输水盾构隧洞内衬自密实混凝土施工技术

石爱军，汪永剑*，姚楚康，谢祥明，伍玉龙，蔡怡欣

(1.广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340；2.广东省新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 511340；3.广东省水利水电工程技术研究中心，广东 广州 511340)

中国水资源时空分布极不均匀，水资源短缺和水环境恶化严重影响经济社会的可持续发展[1]。为缓解水资源时空分布不均问题，自20世纪80年代开始，中国已经兴建或规划设计了数十项大型跨流域调水工程[2]，先后建成了天津“引滦入津”、山东“引黄济青”、辽宁“引碧入连”、甘肃“引大入秦”、山西“引黄入晋”、新疆“引额济克(乌)”、广东“东深供水”、云南“牛栏江-滇池补水”、南水北调工程东线、中线一期等工程，这些调水工程的投入运行提高了受水区供水保障能力，发挥了显著的经济社会和生态环境效益，对支撑当地的经济社会发展发挥了重要作用[3]。

随着调水工程的规模越来越大，输水隧洞越来越长(可达几十千米)、埋入地下越来越深(可达上千米)，工程地质也越来越复杂。传统的钻爆法难以适应长距离深埋输水隧洞施工要求，而常用于交通隧洞施工的盾构法机械化、自动化程度高，能适应各种复杂地质，可实现破岩、出碴、运输、衬砌等多种工序联合作业，具有优质、高效、安全等优点，已开始应用于水资源调配隧洞工程[4]。但输水隧洞与交通隧洞并不完全相同，输水隧洞在运行期间除承受外部的水土压力外，还须承受较大的内水压力；而盾构管片单衬结构无法承担内水压力荷载产生的环向拉力，需采用复合衬砌结构(外衬为盾构管片，内衬为现浇预应力混凝土或“钢内筒+混凝土”)[5]。而隧洞内衬结构厚度小、钢筋密，混凝土振捣难度大，为保证内衬质量，须采用自密实混凝土[6]。

自密实混凝土是一种无需振捣能在重力作用下自动流平充满模型并包裹钢筋的高流动性混凝土，具有施工效率高、劳动成本低、噪声污染小等优点[7]，适用于配筋密集、结构复杂等施工空间受限的工程结构。近年来，在中国得到广泛研究和推广，已逐步应用于超高层建筑[8]、桥梁特殊结构[9]、堆石混凝土坝[10]、装饰装修工程[11]，取得了良好的效果。

因输水盾构隧洞的特殊性，其内衬自密实混凝土施工面临在工作井内高落差垂直运输、在圆形隧洞内长距离水平运输、密闭环形衬砌结构入仓等难题。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程是目前世界上输水压力最大、盾构隧洞最长的调水工程，西起西江干流佛山顺德江段鲤鱼洲，经广州南沙区新建的高新沙水库，向东至东莞市松木山水库、深圳市罗田水库、公明水库，输水线路总长113.2 km，采用全封闭深层地下输水方式。隧洞位于地下40～60 m处，内外水压力高，衬砌设计、施工难度大。为验证、优化隧洞衬砌结构设计，积累盾构隧洞衬砌施工经验，进行试验段项目建设。

试验段项目为珠江三角洲水资源配置工程深圳分干线(罗田水库—公明水库段)的一部分，位于深圳市公明水库下游，包括1 436 m长盾构隧洞、公明水库进库闸及交通桥、盾构施工工作井。隧洞内径4.8 m(设计水流流速1.66 m/s)，采用盾构法施工，外衬预制管片(外径6 m、内径5.4 m)、内衬DN4800钢管(外设加劲环)，钢管与管片间充填C30自密实混凝土。隧洞衬砌结构见图1。

图1 盾构隧洞D6000标准断面衬砌结构

试验段项目盾构隧洞自密实混凝土只能通过工作井(始发井及接收井)运输，且在隧洞内运输线路长、内衬钢管内壁涂敷了高等级防腐涂料，自密实混凝土的垂直和水平运输方法将是影响其施工质量和进度的重要因素；盾构隧洞外衬管片与内衬钢管之间的密闭环形结构净厚度只有28.0 cm，通过设置在钢管上的浇筑孔入仓后的自密实混凝土无法人工平整、振捣，在隧洞顶部位置需翻越内衬钢管外侧间距1.5 m、高12 cm的加劲环，自流填满结构空间，其浇筑孔的位置及间距将对其填充质量产生重大影响；内衬钢管管径大、单节长达12 m，外部空间小，就位后只能在钢管的两端进行加固，自密实混凝土浇筑过程钢管易上浮、侧移，对混凝土的浇筑方法提出了较高要求。

