水工隧洞开挖与衬砌同步施工技术研究

汪良军，王松茂，刘光星

（广东水电二局股份有限公司，广州 511340）

0 引言

传统水工隧洞施工常采用开挖贯通后再进行混凝土衬砌的施工方法，对于围岩稳定性差的长隧洞来说，临时支护结构使用时间长，有变形失稳的安全风险，因此设计往往要求衬砌紧跟开挖同步施工，但同步施工受断面结构、机械设备等因素影响，施工难度大，工序交叉施工相互干扰导致工效低、成本高等问题。

对于隧洞开挖与衬砌同步施工技术，国内不少专家学者开展了相关研究，吴高明等[1]提出了有效跨度12 m的底拱栈桥和轨行式模板台车衬砌方案；盛重权等[2]总结了隧道仰拱机械设备配套快速施工技术；陈俊超[3]对开挖与衬砌平行施工问题进行了探讨；李晓华[4]总结了隧洞衬砌先边顶拱后仰拱的施工方案；雷鸣[5]、吴志勇[6]研究了隧洞开挖及衬砌施工技术和工艺；张民庆[7]研究了铁路隧道衬砌施工自动浇筑振捣新技术；李校珂[8]研究了新型智能化隧道衬砌台车施工技术。

本文结合环北部湾广东水资源配置工程合江支洞工程，针对复杂围岩条件、复杂断面结构、洞身纵坡大、工期紧的特点，开展隧洞开挖与衬砌同步施工技术研究，配置自动化仰拱施工栈桥和高效衬砌台车设备，解决交叉施工相互干扰的问题，确保工程安全、质量和进度，为类似工程提供经验借鉴。

1 工程概况

环北部湾广东水资源配置工程是解决粤西地区水资源短缺问题的重大水利工程，合江支洞作为前期试验段项目，建成后主要作为输水干线隧洞盾构设备步进、出渣及进料通道，同时兼顾作为处理主洞断层破碎带的备用通道。支洞长约1100 m，纵坡约6.54%，结构断面为圆拱直墙反弧底形，Ⅲ类围岩边顶拱采用锚喷支护，Ⅳ、Ⅴ类围岩初支后及时施工钢筋混凝土衬砌[9]，仰拱回填素混凝土，净断面尺寸为8.0 m×8.0 m（宽×高），工期要求18个月。

隧洞沿线主要为低山丘陵，洞身地层为泥盆系下统莲花山组（D1l），薄～中厚层状变质中细粒石英砂岩、含砾不等粒石英杂砂岩，产状较乱，全风化岩破碎，强风化岩较破碎，弱风化岩完整性差，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩占32.3%、38.3%、29.6%。隧洞穿越F1、F2两条断层破碎带，宽度20～40 m，围岩极不稳定，洞室处于地下水位以下，隧洞东侧地表有鱼塘通过F1断层与洞线相通，渗水和围岩稳定是主要的工程地质问题。

2 总体思路

（1）隧洞施工的关键工作是开挖，按照以“隧洞开挖”为主的原则，衬砌作业尽量减少对开挖作业的影响，当开挖与衬砌作业相互干扰时，衬砌作业给开挖作业让路。

（2）衬砌结构分段长度为12 m，按先仰拱、后边顶拱的顺序浇筑，仰拱施工采用栈桥解决洞内运输问题，桥下进行衬砌作业；边顶拱衬砌采用步履式液压衬砌台车一次浇筑成型，利用多功能作业平台提前铺设防水板、安装钢筋。

（3）由于围岩稳定性较差，需尽快完成衬砌，结合爆破振动对新浇衬砌结构的影响和开挖作业所需最小距离，开挖与仰拱、边拱顶衬砌施工步距初步控制在60 m、120 m左右，施工过程中根据初支变形监测结果优化调整，同步施工布置如图1所示。

图1 隧洞开挖与衬砌同步施工布置图

3 同步施工技术

3.1 洞身开挖施工方法

洞身开挖采用钻爆法，根据围岩条件、隧洞坡度，结合后续仰拱栈桥架设需预留的台阶高度，按照参考文献[10]开挖施工要求，采取如下施工方法：

（1）Ⅲ类围岩稳定性相对较好，采用全断面开挖，循环进尺控制在2.5～3.0 m，每掘进2～3个循环做一次锚喷支护，出渣时底部预留1.2 m 厚堆渣高度，待仰拱施工时再进行清理。

