刘孝东

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

1 概 述

隧洞种类按断面积及等效直径划分，可分为小断面隧洞、中断面隧洞、大断面隧洞、特大断面隧洞。小断面隧洞的断面积低于20m2，等效直径在5m以下；中断面隧洞的断面积在20-35m2之间，其等效直径则在5-6.5m之间；大断面隧洞的断面积在35-120m2之间，等效直径在6.5-12m之间；特大断面隧洞的断面积>120m2，等效直径>12m。

由于铁路隧道、公路隧道均需满足车辆通行条件，均设计成大断面、特大断面，衬砌均采用钢模衬砌台车边顶拱和仰拱分序衬砌。大型输水工程大断面也多采用钢模台车进行分序衬砌。但小断面由于其断面面积低于20m2，这种“小”的特征对于施工带来的主要问题就是大型高效率的施工设施无法进行工作区，而在施工过程中还要面临多种工程工序的交叉进行，造成彼此之间的工作受到干扰，降低施工的效率。由于小断面的空间小，许多工程施工的具体工作只能进行周期性的调配安排，然后轮流进行。混凝土衬砌的过程中，其相关的工序也因为受到了空间限制，无形中增加了其工作难度。另外，大型的运输设备、机械设备无法进入，同时也对工程内的各个相关管线的铺设造成了麻烦，整体上说，小断面隧洞的工程施工难度较大，整体施工质量和进度都会造成影响。

国内外的经验表明，小断面衬砌多采用以下几种方法：①底板先行100m左右、边顶拱紧跟；②仰拱全部浇筑完成后再进行边顶拱衬砌；③采用拼装组合模板的方式；④采用顶管瓦片衬砌技术的方式进行衬砌施工。这几种施工方法已积累了大量宝贵经验。但小断面隧洞混凝土衬砌的全断面衬砌方案的研究目前仍处于起步阶段，而文章通过对小断面隧洞全断面混凝土衬砌方案的研究，既提高了衬砌结构的完整性，减少内水外渗造成围岩遇水软化的危害；又会提高混凝土衬砌施工进度，降低施工成本，提高衬砌混凝土的外观质量。

2 全环衬砌施工工法研究

全环衬砌施工工法要解决的技术问题是，提供一种小断面隧洞混凝土运输及衬砌施工方法，以克服现有技术存在的混凝土运输设备费用高、混凝土供应不连续、混凝土浇筑质量差、工效低、衬砌成型尺寸较难控制等问题。

混凝土衬砌采用全圆针梁式钢模台车一次衬砌成型(每仓9m)，从隧洞中间部位向隧洞洞口位置逐仓衬砌，隧洞衬砌钢模台车设计总长9.2m，每段搭接长度20cm，每一循环台车衬砌有效长度为9m。衬砌混凝土在洞外拌合站统一集中拌制，混凝土运输方式为利用拖拉机头牵引混凝土罐、U型车轴等设计组装，并进行创造后的3辆2m3混凝土罐车，将混凝土从拌合站运输至洞内作业面，使用HBT40型混凝土泵泵送入仓，混凝土使用钢模台车附着式振捣器振捣密实。

全圆针梁式钢模台车利用自带附加行走机构及卷扬系统行走到衬砌位置，利用简易台架人工进行钢筋安扎。钢筋安扎完成后，利用台车卷扬系统将钢模部分水平位移至待浇仓面。通过操作竖向油缸、侧向油缸、顶模油缸，将台车前后底座及钢模板就位并支撑牢固，采用木模散板立模封堵。随后，使用3辆2m3混凝土罐车轮流运输混凝土至作业面，以保证混凝土供应不中断，通过HBT40拖式混凝土输送泵泵送入仓。

使用该施工工法，混凝土运输设备费用低、混凝土供应不中断，在保证混凝土衬砌内在质量的同时，提高了隧洞混凝土衬砌施工工效，降低了施工成本，全环衬砌一次成型，提高了混凝土衬砌外观质量，加快了施工进度[1]。

2.1 关键性技术

全环衬砌施工工法关键性技术包括下述步骤：台车就位，利用自带附加行走机构及卷扬系统将台车行走到衬砌位置。利用简易台架人工进行钢筋安扎，钢筋安扎完成后利用台车卷扬系统将钢模部分水平位移就位，通过竖向、侧向、顶模油缸，将台车前后底座及钢模板支承牢固。借助测量仪器，使模板断面与隧洞断面中心重合一致。安装橡胶止水带并立模封堵，随后使用3辆设计组装的2m3混凝土罐车轮流运输混凝土至作业面，使用改装后的HBT40型混凝土泵泵送入仓。混凝土强度达到规定要求，台车进行脱模。开始进行下一仓隧洞混凝土衬砌施工。隧洞混凝土衬砌采用全圆针梁式钢模台车支模，一次浇筑成型，提高工效，降低成本，加快进度。