2 自密实混凝土施工技术

试验段项目盾构隧洞总长1 436 m，其中，公明水库进库闸井至盾构始发井之间隧洞长452 m，盾构始发井至接收井之间隧洞长984 m。由于盾构隧洞结构特点，自密实混凝土需采用合理的垂直和水平运输方式运送至隧洞各个浇筑仓位。部分自密实混凝土通过盾构始发井垂直运输到井底，向下游水库进库闸井方向水平运输完成452 m长隧洞浇筑，向上游盾构接收井方向水平运输完成504 m长隧洞浇筑；部分自密实混凝土通过盾构接收井垂直运输到井底，向下游始发井方向水平运输完成480 m长隧洞浇筑。工程使用的C30自密实混凝土配合比见表1。

表1 自密实混凝土配合比

2.1 自密实混凝土运输方法

2.1.1工作井内垂直运输方法

混凝土拌和物是一种具有弹性、黏性、塑性等特征的流变体，其骨料的相对位移(骨料的分离程度)与骨料密度、粒径的平方、骨料运行速度成正比，与混凝土黏性系数成反比[12]。即混凝土配合比已确定时，混凝土骨料的分离程度只与其下落速度有关，其自由落差越大，混凝土下落速度越快，骨料就越容易分离。因此，《水工混凝土施工规范》[13]规定，混凝土自由下落高度不宜大于2 m，超过时，应采取缓降或其他措施，防止混凝土中骨料分离。目前采用的缓降措施主要是采用溜筒、溜槽[14]、真空溜管[15]、My-Box溜管[16]、缓降溜管[17]、满管溜筒[18]、抗分离溜管[19]等进行混凝土高落差输送。

试验段项目始发井深16.2 m(平面30 m×13.4 m)，混凝土输送落差大，结合工程实际情况、混凝土特性及各种溜送筒、管、槽的制作难易、操作复杂程度等因素，确定自密实混凝土在工作井内的垂直运输采用串筒与溜管相结合的方式进行。上部采用钢串筒，每节长1.2 m(上口径30 cm、下口径25 cm)，上节串筒伸入下节串筒20 cm，共7节，总长7 m，垂直布置；串筒进口与混凝土料斗相接，出口与下部溜管的进料斗相接。下部钢溜管管径30 cm，溜管坡度为1∶1，溜管总长11.3 m(包括进料斗)，溜管出料口位于混凝土输送泵喂料口上方。混凝土料斗、串筒及溜管采用脚手架平台进行安装固定，并与工作井支撑梁、井壁等混凝土结构采用预埋膨胀螺栓进行焊接连接锚固。

2.1.2隧洞内长距离水平运输方法

隧洞内自密实混凝土施工在内衬钢管全部安装完成后进行，因内衬钢管内壁涂敷了高等级防腐涂料，混凝土土水平运输不能采用对防腐涂料有损伤的轮胎式搅拌运输车或需铺设、固定轨道的运输设备，因此选用混凝土输送泵。

本工程混凝土输送泵最大水平输送距离为504 m，自密实混凝土最大骨料粒径为20 mm，参照《混凝土泵送施工技术规程》[20]相关要求，混凝土输送管选用直径为125 mm的标准高压泵送管，并根据输送管管径、配管情况、泵送系统附件、混凝土浇筑强度要求、混凝土性能指标等实际情况，选用HBT80C型混凝土输送泵(理论混凝土输送量，低压/高压：85/50 m3/h；理论混凝土输送压力，低压/高压：10/18 MPa)。经计算，在低压输送60 m3/h时，最远可输送720 m，满足自密实混凝土最大水平输送距离504 m的施工要求。

混凝土输送泵放置在工作井底溜管出口下，通过混凝土泵管将自密实混凝土输送至隧洞内衬钢管的浇筑孔进行浇筑。

2.2 自密实混凝土浇筑方法

2.2.1浇筑分段

为减少施工干扰，提高施工效率，自密实混凝土在隧洞内衬钢管全部安装完后进行施工。内衬钢管分节安装长度为12 m，3节钢管36 m长分为1个浇筑段，504 m隧洞共分14个浇筑段。采用快易收口网免拆模板作为各浇筑段间的分隔模板，即每隔36 m在隧洞外衬管片与内衬钢管之间采用快易收口网进行全环分仓。单环快易收口网免拆模板加工成单片构件，采用钢筋作为支架，在内衬钢管安装时将快易收口网预制构件焊接固定于钢管端口外壁面(图2)。

图2 收口网免拆模版固定

2.2.2浇筑孔设置

因复合内衬结构空间全封闭，自密实混凝土入仓需在内衬钢管上设置浇筑孔；入仓后自密实混凝土无法人工平整、振捣，需自流填满结构空间。为确保仓内自密实混凝土能浇筑均匀、密实饱满，进行仓内空间自密实混凝土施工模拟试验，以合理设置浇筑孔。

