南水北調(diào)穿黃隧洞混凝土施工方案的選擇

王 國 力

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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南水北調(diào)穿黃隧洞混凝土施工方案的選擇

王 國 力

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

南水北調(diào)中線穿黃工程II-B標(biāo)穿黃隧洞長度為4 250m。2010年4月，過河段隧洞勝利貫通，開始內(nèi)襯施工。內(nèi)襯施工是穿黃隧洞轉(zhuǎn)序階段的攻堅戰(zhàn)役，具有作業(yè)面狹窄，施工工藝復(fù)雜，內(nèi)襯混凝土工作量大、工期緊、施工強度高等難點。對比分析了穿黃工程內(nèi)襯混凝土澆筑在投標(biāo)階段和技施階段的方案選擇，供類似工程參考。

穿黃隧洞；施工方案；選擇；南水北調(diào)

1 工程概況

南水北調(diào)穿黃工程Ⅱ-B(下游線)隧洞位于河南省鄭州市，線路總長4 250m。由南、北岸豎井、過河隧洞和邙山隧洞組成：過河隧洞(9+108.57～5+658.57)全長3 450m，邙山隧道(5+658.57～4+893.57)全長765m；北岸豎井為盾構(gòu)始發(fā)井，圓形結(jié)構(gòu)，井深50.5m，井壁為雙層襯砌；南岸豎井為盾構(gòu)中間井，圓形結(jié)構(gòu)，井深42m，井壁為雙層襯砌。過河隧洞變坡點設(shè)在樁號9+108.57處，坡度由北向南由2‰變?yōu)?‰。邙山隧洞由北向南設(shè)計坡度為49.107‰，在樁號5+623.2～5+583.963段用半徑為800m的豎曲線將過河隧洞和邙山隧洞相連。

穿黃隧洞為全圓斷面，內(nèi)徑7m，外徑8.7m。內(nèi)襯采用現(xiàn)澆法施工(二次襯砌)，為后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，采用C40W12F200預(yù)應(yīng)力混凝土，厚45cm，分段長度為9.6m。預(yù)應(yīng)力錨索間距為45cm，每束由12根預(yù)應(yīng)力鋼絞線集束而成。為便于運行期檢修車輛通行，在其底部設(shè)3.1m寬平臺。

2 主要施工特點及質(zhì)量要求

(1)穿黃工程是南水北調(diào)中線建設(shè)的關(guān)鍵、控制性工程，橫貫黃河河底的穿黃隧洞每條長4 250m，其任務(wù)是將中線調(diào)水從黃河南岸輸送到黃河北岸，向黃河以北地區(qū)供水。

(2)環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土工程在國內(nèi)應(yīng)用較少，雙層復(fù)合式襯砌更為創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，工藝精細(xì)、復(fù)雜，施工精度高，穿黃隧洞內(nèi)襯45cm厚超薄預(yù)應(yīng)力混凝土施工在國內(nèi)尚屬首次，與同張拉級別的湖北清江隔河巖水電站引水隧洞(內(nèi)襯厚75cm)、廣西天生橋一級水電站引水隧洞(內(nèi)襯厚70cm)、黃河小浪底水利樞紐排沙洞(內(nèi)襯厚60cm)相比厚度更簿，施工難度更大，同時亦對混凝土的澆筑質(zhì)量提出了更高的要求。

(3)穿黃隧洞為過水隧洞，隧洞運行后設(shè)計流量為265m3/s，加大流量為320m3/s。國務(wù)院南水北調(diào)中線建管局要求穿黃隧洞每倉、每m都作為“樣板工程”質(zhì)量來嚴(yán)格要求和檢驗，保證一渠清水安全北流。

(4)穿黃隧洞的一個工作面控制洞線較長，內(nèi)襯混凝土工程量大、工期緊、施工強度高。

過河隧洞和邙山隧洞總長度達(dá)4 250m，根據(jù)施工總進度安排，二襯僅考慮了一年的時間。若過河隧洞布置2臺穿行式臺車，邙山隧洞布置1臺穿行式臺車，單個工作面鋼模臺車安裝拆除需占用2個月時間，1#臺車控制段長1 725m，每段長9.6m，共約180段，平均每段需施工1.6d，工期非常緊張。

(5)洞內(nèi)施工場地狹窄，混凝土施工機械布置困難；混凝土運輸從地面到地下，運輸環(huán)節(jié)多，需合理組織；高峰期內(nèi)襯混凝土施工機械較多，在洞內(nèi)布置有穿行式鋼模臺車、鋼筋臺車、防水層施工臺車、混凝土泵、混凝土運輸車及環(huán)錨施工設(shè)備，設(shè)備布置較多，需加強協(xié)調(diào)、合理調(diào)度。

3 原施工方案具有的優(yōu)勢和存在的問題

3.1 原施工方案具有的優(yōu)勢

原施工方案采用3臺穿行式鋼模臺車，全圓一次襯砌成型，每臺臺車配置2～3套模板，每套模板長9.6m，臺車總長度為28.8m。臺車的模板配置可使混凝土襯砌連續(xù)進行施工。

