南湾隧道二衬钢筋及混凝土施工技术研究

南湾隧道二衬钢筋及混凝土施工技术研究

魏义青

魏义青

广东省长大公路工程有限公司第三分公司广州511431

摘要：本文主要介绍南湾隧道二次衬砌钢筋及混凝土浇筑、养护等施工工艺流程及质量控制的技术要点等内容。该隧道二次衬砌施工及养护的技术研究成果，是在借鉴以往工程项目二衬施工质量管控经验的基础上，结合本项目施工特点，以“双标”管理为依托，通过创新二衬钢筋及混凝土灌注施工技术措施，经过现场实践总结摸索出一套行之有效的技术要点和控制措施，有效提高了二衬钢筋间距、保护层合格率以及混凝土外观质量；同时通过自行研发二衬混凝土养护台车，有效解决了二衬全断面养护难题，提高了二衬混凝土施工强度的同时，也降低了水泥用量，产生了良好的经济效益。上述技术措施取得了较好的“标杆”效果，具有广泛的推广应用前景。

关键词：二衬钢筋；二衬混凝土；碳化；养护台车；施工技术要点

0引言

近年来，随着我国高速公路的迅猛发展，长大隧道越来越多，对隧道二次衬砌施工质量的要求也越来越高。南湾隧道作为港珠澳大桥珠海连接线项目唯一一座山岭隧道，全长3646m，本标段负责承建2184m，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩占40％，二衬钢筋段所占比例较多。在衬砌钢筋安装时易产生骨架变形，且混凝土灌注过程易受到其自重及泵送压力影响，将产生部分竖向变形，保护层难以控制。此外，二衬混凝土养生也一直是施工中易忽视和难以有效落实的关键工序。

本文以南湾隧道为依托，从仰拱到二衬钢筋制安以及针对二衬全断面养护等方面进行研究，强化施工工艺，提出一系列具体管控措施，有效提高了钢筋间距、保护层合格率和二衬外观质量，同时降低了二次衬砌钢筋混凝土的碳化，提高了钢筋混凝土的强度，实现“内实外美”的控制目标。

1工艺原理

通过仰拱及二衬钢筋精确测量定位，同时采取增设定位钢筋、加劲钢筋、短钢筋头及保护帽、模具使用等工艺措施，有效提高二衬钢筋间距及保护层的合格率。

通过加强二衬模板清理及灌注过程的振捣工艺等细节处置，提高二衬混凝土外观质量。以降低粗细集料含泥量、优化混凝土配比、降低混凝土水灰比为基础，同时自行设计二衬养护台车，通过配置高压水泵、旋转喷头等对二衬全断面进行高压雾化喷淋养生，杜绝二衬养护死角，减少碳化深度、有效提高二衬混凝土结构强度。

2施工工艺流程

2.1仰拱施工工艺流程

仰拱及边墙基础开挖→仰拱钢筋加工安装→仰拱及填充模板安装→仰拱及填筑混凝土浇筑→养生。

2.2二衬施工工艺流程

二衬防水板铺挂→钢筋安装→预埋件安装→测量台车就位→挡头板安装→衬砌混凝土施工→待强→拆模→养生。

3仰拱钢筋施工技术要点

3.1使用卡具控制间距

在纵向定位钢筋上采用粉笔或油漆提前做好标准间距的标识，安装时再借助自制简易标准钢筋卡具确保间距均匀。通过钢筋卡具的使用，提高钢筋安装间距的过程控制，可有效提高间距合格率。

3.2增设定位筋控制层间距

为确保仰拱钢筋安装的整体性，变更增设定位钢筋，即按2-3m间距采用Ф22螺纹钢筋替换原设计Ф12钢筋作为定位钢筋，特别是在仰拱边墙两侧底层、面层的定位钢筋需严格控制其高度。

通过测量放样定位，将内外层的定位钢筋按设计位置固定，主筋依此焊接固定特别是面层主筋依此准确定位，即可确保后续二衬钢筋在边墙部位的保护层控制质量。

3.3线形控制措施

相邻主筋长短错开仰拱钢筋安装采取洞内统一规格进行加工弯制，相邻主筋应考虑长短错开，错开距离根据JTG/TF60-2009《公路隧道施工技术细则》7.5衬砌钢筋“相邻主筋搭接位置应错开，错开距离应不小于1000mm”予以控制。[1]