试验模拟内衬钢管顶部最不易填充密实的部位，在长6 m、宽1 m、高28 cm、两端端头板上分别设有进料孔和排气孔的木盒内(每隔1.5 m设置1条高12 cm、厚3 cm的肋条、上部封盖透明有机玻璃，见图3)进行。试验时，自密实混凝土通过端头板上的进料孔灌入，往另一端自流充填，在自流翻越3条横肋后流动速度变得缓慢，虽然还能自流至木盒尾端，但在接近尾端的1.0 m范围内形成一个斜坡，不能填满木盒顶部(图4)。试验完成后，在每条横肋附近钻孔取芯，混凝土芯样表面平整光滑，无蜂窝麻面，内部充填密实，骨料分布均匀。试验结果表明，自密实混凝土在内衬钢管顶部单向能够自流填满空间的长度为5.0 m。

图3 模拟试验浇筑模盒

图4 试验成型混凝土结构

根据模拟试验成果，为确保施工质量，确定在内衬钢管上的浇筑孔水平间距为6.0 m(考虑自密实混凝土入仓后能向上、下游两侧各填充3.0 m)。每个断面左、右腰部各布置1个，拱部布置1个，浇筑孔径孔φ150 mm。

2.2.3注浆孔及观察孔设置

自密实混凝土凝固并收缩完成后，会在混凝土与外衬管片间留下细微间隙，为保证复合内衬的整体性，需对细微间隙进行注浆。注浆孔设在隧洞拱部，除利用拱部浇筑孔封板预留直径为φ50 mm注浆孔外，在拱部2个浇筑孔之间增设1个φ50 mm的注浆孔(注浆管伸入内衬钢管内距外衬管片1 cm)，该注浆孔可用于观察混凝土泵送过程的情况，同时兼有排气功能，防止钢管顶部出现较大的空洞。待自密实混凝土浇筑完成后将临时螺栓旋入浇筑孔，从临时螺栓中预留的注浆孔进行注浆。注浆结束后取下临时螺栓，旋入永久螺栓，再放置封堵钢板并焊接。

2.2.4输送管路布置

自密实混凝土采用后退式浇筑方法，输送管从输送泵出机口接出，沿隧洞底部一次性安装504 m，然后由远至近拆管依次浇筑每个36 m节段。因36 m节段内衬钢管由3节12 m长钢管在洞内就位后焊接而成，其外部加固只能在每节12 m钢管的头尾两端进行，中间无法进行外部加固，在浇筑过程，易产生上浮、侧移等质量问题。为防止质量问题产生，需确保内衬钢管两侧的自密实混凝土同步下料、均衡上升，因此在混凝土输送管端部连接一条“Y”型三通管，三通管中的2条管同时对接内衬钢管两侧腰部的浇筑孔。为因应泵管安装误差及不同浇筑孔高度，在三通管尾部接软胶管与浇筑孔相连。为避免输送管、混凝土浆碴损坏、污染钢管内壁防腐涂料，在输送管下垫方木并在浇筑节段内铺设布垫。为防止隧洞拱顶浇完拆管时混凝土倒流导致拱顶混凝土脱空，在内衬钢管顶部浇筑孔上设置止回阀(管径φ125 mm，内侧设法兰盘与浇筑孔相接，外侧与三通管尾部的软胶管连接)。

2.2.5分层浇筑

自密实混凝土采用平铺法浇筑，根据其施工性能、内衬钢管的受力(浮力、侧压力)计算分析，各仓段分3层浇筑(第1层厚72 cm，第2层厚198 cm浇至内衬钢管腰部，第3层厚270 cm浇至隧洞顶)，每层浇完初凝后再浇筑上层(每层浇筑速度不超过2 m/h)。第1层与第2层自密实混凝土经“Y”型三通管及内衬钢管腰部两侧的浇筑孔同步下料、均衡上升，第3层经内衬钢管拱部的止回阀及浇筑孔入仓。

当内衬钢管拱部2个浇筑孔之间的观察管(注浆管)向下流混凝土浆液时，表明2个浇筑孔之间的6 m段长结构空间被自密实混凝土完全填满。当每层每个浇筑孔的自密实混凝土浇完后，拆下软胶管(第3层拆软管前需先关闭止回阀)，接入下一浇筑孔继续浇筑，如此循环往复、逐孔浇筑。

