输水隧洞内衬钢管外包自密实混凝土施工工艺

输水隧洞内衬钢管外包自密实混凝土施工工艺

伍玉龙

广东水电二局股份有限公司广东广州511340

摘要盾构隧道完成内衬钢管安装后，内衬钢管与盾构管片之间需要填充自密实混凝土，其施工工作面受限、混凝土水平输送距离较长、混凝土强度低、工期进度较为紧张，盾构隧道内衬大口径薄壁钢管、间隙填充低强度自密实砼的工艺在国内外类似工程中较为少见，施工难度较大，施工质量风险较高。本文结合珠三角水资源配置工程试验段项目工程实践，简要介绍内衬钢管外包自密实混凝土的生产拌和、浇注等各项参数和施工工艺。

关键词内衬钢管自密实混凝土施工工艺

1.工程概况

珠江三角洲水资源配置工程深圳分干线起点为罗田水库南侧新建的罗田加压泵站，终点为公明水库，线路下穿公明水库4#主坝左坝肩进入水库，在库内设进库闸。线路全长11.9km，设计输水流量为30m³/s。本次选择深圳分干线桩号GM10+200.672~GM11+866.505作为试验段。

盾构隧洞内径5.4m，内衬钢管内径为4.8m，内衬钢管和盾构管片之间填充自密实混凝土，厚度在27.0~28.0cm之间。内衬钢管外侧设置有加劲环，最小布置间距为1.5，高度12cm。自密实混凝土通过内衬钢管开孔预留的浇注孔进行浇注，浇注(注浆)孔布置最大断面间距为6.0m，每个断面布置三个浇注孔，即腰部两个、拱部一个。

2.混凝土输送入仓

2.1.泵送设备选型

采用HBT60型混凝土输送泵泵送入仓，混凝土泵送最大水平输送距离约为350m，经核算其技术性能满足施工要求。

2.2.输送管路布置

混凝土输送泵布置于SY出发井1#顶部施工场地平台，输送泵泵管内径为125mm。泵送管路沿基坑井壁、支撑梁自上而下垂直布置至井底，然后沿盾构隧洞衬砌管片底部水平布置延伸至浇注仓面。输送泵管与基坑支撑梁、井壁等混凝土结构采用预设膨胀螺栓进行焊接连接锚固，防止混凝土泵送过程中，因泵送压力使得泵管颤动，造成爆管事故。

2.3.连接套筒装置

自密实混凝土流动性较大，内衬钢管拱部浇注孔处需设置连接套筒装置，外接输送泵管，便于混凝土泵送入仓，避免浇注过程中漏浆，防止混凝土倒流。

连接套筒装置主要结构件为一内径Φ125mm止回阀，其两端均设置法兰盘，内侧端与内径为136mm无缝钢管进行法兰连接，外侧端预留与泵管连接的法兰盘。

采用拱部浇注孔进行自密实混凝土泵送浇注之前，将该连接套筒装置放置至浇注孔内，内侧端无缝钢管与内衬钢管加强钢板进行临时电焊连接固定。外侧端止回阀预留法兰盘与混凝土泵管进行连接，即可进行混凝土泵送入仓浇注，混凝土输送泵泵管内径为125mm。该浇注孔混凝土浇注完成或中途暂停后，拆除泵管连接端头处法兰连接，转入下一浇注孔，与已安装好的连接套筒装置连接即可继续进行混凝土浇注，如此循环往复、逐孔浇注，直至浇注密实为止。待全仓混凝土浇注完成并终凝后即可将连接套筒装置拆除取出，旋入封堵钢板。

3.浇注过程钢管受力分析

自密实混凝土浇注过程中内衬钢管受力分析主要考虑底部承受浮力，腰部承受侧向压力及顶部承受重力等基本可不考虑。自密实混凝土浇注过程中钢管承受浮力计算如下：

自密实混凝土分仓浇注长度基本控制为18.0m，按单仓自密实混凝土浇注对应的内衬钢管长度为一计算单元，长度18m内衬钢管总重量(厚度22m，Q235C)约为54.0t，重力即为：G=mg=54.0×9.8=529.2kN。

