国家高山滑雪中心装配式钢制波纹管隧道施工技术*

金大春

(北京城建集团有限责任公司建筑工程总承包部，北京 100088)

钢制波纹管作为一种新材料及新结构在国外应用已有近100年历史，我国从1965年开始借鉴使用，到2001年开始大范围使用，使用时间虽短，但其有安装速度快、质量小、耐久性好、适应地基变形能力强的特点，具有工序少、施工简单、绿色环保、降低成本、缩短工期等优点，尤其适合复杂山地条件下高寒冻土地区，具有广阔的发展前景，可广泛应用于公路、铁路、市政、矿山等多个领域。

1 工程概况

1.1 项目概况

为保证高山滑雪项目奥运赛时的正常运行组织和赛后运营要求，修建高山滑雪中心技术道路，作为压雪车和工程维护车辆通行的通道，同时在赛后部分技术道路可作为大众雪道开放运营。为满足技术道路相关功能要求，在技术道路J8线K0+092—K0+148和J7线K0+004—K0+042处各设置1座隧道下穿高山滑雪道，作为高山滑雪技术道路的连接通道。现以J7钢制波纹管隧道为例，探讨施工过程中的关键技术。隧道投影长度38m，纵坡12%；钢制波纹管为马蹄形，跨径10.468m，矢高7.29m。隧道横断面如图1所示。

图1 隧道横断面(单位：cm)

1.2 地质概况

场地岩浆活动强烈，侵入岩和喷出岩均十分发育，地质构造整体发育一般，未见明显的断裂构造。根据勘探地层揭露，并按地层岩性及工程特性划分为3个大层，分别为：耕织土①层，分布厚度0.30～0.50m，灰黑色、稍密、稍湿、含植物根茎等；第四纪崩坡积碎土⑤层，厚度3～6m，主要为花岗岩受风化、节理裂隙切割的碎块、块石，粒径一般为0.5～3m；燕山晚期中风化花岗岩⑥层，广泛分布，岩体较破碎～较完整，岩芯多呈柱状。隧道分布于山脊，无地下水赋存。

2 工程难点分析

1)地质条件 拟建场地基岩上覆盖有厚度差异很大且不均匀的碎石类土，自然山体斜坡较稳定，隧道场地类别为Ⅱ类，冬季最低气温可达-30℃， 属高寒冻融地区。根据地质勘察资料分析，场地对建筑抗震一般。

2)运输条件 场地无施工道路，需施工临时便道，因山体坡度大，临时便道坡度较大，一般运输车辆难以通行，需采用六驱车进行材料运输。

3)工期 受制于现场施工条件，为保证2019年完工且具备高山滑雪世界杯测试赛条件，有效工期仅4个月，工期紧。

3 施工方案比选

考虑现场施工条件，如采用钢筋混凝土结构，材料运输量大，运输困难，工期、质量难以保证，成本较高。钢制波纹管具有较大的横向补偿位移能力，对彻底解决隧道因融沉而导致的破坏较有效。经过综合比选，该隧道结构采用装配式钢制波纹管结构形式，优点如下。

1)结构受力合理，荷载分布均匀，具有一定的抗变形能力，特别适用于矿山采空区及混凝土浇筑困难的深沟深壑，可避免地基变形造成的不均匀沉降对隧道的破坏，确保隧道安全。

2)采用标准化设计，工厂规模化生产，生产周期短，效率高，有利于降低成本，提高质量。

3)工期短、造价低、安装方便、有利于环保、耐久性好，对基础要求较低[4]。

4)施工不受季节及环境影响。

5)后期养护工作量小，养护成本低。

6)减少混凝土用量、施工现场湿作业及劳动力。

4 施工技术

4.1 钢制波纹管制作

隧道采用马蹄形钢制波纹管，如图2所示，既满足受力要求，又满足建筑界限要求。马蹄形钢制波纹管采用Q345热轧钢板制作，钢板屈服强度应≥345MPa，抗拉强度应≥490MPa。钢管壁厚为7.75mm，波高140mm，波距381mm，表面为热浸镀锌,镀锌量≥600g/m2，平均厚度≥84μm。钢制波纹管采用分片波纹板搭接而成，每延米圆周7片板，如图3所示，利用高强螺栓连接紧固，密封胶密封。

图2 钢制波纹管大样

图3 钢制波纹管展开示意

分片波纹板采用工厂化加工，单片加工完成后，在厂内进行预拼装以检查和校核椭圆各项技术参数及拼接部位严密性，检查合格后对分片波纹管进行编号，后期现场按厂内编号顺序进行安装。

4.2 基槽开挖

因涵洞纵向坡度为12%，为避免建成后的涵洞纵向滑移，基坑纵向开挖采用凹凸型。

隧道基础地质条件为强风化花岗岩，基坑开挖先采用挖掘机配合破碎炮挖至凹凸抗滑槽顶面，然后再开挖凹凸槽，为避免对基底的扰动并保证形成完整的凹凸抗滑移槽，基槽采用机械配合人工开挖。

4.3 抗滑移措施设置

因隧道纵坡坡度为12%，故设置抗滑移措施。在拱底楔形部位C30混凝土增强区范围内及端墙管结构周边，焊接间距100cm×100cm、伸入基础50cm的φ25钢筋。钢筋与钢制波纹管焊接时，严格控制施工质量，防止损伤钢管，焊接后严格按钢管防腐要求进行补充涂刷。