2.2 全环衬砌施工工法内容

1)全环衬砌施工工法特点：

①全环衬砌施工工法与传统小断面隧洞衬砌施工方法相比，采用全圆针梁式钢模台车，隧洞混凝土衬砌一次成型，克服了以往小断面隧洞采用组合模板边顶拱与底板分开浇筑、外观质量较差、成型尺寸较难控制等弊端，提高了施工工效，保证了施工质量。

②全环衬砌施工工法利用拖拉机头、混凝土罐、U型车轴等设计组装，自行创造研制了3辆2m3混凝土罐车，将混凝土从拌合站运输至洞内作业面，保证混凝土在浇筑过程中供应不中断，提升了混凝土的内在质量，降低了施工成本。

2)全环衬砌施工工法适用范围：

全环衬砌施工工法适用于单掌子面距离较长、断面<20m2的大型机械设备由于受断面限制无法进入的小断面隧洞衬砌施工。可广泛应用于跨流域引水工程、城市污水管线工程、廊道工程等。

3) 全环衬砌施工工法工艺原理：

全环衬砌施工工法的工艺原理是：在小断面隧洞衬砌施工中，采用全圆针梁式钢模台车使一次衬砌成型，衬砌混凝土在洞外拌合站统一集中拌制，混凝土运输方式为利用创造后的混凝土罐车，将混凝土从拌合站运输至洞内作业面，保证混凝土供应不中断。实现了提升混凝土质量、提高施工工效、降低施工成本的效果[2]。

4)全环衬砌施工工法操作要点：

①测量放线

首先，检查隧洞基础断面结构尺寸，检查是否满足隧洞衬砌净空和钢模台车就位尺寸。如开挖断面基础结构侵入衬砌混凝土净空，应进行修凿处理。净空满足要求后，使用水准仪在隧洞两侧拱基础上用红色油漆标出钢模台车就位标高，使用全站仪标出隧洞中心线及钢模台车就位的法线。中心线必须放在拱墙衬砌的两个端头，放线长度以9m(9.2m长钢模台车)的每仓段长控制，预留20cm的模板搭接长度，中心线和就位高程点精确放在两个里程断面，且便于施工过程中点位的可使用性。

②岩面处理

基面处理主要对隧洞初期支护表面的渗漏水、外露的突出物及表面凸凹不平等进行处理。处理基面渗漏水，采用灌浆止水或埋设排水管直接排水到边沟，保持基面无明显漏水(线流)，满足混凝土浇筑要求；对初期支护混凝土表面外露的锚杆头，钢筋尖头等硬物予以割除。

③钢筋安装

钢筋在隧洞出口钢筋加工场统一加工，运输车辆运到洞内工作面，人工卸车，利用简易台架人工安装绑扎。根据测量控制点先扎环向定位钢筋，用纵向筋将定位钢筋连接后，以纵向筋作为其他环向筋安扎依据，并及时将钢筋用架立筋固定，电弧焊点焊，以加强整体刚度。

④台车定位

台车定位前应先检查油位情况及电路系统无异常后，在多人细心配合下方能操作启动，操作各油缸手柄时动作要平稳加力，伸缩针梁前后端油缸时，前后、左右的油缸伸缩量要基本一致，如单边或某一端油缸伸缩量过大，易使模板整体重量偏移，严重时导致针梁座滑下支撑底座；走模时如出现发卡、走不动等现象，应排除后再行走，不能利用惯性的方法拉动模板；每浇筑完一仓混凝土后，要对整体模板所有联接螺栓进行检查紧固，防止出现螺栓松动，各机构的螺栓是否牢固，以保证台车行走和衬砌的安全有效。

⑤止水带安装

衬砌钢模台车各项准备工作就绪后，沿衬砌设计轴线每间隔0.45m在挡头板上钻一φ12钢筋孔，然后将加工成形的φ8钢筋卡由待模注混凝土一侧向另一侧穿入，钢筋卡内侧卡紧一半止水带，待模注混凝土凝固后拆除挡头板，弯曲φ8钢筋卡套上止水带的另一半，模注下一循环混凝土。浇筑隧洞衬砌混凝土时，加强混凝土振捣，排除止水带底部气泡和空隙，使止水带和混凝土紧密结合。止水带的接头，搭接宽度≥10cm，冷接或焊接的缝宽≥5cm。