值得注意的是，在仰拱钢筋预埋施工时应提前长短错开，其预留钢筋偏长的高度尽量考虑不与施工作业台架的首层平台高度相冲突。

鉴于上述相邻主筋长短错开的要求，且仰拱钢筋外露部分处在隧道三心圆起弧段，主筋在加工弯制时需特别注意长边的弯制弧度与设计相符。

依据上述方法，可以基本保证仰拱外露钢筋的施工质量，确保仰拱填充面上的外露主筋定位准确、间距均匀、线形顺直，为后续二衬钢筋的间距和保护层质量控制打下良好基础。

4二衬钢筋施工技术要点

4.1使用卡具控制间距

在纵向钢筋上采用粉笔或油漆提前做好标准间距标识，安装时再借助自制简易标准卡具确保间距均匀。特别是与仰拱预留钢筋连接段落需严加控制，同时注意相邻钢筋接头顺序，即钢筋连接时注意统一在同侧焊接以免间距不均。

安装前为保证洞身钢筋位置准确、上下垂直、间隔均匀，可在作业台车上按洞身截面尺寸设纵向钢管做托架，作为架立、固定钢筋位置，并按设计间距画出主筋安装控制点，钢筋依此逐条安装。

4.2增设定位筋控制层间距

为确保二衬钢筋整体性，按2-3m间距采用Ф22螺纹钢筋替换原设计Ф12钢筋作为定位钢筋，特别是在边墙以上反弧段安设定位钢筋有利于整环钢筋安装圆顺。

在仰拱预留钢筋层间距控制措施到位的基础上，二衬钢筋层间距较好把控。但注意在起弧段设置的定位钢筋需通过测量放样准确定位，将内外层的定位钢筋按设计位置固定，即可确保层间距满足设计要求。

4.3保护层控制措施

当前隧道二衬钢筋保护层作为日常检查的重点，二衬钢筋定位是否准确、保护层是否符合要求极其重要，经实践可采取以下几方面措施进行控制：

4.3.1仰拱施工时，仰拱钢筋要确保间距合格、定位准确；二衬钢筋安装时，对仰拱钢筋间距不合格的要先进行调顺，确保间距合格、位置准确；否则将直接影响后续二衬钢筋的安装质量。

4.3.2环向以2m间距增加内外层φ22纵向分布筋作为加劲筋，降低拱顶及拱腰部位局部变形影响二衬钢筋保护层，详见图1。

图1增设二衬定位钢筋示意图

4.3.3增设的定位钢筋，务必确保精确测量定位，主筋依此焊接固定特别是面层主筋依此准确定位，即可从根本上确保二衬钢筋保护层控制质量。其他如垫块、短钢筋头等措施只是起到控制保护层的辅助作用。此外，安装过程中可通过两端拉线作为参考标准，焊接过程中依此调整校核。

4.3.4先安装的环向主筋、纵向钢筋务必要通过测量放样精确施作，有明确的控制点作为参照，后续钢筋安装才能准确。在实际施工中，建议二衬钢筋保护层可根据设计预大2-3cm，避免保护层偏小甚至露筋带来更大危害。

4.3.5钢筋骨架成型后，按设计保护层厚度设置高强砂浆垫块，垫块厚度与设计一致。注意垫块按梅花型布置，安装数量要保证4-6个/m2。

4.3.6在外层钢筋上焊一定数量短钢筋头作为垫块的补充，由于短钢筋头外露易形成锈蚀通道，可在短钢筋端部安装塑料保护帽。

4.4二衬钢筋制安其他措施

4.4.1钢筋加工因考虑运输问题，在洞内安装点现场弯制，按所放大样进行下料、加工。

4.4.2钢筋焊接时，周围采用薄钢板或其他耐高温材料遮挡，避免焊渣火花灼伤防水板。

4.4.3安装顺序拱部尽量避免设置接头，不得已要设置的也应先连接好后再安装。整个钢筋网安装顺序为：从下至上、由外向内、先外层后内层、先主筋后分布筋、最后架立筋。

4.4.4考虑目前隧道一般为三车道以上，跨径较大，钢筋环向长度较长，骨架制作时分段长度既要根据钢筋定尺长度（一般为12m），也要考虑实际施工中考虑为控制主筋保护层放大对弧长带来的调整，合理安排，尽量做到节省材料，减少接头数量、缩短作业时间。

