西江引水工程在穿越小塘立交(大型立交)時(shí)采用了盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用厚度為300mm的預(yù)制鋼筋混凝土管片，隧道內(nèi)徑為5400mm。為了確保供水安全，盾構(gòu)隧道內(nèi)襯DN4800的大口徑鋼管。重點(diǎn)介紹了盾構(gòu)內(nèi)襯大口徑鋼管施工的工藝流程和技術(shù)要點(diǎn)，在工程實(shí)踐中成功攻克了大口徑鋼管在隧道內(nèi)的運(yùn)輸、對接、焊接和自密實(shí)混凝土澆筑等技術(shù)難題，可為其他同類工程提供參考。

1工程概況

近年來，盾構(gòu)法施工技術(shù)在長距離輸水管線中得到了快速發(fā)展，埃及穿越蘇伊士運(yùn)河輸水隧洞工程、南水北調(diào)、上海青草沙原水工程等都采用了盾構(gòu)技術(shù)。

國內(nèi)外的工程實(shí)踐表明，盾構(gòu)隧道作為輸水管道的一種基本形式是切實(shí)可行的。廣州市西江引水工程小塘立交段需要穿越廣茂鐵路、G321國道、廣三高速公路和西二環(huán)高速公路等重要障礙物，在如此復(fù)雜的施工環(huán)境中采用明挖敷設(shè)的施工技術(shù)是非常困難的。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和供水安全性等因素綜合分析，確定采用盾構(gòu)工法建成單線的盾構(gòu)隧道，線路長約2355m。

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，外徑為6000mm，內(nèi)徑為5400mm，管片厚度為300mm。為了確保供水安全，盾構(gòu)工程采用雙層襯砌方案，即在管片隧道內(nèi)襯砌DN4800的鋼管，壁厚為20mm，材質(zhì)為Q235C，每延米質(zhì)量為2．38t。為使通水后內(nèi)襯鋼管承受內(nèi)水壓與管片承受外水壓相互分開，在隧道上部240°范圍內(nèi)鋪設(shè)聚乙烯泡沫板及沿隧道方向均布5根與隧道同長的DN50排水花管。內(nèi)襯鋼管與管片之間回填C20自密實(shí)混凝土，回填采用鋼管開孔灌注的方法進(jìn)行。

2盾構(gòu)隧道內(nèi)襯鋼管施工流程

為了確保按時(shí)完工，該盾構(gòu)工程自廣三高速公路南側(cè)的盾構(gòu)始發(fā)井分別向接收井1和接收井2掘進(jìn)，形成西線隧道和東線隧道，東線、西線的內(nèi)襯鋼管作業(yè)分別同時(shí)進(jìn)行。管道運(yùn)輸方向?yàn)槭及l(fā)井至兩個(gè)接收井，鋼管內(nèi)襯的安裝方向則從兩個(gè)盾構(gòu)接收井退向始發(fā)井，最后在盾構(gòu)始發(fā)井完成鋼管的合龍。

為減少隧道內(nèi)焊接工作量，在盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)置焊接轉(zhuǎn)臺(tái)，采用埋弧自動(dòng)焊將兩節(jié)6m鋼管焊接成一根12m長的鋼管段。采用自行研制的運(yùn)輸臺(tái)車在隧道內(nèi)實(shí)施鋼管的運(yùn)輸和對接，在隧道內(nèi)完成鋼管內(nèi)環(huán)縫焊接后，對已固定的鋼管每隔24m安裝快易收口網(wǎng)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行分倉，對每一分倉進(jìn)行自密實(shí)混凝土分層澆筑，然后進(jìn)行鋼管內(nèi)防腐修復(fù)，東、西線隧道內(nèi)襯鋼管在始發(fā)井合龍后進(jìn)行管道試壓。

3內(nèi)襯鋼管施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1鋼管運(yùn)輸與對接技術(shù)

①鋼管排版設(shè)計(jì)與制作

由于受地面建(構(gòu))筑物的限制，盾構(gòu)隧道線路由圓曲線與直線段交替的線形組成，共有5段圓曲線，曲線長度占隧道總長度的比例超過50%，其中最小半徑為300m。在盾構(gòu)隧道分部工程完成后，進(jìn)行隧道貫通測量和斷面測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)襯鋼管排版設(shè)計(jì)，將每節(jié)鋼管設(shè)計(jì)成一端直口和一端為斜口的形式，沿著圓弧的割線布設(shè)，并編號(hào)標(biāo)識(shí)。其中，在始發(fā)井焊接轉(zhuǎn)臺(tái)以“直口對直口”的形式對接，在隧道內(nèi)以“斜口對斜口”的形式對接。此外，在每節(jié)鋼管兩端管口縮進(jìn)250mm處設(shè)置“內(nèi)法蘭+傘形槽鋼”形式的內(nèi)支撐，以有效控制變形量。鋼管制作、編號(hào)和內(nèi)支撐安裝均在鋼管制造廠內(nèi)完成。

②施工難點(diǎn)

