长距离高内水压小直径隧道薄壁二衬施工关键技术

戴小松、段军朝、刘开扬、陈伟、蒋尚志、苏长毅、谷海华、彭文韬、刘康宇、鲁文博、周浩

（1.中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北 武汉　430073）

摘要：在矿山法隧道中，二衬施工已经形成了成熟的施工技术，但在长距离高内水压小直径隧道薄壁二衬施工中，传统二衬施工方法存在较差的适应性，可实施性差、施工效率极低。技术从施工技术创新及全圆二衬施工设备研发角度出发，研发了仰拱先行、拱墙跳仓跟进，长节段、多台车、机械化施工技术，研制了从钢筋卸料轮式起重机，到仰拱模板体系及转运设备、到可穿行式拱墙衬砌台车、再到混凝土水平运输特制罐车及摆渡车的成套机械化设备，结合武汉大东湖深隧项目应用案例，实现了二衬高效保质施工，并表明了其在小直径盾构法隧道内部二次衬砌施工的良好推广应用价值。

关键词：深隧工程、小直径隧道、二次衬砌、仰拱先行、拱墙跳仓跟进

中图分类号： U 45文献标志码：A

0.引言

随着工程建设行业的发展，穿江越湖及水文地质复杂区域隧道、输水隧道等出于结构耐久性考虑，采用盾构法双层衬砌隧道设计的情况日益增多。以大东湖深隧工程为例，隧道设计为管片外衬+现浇钢筋混凝土二次衬砌的双层衬砌形式，隧道断面小（最小仅3.0m），区间距离长（最长达3.6km），二衬厚度薄且承受有高内水压，其施工过程面临着施工效率低，质量风险高、安全风险高等问题。

分析国内外现有技术水平特别是传统矿山法隧道二次衬砌施工技术，质量风险高、安全风险高可以通过有效的技术措施及管理措施进行解决，与传统矿山法隧道二次衬砌可以与外衬施工跟进作业不同的是，小直径盾构隧道内二次衬砌作业无法跟进施工，施工效率低为工程面临的主要难题。工程二衬施工施工效率低主要原因为隧道断面小，区间距离长，一是现有机械设备不适用，单工序效率低下，且无法通过增加劳动力提升工效；二是水平运输通道受阻，各工序流水作业制约明显；三是常规针梁式、穿行式模板台车无法多台作业，无法通过增加作业面提高关键线路工效。

如何克服上述诸多难点，保障二衬施工质量及长久运营耐久性，施工过程中实现单作业面多点位大面积施工组织，以实现高质量、高效率二衬施工，依托武汉大东深隧项目从施工组织形式，到设备研发及其施工技术方面进行专项研究，有效解决了长距离小直径隧道薄壁二衬施工难题。

1.研究现状

隧道二次衬砌施工技术是一个系统性技术，与衬砌混凝土配制、模板体系设计、作业面组织、混凝土浇筑等息息相关，目前关于二衬施工技术的研究涉及多个领域，例如公路隧道、引水隧道、铁路隧道等领域，涉及多项特征条件，例如全圆断面、小断面、大断面，涉及多种施工方法，例如针梁台车法、仰拱及拱墙台车法、散拼模板支架法等。隧道二衬施工技术研究总体上比较成熟，但相关研究局限于大断面常规仰拱及拱墙施工技术、大断面成套机械化施工技术、小直径隧道针梁衬砌台车施工技术方面，未见小直径盾构隧道内成套机械配合作业施工技术、仰拱与拱墙分开作业施工技术，面对城市污水深隧工程更复杂的施工条件、更高的质量要求、更严苛的工期目标，以及相关施工资源的空白，国内外现有二衬施工技术难以满足施工需要，本技术基于长距离高内水压小直径隧道薄壁二衬施工关键技术的研究具有较高的理论意义与实际意义。

