引水洞襯砌底板混凝土成品保護技術研究

張世強

云南省滇中引水工程有限公司 云南大理 671000

在國內以往引水隧洞的施工中，通常采取“先挖后襯”施工方案，待開挖貫通后再進行二襯施工，雖然不用對底板混凝土進行保護，但遇到特殊不良地質施工時存在軟弱圍巖變形甚至坍塌的安全隱患，施工安全風險較大。為此，海東隧洞在初步設計時，引入了施工安全步距控制的理念，即支洞進入主洞交匯地段和限排洞段必須按照設計“邊挖邊襯”要求進行施工組織，以確保施工安全。

海東隧洞前段布置4 條施工支洞配合主洞施工，在隧洞巖溶富水地段可能存在A、B 級涌水風險，需按照設計限排洞段“邊挖邊襯”要求組織施工。邊挖邊襯施工方案在國內以往水工隧洞施工中使用不多，為確保開挖與二襯同步作業，底板混凝土澆筑后需要過施工車輛，因此需要對底保混凝土采取措施進行保護。以往常采取鋼板加橡膠帶、澆筑混凝土保護層加橡膠墊層、墊設土工織物后澆筑混凝土等方式來保護成品混凝土，但其施工工序較多、施工方法比較繁瑣，同時投入的施工成本比較大，因此需要我們研究一種工序更簡單、成本更低廉、效果更好的混凝土成品保護技術。

1 工程概述

云南省滇中引水工程海東隧洞全長25.285km，過水隧洞底板縱坡i 為0.238‰，隧洞斷面采用馬蹄型斷面形式，襯砌后斷面尺寸9.46m×9.46m，現澆鋼筋混凝土襯砌，Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖洞段襯砌厚度分別為0.5m、0.6m 和0.7m，斷層破碎帶及活動斷裂帶襯砌厚度0.8m。

為加快海東隧洞工程進度，在保證工程質量的前提下，施工單位研究底板混凝土成品保護措施，主要有以下幾種方案：

（1）在澆筑成型的底板上鋪筑4m 寬8mm 厚鋼板；

（2）在澆筑成型的底板上鋪筑4m 寬草墊，再鋪筑5mm 厚鋼板；

（3）在底板混凝土中間澆筑4m 寬10cm 厚混凝土保護層，在底板與保護層間鋪筑塑料隔膜，方便后期拆卸。

三個方案的優缺點分析如下：

第一種方案，全洞需要鋪設10.1 萬平米鋼板約375 萬元，后期拆除時考慮鋼板折舊回收約117 萬成本，即需投入總成本258萬元，但施工過程中鋼板吊裝麻煩，并且比較容易撞擊混凝土破壞。

第二種方案，全洞需要鋪設10.1 萬平米草墊約101 萬元，由于運行過程中草墊容易損毀，考慮1.3 損耗率后成本為131 萬元，鋼板只存在容重差費用約176 萬元，即需投入總成本307 萬元。

第三種方案，全洞需要澆筑10114m3墊層C20 混凝土，總成本約320 萬元。由于墊層澆筑后需要一定的等強時間，施工速度相對較慢，但底板成品混凝土的保護效果好，洞內文明施工形象好。隧洞二襯典型斷面圖和底板保護措施示意圖如下：

2 技術實施方法

2.1 試驗方案

為實現工程目標，需要對方案再進行優化，分別展開兩種工況下的試驗，通過試驗段來驗證保護效果。工況一：無水洞段底板混凝土脫模后，在底板上鋪設塑料隔膜，中間鋪設20cm 粉土或細砂，上面再鋪設細粒徑洞碴。工況二：有水洞段底板混凝土脫模后，在底板上鋪設塑料隔膜，中間澆筑低標號混凝土，上面再鋪設細粒徑洞碴。通過現場試驗來確定：①塑料隔膜材質、厚度等質量要求，方便后期拆除時減少影響；②保護層混凝土配合比、合適的厚度、混凝土等強后通車時間；③底板混凝土上施工設備通行及會車要求。

V 類圍巖二襯斷面結構示意圖

底板保護示意圖

2.2 試驗過程

（1）塑料薄膜材質以及后續拆除的影響。試驗方案：為了模擬隧道內的水濕環境，在20-30cm 混凝土澆筑后12h 分別鋪設14mm、8mm 和12mm 混凝土。模擬程序如下圖所示。