4.4.5根据JTG/TF60-2009《公路隧道施工技术细则》7.5衬砌钢筋“同一受力主筋的两处搭接，距离应不小于1500mm”要求[1]，下料长度要安排合理。同时，分布钢筋在二衬端头需预留下一模搭接长度，预留长度要满足绑扎搭接要求，且接头要错开布置；如端头设沉降缝则应断开。

4.5作业台车

一般采用型钢、钢管制作，作业台车必须具备行走轮，台车应能满足作业人员和部分材料、小型器具累加的工作荷载，同时注意内腔空间满足施工车辆通行空间尺寸要求，与墙部间隔满足通风管道的空间尺寸，详见图2-3。

钢筋焊接时应尽量避免接头与作业台车每层平台相互冲突，利于开展现场作业。

图3南湾隧道防水板台车示意图

5二衬混凝土“内实外美”技术措施

5.1二衬台车标准化与准入制的落实

根据“双标”管理要求，二衬模板台车实行“准入制”，即进场前将拟进场的二衬台车参数报监理工程师批准许可后方可组织进场，进场后依据二衬模板台车“标准化”要求再次组织验收，衬砌台车的指标要求，详见表1。

表1衬砌台车推荐指标表[2]

5.2二衬施工执行首件验收制

严格按标准化首件制要求，开展二衬首件工程验收，对施工班组明确作业工序验收标准，并根据验收结果不断总结提炼出成套成果以指导后续施工。

图4南湾隧道二衬及防排水首件工程验收总结会

5.3脱模剂比较选择

脱模剂作为一种介于模具和成品之间的功能性物质，其种类较多，一般较常使用的是纯油类、乳化油类、石蜡类和油漆类。脱模剂的选择对二衬混凝土外观质量至关重要，因此要严禁以往为降低成本采用劣质废机油的做法。

项目前期采用模板漆作为脱模剂，脱模效果显著，但存在周转使用次数不高（一般仅能重复使用2-3次）、成本较高的问题，特别是重新打磨的时间过长、洞内处理时空间受限，间而影响二衬外观质量。经实践对比，采用柴油加机油方法进行兑配，在经打磨后的模板面薄薄涂抹，然后再安装使用，成本低、效果好。值得注意的是，脱模剂涂刷的厚度要严格控制，避免涂刷过厚阻滞混凝土气泡的振捣排出。

5.4混凝土品质和模板处理

5.4.1混凝土品质

二衬混凝土的品质对外观质量影响较大，搅拌出坍落度适中、和易性良好的混凝土是关键。混凝土拌制前，要严格测定砂石含水率并根据测试结果调整材料用量，确定施工配合比。关键是要根据二衬施工的不同部位，合理调配混凝土坍落度，经实践总结，边墙部位混凝土的坍落度一般控制在16～18cm、拱腰至拱顶部位控制在18～21cm。施工过程中若混凝土坍落度偏小，严禁直接往罐车中加水，可以现场掺配少量减水剂或运回拌和站处理。

此外，泵送混凝土前采用按设计配合比拌制水泥浆或按骨料减半配制混凝土润滑管道。

5.4.2二衬模板处理

模板对结构物外观影响至关重要，模板过程打磨清理是否到位，将直接影响二衬混凝土外观质量。模板表面处理不到位，混凝土表面容易产生麻面现象。反之，模板表面光洁，辅以薄层脱模剂，有利于混凝土中空气的振捣排出。因此，拆模后应控好模板打磨清理这一关键工序，确保模板面板光洁是提高二衬混凝土外观质量的先决条件。

5.5二衬混凝土浇筑工艺

二衬混凝土施工采用泵送浇注工艺，机械振捣密实，施工过程中应加强过程管控。

5.5.1混凝土由下至上分层、左右交替、从两侧向拱顶对称灌注。在二衬混凝土下料速度上严格控制分层厚度，在振捣工艺上做好技术交底和过程控制，提高工人责任心。

5.5.2对边墙反弧段易出现蜂窝麻面的部位采取针对性措施，即严格控制边墙2-3m范围内混凝土下料速度、确保分层振捣厚度在30cm以内、增加软管避免混凝土从第二层窗口近4.0m高直接落入造成骨料严重离析。