自密实混凝土分层浇注高度计算模型假设的理想条件为：浮力等于自重、混凝土浇注面为水平面。自密实混凝土浇注过程中内衬钢管所承受的浮力按下式计算：

F浮=ρ混凝土gV排

上式中：ρ混凝土——液态混凝土密度，取2451kg/m³；g——重力与重量的比值；V排——内衬钢管排开混凝土的体积。

当内衬钢管所承受的浮力恰好等于其钢管自重时，计算此时混凝土浇注临界高度。

529.2KN=2451kg/m³×9.8N/kg×V排

经计算，V排=22.03m³，即为钢管沉入混凝土内的体积，换算为混凝土浇注临界高度为85cm。

由以上计算得出，当内衬钢管外包自密实混凝土浇注高度上升85cm时，混凝土浮力接近于钢管自重，如继续浇注上升，则浮力将超过钢管自重，将可能会造成钢管浮起变形，此时应暂停浇注、待凝一段时间后方可继续浇注上升。

各分节钢管端部采用型钢进行“米字形”顶紧加固，在进行最底层自密实混凝土浇注过程中，必须控制第一层浇注高度不得超过85cm，将混凝土的浮力控制在钢管自重范围内。还应对混凝土的浇注速度、升层高度、下料方式等方面进行严格控制，即可实现内衬钢管在混凝土浇注过程中的稳定。

4.主要施工工艺说明

4.1.混凝土分层

通过浇注过程钢管受力分析计算可知，当内衬钢管外包自密实混凝土浇注高度上升至85cm时，混凝土浮力接近于钢管自重，如继续浇注上升，则浮力将超过钢管自重，将可能会造成钢管浮起破坏，此时应暂停浇注、待凝一段时间后方可继续浇注上升。

当自密实混凝土浇注超出临界面高程后，即钢管腰部或拱部位置时，此时自密实混凝土主要对钢管产生侧向压力与重力作用，不存在浮力的影响，且钢管与混凝土之间有一定的黏结力，新浇自密实混凝土侧向压力与重力计算值均远小于内衬钢管容许应力控制值，临界面以上部位可允许连续浇注。

但因混凝土分仓封堵快易收口网较为柔性，为避免一次浇筑高度过高，而无法承受侧向压力至胀模，导致混凝土外溢。各分仓自密实混凝土共分四层进行浇注，两侧均衡对称上升，控制浇注上升速度，避免钢管上浮、移动。

自密实混凝土浇注分层如下图所示。

4.2.混凝土分仓、分段

(1)混凝土分仓

内衬钢管分节进洞安装长度为9.0m，其外包自密实混凝土浇注分仓标准长度为18.0m。

采用快易收口网免拆模板作为分仓浇注封堵模板，设计、预制环形快易收口网模板，可免除接缝凿毛。每隔18.0m采用快易收口网进行全环分仓封堵与固定，单环快易收口网免拆模板事先加工成单片预制构件，采用钢筋作为支架，各分段内衬钢管安装就位后将快易收口网预制构件钢筋焊接固定于钢管端口加固型钢处。

可实现钢管安装固定与混凝土浇注两个工作面互不影响，提高施工效率，且有效解决了混凝土泵送施工过程中的排气卸压难题，避免爆模。

(2)混凝土分段

除始装节作为一个施工分段单独先行浇注完成外，其余基本按照每3个分仓(3×18=54m)作为一个施工分段。各分仓混凝土按照确定的分层浇注高度并结合同一施工分段内各相邻仓面进行阶梯式分层连续、流水搭接工艺进行混凝土浇注循环作业。

4.3.混凝土浇注/注浆孔布置

自密实混凝土通过内衬钢管开孔预留的浇注孔进行浇注，浇注(注浆)孔布置断面标准间距为6.0m，每个断面布置三个浇注孔，即两侧腰部各一个、拱部一个，拱部浇注孔与灌浆孔结合。