在盾構(gòu)始發(fā)井焊接轉(zhuǎn)臺(tái)將兩節(jié)DN4800鋼管焊接成一根12m鋼管，質(zhì)量約28．56t。在隧道中心軸線與鋼管中心軸線完全重合的理想情況下，鋼管與管片的間隙僅為280mm，在盾構(gòu)曲線段的間隙還要小。在如此狹小的空間內(nèi)完成大型鋼管運(yùn)輸和安裝的難度極大，在國內(nèi)外的工程實(shí)踐中并無先例可供借鑒。

③解決方案

為解決隧道內(nèi)鋼管運(yùn)輸和對接技術(shù)難題，采用“電瓶車+軌道+臺(tái)車”運(yùn)輸方案。

隧道內(nèi)軌道選用22kg輕軌，采用斜三角塊的軌枕在管片上施作膨脹螺栓并焊接固定，軌道中心距為950mm，軌枕按1500mm間距鋪設(shè)，每間隔6000mm采用8#槽鋼進(jìn)行水平固定，在軌道底澆筑混凝土平面，控制混凝土面與管片內(nèi)壁最低點(diǎn)距離為120mm。臺(tái)車在鋼管內(nèi)的行走軌道為11m長的整體式“活動(dòng)軌道”，由輕軌、槽鋼和枕木預(yù)制而成。自行設(shè)計(jì)研制的運(yùn)輸臺(tái)車見圖3，采用踏步式的方法跨入或跨出鋼管。臺(tái)車動(dòng)力采用盾構(gòu)施工時(shí)同型號(hào)的電瓶車，電瓶車通過連桿與臺(tái)車固定連接，推動(dòng)臺(tái)車馱運(yùn)鋼管前行。參照火車輪內(nèi)側(cè)車輪轂的形式定制加工臺(tái)車車輪組，保證在軌道上滑行方便，方向可控不脫軌。臺(tái)車共有3組支撐臂，每一個(gè)支撐臂都配有一套獨(dú)立的液壓裝置，用以調(diào)整各自高度，靈活地實(shí)現(xiàn)爬管踏步動(dòng)作。在臺(tái)車中部安裝帶液壓油缸和轉(zhuǎn)臺(tái)輪組裝置的龍門支撐架，一方面可頂升、支承鋼管，并通過調(diào)整兩組液壓油缸的高度實(shí)現(xiàn)鋼管安裝時(shí)裝配間隙的調(diào)節(jié)，另一方面可對鋼管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)微調(diào)，調(diào)整對接點(diǎn)位置和焊縫位置。臺(tái)車兩端焊接有槽鋼架，用于懸掛手拉葫蘆和活動(dòng)軌道。

④運(yùn)輸和對接流程

a．通過龍門吊將始發(fā)井內(nèi)12m長的鋼管放置在隧道口軌道上，讓臺(tái)車前端接近鋼管，利用手拉葫蘆將“活動(dòng)軌道”放置于鋼管內(nèi)。

b．提升臂一，使其慢慢爬入鋼管內(nèi)的“活動(dòng)軌道”并落穩(wěn)。提升臂二并前行，使其爬入“活動(dòng)軌道”內(nèi)，完成向上跨步動(dòng)作。

c．提升臂一，電瓶車推動(dòng)臺(tái)車，臂二在鋼管內(nèi)活動(dòng)軌道上往前移動(dòng)。當(dāng)臂一離開鋼管前端而臂二尚未跨出鋼管時(shí)，臂一先降至軌道上，臂二抬起，臺(tái)車往前移動(dòng)，完成向下踏步動(dòng)作。

d．當(dāng)鋼管處于臺(tái)車中間位置時(shí)，臺(tái)車停止前行。提升臺(tái)車上的龍門支撐架承托起整條內(nèi)襯鋼管，通過輪組裝置對管身進(jìn)行微調(diào)，盡可能使鋼管與隧道的上、下間隙均等，臺(tái)車和鋼管在電瓶車推動(dòng)下沿軌道前行，實(shí)現(xiàn)在隧道內(nèi)的運(yùn)輸。

e．運(yùn)輸?shù)竭_(dá)目的地后進(jìn)行鋼管對接。利用手拉葫蘆將整體式活動(dòng)軌道移入前一段已安裝固定的鋼管內(nèi)，完成臂一和臂二的跨步動(dòng)作后，先將待固定鋼管節(jié)底部的軌道進(jìn)行回收，然后通過龍門支撐架的轉(zhuǎn)臺(tái)輪組裝置調(diào)節(jié)好在各個(gè)方向上的裝配間隙，并用鋼質(zhì)楔塊將鋼管焊接固定，完成鋼管的對接。

f．放下龍門支撐架，收起“活動(dòng)軌道”，采用后踏步動(dòng)作退出鋼管，由電瓶車牽引回始發(fā)井進(jìn)行下一段鋼管的運(yùn)輸。

3.2管道焊接

①焊接施工

鋼管焊接施工主要分為始發(fā)井轉(zhuǎn)臺(tái)上焊接和隧道內(nèi)焊接。為減少隧道內(nèi)焊接工作量，在始發(fā)井轉(zhuǎn)臺(tái)將兩節(jié)鋼管以“直口對直口”形式焊接，將內(nèi)襯鋼管焊縫總量的50%改為在隧洞外完成。觀察注漿孔位置并轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管完成對接，然后采用埋弧自動(dòng)焊，雙面焊接成型，焊接作業(yè)主要為平焊，既改善了工作環(huán)境，又提高了焊接質(zhì)量和速度。