5.5.3对小边墙气泡不易排出的反弧部分要加强振捣，可以采用附着式振动器确保振捣到位，避免漏振现象。

5.4.4施工过程中，输送泵连续运转，泵送连续灌注，避免停歇造成“冷缝”。施工过程中严格控制两侧泵送管道换管间隔时间，换管前应尽量将模板一侧的混凝土振捣平顺，换管后应加强两层接茬部位的混凝土振捣，切实有效减少和避免施工冷缝。

5.4.5加强模板的堵漏工作，安排专人在浇筑过程中注意观察模板漏浆情况，及时封堵，并依此总结浇筑前堵漏易忽视环节，加强事前控制，避免漏浆影响混凝土外观质量。

6减少碳化深度、提高衬砌强度的技术措施

6.1降低粗集料含泥量

作为混凝土重要组成部分的粗集料占混凝土体积的70%以上，其几何特性、物理性能和化学成分对混凝土早期工作性能及耐久性存在重要影响，其中含泥量是其中一项重要指标。经工程实践，含泥量对混凝土坍落度损失、工作性能、抗压强度和抗渗冻性均存在较大影响。因此，混凝土粗集料的含泥量需严格控制在规范允许范围即1%以内。

6.2优化混凝土配比、降低水灰比

混凝土配合比一般在进场初期即已完成，但受地材供应紧张的影响，原材料质量往往波动较大，因此配合比根据材料阶段性变化应作出动态调整和优化。其中，水灰比是影响混凝土性能的重要参数。水灰比对混凝土和易性、强度、耐久性及裂缝均有重要影响。

当水灰比过大时，新生成的胶体水泥浆浓度低，水化后混凝土体内的多余游离水分往往先附着在骨料上，胶体与骨料粘结面积减小，粘结力下降，混凝土硬化时会产生细小裂纹，从而降低了混凝土强度[3]。在水泥用量不变的情况下，水灰比过小，水泥浆就越稠，不仅混凝土拌和物的流动性变小，粘聚性也因混凝土发涩而变差，在一定施工条件下难以成型密实。

由于混凝土的碳化是CO2向混凝土内扩散的过程，混凝土的密实程度越高，扩散的阻力越大，混凝土的碳化深度就越小。混凝土碳化的深度还受单位体积的水泥用量或水泥石中的Ca（OH）2含量的影响。水灰比越大，单位水泥用量越小，混凝土单位体积内的Ca（OH）2含量也就越少，扩散的阻力就越小，CO2就越容易进入混凝土体内，碳化速度也就越快[4]。

因此，在施工中一定要精确计算和测量得出最佳水灰比、根据原材料变化动态调整优化配合比，确保二衬混凝土达到最佳性能保证二衬实体质量。

6.3加强通风降低洞内温湿度差异

混凝土的碳化是混凝土所受到的一种化学腐蚀。空气中CO2气渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，引起钢筋锈蚀。当然，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果。

其中，环境温湿度气候条件对混凝土的碳化速度具有明显的影响。随着环境温度的升高，CO2的扩散速度提高，混凝土碳化的化学反应速度提高，可碳化物质的迁移速度也在提高，这些均有助于混凝土碳化速度的提高；而随着环境相对湿度的提高，混凝土内部的孔隙水饱和度将增大，这将阻碍CO2在混凝土内的扩散速度，随着混凝土内部水分的增多，也将阻碍混凝土碳化化学反应的进行。故随着环境相对湿度不变而环境温度升高，混凝土的碳化速度将增大；而随着环境温度不变环境相对湿度增大，混凝土的碳化速度将减小。

混凝土的早期养护．主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭．防止有害的冷缩和干缩；另一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计指标。因此，通过加强隧道通风和喷淋养生（见下节），可以有效调节洞内温湿度的差异，减少二衬钢筋混凝土的碳化。

6.4投入二衬养护台车加强养生

隧道二衬完成浇筑并拆模后，为确保二衬质量，需及时进行洒水养护。长期以来，此项工作基本上采用洒水车、喷雾器或高压水枪等设施并通过人工操作来完成，不但劳动强度大、工作效率低，操作时不能使拱顶等上部混凝土得到充分养护，而且用水量大，易造成隧道基底泥泞不堪，影响文明施工环境。

