小直徑長(zhǎng)距離大曲率隧道薄壁二次襯砌質(zhì)量控制技術(shù)

王 浩 劉康宇 蔣尚志 周 浩

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

在小直徑、長(zhǎng)距離、大曲率、薄壁隧道施工中，施工作業(yè)面狹小、單作業(yè)面距離長(zhǎng)、轉(zhuǎn)彎段線形控制難度高、防水要求高以及其他一些人為因素，均會(huì)導(dǎo)致二次襯砌質(zhì)量受到影響，進(jìn)而直接影響隧道的使用效果和工作壽命。在這種情況下，武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程（以下簡(jiǎn)稱“本工程”）從實(shí)際出發(fā)，對(duì)二次襯砌施工中易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，在施工前及施工過(guò)程中總結(jié)出質(zhì)量預(yù)防措施及控制要點(diǎn)，對(duì)隧道的二次襯砌質(zhì)量控制起到了良好的效果，具有良好的參考意義。

1 工程概況

大東湖深隧主隧工程包括9個(gè)豎井，9個(gè)區(qū)間隧道，全長(zhǎng)17.5 km，隧道埋深30～56 m，最長(zhǎng)區(qū)間3.6 km，最小轉(zhuǎn)彎半徑250 m。隧道斷面設(shè)計(jì)為厚250 mm預(yù)制管片＋厚200 mm現(xiàn)澆鋼筋混凝土二次襯砌的疊合式襯砌，成形內(nèi)徑為3.0～3.4 m。二次襯砌混凝土為C40P12高性能自密實(shí)早強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土，采用雙層鋼筋結(jié)構(gòu)，鋼筋外側(cè)保護(hù)層厚25 mm，內(nèi)側(cè)保護(hù)層厚45 mm（圖1）。隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100 a，隧道傳輸介質(zhì)為污水，具有較強(qiáng)的腐蝕性且為帶壓運(yùn)輸，內(nèi)外部荷載工況組合復(fù)雜，二次襯砌施工質(zhì)量要求較高。二次襯砌施工在盾構(gòu)隧道貫通后進(jìn)行，其中下部仰拱先行施工，為拱墻臺(tái)車及電瓶運(yùn)輸車提供底部通行條件；上部拱墻采用拱墻臺(tái)車跳倉(cāng)法跟進(jìn)仰拱施工。

圖1 二次襯砌配筋示意

2 技術(shù)難點(diǎn)

1）鋼筋工程。由于隧道二次襯砌為厚200 mm的薄壁雙層鋼筋結(jié)構(gòu)，鋼筋加工及安裝偏差可能對(duì)隧道凈空造成影響。

2）模板工程?；炷翝仓^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大浮力，對(duì)支模體系、模板剛度要求高。在曲線段施工中，模板拼接困難、難以滿足線形要求，易帶來(lái)二次襯砌侵限隱患。由于隧道轉(zhuǎn)彎半徑小，傳統(tǒng)模板臺(tái)車內(nèi)部無(wú)法穿行且難以保證質(zhì)量。