同时，注意焊接钢筋应避开钢管接缝及其防水材料，焊接钢筋穿透部分防水卷材应用丙烯酸聚合物水泥防水涂料(厚1.5mm，内置2道专用加筋布LEAC防水涂料I型)涂抹。

4.4 钢制波纹管安装

波纹板拼接时，先拼装第1圈B板片，以此为起点向下游延伸，直至下游。在现场竖向平躺B板片安装，板片搭接后，采用撬杠辅助对正连接孔，螺栓套上垫圈由内向外插入孔位，对面套上垫圈及螺母，利用套筒扳手预紧螺母。依次拼装板片成环。第1圈B板片安装完成后，再安装A板片，采用起重机吊起，根据现场边点定位及稳定。吊起定位完成后，再逐片安装剩余A板片，依此顺序完成全部板片安装，如图4所示[5]。

图4 波纹管拼装示意

1)钢制波纹管结构安装前，检查结构底部基础平整度、标高，确定结构中心线、中间点。

2)组装波纹管结构时，在隧道内放置1个可移动的组装工作平台，便于组装作业。

3)螺栓组装时，采用松螺栓组装法。即各螺孔插入螺栓，套上螺母后，稍初拧，待全部块件组装完毕后，再逐个拧紧螺母。使用机动扳手时，拧扳时间应持续2～3s。波纹管连接大样如图5所示。

图5 波纹管连接大样

4)气割波纹管时，需确保被气割的边缘无氧化物和毛刺。镀锌保护层遭破坏之处，涂刷乳化沥青等防腐涂料。

5)整个结构安装或拼装完成后，使用千斤顶校正整道结构，使其中心在所规定的中心线上。

6)钢制波纹管结构高强螺栓紧固前，在板缝连接处利用耐候密封胶密封。

隧道完工后，检查验收项目及允许偏差如表1所示[6]。

表1 隧道检查项目及允许偏差

4.5 防水施工

波纹管拱体敷设就位、拼装完成后及回填前进行密封防腐处理的现场作业。在结构板重叠搭接、圆管端部接合及紧固件连接的螺栓孔空隙处利用耐候胶填封，可通过专用胶枪注涂，固化后以提高圆结构整体密封性。

外壁最大腰部以上拱体(结构体)在结构板重叠搭接、圆管端部接合及紧固件连接的螺栓孔空隙处进行二次防水处理，宜采用高分子P类防水卷材(全厚度≥1.7mm，主材厚度1.2mm)。铺设范围至搭接缝处最外边缘≥30cm，防水卷材搭接≥30cm。同时，为防止回填过程中回填料对防水卷材的损伤，防水卷材外设置5cm厚细石砂浆保护层。

拱底C30增强区外侧全包防水卷材，宜采用高分子P类防水卷材，性能指标同上。外包防水层外竖向设置黏土砖保护，水平方向设置5cm厚细石混凝土保护层。

4.6 隧道回填

1)钢制波纹管结构回填 在管两侧对称、均衡回填。楔形部位回填采用C30混凝土，增强回填区回填高度为3.4m，采用模筑法施工，模板支撑采用钢木组合体系，面板采用12mm厚多层板，背楞采用方木，支撑采用φ48钢管。浇筑混凝土时分7次浇筑，每层浇筑厚度约为50cm，采用振动棒振捣。要严格控制分层厚度，并两侧对称浇筑。

填土分层摊铺，逐层压实，每层压实厚度≤25cm，压实度与该处路基压实度一致。在钢制波纹管结构顶及两侧3/4管径宽度范围内的填土，应着重夯实。除可使用小型振动夯夯实外，其他位置可采用与一般路基相同的压实机具，但荷载应≤140kN。在填土过程中，特别是跨度较大结构，要随时观测钢制波纹管隧道壳体变形是否超过容许值，以便及时改变填土方式。在钢制波纹管隧道顶填土未达到设计标高时，禁止一切机动车辆通行。当管顶已填足最小厚度，但仍不允许重型夯锤在其上作业，以免损坏钢制波纹管及邻近填土。除钢制波纹管结构两侧特殊回填区外，其余部分回填料应采用砂砾回填至1/2管径高度处，管顶回填可采用一般路基用土。在距钢制波纹管结构30cm范围内，不得填筑边长>8cm石块、混凝土块、冻土块、高塑性黏土块或其他有害物质。结构两侧回填应对称施工，分层回填，每层厚度为25cm。

2)设置减载板 距拱顶50cm设置20cm厚、两侧宽度超过结构跨径各3m的C30钢筋混凝土减载板。减载板内设置2层间距10cm×10cm HRB400φ16钢筋网。减载板沿隧道纵向设置1道沉降缝，并在缝内填充密实橡胶板或遇水膨胀橡胶条。

3)压实 结构近处利用机械夯实，管底下方楔形部位利用粗砂水密法或振动棒振实。结构两侧回填应采用振动压路机压实，压实度≥96%。结构上方回填厚度<60cm时，采用手扶振动压路机压实或采用<6t的静碾压路机压实，压实度≥96%；当隧道顶填土>60cm后，方可采用≤14t重型压路机施工，每层厚度25cm，压实度≥96%。

5 隧道监测

在隧道中间及两端设置3个监测断面，每个断面布置4个监测点，共布置12个监测点。监测点布置如图6所示。通过对隧道矢高、跨径连续监测可知，矢高、跨径变形符合设计要求。

图6 断面监测点布置

6 结语

2022年北京冬奥会高山滑雪工程J7，J8技术道路隧道下穿高山雪道，采用装配式钢制波纹管隧道结构形式，波纹管隧道采用工厂化预制生产，现场分片安装施工，提高了隧道施工精度，减少了施工现场湿作业，降低了劳动强度、减少了现场工作量，有效保证了工程质量和施工安全，加快了施工进度。