隧洞內洞穿鋼管及自密實混凝土填充澆筑的施工方法研究

季國慶

（北京市水務建設管理事務中心， 北京 100036）

輸水隧洞是引水調水工程中的一個重要組成部分， 目前常采用多層襯砌， 一般來說， 包括外襯的混凝土管、 內襯的洞穿鋼管以及填充于外襯和內襯之間的環空層內的自密實混凝土等。

目前， 現有技術在環空層內回填混凝土的方案包括隧洞洞身和安裝在隧洞洞身內的鋼管， 其隧洞洞身與鋼管之間留有夾層， 所述夾層兩端封閉設置， 預留有排氣口， 鋼管內間隔設有澆筑管， 所述澆筑管與所述夾層相連通， 所述澆筑管的輸入端設有閘板； 所述澆筑管之間均勻分布有注漿管。 回填自密實混凝土時， 先通過澆筑管填充在夾層中， 當澆筑管一側的注漿管有混凝土漏出時， 停止澆筑，通過閘板將該澆筑管封閉， 然后移至下一澆筑管進行澆筑； 當混凝土回填完成后， 再通過注漿管進行灌漿填充。

針對現有技術存在的不足， 本文提出并公布了一種洞穿鋼管后混凝土澆筑的施工方法， 其優點是使得澆筑的自密實混凝土更加飽滿， 減少補漿量，保證環空層回填混凝土的強度。

1 工程概況

南水北調配套工程大興支線工程位于北京市大興區及河北省廊坊市固安縣， 分別與南干渠及河北廊涿干渠連通。 建設北京段管道長約33.4 km， 主管道采用DN2400 球墨鑄鐵管， 局部區域采用DN2400 鋼管， 過橋、 過路區域采用頂管， 主要連通南干渠與河北廊涿干渠， 使北京與河北的南水北調水互聯互通， 同時為北京新機場水廠供水， 也為北京市增加一條南水北調中線水進京通道。

頂管施工過南六環區域采用機械頂進直徑3.2 m的鋼筋混凝土管， 混凝土管內部洞穿2.4 m 直徑鋼管， 兩管道之間空隙填充自密實混凝土， 施工難度較大。

本文針對頂管施工完成后， 其洞穿鋼管、 自密實混凝土澆筑施工進行研究。 洞穿施工采用牽引方式， 將組裝焊接完成的鋼管通過預制導軌、 鋼導輪拖入頂管洞內。 自密實混凝土采用預留灌灰孔二期澆筑方法。

2 總體施工方案

洞穿管施工： 結合頂管接收坑施工進行， 在頂管接收坑的基礎上， 開挖設置1 座洞穿管焊接平臺， 焊接平臺長13 m， 寬4.6 m。 采用200 mm 厚混凝土封底， 設置5 道焊接導向墻， 導向墻上設置型鋼導軌帶導輪， 頂面高程砼洞穿管內導軌高程一致。 在豎井側設置卷揚機配鋼絲繩， 在首節洞穿管設置牽引掛鉤， 牽引洞穿管行進。

自密實混凝土澆筑施工： 結合頂管及洞穿管施工， 在洞穿管穿洞施工之前， 在混凝土管道上方及左右側設置限位裝置， 以防止管道上浮。 在洞穿管鋼就位之后， 在其上方間隔8 m 設置灌灰裝置（灌灰孔、 連接件等） ， 同時布設泵管、 澆筑設施， 采用地泵車澆筑。

3 洞穿管施工

3.1 清理套管內雜物

洞穿管施工之前， 進行混凝土套管清理。

3.2 確定鋼管安裝軸線

測量人員對管道行進軸線進行復測， 確定鋼管軸線位置。

3.3 確定鋼管行進高程

在復測鋼管行進軸線后， 對設計高程進行復核， 包括混凝土平臺以及軌道安裝位置。

3.4 鋼管焊接平臺施工

鋼管焊接平臺施工結合頂管接收坑施作。 圖1為鋼管焊接平臺施工。

圖1 鋼管焊接平臺施工

3.5 頂管內限位設施施工

為防止自密實混凝土澆筑過程導致洞穿管上浮， 在洞穿管入洞前安裝限位裝置， 在每根混凝土套管中間設置一道防漂裝置。

3.6 導軌施工

管內導軌現場焊接， 采用槽鋼角鋼結合φ150 mm鋼導輪加工而成， 與鋼筋混凝土管內植筋焊接， 根據鋼管中心高程推算導軌頂高程， 安裝設計高程下調2 cm， 預留鋼管上浮空間。 圖2 為導軌施工。