（2）Ⅳ、Ⅴ类围岩采用台阶法开挖，分上、中、下3个台阶，上台阶长度控制在15～20 m，Ⅴ类围岩上台阶预留核心土，台阶高度和开挖顺序如图2所示，下台阶待仰拱施工时再进行开挖。

图2 Ⅳ、Ⅴ类围岩台阶法开挖示意图

（3）Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖每循环进尺分别控制在1.0 m 和2.0 m 左右，上、中台阶同时爆破掘进，每循环爆破后立即喷混凝土封闭岩面，出渣后，再架立钢拱架，打锚杆、挂网、喷射混凝土；Ⅴ类围岩在开挖前按设计要求拱顶120°打设超前注浆小导管。

3.2 仰拱开挖衬砌施工技术

3.2.1 仰拱栈桥的选定

仰拱栈桥是解决隧洞开挖与仰拱施工相互干扰的关键设备，栈桥正常通行时，栈桥下可同时进行仰拱清基、衬砌等工序的施工。采用全液压移动式仰拱栈桥，由大型钢结构件制作，主要由主桥、长引桥、短引桥、桁架体系、纵移滑座、横移滑座、仰拱模板、液压系统组成（如图3、图4所示），特点如下：

图3 全自动液压仰拱栈桥纵剖面示意图

图4 全自动液压仰拱栈桥横剖面示意图

（1）栈桥有效衬砌长度24 m，有效行车宽度3.6 m，前后坡脚坡度9.1°，升降油缸行程500 mm，前坡脚起升行程800 mm，额定承载能力50 t，栈桥前后移动及左右调整采用无轨式液压行走，1 人即可操控，自动化程度及安全性高；

（2）考虑隧洞坡度较大，栈桥前后引桥坡度可以调节，确保运输车辆上栈桥最大坡度不超过10%。栈桥跨度大，净高1.7 m，桥下有足够的空间方便作业，仰拱衬砌可按12.0 m 段长流水作业，保证了班组连续作业和混凝土等强时间；

（3）仰拱栈桥配整体式仰拱混凝土施工模板、浇筑溜槽、仰拱填充摊铺机、堵头模板等附属配套设施，实现仰拱高效施工。

3.2.2 仰拱开挖

隧洞开挖预留仰拱开挖高度约1.2 m，Ⅲ类围岩段已经爆破开挖完成，仅需清渣即可，Ⅳ、Ⅴ类围岩段仰拱开挖采用预裂爆破和液压破碎锤联合开挖，开挖完成后移动仰拱栈桥就位，桥下进行仰拱初期支护和衬砌施工。

3.2.3 仰拱混凝土衬砌

仰拱模板采用整体式移动模架，与液压栈桥设计成整体，腋角模板采用弧形钢模板，单侧模板分为4件，模板之间采用螺栓连接成整体，模板与桁架体系采用可调丝杆连接，模板通过手拉葫芦悬挂在横梁体系的行走小车上，端头采用木模板（如图4所示）。这种模板设计，定位更容易、准确，能有效控制模板在施工过程中的变形，结构简单，易于安装，大大节省周转材料和辅助材料，施工质量稳定，且省时、省力、工效快。混凝土通过输送泵和布料机输送入仓，在腋角模板弧段中心每隔2.0 m 布置一个附着式振动器，解决腋角混凝土振捣不密实易产生气泡、蜂窝等质量通病。

3.3 边顶拱衬砌施工技术

3.3.1 多功能高效衬砌钢模台车设计

考虑隧洞坡度较大，衬砌施工选用抗滑性能强的步履式液压行走钢模板台车，无需铺设轨枕，总长12.1 m，有效长度为12 m，最大通过能力3.98 m×4.90 m（宽×高），行走速度8 m/min（如图5 所示）。台车配置有先进的混凝土自动化分仓浇筑系统、附着式振捣系统及防止空洞系统、新型端头模板，并具有防泄露、防堵管、快速清洗功能，配有废料回收和处理装置，满足环保要求，边墙底部模板与仰拱混凝土采用软搭接，确保接缝平顺和密封性。