2.依托工程概况

武汉大东湖深隧工程全长17.5km，主要作用为将经过预处理站物理预处理后的污水传输至新建污水厂进行集中处理，近期服务面积130km2，远期服务面积200km2，服务人口达300万人以上。污水传输方式为带压运输，正常运行工况下最大内水压为0.3Mpa，事故工况下最大内水压为0.43MPa。

工程共划分为9个区间，区间埋深30~56m，最长区间长度3.6km，最小转弯半径250m，主隧成型内径包含3.0m、3.2m、3.4m三个断面。工作井采用明挖法进行施工，主隧采用盾构法进行施工。主隧采用叠合式双层衬砌结构，为25cm盾构管片+20cm现浇钢筋混凝土二衬。工程总平面图见图1。

图1　工程总平面图

Fig. 1　 General layout of the project

3.技术总体方案及经济指标

3.1总体思路

基于仰拱先行、拱墙跳仓跟进，长节段、多台车、机械化施工的研发思路。研究开发的关键点在于针对各工序需研制配套施工机具设备，实现二衬机械化高效施工。

对此，本技术的研究思路及路线如下：

1）分仰拱和拱墙两部分进行施工，简化模板体系，同时释放空间，先行施工的仰拱为后续大范围施工组织提供底部通行条件，提升水平运输效率；

2）拱墙台车设计为可穿行式台车，保障中间运输，同时实现多仓同步作业；通过分节铰接式设计，在适应隧道曲率的基础上，扩大单仓作业长度；

3）仰拱与拱墙均按115.2m（96环管片长度）的长节段进行施工，减少浇筑次数；

4）针对钢筋运输及模板体系转运采用机械化作业方案，定制全套狭小空间作业机械；

5）混凝土运输采用定制轨行式罐车长距离运输+拖泵中远距离泵送的形式，降低堵管概率，保障混凝土运输效率。

3.2总体方案与创新

区间二衬从两端向中间施工，在内径3.0m隧道实施仰拱先行，拱墙跳仓跟进施工技术，先行施工的仰拱为后续大范围施工组织提供底部通行条件；仰拱领先拱墙两个节段，一次115.2m长节段，拱墙一段8组14.4m台车，分奇偶仓跳仓施工。

图2 总体工艺示意图

Fig. 2　 Overall process diagram

2.1.1小断面隧道内卸料轮式起重机

采用契合管片弧面轮胎及门架式设计，可在最小直径3.4m隧道内无轨行走、转向、吊装材料，实现钢筋高效转运；电瓶车编组列车与卸料轮式起重机结合，盾构拆轨作业时钢筋同步转运，实现长区间钢筋高效运输。

图3 卸料轮式起重机示意图

Fig. 3　 Schematic diagram of unloading wheel crane

图4 钢筋卸料示意图

Fig. 4　 Schematic diagram of reinforcement unloading

2.1.2　新型高效仰拱模板体系

模板集成轨道，供转运悬臂吊车及平板车通行，底部设置可调斜向撑杆，支承自重及上部荷载；采用钢管支撑及花篮螺栓分别抵抗竖向浮力及不对称浇筑水平荷载；模板转运采用2台定制悬臂吊车及平板车配合进行，形成两端悬臂吊车拆装，中间平板运输作业技术，模板转运及安装效率可达80m/天/作业面。

图5 新型高效仰拱模板体系

Fig. 5　 New high efficiency inverted arch formwork system

图6 模板体系支撑形式

Fig. 6　 Support form of formwork system

图7 模板体系倒运示意图

Fig. 7　 Schematic diagram of formwork system reshipment

图8 仰拱施工

Fig. 8　 Inverted arch construction

研制可穿行式小直径大曲率全圆隧道拱墙衬砌台车：采用可穿行式设计，保障最小直径3.0m隧道运输通道；采用分节式铰接设计、模板搭接咬合设计，可适应隧道最小转弯半径达250m，单仓施工长度达14.4m。

