采用鋼管混凝土為骨架的隧道加寬段二次襯砌設(shè)計施工技術(shù)研究

陳玉鍵，王 璐，閉 芬，王忠偉，李 強

（1.云南建設(shè)投資控股集團有限公司路橋總承包部，云南昆明650000；2.保<山>施<甸>高速公路投資開發(fā)有限公司，云南保山678200）

1 工程背景

隧道二次襯砌多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，二次襯砌施工多數(shù)采用模板臺車進(jìn)行混凝土的澆筑施工，模板臺車背后空間狹小，而二襯鋼筋的綁扎工藝十分復(fù)雜，多種工序之間具有顯著交叉影響，導(dǎo)致施工周期延長，影響施工質(zhì)量。對于隧道工程而言，由于隧道的空間是標(biāo)準(zhǔn)的，因此模板臺車的尺寸同樣也是固定的，因此當(dāng)長隧道需要設(shè)置緊急停車帶的時候，一般需要在行車帶的外側(cè)進(jìn)行加寬，對于隧道加寬段的施工常規(guī)模板臺車難以適應(yīng)，因此需要在模板外側(cè)增加額外的支架模板改變模板的外輪廓才能適用加寬段施工，待加寬段施工完成后又要拆除附加的支架和模板，因此導(dǎo)致施工過程延長，工序變得更加復(fù)雜。以公路隧道雙車道Ⅳ級圍巖加寬段為例，常規(guī)斷面的月施工進(jìn)尺為140m左右，而50m長的加寬段施工需要耗時30～35d，其中多耗費的時間主要產(chǎn)生在二襯襯砌施工過程中。在隧道工程的二次襯砌施工時，如何解決模板臺車斷面尺寸固定，難以適應(yīng)不斷變化的施工斷面需求的問題，提出一種靈活多變、占用施工空間小、施工速度較快的模板體系與施工方法是當(dāng)前隧道工程領(lǐng)域急需解決的難題之一。

鋼管混凝土拱架具有拼裝靈活、剛度大、強度高等優(yōu)勢，在礦山等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文擬吸取礦山應(yīng)用鋼管混凝土拱架的經(jīng)驗，提出以鋼管混凝土拱架為骨架的二次襯砌設(shè)計方案與施工方法，為上述問題的解決提出全新的方案。

2 以鋼管混凝土為骨架的隧道加寬段二次襯砌設(shè)計方案

2.1 以鋼管混凝土為骨架的二次襯砌設(shè)計原理

鋼管混凝土通過在鋼管內(nèi)部充填混凝土發(fā)揮出鋼管對內(nèi)部混凝土的套箍約束作用，使得充填的混凝土處于三維受壓狀態(tài)，進(jìn)而提高混凝土的抗壓強度減小其抗壓變形，與此同時，鋼管通過借助內(nèi)部混凝土的支撐作用，提高鋼管的穩(wěn)定性能，綜合兩方面的作用充分發(fā)揮鋼材和混凝土的力學(xué)特性，提高鋼管混凝土的整體力學(xué)性能。以鋼管混凝土拱架為骨架，在內(nèi)部充填鋼纖維混凝土共同組成二次襯砌結(jié)構(gòu)，由鋼管混凝土發(fā)揮剛度和抗壓作用，鋼纖維混凝土發(fā)揮韌性和抗裂作用，替代傳統(tǒng)二次襯砌的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在滿足結(jié)構(gòu)強度的同時，還能節(jié)約用鋼量。此外，本方案還能根據(jù)隧道截面的變化進(jìn)行靈活調(diào)整，還具有便于拼裝施工、縮短工期、施工簡便等優(yōu)點，不僅能夠降低工程造價，還能減少對施工空間的占用，具有顯著的經(jīng)濟效益。