浇注孔为浇注自密实混凝土用，浇注孔直径在钢管管身处为Φ170，在外侧加强钢板处为Φ150；注浆孔为二次注浆用，利用浇注孔采用临时注浆螺栓，注浆孔直径为Φ50。

待自密实混凝土浇注完成后将临时螺栓旋入浇注孔，从临时螺栓中预留的注浆孔进行注浆。注浆结束后取下临时螺栓，旋入永久螺栓，再放置封堵钢板并焊接。

各分仓第一层与第二层混凝土采用接三通管通过钢管腰部两侧的1#浇注孔进行入仓，确保两侧面混凝土同步均衡上升。第三层与第四层混凝土则通过钢管拱部的2#浇注孔进行入仓，混凝土自由下游高度不得超过5.0m，内衬钢管拱部浇注孔处需设置连接套筒装置。

4.4.混凝土入仓浇注

自密实混凝土采用混凝土输送泵泵送入仓，采用平铺法进行浇注。为防止自密实混凝土浇注过程中钢管上浮、移位与变形，在进行最底层自密实混凝土浇注过程中，尽量将混凝土的浮力控制在钢管自重范围内，并确保混凝土在内衬钢管两侧同步、均衡上升，避免单侧浇注过快，导致内衬钢管因混凝土侧压力不均而产生偏移。

4.4.1.混凝土泵送技术措施

(1)混凝土泵送前应用高强度等级砂浆进行试泵，以湿润和密封管壁，减少管壁对混凝土拌合物的阻力，保证自密实混凝土泵送的顺利进行。混凝土泵送应连续进行，停顿时间不宜过长，一般不应超过15min，以免造成混凝土堵管现象。混凝土进行浇注时应观察混凝土的浇注情况，必要时应适当敲击管壁进行浇注密实度检测；

(2)浇注混凝土时，内衬钢管两侧应均匀对称浇注，防止高差过大使钢管发生侧向移位、变形等事故；

(3)为避免混凝土浇注影响钢管安装作业，泵送混凝土浇注管节与安装对接、焊接的管节间隔滞后不少于两个管节、即18.0m；

(4)当砼供应不及时，降低泵送速度保持连续泵送，但不能超过混凝土初凝时间；等待砼时间较长时，应每隔5～10min左右启动一次泵或反、正转泵数次，以防堵塞；

(5)当砼泵送完毕，泵管的清洗首先采用风压清洗。当风压无法清洗干净管路时，采用水洗必须及时掌握管道内清洗情况。管内砼一清除干净，立即停止，尽量避免过多水流进入仓内；

4.4.2.混凝土入仓浇筑

自密实混凝土浇注分层首先通过两侧腰部浇注口入仓，两侧同步均匀下料。待混凝土浇筑上升至腰部浇注口部位时，封堵腰部浇注口，通过顶部浇注口入仓。

根据盾构隧洞纵向设计坡比，各分层混凝土浇筑自低处往高处逐步泵送入仓。根据混凝土配合比设计确定的初凝时间，各分层混凝土浇注间隔时间暂定为1.5h，实际浇筑入仓施工过程中，可通过现场取样混凝土的实际初凝情况予以确定。各分仓自密实混凝土按照确定的浇注分层高度与入仓顺序，并结合同一施工分段内各相邻仓面进行阶梯式分层连续、流水搭接工艺进行混凝土浇注循环作业。

5.结语

采用盾构隧道内衬钢管外包自密实混凝土施工工艺，在工作面受限条件下高质量完成长距离、低强度自密实混凝土浇注施工，达到了预期的施工效果，可为国内外类似工程施工提供一定的借鉴。其主要施工工艺与经验总结如下：

①快易收口网预制构件作为分仓封堵模板使得内衬钢管安装与自密实混凝土浇注两个工作面互不干扰、可分别独立作业；

②混凝土浇注孔布置较为适用、合理，便于混凝土填充密实、饱满；

③可泵性高、自流平性能良好的自密实混凝土配合比设计是保证施工质量的关键；

④抵抗浮力的阶梯式分仓分层浇注施工工艺确保自密实混凝土浇注的持续性；

⑤长距离混凝土泵送施工工艺，避免和解决了混凝土输送过程中的堵管难题。