A-分节小台车1；B-分节小台车2；C-分节小台车3；13-台车搭接模板机构

图9 模板台车构成图

Fig. 9　 Composition diagram of formwork trolley

图10 拱墙施工

Fig. 10　 Arch wall construction

提出定制轨行式大容量罐车远距离运输+拖泵中短距离泵送的洞内混凝土输送技术：设计3.0m内径空间下7方大容量轨行式罐车，设计传动装置，实现自行走自搅拌功能；设计轨道平移摆渡车，实现11m×11m狭小竖井内两台罐车接力运输。

图11 罐车纵断面示意图

Fig. 11　 Schematic diagram of longitudinal section of tank car

图12 轨道平移摆渡车工作示意图

Fig.12　 Working diagram of track translation ferry car

图13 混凝土运输

Fig. 13　 Concrete transportation

研制仰拱薄壁混凝土分料浇筑装置：装置具备自行走、流量控制、遇碍折叠、自由换向功能，可实现仰拱混凝土对称有序缓慢入模，提升浇筑效率。

图14 装置示意图

Fig. 14　 Schematic diagram of device

7、提出拱墙单浇筑口水平挤推工法：采用高保坍自密实微膨胀混凝土，利用单浇筑口水平挤推浇筑，以带模注浆口和顶部端模溢浆判断是否浇筑密实。设置带模注浆口，实现排气、判断密实度和补充注浆三大功能。

图15 水平挤推工法示意

Fig. 15　 Schematic diagram of horizontal extrusion method

8、研制轨行式自动升压稳压装置：实现水平运输不中断情况下内径3.0m小空间下单边2km长距离低压安全供电。

1-市电变压器、2-主电缆、3-自动升压稳压装置、4-二级箱、5-三级箱及用电设备

图16 供电方法示意图

Fig. 16　 Schematic diagram of power supply method

3.3　技术经济指标

本技术成果实现在应用工程中一次施工115.2m的长节段，其中针对钢筋运输研发的卸料轮式起重机，单日施工效果达到40吨/天/作业面；仰拱施工研发的新型高效仰拱模板体系，模板安拆及转运采用2台特制悬臂吊车及1台自带动力的平板车配合完成，实现了单作业面80m/天模板安装效果；拱墙施工研制的可穿行式小直径大曲率全圆隧道拱墙衬砌台车，衬砌台车采用分节式设计，一组台车由3节4.8m小台车组成，且具备单节段长度达到24m的条件，台车采用可穿行式设计，可满足电瓶车编组通行；针对混凝土运输，研制的小倾角7方大容量混凝土罐车及狭小竖井内的平移摆渡装置，实现2台特制罐车接力，单作业面运输长度2km的混凝土长距离高效水平运输。

成套机械配合形成的长距离高内水压小直径隧道薄壁二衬施工技术，单作业面综合施工效率可达24m/天，并实现施工质量一次成优。

图17 仰拱成型

Fig.17　 Inverted arch forming

图18 拱墙成型

Fig. 18　 Arch wall forming

4.结论与建议

长距离高内水压小直径隧道薄壁二衬施工技术完成研发及试验之后，成功用于武汉大东湖深隧工程主隧二衬施工中，全线最长区间3.6km二衬施工用时不足3个月，全长17.5km二衬施工仅用时不到5个月，大幅提升了施工效率。

技术的应用体现了仰拱先行，拱墙跳仓跟进，长节段、多台车、机械化作业工法在小直径隧道二衬施工中的良好适用性，施工机械化水平化高，劳动强度低，标准化程度高，可以有效节约工期，保障安全质量，对于盾构法隧道内部二次衬砌施工，特别是小直径盾构法隧道内部二次衬砌施工，推广应用价值高。随着输水隧道、穿江越湖隧道等采用盾构法双层衬砌隧道设计的情况越来越多，本技术将拥有十分广阔的推广应用前景。

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