3）混凝土工程?；炷列阅芤蟾?，混凝土難以密實(shí)，易出現(xiàn)蜂窩麻面、澆筑不密實(shí)、露筋等質(zhì)量問(wèn)題[1]。

4）防水工程。變形縫為隧道防水薄弱處，不僅要保證外水不內(nèi)漏，更要防止污水外滲，防水質(zhì)量要求高。

3 質(zhì)量控制措施

3.1 二次襯砌鋼筋的質(zhì)量控制

二次襯砌鋼筋采用BIM集約加工，制作精度高，尺寸偏差小，加工過(guò)程嚴(yán)格控制鋼筋加工弧度，避免后期綁扎過(guò)程中影響隧道凈空。

在鋼筋施工中，鋼筋應(yīng)采用一次綁扎成形，以便于過(guò)程的質(zhì)量控制。綁扎中先進(jìn)行接駁器連接鋼筋安裝，在接駁器鋼筋上沿環(huán)向均布綁扎6根縱向通長(zhǎng)鋼筋用作外側(cè)環(huán)向鋼筋定位筋，利用定位鋼筋綁扎外側(cè)環(huán)向鋼筋后，再進(jìn)行外側(cè)縱向鋼筋綁扎。在接駁器鋼筋上沿縱向綁扎4根內(nèi)側(cè)環(huán)向鋼筋用作內(nèi)側(cè)縱向鋼筋定位筋，同理，利用定位鋼筋綁扎內(nèi)側(cè)縱向鋼筋（圖2）。在完成環(huán)縱向鋼筋綁扎后，再按梅花形布置拉鉤筋，并將手孔鋼筋彎折段綁扎在內(nèi)側(cè)鋼筋上，端部與管片螺栓綁扎連接牢靠。

圖2 二次襯砌鋼筋綁扎示意

在鋼筋綁扎過(guò)程中要嚴(yán)格控制保護(hù)層厚度，每環(huán)鋼筋設(shè)置9個(gè)墊塊，每間隔2環(huán)鋼筋設(shè)置1環(huán)墊塊。在拱頂鋼筋綁扎過(guò)程中，注意適當(dāng)提高1～2 cm以預(yù)留鋼筋在自重作用下的下墜空間。

3.2 模板工程的質(zhì)量控制

3.2.1 傳統(tǒng)木制模板試驗(yàn)

本工程根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)仰拱及拱墻施工的模板工程進(jìn)行地面試驗(yàn)。傳統(tǒng)木制模板吸附力大，脫模困難，可周轉(zhuǎn)次數(shù)少，混凝土表觀質(zhì)量差，且木制模板本身剛度弱，仰拱及拱墻施工需設(shè)置較多的螺桿及鋼管支撐，螺桿會(huì)導(dǎo)致澆筑完成后出現(xiàn)螺桿孔，小直徑隧道中鋼管支撐嚴(yán)重影響施工效率及人員通行。

3.2.2 定制仰拱鋼模板

根據(jù)地面仰拱施工試驗(yàn)及過(guò)往施工經(jīng)驗(yàn)提出定制鋼模＋鋼管支撐進(jìn)行支模。模板采用小門吊＋電動(dòng)平板車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，模板上設(shè)置有鋼軌及斜向支撐系統(tǒng)，鋼軌為模板轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備及后續(xù)拱墻臺(tái)車提供行進(jìn)軌道（圖3）。

圖3 二次襯砌仰拱模板設(shè)計(jì)示意

仰拱模板在施工中主要承受混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的浮力。定制鋼模采用厚6 mm面板，環(huán)向次楞為厚10 mm鋼板，兩側(cè)主楞為∠110 mm×10 mm角鋼，有效提升模板剛度。模板環(huán)寬1.2 m，便于轉(zhuǎn)運(yùn)及線形控制。頂部支撐鋼管采用φ48 mm×3.5 mm鋼管，有效防止模板因混凝土浮力而上浮。

仰拱根據(jù)變形縫劃分每14.4 m進(jìn)行一次定位，沿著定位邊線左右側(cè)各100 mm進(jìn)行模板二次清潔，涂刷氯丁膠后沿著定位線兩側(cè)背貼泡沫板為變形縫施工預(yù)留凹槽。

斜向撐桿系統(tǒng)設(shè)置有銷筒、撐桿及限位銷軸，銷筒上設(shè)置1個(gè)定位孔。撐桿上設(shè)置有2個(gè)限位孔，當(dāng)模板轉(zhuǎn)運(yùn)至鋼筋區(qū)域時(shí)，將撐桿支出為模板提供支撐，避免鋼模對(duì)鋼筋造成擠壓，確保二次襯砌厚度滿足要求。在混凝土澆筑完成后，及時(shí)將撐桿退回避免產(chǎn)生孔洞。

曲線段處的模板拼接是質(zhì)量控制的難點(diǎn)。應(yīng)在外彎一側(cè)墊設(shè)墊片保證模板拼縫與管片環(huán)縫對(duì)齊，模板縫隙填充泡沫膠封堵，達(dá)到模板拼接適應(yīng)曲線變化的效果。