本项目应广东省“双标”管理要求及二衬混凝土养生的实际需要，自行研究开发了南湾隧道二衬养护台车，解决了多年来隧道混凝土养护不及时、操作不方便、效果不明显等问题，有效提高了二衬混凝土的外观质量和强度，并进一步控制了二衬混凝土的碳化深度，确保二衬混凝土“内实外美”。以下主要介绍二衬养护台车的构造及使用。

6.4.1二衬养护台车设计

二衬养护台车主要采用I18工字钢作为主骨架，镀锌钢板作为水管托架，Ф22钢筋作为托架支撑，配以储水桶及水泵构成，台车行走系统主要由轮胎构成，挪移时采用装载机或人工推动，详见图5、图6。

图6南湾隧道二衬养护台车加工图

6.4.2养护台车材料、设备使用情况

该养护台车的主骨架采用I18工字钢，详见表2。为减轻养护台车自重，方便挪移，主骨架也可采用如I12工字钢、10#槽钢或DN80镀锌钢管等轻型材料。

表2养护台车材料重量计算

7推广应用情况

通过推广应用，过程中对技术措施和施工工艺作进一步试验、研究和总结，二衬钢筋制安、混凝土外观质量以及减少混凝土碳化、提高衬砌强度等方面的技术措施更加合理、成熟、更具说服力，取得了一系列标准化施工技术的成果，提出一整套二衬施工质量控制的技术措施，提高结构强度，延长结构使用寿命，优化配比取得经济效益，形成标准化作业成果，具有较大的推广价值。

7.1钢筋制安

隧道钢筋制安增设仰拱定位筋，二衬环向分布筋（加劲筋）及外漏钢筋头架立筋等工艺措施，相比以往项目检测钢筋间距、保护层合格率有了明显提高。其中仰拱钢筋间距合格率达95%以上，二衬钢筋间距达95%以上，保护层厚度合格率达85%以上。

7.2混凝土外观质量

通过落实混凝土外观质量技术措施，南湾隧道二衬外观质量良好，详见图7、8。

图9二衬喷淋养护台车

值得一提的是，通过原材料质量管控、加强洞内通风以及投入养护台车等举措，二衬回弹强度有了明显提升，强度富余系数得到进一步加强。通过优化配合比，C30二衬混凝土配比的水泥用量由原来379kg/m3降至357kg/m3，每方混凝土节约水泥用量达24kg，大大的节约了施工成本，取得了良好的经济效益。

8社会经济效益

1、有助于推进广东省高速公路建设“双标”管理，为后续工程项目提供良好的经验，为提高工程结构耐久性打下坚实基础，具良好的推广应用价值。

2、成果在南湾隧道二衬施工探索应用中取得良好的经济效益，合计约节省施工成本80万元。

9结束语

港珠澳大桥珠海连接线项目是“双标管理”重点执行项目，如何在规定工期内保质保量完成施工建设，同时着力做好工序标准化施工作业是项目管理的重点和难点。南湾隧道二衬施工开展以来，经过不断实践总结，摸索出一套行之有效的技术管控措施，如钢筋卡具、增设定位钢筋、加劲钢筋及短钢筋头等，解决了钢筋间距偏差较大及保护层合格率偏低等通病顽疾。特别是自行设计的二衬养护台车，既有效解决了二衬全断面养护难题，提高了二衬混凝土施工强度的同时，也降低了水泥用量，产生了良好的经济效益。南湾隧道在二衬混凝土施工质量上所采取的相关技术措施，对今后隧道施工有指导性和参考价值，具有广泛的推广应用前景。

参考文献：

[1]交通运输部.JTG/TF60-2009公路隧道施工技术细则[Z].人民交通出版社，2009，10：30.

[2]交通运输部公路局.高速公路施工标准化技术指南第五分册隧道工程[Z].人民交通出版社，2012，11.

[3]徐福纯.浅谈混凝土强度与水灰比的关系[J].水利天地，2002，06：47.

[4]张云飞，张德成等.混凝土耐久性研究概述[J].山东建材，2007，01：53.

作者简介：

魏义青（1982-），男，福建省建瓯市人，本科，工程师。