⑥混凝土运输

混凝土运输采用对3台创造的2m3混凝土罐，将混凝土水平运输至洞内工作面。定制2m3混凝土罐，在罐体下方安装前后两套车轴，采用拖拉机进行牵引。

⑦混凝土入仓

隧洞混凝土的浇筑采取泵送混凝土，模板采用定制的9.2m针梁式衬砌钢模台车，通过调整液压元件，使模板正确对位。混凝土灌筑通过灌筑窗口，自下而上，从已灌段接头处向未灌方向，水平分层对称浇灌，边浇边捣，层厚不超过40cm，相邻两层浇筑时间不超过1.5h，确保上下层混凝土在初凝前结合好，不形成施工冷缝，垂直自由下落高度控制不超过2m，捣固采用附着式振捣器，安排专人负责，保证混凝土衬砌内实外光。

由于洞内空间狭小，不能将混凝土从混凝土罐出料口直接倒至混凝土泵内，所以创造一台皮带输送机，解决混凝土从罐车到混凝土泵的输送问题。入仓时，先用混凝土罐车将混凝土运至洞内，混凝土从罐车出料口倒料至皮带输送机上，再用皮带输送机将混凝土送至混凝土泵，再泵送入仓。

⑧拆模和养护

在混凝土浇筑完24h后，操作多路换向阀，操作横向、竖向油缸，从而使整个台车的外模模板与衬砌混凝土分离，达到整体全脱模的目的。脱模完成后立即进行混凝土的气泡、麻面等缺陷修补，对模板进行清理，涂刷脱模剂，拆堵头模板。待下一仓钢筋验收合格滑移到下一个仓位。

在混凝土强度达到5MPa后方可拆模，拆模后进行洒水养护作业，养护期龄为14d。

5)全环衬砌施工工法对材料与设备的要求

①材料要求

a、水泥：采用水泥强度等级不低于P.O.42.5级，水泥28天龄期实测抗压强度不宜低于46MPa。

b、粗骨料：级配5-20mm、含泥量≤1.0%、泥块含量≤0.5%、针片状颗粒含量≤8%。

c、 细骨料：2级配区中砂，含泥量≤3.0%、泥块含量≤1.0%。

d、 掺合料：选择Ⅱ级以上，F类的粉煤灰；矿渣粉为S95级；掺加聚羧酸高性能减水剂，外掺引气剂(含气量不低于1.5%)。

②劳动力配置

表1 混凝土衬砌劳动力配置表人

③主要机械设备

3 应用实例

桓仁供水引水洞工程位于辽宁省本溪市桓仁县境内，合同主体工程为引水隧洞工程，另有一条施工支洞、一个检修井、一条检修井进场道路。

引水隧洞主洞全长4394.971m，桩号S0+000-S4+394.971，隧洞为有压隧洞，开挖断面为圆拱斜墙形，围岩以Ⅲ类为主，其Ⅲ类围岩开挖尺寸为：2.39m(底宽)×2.58m(高)，隧洞衬砌成型断面为圆形，全断面衬砌，成洞洞径D=2.0m，Ⅲ类围岩衬砌厚度25cm，Ⅳ、Ⅴ类围岩衬砌厚度40cm，纵坡i=0.05%。

隧洞混凝土衬砌采用全圆针梁台车一次衬砌成型，配备1套针梁台车从隧洞中间向隧洞出口逐仓衬砌，隧洞衬砌钢模台车设计总长9.2m，每段搭接长度20cm，每一循环台车衬砌有效长度为9m。

衬砌混凝土在隧洞出口拌合站统一集中拌制，采用2台JS500强制式搅拌机拌制，配备自动称量系统，混凝土配合比采用C35 W12 F200同标号的自密实混凝土；混凝土运输采用定制的3台2m3混凝土罐车，从拌合站运输混凝土至洞内作业面；采取HBT40型混凝土泵泵送入仓，钢模台车附着式振捣器振捣密实。隧洞混凝土衬砌钢筋主要在隧洞出口钢筋加工厂集中加工，洞内施工现场加工为辅，利用简易台架人工进行钢筋安扎。

在隧洞衬砌施工中，采用本工法，工程质量良好，提高了施工效率，节约了施工成本。

表2 混凝土施工主要机械设备配置表

4 结 论

该工法解决了小断面隧洞衬砌施工难题，加快了隧洞衬砌速度，有效缩短施工工期，同时提高了混凝土衬砌质量。对确保隧洞衬砌安全，保护周边地下水流失破坏环境等有重要意义。

该工法采用全环衬砌技术，保证混凝土供应不中断，大大缩短了常规施工方法所需工期，自制混凝土运输车和全圆针梁式钢模台车，从而节约了机械设备和模板等周转租赁费以及项目管理费用。