防水層和鋼筋安裝領(lǐng)先混凝土澆筑進行。使用臺車澆筑混凝土的各道施工工序如下(臺車分為1、2、3節(jié))：

(1)混凝土澆筑：平均每段(9.6m)澆筑施工時間為6h，初凝時間考慮6h，作業(yè)時間為12h。

(2)12h后，即可進行擋頭模板的拆除。擋頭模板的拆除時間為12h；同時進行下一段擋頭模板的安裝。

(3)在擋頭模板拆除完成后，即可進行下一段混凝土的澆筑。

(4)拆模：在澆筑第3節(jié)時，第2節(jié)澆筑的混凝土達(dá)到48h的拆模時間，將第1節(jié)模板拆除后安裝在第3節(jié)之后。

(5)如此循環(huán)作業(yè)，單臺臺車襯砌高峰強度可以達(dá)到每天澆筑一段，即9.6m/d，能夠滿足施工進度需要。

施工方案比選階段，由水電七局與四川廣漢金達(dá)隧道機械有限公司聯(lián)合研制的、適用于南水北調(diào)穿黃工程的穿行式液壓鋼模臺車模板轉(zhuǎn)移原理見圖1。

采用穿行式液壓鋼模臺車施工制造簡單、成本低，可以利用各組模板循環(huán)灌注施工，減少了混凝土等強時間，縮短了循環(huán)周期，減少了設(shè)備投入，大大提高了襯砌施工速度。

圖1 穿行式液壓鋼模臺車模板轉(zhuǎn)移原理圖

3.2 原施工方案存在的不足

(1)由于內(nèi)襯混凝土設(shè)計厚度較薄(δ=45cm)，且混凝土內(nèi)鋼筋(雙層)、波紋管、張拉槽、止水條、監(jiān)測儀器等干擾因素較多，故全圓一次襯砌成型難度非常大；

(2)施工材料及混凝土僅能通過軌道(須設(shè)軌枕)運輸進入工作面，在施工質(zhì)量要求高、施工工期緊張的情況下，這種施工方法對工程整體目標(biāo)的實現(xiàn)無疑是不利的。

(3)從1∶1仿真實驗可以看出，全圓一次襯砌時底板及局部邊墻范圍的混凝土排氣問題無法從根本上得到解決，從而導(dǎo)致混凝土澆筑質(zhì)量目標(biāo)無法實現(xiàn)。

(4)秦嶺特長隧道是西安——安康鐵路的重點控制工程，鐵路施工企業(yè)曾成功運用此種類型的模板臺車。但水電施工企業(yè)對此種穿行式鋼模臺車的應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，加之環(huán)錨預(yù)應(yīng)力混凝土工程在國內(nèi)應(yīng)用較少，而雙層復(fù)合式襯砌更是創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，因此，在工期允許的情況下，參建各方還是傾向選擇更能保證施工質(zhì)量的常規(guī)方案。

4 優(yōu)化后的穿行式鋼模臺車方案

4.1 穿行式鋼模臺車方案

為有效解決上述問題，最終采取了底板混凝土和邊頂拱混凝土分序澆筑，底板超前施工，邊頂拱滯后施工。在過河隧洞內(nèi)布置4臺邊頂拱穿行式鋼模臺車(每臺臺車配置1套模板，單臺臺車長度為9.6m)，在邙山隧洞布置1臺邊頂拱穿行式臺車(臺車配置1套模板，單臺臺車長度為9.6m)，共布置5臺邊頂拱穿行式臺車。

底板混凝土和邊頂拱混凝土分序澆筑后，除第一塊底板以外，其它底板澆筑不占用直線工期；單臺穿行式臺車襯砌高峰強度可以達(dá)到每3d澆筑一段，即9.6m/d，過河隧洞段的4臺穿行式臺車單月能夠完成30段邊頂拱襯砌，即288m，過河隧洞需要12個月能夠完成襯砌施工，與原方案相比僅增加了鋼模臺車安裝、拆除的時間(約2個月)。

底板混凝土和邊頂拱混凝土分序澆筑后，可先進行仰拱混凝土澆筑，這樣實施可優(yōu)先形成洞內(nèi)施工通道，分散洞內(nèi)施工材料的運輸強度。

對于從兩端向中間澆筑的方式，結(jié)合以往很多工程軌行設(shè)備的相關(guān)經(jīng)驗，可確定仰拱形成后軌道鋪設(shè)的施工操作更為簡單可行，無需軌枕安裝、拆卸，從而可以節(jié)約工人大量的工作量，加快施工進度。

該方案為南水北調(diào)穿黃工程實際使用的鋼模臺車形式，這種臺車技術(shù)相對于前述方案更為成熟可靠，能夠滿足施工質(zhì)量要求。

4.2 經(jīng)濟分析

(1)臺車制作安裝成本比較：與原方案相比，采用5臺穿行式臺車方案，臺車數(shù)量雖然增加了2臺，但經(jīng)分析，臺車門架增加了2臺，但臺車模板減少了3套，臺車制作安裝重量差別很小。

(2)臺車運行成本比較：與原方案相比，采用5臺穿行式臺車方案，穿黃隧洞洞外工作面的施工設(shè)備配置沒有變化，洞內(nèi)的5個工作面相對分散，采用流水節(jié)拍作業(yè)，減少了工序之間的施工干擾，更有利于提高施工效率，而工人的勞動強度并沒有增加，工人的數(shù)量也沒有增加，運行成本差別不大。

5 結(jié) 語

以上為筆者在南水北調(diào)穿黃工程內(nèi)襯混凝土澆筑投標(biāo)階段和技施階段進行的方案對比選擇，在此提出來與大家探討，希望在今后的TBM或盾構(gòu)施工的其它同類形隧道工程施工中,為類似全圓小洞徑隧洞內(nèi)襯混凝土快速施工提供成功的配套施工技術(shù)選擇。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-28

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1001-2184(2016)06-0049-03

王國力(1976-)，男，黑龍江阿城人，副主任，高級工程師，從事水利電力市場開發(fā)工作.