施工要求。为有效散烟，降低其浓度，改善洞内施工环境，保障作业人员的安全健康，在进出口控制段洞口分别布置了一台15 kW轴流式风机，洞内布置了一台5 kW接力风机，接φ400风筒布置至施工面附近供风散烟。

(3)洞内供排水。为有效解决洞内积水严重、抽排水困难、洞外可利用水资源紧缺、施工用水困难等问题，采用φ100 PVC管在洞内布置了一条排水主管，并在洞内渗水严重处设置了集水坑，采用1.5 kW水泵配置自动抽水装置连接主排水管进行抽排水。在洞内错车道位置采用2×2 t PVC水箱，将洞内洁净的地下水用水泵抽入其内，经过进一步沉淀后供洞内施工用水。

(4)钢筋准备。为保证隧洞衬砌施工的连续性，在进出口控制段洞外分别设钢筋制作厂，钢筋场外制作与洞内安装连续进行，确保一天完成一个浇筑单元的钢筋备仓。

(5)混凝土准备。根据该隧洞距离商品混凝土站较远、施工现场道路条件差、外部运输条件受限、隧洞断面小、一次性混凝土浇筑方量小的特点，为满足混凝土生产需求，确保混凝土浇筑的连续性，在进出口控制段洞口处分别设置了一座JS750型强制式搅拌机生产混凝土。

3.2 隧洞衬砌施工

(1)基岩面清理。隧洞内的钢筋安装前应将基岩面上的杂物、松动岩石、淤泥、松散软弱夹层清除干净。底板先用40型挖掘机基础粗清，再由人工配合细部清理。对于底板积水严重、抽排水困难的部位采用分段式清理。为避免浇筑前再次积水对底板造成破坏，将淤泥清理干净后对设计高程以下的部位采用与隧洞底板同标号的混凝土浇筑一层混凝土垫层。钢筋绑扎完成后，再次清除建基面掉落的混凝土块与施工杂物。

(2)钢筋工程。

① 钢筋的加工和运输。钢筋严格按照设计图纸由洞外钢筋加工场采用钢筋剪切机和钢筋弯曲机加工成型。钢筋在洞外制作完成后，依据下料，逐项清点，确认无误后由人工配合5 t自卸车运至施工工作面。

② 钢筋的安装。钢筋绑扎前，根据施工图纸，由专业测量人员放出中线、高程等控制点，采用人工固定、全断面绑扎。钢筋绑扎时设支撑筋固定，钢筋与模板间布设同标号混凝土垫块以保证保护层厚度。在钢筋制安完毕、浇筑混凝土之前，必须按照设计图纸和规范要求进行详细检查。在混凝土浇筑过程中，应安排值班人员经常检查钢筋的架立位置，如发现变形应及时矫正。

(3)止水及模板施工。根据施工图纸，该隧洞采用651型橡胶止水带。止水带安装时埋设位置要准确，其中间空心圆环应与伸缩缝的中心线重合。止水带定位时，应使其在界面部位保持平展，防止止水带翻滚、扭结。止水带采用木板夹具固定和保护，以防止混凝土施工时止水带产生变形和撕裂，止水部位混凝土应充分振捣密实。

钢模台车就位前由人工清除附着性杂物后，

图2 液压移动式钢模台车安装示意图

采用农用喷雾器喷刷脱模剂。台车就位后，利用钢模台车液压设备将收缩的钢模台车伸展到设计结构尺寸并复核钢模台车外壁与隧洞内壁的距离是否符合要求，钢模台车底部必须与已浇筑完成的、高30 cm的边顶拱混凝土重叠15 cm，在台车的另一端采用现场加工的堵头木板进行封堵加固，最后，在钢模台车缝隙间填入密封材料，防止漏浆(图2)。

(4)混凝土浇筑。进出口控制段底板、边顶拱混凝土各采用3台2 m3小型混凝土罐车利用洞内错车道空间轮流运输至指定的施工面，采用HBT40型混凝土泵机入仓。为保证混凝土浇筑与钢筋安装同时进行，加快施工进度，泵管采用现场预支的钢筋支架进行加高固定，钢筋支架采用22钢筋，支架高度为80 cm。混凝土泵机安装位置与第一仓混凝土水平距离保持130 m，每完成60 m边顶拱浇筑，泵机采用人工配合20型装载机往后移动至60 m进行固定(图3)。

隧洞边顶拱混凝土通过钢模台车输送孔位置采用冲天管法进行浇筑。边顶拱浇筑时需左右均匀堆成，分层浇筑，以保证混凝土浇筑的连续性，避免形成冷缝。混凝土采用钢模台车上的附着式平板振捣器边浇筑、边振捣，同时用铁锤敲击模板，检查混凝土的到位情况及密实性。浇筑尾端时要放慢混凝土的注入速度，避免强行注入而导致台车变形。

(5)模板拆除和混凝土养护。混凝土浇筑结束后10～12 h并满足强度后方可拆模。边顶拱模板拆除后应及时对混凝土表面进行洒水养护，养护时间不少于14 d以保持混凝土表面湿润。混凝土养护应由专人负责并做好养护记录。

4 结 语

综上所述，目前小断面隧洞施工在水利工程中逐渐增多。但由于小断面、长隧洞受作业空间、施工机械设备限制而导致施工困难、进度缓慢等问题的出现，施工时，应结合工程本身具有的特点，选择适合的施工方案，扬长避短，抓好每个环节的衔接非常重要[5]。笔者通过毗河供水一期工程新生灌区第四流量段村子湾隧洞混凝土衬砌施工的实际案例，详细分析和介绍了小断面、长隧洞快速衬砌施工采用的技术和方法，所取得的经验可为类似工程技术管理参考借鉴。