3.2.3 拱墻臺(tái)車模板工程

二次襯砌拱墻施工每個(gè)工作面配備8套拱墻臺(tái)車，每套臺(tái)車長(zhǎng)14.4 m，與變形縫設(shè)置保持一致，避免設(shè)置環(huán)向施工縫形成新的滲水薄弱點(diǎn)。

定制拱墻臺(tái)車在滿足變形及受力要求的基礎(chǔ)上，盡可能地滿足內(nèi)部人員及電瓶車通行條件。臺(tái)車配備升降油缸，可通過(guò)機(jī)械操作保證支模厚度。臺(tái)車兩端采用鋼端模封模，有效避免端部跑模漏漿（圖4）。

為適應(yīng)大曲率曲線段工況，每套臺(tái)車采用3個(gè)獨(dú)立小臺(tái)車連接而成，節(jié)間采用搭接模板機(jī)構(gòu)及鉸接耳座組成的鉸接式設(shè)計(jì)。在曲線段封模時(shí)，分節(jié)臺(tái)車間以固定銷軸為旋轉(zhuǎn)中心，模板內(nèi)弧側(cè)間隙適應(yīng)曲線變化而咬合或部分咬合、外弧側(cè)間隙拉開(kāi)但仍能保證內(nèi)外2塊搭接模板保持搭接，大幅提高襯砌臺(tái)車對(duì)小曲線半徑隧道的適應(yīng)性（圖5）。

圖5 臺(tái)車連接示意

3.3 混凝土工程的質(zhì)量控制

3.3.1 混凝土原材控制

二次襯砌混凝土采用C40高性能自密實(shí)早強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P12?；炷撂鋽U(kuò)展度為SF3級(jí)（760～850 mm），擴(kuò)展時(shí)間為VS2級(jí)（＜2 s），保坍時(shí)間4 h。

二次襯砌混凝土性能要求高，混凝土配合比應(yīng)嚴(yán)格設(shè)計(jì)試驗(yàn)，做好原材控制，粉煤灰、?；郀t礦渣粉、硅灰等礦物摻合料，其性能指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；粗骨料宜采用連續(xù)級(jí)配或2個(gè)及以上單粒徑級(jí)配搭配使用，最大公稱粒徑不宜大于16 mm，針片狀顆粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）≤8.0%，含泥量≤1.0%，泥塊泥量≤0.5%；細(xì)骨料宜選用級(jí)配Ⅱ區(qū)的中砂，天然砂的含泥量≤3.0%，泥塊泥量≤1.0%；外加劑需選用聚羧酸減水劑。

混凝土運(yùn)輸采用特制罐車＋拖泵泵送的形式，特制罐車可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過(guò)程中的不間斷攪拌，防止混凝土離析。若混凝土擴(kuò)展度損失或離析嚴(yán)重，經(jīng)補(bǔ)充外加劑或快速攪拌已無(wú)法恢復(fù)混凝土性能時(shí)，應(yīng)及時(shí)退出洞內(nèi)進(jìn)行清理，不得澆筑入模。

3.3.2 仰拱混凝土澆筑質(zhì)量控制

二次襯砌為薄壁結(jié)構(gòu)，若采用人工拆管分節(jié)澆筑，則泵管難以對(duì)準(zhǔn)入料口，混凝土流量難以控制，澆筑過(guò)程中易造成大量混凝土流撒在仰拱模板及二次襯砌拱墻鋼筋上，導(dǎo)致模板清理困難、污染拱墻鋼筋。

利用運(yùn)輸平板車配合分料溜槽進(jìn)行澆筑，分料溜槽為上部開(kāi)口的矩形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)側(cè)面各對(duì)稱設(shè)置有多個(gè)出料口，底板橫截面為中間凸起的人字形坡，便于澆筑時(shí)混凝土朝各個(gè)出料口流動(dòng)，達(dá)到快速對(duì)稱澆筑的目的（圖6）。

圖6 仰拱混凝土澆筑裝置

在分料溜槽對(duì)稱澆筑過(guò)程中，同步安排人員進(jìn)行振搗，振搗要求快插慢拔，振搗時(shí)間控制在20 s以內(nèi)，避免造成薄壁混凝土出現(xiàn)過(guò)振離析。