圖2 導軌施工

3.7 預埋管施工

洞穿管之前， 需要將頂管內預留管件施工完畢。 主要包括硅芯管、 頂管兩側硅芯管SC80DF 保護鋼管、 排氣管、 注漿管。 排氣管、 注漿管施工結合頂部限位裝置安裝， 注漿管與排氣管每根長238 m，通過與混凝土套管管頂的限位裝置配合安裝， 從頂管兩側豎井分別向管內安裝一根注漿管與排氣管。

3.8 安裝牽引設備

牽引設備采用3t 卷揚機結合動滑輪， 配合22mm鋼絲繩進行。

3.9 洞穿管進場、 吊裝、 焊接施工

洞穿管： DN2420， Q235C， 壁厚18 mm， 工作壓力0.5 MPa， 設計壓力0.9 MPa， 試驗壓力1.0 MPa。

吊裝： 采用130 t 吊車下管。

焊接： 根據鋼管焊接工藝性試驗成果， 現場焊接采用氬弧焊打底， 手工電弧焊填充并照面。 X 坡口， 雙面焊， 外3 遍， 內3 遍， 共6 遍， 兩面同時施焊。

3.10 鋼管焊縫檢測及防腐處理

選擇專業試驗室， 每天現場檢測焊口（每日焊接一道口， 進洞一根管） ， 焊縫檢測采用100%超聲波檢測， 20%采用射線檢測。 要求焊縫達到1 類焊縫標準。 管道焊接完畢并檢測合格后， 先進行外防腐修補， 然后再啟動卷揚機將鋼管拖入洞內。

3.11 穿拉鋼管、 就位

在豎井內設置卷揚機， 下設型鋼基礎， 通過鋼絲繩與鋼管內連接， 穿拉鋼管。 直至鋼管洞穿完成時結束。

4 自密實混凝土施工

4.1 灌灰孔開設

鋼管就位后每隔8 m 設置一個灌灰孔， 灌灰孔直徑15 cm， 灌灰孔提前要求廠家加工完成， 設置成絲扣形式， 混凝土澆筑時將混凝土泵管插入到灌灰孔中進行灌注， 灌注完成后拔出泵管， 并且封上灌漿孔。

4.2 頂管兩側封堵

頂管與鋼管間縫隙封堵， 采用磚砌、 中配鋼筋形式。 待強度符合要求， 進行自密實混凝土澆筑。

4.3 澆筑系統安裝

澆筑系統安裝， 包括地泵+泵管+灌灰孔連接裝置。

4.4 自密實混凝土澆筑施工

1） 為保證澆筑質量， 要求自密實砼生產廠家出機砼塌落擴展度不小于720 mm， 并保證砼的運輸能力。

2） 鋼管每隔8 m 設置1 個灌灰孔。

3） 澆筑之前， 建立測量系統， 在每個灌灰孔下方設置測量控制點， 澆筑混凝土時， 每隔5 min觀測1 次。

4） 自密實混凝土采用地泵輸送， 澆筑時將泵管端頭裝好密封橡膠圈， 插入到灌灰孔中進行灌注， 灌注完成后拔出泵管， 封上灌灰孔后進行下一個灌灰孔的澆筑。

5） 混凝土分二期澆筑完成， 采用后退法澆筑，從鋼管中部位置向兩側后退澆筑。

6） 自密實一期混凝土澆筑至鋼管下方140°，每延米方量約1.33 m3， 一期隔孔澆筑， 每個有效澆筑孔總方量約21.28 m3， 每個罐車混凝土量為10 m3，每個澆筑孔以澆筑2 車20 m3混凝土為控制標準。

7） 自密實二期混凝土按照每個灌灰孔順序澆筑， 灌灰孔澆筑完成標準為下一個灌灰孔均勻穩定冒漿為止， 封堵澆筑孔， 向下轉移。

4.5 注漿施工

當完成灌灰孔部分的澆筑后， 分別在兩端用注漿管進行注漿。

4.6 防腐處理

自密實混凝土澆筑完畢， 將灌灰口進行封閉，然后進行防腐處理。

5 施工技術措施

1） 澆筑混凝土前， 在混凝土管的拱頂處安裝防漂裝置， 防漂裝置的底端距離洞穿鋼管的頂端10 mm； 澆筑一期混凝土時， 在正在灌注的灌灰口的下一個灌灰口的下方進行豎向位移監測， 當該處的洞穿鋼管上浮10 mm 時， 將澆筑管改移至下一個灌灰口。

通過上述技術方案， 防漂裝置組件的設置對洞穿鋼管起到了限位的作用， 將洞穿鋼管的漂浮限制在施工誤差允許的范圍內； 又避免了洞穿鋼管在穿入混凝土管的過程中， 將防漂裝置組件觸碰掉落。作業人員可通過量取洞穿鋼管輕微的上浮量， 來判斷回填混凝土的程度。