图5 多功能高效衬砌台车布置示意图

3.3.2 自动逐仓浇筑技术

模板台车自动浇注系统主要由自动浇注主机装置、自动浇注控制系统、布料分管装置、废料回收和处理装置、快速清洗装置、各分层逐窗浇筑管路系统等组成。左、右侧模板各对称布置14个浇注窗口（50 cm×50 cm），分4 层梅花型布置，顶部布置3个Φ125 mm 灌注口，布料分管共计15 根，左、右侧模板每层窗口布置2 根，正拱部3根，自动浇注系统各管路之间可自动切换，满足混凝土分层逐窗浇筑和拱顶分孔浇筑。混凝土浇筑时按照“分层、由低到高、左右对称、先前端再后端”的施工顺序，分层厚度控制在30～50 cm，边墙振捣以插入式为主、附着式为辅，顶拱振捣采用附着式。

3.3.3 新型端头封堵模板

衬砌结构缝质量控制是施工的薄弱环节，常发生渗漏等问题，对台车端头钢模结构进行针对性设计，按设计衬砌厚度为50 cm/60 cm，端头钢模与台车搭接50 mm，止水铜片位置为台车面板以上250 mm处，端头模板结构为下部钢堵头+上部高分子复合挡板装置（如图6 所示），具有结构简便、安拆迅速、密封性好的特点。

图6 端头模板结构布置示意图

3.3.4 智能混凝土浇筑预警技术

在隧洞衬砌施工时，拱顶混凝土浇注是质量控制的要点和难点，浇注不饱满导致拱顶背后脱空，存在质量隐患，增加后续处理难度和费用。模板台车配置DoLa®-360P智能混凝土灌注预警系统保证混凝土灌注饱满，解决拱顶脱空问题，预警系统运行时，当注满提示灯变亮（红色），同时发出蜂鸣声，提示拱顶浇筑到位时；当未满提示灯一在亮状态（绿色），提示可以继续浇筑。

4 应用效果

4.1 工效分析

（1）合江支洞按照以“开挖为主”的同步衬砌施工方案，洞身开挖施工进度受衬砌施工的影响较少，开挖效率达到传统施工方法的95%，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩的月均开挖进度为153.0 m、76.5 m、38.3 m，见表1。

表1 隧洞开挖月均进度表

（2）仰拱施工按栈桥有效长度分A、B两个流水施工段（每段为12 m），Ⅴ类围岩仰拱施工循环时间为68 h（见图7），根据参考文献[11]渣车行走对仰拱混凝土强度的要求，仰拱充填混凝土7 d 强度后采取加铺钢板的措施开放交通，9 d完成1个浇筑循环（24 m），连续施工情况下月均衬砌进度为80 m，大于Ⅳ、Ⅴ类围岩开挖施工进度，不会影响开挖施工，仰拱实际衬砌进度取决于隧洞开挖进度。

图7 仰拱施工循环作业时间（Ⅴ类围岩）

（3）边顶拱施工循环时间为68 h（见图8），其中防水板、钢筋安装可提前平行作业，不影响台车就位和混凝土浇筑，拱顶衬砌强度达到5 MPa[12]即可脱模，台车完成12 m 衬砌混凝土浇筑消耗时间为38 h，连续施工情况下月均衬砌进度为192 m，远大于隧洞开挖、仰拱施工进度，实际衬砌速度取决于仰拱衬砌进度。

图8 边顶拱施工循环作业时间（Ⅴ类围岩）

4.2 安全效果

从图9可以看出，IV、V类围岩洞身收敛变形分别持续30 d、45 d左右趋于稳定，开挖与边顶拱衬砌施工步距控制在60 d开挖进尺的距离（约80-150 m）是合适的，符合初期支护变形稳定后及时进行衬砌施工的设计要求，初支结构在砌衬施工前的收敛变形量稳定在4 mm左右，变形值较小，确保了隧洞安全。

图9 洞身三角收敛变形曲线图

4.3 工期效益

目前，合江支洞完成洞身开挖、衬砌共计600 m，其中Ⅳ、Ⅴ类围岩分别为348 m、252 m，实际工期11.5 个月，从图10 中可以看出，与传统施工方法比较，开挖进度基本一致，衬砌施工时间较长，人工、设备施工成本相对较高，但总工期缩短了1.5个月，工期节省11.5%，工期优势明显，工期提前带来的经济效益要远大于增加的施工成本。

图10 两种施工方法工期对比分析

5 结语

环北部湾广东水资源配置工程合江支洞施工实践证明，所采用的开挖与衬砌同步施工技术先进、可行，取得较好的效果，保证了隧洞施工安全，缩短了工期，为后续输水干线隧洞设计和施工提供了经验，也值得类似工程借鉴。