2.2 以鋼管混凝土為骨架的二次襯砌整體設(shè)計方案

以鋼管混凝土為骨架的隧道加寬段二次襯砌結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件包括：拱架錨固器、鋼管混凝土拱架、加寬段襯砌模板、模板錨固裝置、模板混凝土澆筑窗口等。施工時，先在隧道的初期支護(hù)與周邊圍巖上預(yù)留拱架錨固器，在洞外分段預(yù)制鋼拱架，再將預(yù)制的鋼管拱架節(jié)段運至掌子面，在掌子面附近進(jìn)行鋼管節(jié)段的拼裝，將拼裝好的鋼管拱架固定在隧道初期支護(hù)的內(nèi)表面，待鋼管拱架固定好以后將混凝土注入鋼管內(nèi)部，形成完整的鋼管混凝土拱架；待鋼管混凝土拱架達(dá)到設(shè)計強度后，通過模板錨固裝置將襯砌模板固定在鋼管混凝土拱架上。襯砌模板上預(yù)留了混凝土澆筑窗口，通過澆筑窗口將鋼纖維混凝土澆筑在鋼管混凝土之間，填滿鋼管拱架之間的孔隙，鋼管混凝土拱架與鋼纖維混凝土共同組成隧道加寬段的二次襯砌，該技術(shù)方案的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加寬段襯砌結(jié)構(gòu)整體方案

采用預(yù)留的錨固器將鋼管拱緊貼初期支護(hù)表面進(jìn)行安裝，根據(jù)圍巖類別與襯砌斷面的不同，鋼管拱架的縱向間距為1～2m，鋼管直徑為15～45cm。鋼管拱架按設(shè)計進(jìn)行分段預(yù)制，待使用前再進(jìn)行整體拼裝，鋼管拱架按設(shè)計分成四個節(jié)段，拱頂一段、邊墻左右各一段、仰拱一段，鋼管壁厚度取0.8～2.5cm，鋼管拱架節(jié)段采用法蘭連接的方式進(jìn)行拼裝，在工作面拼裝成一個完整的環(huán)形拱架，在鋼管拱架的每一個節(jié)段的上部預(yù)留了混凝土澆灌窗口，下部預(yù)留了混凝土排氣孔。根據(jù)隧道初期支護(hù)內(nèi)凈空的變化，鋼管拱架的尺寸可按需下料預(yù)制，以達(dá)到滿足隧道加寬段截面尺寸變化需求的目的。

2.3 二次襯砌的細(xì)部設(shè)計

通過預(yù)埋在圍巖及初期支護(hù)中的錨固器將鋼管拱架固定在初期支護(hù)的表面，鋼管拱架之間的縱向間距設(shè)置為1～2m，拱架鋼管的直徑為15～45cm，具體參數(shù)根據(jù)圍巖類別及隧道內(nèi)凈空的尺寸經(jīng)結(jié)構(gòu)計算后確定。在施工前，鋼管拱架先進(jìn)行分段預(yù)制，然后運送至工作面再拼裝而成，一個完整的鋼管拱架分成四段預(yù)制，鋼管壁厚度0.8～2.5cm，鋼管節(jié)段端頭焊接在法蘭連接器上，相鄰節(jié)段的鋼管用螺栓將法蘭連接在一起，形成閉合的拱架，在每一節(jié)鋼管節(jié)段上部預(yù)留混凝土澆灌洞口，下部預(yù)留了排氣口。鋼管拱架的尺寸可根據(jù)隧道內(nèi)凈空尺寸預(yù)制下料，以匹配隧道不斷變化的截面。

鋼管拱架外部加裝了模板錨固件，隧道二次襯砌模板通過模板錨固件用螺栓固定在鋼管混凝土拱架上，隧道二次襯砌模板4分成四塊，兩側(cè)邊墻各一塊，兩側(cè)拱部各一塊，每片模板的寬度按照與三榀拱架相同的寬度進(jìn)行下料。每片隧道二次襯砌模板的上部設(shè)置了兩個50cm×50cm可開關(guān)式窗口，用于混凝土的澆筑和振搗。經(jīng)檢測當(dāng)混凝土強度達(dá)到設(shè)計與規(guī)范的要求后，擰開模板固定螺栓，自上而下分段拆除隧道模板，并將模板移至下一個工作面進(jìn)行混凝土澆筑，依次重復(fù)施工，詳見圖2所示。