2） 在洞穿鋼管的中部間隔開設多個與鋼管中心軸對稱設置的觀察孔， 一期混凝土澆筑過程中，從同一位置的兩個觀察孔對環空層內混凝土進行觀察， 保證洞穿鋼管兩側混凝土高度大致相同； 澆筑二期混凝土之前， 將觀察孔進行永久封閉。

通過上述技術方案， 進一步加強了作業人員對環空層內一期混凝土回填程度的觀察和判斷， 使得作業人員可以及時根據一期混凝土的回填程度進行作業調整。

3） 后退式澆筑過程中， 將洞穿管兩端砌墻進行封堵， 在墻頂預留出端頭觀察口。

澆筑一期混凝土時的觀察： 利用手摸鋼管內部溫度感應、 觀察孔觀察、 手電配合手機錄視頻、 測量人員豎向位移監測、 方量估算等多種方法， 確定更換灌灰口的時間； 一期混凝土澆筑完畢后， 封堵中部觀察孔。

澆筑二期混凝土： 在澆筑第二次混凝土之前，間隔一段時間， 待混凝土初凝后， 方可開始二期混凝土的澆筑。

通過上述技術方案， 進一步加強了在一期回填混凝土時和二期回填混凝土時對環空層內混凝土的觀察， 多種手段結合， 加強了作業人員對灌灰口回填混凝土時間的控制。

4） 注漿時采用高壓注漿， 同時注意注漿壓力變化， 在漿液從排氣管留出速度等于灌注速度時，停止注漿。

通過上述技術方案， 針對環空層的長度較長的問題， 采用高壓注漿， 實現了對環空層的補漿處理， 且保證了補漿的飽滿度； 相比背景技術中的注漿措施， 更加高效。

5） 在灌灰口處預先焊接套管， 套管設置內螺紋， 澆筑混凝土時， 將設置有外螺紋的輸入管擰入套管內， 輸入管的底部與地泵澆筑管用抱箍連接；用于封堵灌灰口的封蓋上也設置有螺紋， 封堵灌灰口時， 將封蓋擰入灌灰口即可。

通過上述技術方案， 實現了灌灰口與澆筑管的可拆卸連接， 方便了作業人員對環空層的澆筑。 圖3 為作業人員對環空層的澆筑。

圖3 作業人員對環空層的澆筑

6） 每個灌灰口自密實混凝土澆筑期間還需要完成以下工作： 下一個灌灰口澆筑前的準備工作；前一個澆筑管改移后的外泄混凝土的清理工作。

通過上述技術方案， 實現了施工的連貫性， 提高了施工的效率， 且可以避免因連接灌灰管的時間太長， 而導致已澆筑完畢的灌灰口處的混凝土向未澆筑區域流動得太多， 使得混凝土頂部空層變大。

6 結束語

1） 本方案分兩期進行混凝土的澆筑， 在一期混凝土澆筑完后， 使得回填的自密實混凝土具有一定的高度， 在進行二期混凝土澆筑時， 向已經二期混凝土澆筑完畢的灌灰口處回填混凝土， 向未進行二期回填混凝土的區域流動時， 灌灰口與未灌灰處的高度差小于背景技術中的方案的高度差， 灌灰口處回填混凝土的高度降低的幅度變小， 使得回填混凝土頂部的空層減小， 從而減少了補漿量， 保證了環空層回填混凝土的強度。 分兩期進行混凝土澆筑， 減小了灌灰口與未灌灰處的高度差， 使得作業人員能夠更好地把握灌灰的分寸， 方便作業人員對每個灌灰口的灌灰時間和灌灰量的控制。

2） 端頭觀察口和洞穿鋼管中部觀察孔的設置以及多種手段的結合， 進一步加強了作業人員對環空層內一期混凝土回填程度的觀察和判斷， 加強了作業人員對灌灰口回填混凝土時間的控制， 使得作業人員可以及時根據一期混凝土的回填程度進行作業調整。

3） 灌灰口處設置的套管， 實現了灌灰口與澆筑管的可拆卸連接， 方便了作業人員對環空層的澆筑， 且為本方案的分兩期進行回填混凝土進行了有力的支撐。

4） 防漂裝置組件的設置對洞穿鋼管起到了限位的作用， 將洞穿鋼管的漂浮限制在施工誤差允許的范圍內； 又避免了洞穿鋼管在穿入混凝土管的過程中， 將防漂裝置組件觸碰掉落。 作業人員可通過量取洞穿鋼管輕微的上浮量， 來判斷回填混凝土的程度。

綜上所述， 本文所述的隧洞（頂管） 內洞穿鋼管及背后自密實混凝土澆筑的施工方法， 是基于南水北調配套工程大興支線工程項目的成功實踐， 為后續類似項目的施工提供了經驗及參考。