3.3.3 拱墻混凝土澆筑質(zhì)量控制

拱墻混凝土澆筑由遠(yuǎn)端至近端拆管式澆筑，每倉(cāng)頂部設(shè)置3個(gè)澆筑口，澆筑口端部焊接泵管接頭，直接與軟管連接。澆筑之前，需要注意使所有澆筑口均處于打開(kāi)狀態(tài)以便排氣，避免封模之后內(nèi)部氣壓過(guò)大而導(dǎo)致混凝土澆筑不密實(shí)[2]。

澆筑過(guò)程中，先澆筑3#澆筑口（圖7），澆筑至側(cè)模頂部觀察窗時(shí)，適當(dāng)停泵，開(kāi)啟平板振搗器振搗排除氣泡。當(dāng)2#澆筑口漏漿時(shí)，立即停泵關(guān)閉3#澆筑口，拆除泵管，并將軟管接入2#澆筑口進(jìn)行澆筑，依次按此方式澆筑至1#澆筑口，利用1#澆筑口進(jìn)行澆筑時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注模板上設(shè)置的帶模注漿孔，當(dāng)所有的注漿孔均冒漿時(shí)，立即停泵關(guān)閉，并安排人員敲擊模板，檢查密實(shí)情況，同步查看拖泵澆筑量，并與理論澆筑量對(duì)比。若已確定密實(shí)且澆筑量超過(guò)理論量，則補(bǔ)泵3～5泵后即可換下一倉(cāng)澆筑；若敲擊臺(tái)車確定未澆筑密實(shí)或拖泵澆筑量未達(dá)到理論量，則繼續(xù)利用該口澆筑，并加強(qiáng)觀察，直至密實(shí)或達(dá)到理論澆筑量以上。

圖7 拱墻澆筑示意

3.3.4 二次襯砌施工帶模注漿

二次襯砌混凝土澆筑過(guò)程中拱部容易脫空且后期難以進(jìn)行修復(fù)處理。為保證拱頂澆筑密實(shí)，臺(tái)車頂部設(shè)置帶模注漿孔，帶模注漿孔由固定法蘭、定位法蘭組成（圖8）。拱墻混凝土澆筑完畢后立即進(jìn)行拱頂注漿，且不遲于混凝土澆筑完畢后12 h[3]。

圖8 帶模注漿設(shè)計(jì)方案

在臺(tái)車安裝定位后，混凝土澆筑前，安裝RPC注漿管。在固定法蘭上安裝定位法蘭，并將RPC管穿入定位法蘭，其中上端十字切口端與管片頂緊，下端要求超出定位法蘭套管3 cm。定位法蘭外接管上連接套管及注漿管固定管。待拱墻澆筑完成立即開(kāi)始注漿，注漿順序由主注漿孔向端模注漿孔依次進(jìn)行。

注漿管外露部位應(yīng)使用角磨機(jī)切割打磨平整，并使用改性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行表面處理。對(duì)內(nèi)部完全密實(shí)的注漿孔，以注漿孔為中心涂刷改性環(huán)氧樹(shù)脂膠。注漿孔未完全密實(shí)的，先使用環(huán)氧樹(shù)脂膠泥封堵注漿孔，封堵深度不低于5 cm，然后表面再涂刷環(huán)氧樹(shù)脂膠。

3.3.5 脫模注漿

縱向注漿管在鋼筋綁扎時(shí)預(yù)埋在拱頂外側(cè)，注漿管采用孔徑20 mm的HDPE管（管壁開(kāi)縫），每14.4 m設(shè)置1處注漿口，注漿口通過(guò)變形縫位置伸出拱墻臺(tái)車模板。

注漿在二次襯砌強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后進(jìn)行，采用微膨脹水泥漿液進(jìn)行注漿，注漿壓力0.05～0.10 MPa，注漿結(jié)束后，注漿孔應(yīng)封堵密實(shí)。