圖2 二次襯砌模板安裝示意圖

3 以鋼管混凝土為骨架的隧道加寬段二次襯砌施工步驟

本文提出的采用鋼管混凝土的隧道加寬段襯砌施工方法為：在隧道加寬段襯砌施工前，先根據(jù)隧道加寬段襯砌內(nèi)輪廓以及初期支護(hù)的外輪廓確定鋼拱架的整體尺寸，并分段預(yù)制鋼管焊接法蘭；在隧道初期支護(hù)施工期間，將拱架固定器錨固在圍巖中；待初期支護(hù)施工完成后，將鋼管拱架階段運至工作面，然后自下而上邊安裝邊連接，形成一個整體，將鋼管拱架密貼初期支護(hù)表面進(jìn)行安裝和固定，然后通過鋼管上部預(yù)留窗口注入混凝土，通過底部的排氣孔排氣，提高混凝土的密實度，澆筑形成鋼管混凝土拱架。鋼管混凝土拱架不同位置均預(yù)留了模板錨固裝置，當(dāng)鋼管混凝土拱架施工完成后，采用錨固件將模板固定在鋼管混凝土拱架上，并通過模板上預(yù)留的混凝土澆筑窗口將鋼纖維混凝土澆筑在拱架之間，鋼管混凝土拱架與鋼纖維混凝土共同形成完整的隧道加寬段二次襯砌。具體的施工步驟如下：

第一步，在隧道初期支護(hù)施工前，先采用砂漿錨桿將鋼拱架的固定裝置錨固在圍巖中，錨固長度大于2m，拱架錨固器的另一端伸出隧道初期支護(hù)外部；

第二步，根據(jù)隧道加寬段的內(nèi)輪廓以及初期支護(hù)的內(nèi)輪廓確定鋼拱架的尺寸，通過結(jié)構(gòu)計算確定鋼拱架的壁厚以及縱向間距，根據(jù)設(shè)計尺寸在隧道外鋼筋加工場分段下料，完成鋼管拱架階段的預(yù)制工作；

第三步，待隧道加寬段初期支護(hù)施工完成后，將分段預(yù)制的鋼管拱架運至工作面，自下而上安裝鋼管階段，首先安裝仰拱段，然后安裝兩側(cè)邊墻段，最后安裝拱頂段，防水板敷設(shè)在鋼管拱架和隧道初期支護(hù)之間，敷設(shè)工作與鋼管安裝同步進(jìn)行，在拱架錨固裝置穿透防水板的位置采用膠水補強，并在外部進(jìn)行防水處理；通過錨固器將鋼拱架緊貼隧道初期支護(hù)表面固定，然后通過預(yù)留窗口將高強混凝土注入拱架內(nèi)部，依次完成全部鋼管拱架的混凝土澆筑；

第四步，鋼管拱架上采用套管裝置預(yù)留了混凝土模板的錨固裝置，在鋼管拱架內(nèi)部混凝土達(dá)到設(shè)計強度后，將模板分片固定在鋼管拱架上；

第五步，通過模板表面預(yù)留的混凝土澆筑窗口在鋼管拱架之間澆筑鋼纖維混凝土并振搗密實，鋼纖維混凝土與鋼管混凝土拱架一起形成隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)；

第六步，待鋼纖維混凝土強度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，拆除隧道二次襯砌模板，繼續(xù)下一段二次襯砌的施工。

4 結(jié)語

本文提出以鋼管混凝土為骨架的隧道加寬段二次襯砌結(jié)構(gòu)可根據(jù)隧道內(nèi)輪廓形狀任意預(yù)制鋼管拱架，適用于隧道內(nèi)加寬段二次襯砌施工，克服了傳統(tǒng)模板臺車對隧道加寬段襯砌施工工期長、工序干擾大的缺陷；通過鋼管混凝土拱架中鋼管與包裹的混凝土共同承受外部荷載，具有承載力高、穩(wěn)定性好、抗震性能優(yōu)越等多方面的優(yōu)勢。此外鋼管拱架分段預(yù)制，拼裝施工后再充填混凝土，具有施工便利、工期短、干擾小等優(yōu)點，模板通過錨固件安裝在拱架上，占用隧道施工空間小，極大地減少了對其他工序的干擾，可支持多個工作面同步連續(xù)作業(yè)。本文提出的方案適用于自穩(wěn)性較好的圍巖地段隧道加寬段襯砌施工，同時也可適用于曲線變截面隧道的施工，不僅具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，同時還具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。