現場養護混凝土強度增長實測曲線（單位：MPa）

施工保護層混凝土時環境溫度變化曲線

在海東隧洞0#支洞上游主洞DL Ⅱ0+752 樁號實施上述試驗。混凝土保護層澆注在底部混凝土上，保護層的混凝土強度在等強度36 小時后測定。用50t 混凝土罐車碾壓混凝土保護層20 次，觀察以下內容：①薄膜破損是否造成混凝土兩層擴散；②薄膜鋪裝是否會影響底板混凝土表面質量；③底板混凝土保護層上施工車輛交匯和調頭要求。

（2）混凝土保護層配合比、強度及厚度，等強后通車時間。先開展10cm 混凝土保護墊層的重車碾壓試驗，計算混凝土罐車通過時需要的混凝土最低強度。重車碾壓工況示意圖如下：

根據材料力學計算公式得出：δ=1.2G/（L×W）+1.2f/（W×w）。式中：δ 為保護層混凝土承受應力值，G 為罐車自重分配到單輪的重量；考慮12m3 罐車滿載時自重50t，一共10 個輪胎受力，考慮單輪受力為5t，所以G=50kN；f 為罐車驅動摩擦力，f=μ×G，μ 取0.2，則f=0.2×50kN=10kN；L 為輪胎壓地長度，根據實測L 取17cm；W 為輪胎寬度，根據實測W 為25cm；w 為保護層混凝土厚度，取10cm 計算。得出：

標號 配合比參數 單方材料用量用水量/Kg 水膠比 粉煤灰摻量% 砂率% 設計容重/Kg·m-3 水 水泥 粉煤灰 砂 小石 中石 減水劑C10 164 0.6 25 46 2410 164 205 68 907 1065 0 2.19 C20 159 0.5 25 45 2420 159 239 80 874 1069 0 2.54 C30 159 0.4 25 42 2420 159 298 99 783 1081 0 3.18

δ=1.2G/（L×W）+1.2f/（W×w）=（1.2×50kN）/（17cm×25cm）+（1.2×10kN）/（25cm×10cm）=1.89MPa。考慮2 倍安全系數，即保護層厚度取10cm。

底板施工循環時間推算：移開仰拱棧橋后開挖底板并清底6h →鋼筋綁扎10h →模板及止水袋安裝4h →底板混凝土澆筑8h →底板混凝土等強22h →鋪薄膜及保護層混凝土澆筑4h →保護層混凝土等強36h，合計90h。即平均3.75d 澆筑一倉底板混凝土長度12m，按有效施工時間26 天計算，每月可施工底板二襯7環約84m，IV/V 類圍巖能夠跟上開挖進度要求（Ⅳ/Ⅴ類圍巖平均進度80m/月）。

經過以上分析，擬定了C10、C20、C30 三種強度的配合比，如下表：

混凝土標號 水膠比 24h 抗壓強度/MPa C10 0.6 7.2 C20 0.5 10.7 C30 0.4 15.5

為了保證混凝土表面的平整度，通過配合比試驗，確定采用c10 混凝土作為保護層是可行的。考慮2 倍安全系數，混凝土強度取C20。

（3）保護層混凝土對于已澆筑的底板混凝土質量的影響，試驗后待驗證的內容試驗結果如下表所示。

表1 保護層厚度變化對底板混凝土的質量影響

3 結語

隧洞襯砌底板采用8mm 厚薄膜作為混凝土分隔層、10cm 厚C20 混凝土作為的過車保護層、填筑50cm 厚細粒徑洞渣，能夠滿足隧洞襯砌底板的施工質量要求；底板二襯施工理論循環時間3.75d，每月施工7 環約84m，能夠保證IV 類和V 類圍巖邊挖邊襯施工要求。其他技術要點有：

（1）隧洞過底板二襯的主要交通設備為10m3混凝土罐車、濕噴機械手、3m3斗容裝載機、25t 自卸汽車。

（2）底板保護用的各類原材料品質、等級對結果有一定的影響。

（3）底板開挖清底、立模、鋼筋安裝等工序循環時間還有提升空間。

（4）本方案僅考慮保護底板混凝土的材料鋪設及回填費用，未考慮臨時工程后期拆除費用。

本工程采用引水洞底板混凝土成品保護技術，滿足限排洞段“邊挖邊襯”的設計要求，實現了隧洞開挖與二襯同步作業，壓縮了二襯及固結灌漿工期，降低了軟弱圍巖地段的施工安全風險，使工程能夠持續均衡平穩推進。本方案所采取的底板混凝土成品保護技術，同類引水工程值得借鑒。