脫模后對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)的地方進(jìn)行打磨處理，確保過(guò)水面的平順。磨除坡度以縱向1/30、垂向1/20為宜，打磨后在涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水涂料時(shí)進(jìn)行抹面。對(duì)于蜂窩麻面的地方用水泥基滲透結(jié)晶防水涂料涂刷修補(bǔ)；對(duì)于輕微露筋現(xiàn)象，在脫模發(fā)現(xiàn)時(shí)要立即用環(huán)氧砂漿進(jìn)行抹面處理。

3.4 防水工程控制措施

3.4.1 傳統(tǒng)防水施工

傳統(tǒng)施工方法采用中埋式止水材料置于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，因二次襯砌厚度較小、空間有限，中埋式止水材料下部混凝土難以填充密實(shí)，變形縫處易形成空洞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷。在內(nèi)外壓力的長(zhǎng)期作用下，變形縫處混凝土容易崩裂，防水作用也將喪失。針對(duì)傳統(tǒng)防水施工出現(xiàn)的問(wèn)題，本工程對(duì)防水設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

3.4.2 施工縫的防水施工

施工縫位于仰拱及拱墻交接處，采用外貼式橡膠止水帶進(jìn)行防水，在止水帶背面涂刷氯丁膠，粘貼于隧道管片上。施工縫鑿毛是質(zhì)量控制的要點(diǎn)，鑿毛應(yīng)在混凝土強(qiáng)度達(dá)到10 MPa以后進(jìn)行，除去所有浮漿皮和蜂窩狀混凝土，直到暴露出粗骨料為止，注意過(guò)程中不得損傷止水帶。施工縫進(jìn)行鑿毛后能夠很好地使新老結(jié)合處的混凝土密實(shí)，結(jié)合牢固。

3.4.3 變形縫的防水施工

變形縫每14.4 m一道，采用環(huán)向2層防水結(jié)構(gòu)層（圖9）。第1道變形縫防水結(jié)構(gòu)層為外貼式橡膠止水帶，第2道變形縫防水結(jié)構(gòu)層為改性聚硫密封膠、Ω橡膠止水帶、金屬壓板組合形式。

圖9 變形縫構(gòu)造

外貼式橡膠止水帶粘貼于隧道管片上，縱向與環(huán)向止水帶交接處采用定制“十”字形接頭熱熔連接。為防止頂部止水帶自重脫空，應(yīng)利用鋼筋充分壓住止水帶，兩側(cè)扎絲綁在手孔螺栓上。

二次襯砌拱墻澆筑完成后，鑿除一定深度閉孔型聚乙烯泡沫板后進(jìn)行改性聚硫密封膠填充，并在變形縫凹槽處涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水涂料。依次完成第1層丁基橡膠防水密封膠帶、Ω橡膠止水帶、第2層丁基橡膠防水密封膠帶粘貼。粘貼所述不銹鋼金屬壓板，變形縫凹槽底部打孔并安裝膨脹型扭矩控制式機(jī)械錨栓，最后利用聚合物水泥砂漿封堵凹槽。有效解決較小厚度二次襯砌變形縫封端問(wèn)題，形成有效、穩(wěn)定的變形縫防水密封構(gòu)造。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)加強(qiáng)施工工藝控制，強(qiáng)化施工過(guò)程的管理，提前進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化以及施工設(shè)備改良，本工程隧道二次襯砌質(zhì)量符合要求，成形效果好。

1）鋼筋工程采用BIM集約加工、整體綁扎一次成形，能有效控制鋼筋加工精度，鋼筋綁扎質(zhì)量良好。

2）模板工程采用定制仰拱鋼模板及拱墻臺(tái)車能有效控制支模厚度、滿足曲線線形要求，抵抗仰拱混凝土浮力，承受拱墻混凝土重力。

3）二次襯砌混凝土性能要求高，應(yīng)嚴(yán)格控制配合比及原材質(zhì)量；采用特制罐車＋拖泵泵送相結(jié)合的高效運(yùn)輸方式，配合自制入模裝置及臺(tái)車帶模注漿系統(tǒng)，保障混凝土澆筑的連續(xù)及密實(shí)度，確保成形質(zhì)量。

4）結(jié)合二次襯砌施工情況，充分優(yōu)化接縫防水設(shè)計(jì)及材料的選用，落實(shí)細(xì)節(jié)，保障接縫防水效果。