2.2.6反向清洗输送管

每仓段自密实混凝土浇筑完成后，在不能连续进行作业时，需清洗输送管路。常规采用的在混凝土泵处压入水或高压气将输送管内残留混凝向浇筑仓方向推出的正向清洗方法，清洗出的混凝土及浆碴(管线越长，量越大)会导致作业仓面污水横流，影响施工，且大量的混凝土及浆碴需人工长距离清运出隧洞，耗时费力。本项目中，针对工程特点，研发了一种反向清洗输送管的方法[21]，在浇筑仓面的输送管端头连接空压机(本工程采用1台15 m3箱式空压机)供气，输送管内塞入清洗球，将输送管内残留混凝土向输送泵方向推出，清出的残余混凝土与浆液全部在工作井混凝土泵处接取，并妥善处理外运。

2.2.7拱顶回填注浆

在隧洞自密实混凝土衬砌完28 d，其收缩变形基本稳定后进行拱顶回填注浆。注浆前需钻设及清理注浆孔，在浇筑孔处的注浆孔位，需拧开浇筑孔中部的临时封盖注浆螺栓，采用YT-28型手风钻钻孔径38 mm孔，孔深穿透自密实混凝土层，但不得伤及外衬管片；在兼作排气孔及观察孔的注浆孔位，因预先埋设了φ50管，只需清除管中的浆渣即可。

回填注浆采用纯压注浆法(水泥浆料水灰比为0.5)，以12 m长隧洞为一个施工段，每段顶部有4个注浆孔。注浆时，4个孔全部打开，采用0.1 MPa的注浆压力，从低处孔注进(高处孔作排气孔)，直至高处孔有浆液溢出，且注浆孔停止吸浆后，继续灌注10 min后结束该孔注浆，转入下一孔位。各注浆孔回填注浆结束后，焊接钢板封堵注浆孔。

3 应用效果及建议

3.1 应用效果

自密实混凝土经垂直运输后未观察到骨料分离现象，水平泵送过程中未发生堵管，混凝土质量基本不受影响；自密实混凝土浇筑时内衬钢管两侧能够同步下料、均衡上升，内衬钢管未发生上浮和侧移，施工过程未对内衬钢管内壁防腐涂料造成损坏和污染。

自密实混凝土浇筑完回填注浆前，通过内衬钢管拱部随机选取的4个预留未封堵浇筑孔，钻孔取芯。钻取的自密实混凝土芯样外表平整光滑、饱满密实，芯样长27.0～27.5 cm，与理论长度相差0.5～1.0 cm，即内衬钢管顶部的自密实混凝土与外衬管片之间存在最大1.0 cm的空隙，满足设计的脱空高度小于2.0 cm要求。回填注浆后随机钻取12孔芯样，自密实混凝土芯样长度均达28 cm，即内衬钢管顶部注浆饱满，不存在脱空现象。

该技术经总结后，在韩江粤东灌区续建配套与节水改造工程半洋隧洞引水工程推广应用，效果良好，并即将在本单位承建的珠江三角洲水资源配置工程主体中采用。

3.2 应用建议

混凝土输送管尾采用软胶管与浇筑孔相接，可保证输送管与不同高度浇注孔顺利连接，但较长的软胶管易造成堵管，因此，软胶管应尽量短。

当输水盾构隧洞纵向坡度较大时，内衬自密度混凝土一次浇筑段长应适中，不宜过长，否则每层混凝土浇筑时，浇筑段头、尾两处混凝土厚度相差太大，导致内衬钢管(模板)头、尾2处产生较大的混凝土浮力差，对内衬钢管(模板)稳定不利。

混凝土采用管式装置进行高落差垂直溜送，其骨料是否分离，目前主要是凭经验进行主观定性判断，在实践中易产生分歧，建议参照文献[22]采用定量检测的方法进行评价。

4 结语

输水盾构隧洞复合衬砌自密实混凝土在竖井内垂直运输采用串筒和溜管相结合的方式，其结构简单、制安方便，能有效防止自密实混凝土骨料分离，保证混凝土运输质量。

隧洞内衬自密实混凝土采用输送泵及尾部连接“Y”型三通管的输送管进行水平运输，并分层间歇浇筑，可使内衬钢管两侧混凝土同步下料、均衡上升、浮力可控，能避免浇筑过程加固受限的钢管产生上浮、侧移等质量问题。

隧洞拱顶浇筑孔连接止回阀，可避免拱顶自密实混凝土浇完拆管时混凝土倒流，防止浇筑孔上部混凝土因拆管而造成脱空。自密实混凝土输送泵管采用气压反向清洗法，可避免对内衬钢管的污染，清洗出的废料可集中处理，可减少对环境的污染。

采用本技术进行输水盾构隧洞复合内衬自密实混凝土施工，可保证施工质量，具有参考应用价值。