隧道內(nèi)鋼管焊接施工采用焊條打底+CO2填充焊，由于空間受限，為單面焊接雙面成型，多數(shù)為立焊和仰焊作業(yè)，施工質(zhì)量控制難度大。

②質(zhì)量控制

在焊接施工過程中，從以下6個(gè)方面采取措施確保焊接質(zhì)量。a．正式焊接作業(yè)前開展生產(chǎn)性焊接試驗(yàn)，進(jìn)行焊接工藝評定，確定內(nèi)襯鋼管焊接工藝和技術(shù)參數(shù)，并實(shí)行施焊許可制度。b．在始發(fā)井焊接轉(zhuǎn)臺(tái)上方搭建活動(dòng)雨篷，防止上方露水或雨水滴落影響焊接質(zhì)量。c．焊接過程中不得隨意引弧或電弧擦傷。d．預(yù)熱及后熱溫度應(yīng)有明顯的標(biāo)識(shí)以便監(jiān)理工程師檢查，預(yù)熱寬度焊縫兩側(cè)各大于3倍的板厚，且不小于100mm，貼角焊縫要預(yù)熱。e．在焊接區(qū)設(shè)置上風(fēng)口擋板以保證空氣流速滿足CO2保護(hù)焊的要求。f．始發(fā)井轉(zhuǎn)臺(tái)的焊縫采用X射線(RT)檢測，隧道內(nèi)環(huán)向焊縫采用100%超聲波(UT)檢測。根據(jù)原焊接方法及焊接工藝對不合格的焊縫實(shí)施返修處理，返修后的焊縫應(yīng)修磨光順，按照原檢驗(yàn)要求進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，且返修次數(shù)不得超過2次。

3.3自密實(shí)混凝土澆筑

①自密實(shí)混凝土配合比的優(yōu)化

自密實(shí)混凝土有高流動(dòng)性、不離析、均勻性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，澆筑時(shí)依靠其自重流動(dòng)，無需振搗而達(dá)到密實(shí)。該工程內(nèi)襯鋼管與管片間的間隙小，采用C20低強(qiáng)度自密實(shí)混凝土進(jìn)行澆筑，免除了常規(guī)混凝土澆筑的振搗。

針對自密實(shí)混凝土的特點(diǎn)，工程從以下5個(gè)方面優(yōu)化其配合比，提高質(zhì)量。a．降低水膠比，有利于混凝土的泵送施工。b．增加膠合材料的比例，提高混凝土的質(zhì)量密度。c．調(diào)整石料級(jí)配，選用尺寸規(guī)格較低的片狀瓜米石，以提高混凝土的和易性，確保其流動(dòng)性、保水性和粘聚性。d．加大粉煤灰摻量，增強(qiáng)流動(dòng)性。e．充分運(yùn)用聚羧酸外加劑進(jìn)行保坍。

②注漿孔和補(bǔ)充注漿孔的設(shè)置

內(nèi)襯鋼管注漿孔和補(bǔ)充注漿孔布置見圖4。每24m鋼管，在時(shí)鐘3點(diǎn)和9點(diǎn)(腰部)位置共布置4個(gè)DN136注漿孔(2、5斷面)，在時(shí)鐘12點(diǎn)(頂部)位置布置3個(gè)DN136注漿孔(2、3、5斷面)和3個(gè)DN48的補(bǔ)充注漿孔(1、4、6斷面)。補(bǔ)充注漿孔用于檢查泵送混凝土密實(shí)度，同時(shí)兼作排氣和補(bǔ)充注漿。

③采用快易收口網(wǎng)預(yù)制構(gòu)件實(shí)行分倉

隧道內(nèi)每安裝固定24m鋼管，在離管口200mm處的鋼管外壁焊接快易收口網(wǎng)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行隔離分倉，主要作用包括3個(gè)方面:一是確保鋼管安裝、混凝土泵送兩個(gè)工作面互不影響，提高施工效率。二是利用快易收口網(wǎng)的特殊結(jié)構(gòu)免除了施工縫鑿毛，有助于泵送混凝土施工的排氣。三是分倉避免鋼管管身各部位受浮力不均造成鋼管失穩(wěn)，提高了隧道的安全性能。

④分層澆筑

利用DN136注漿孔進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆筑，由于自密實(shí)混凝土澆筑產(chǎn)生的浮力較大，對每個(gè)倉分3層進(jìn)行澆筑，分層注漿高度根據(jù)浮力和自重平衡計(jì)算確定。前一層初凝后(約6～10h)再進(jìn)行下一層注漿，相鄰倉位的第一層注漿可與上一個(gè)分倉的第二層注漿同步進(jìn)行。泵送混凝土過程中充分利用補(bǔ)充注漿孔，必要時(shí)及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

⑤控制措施

在自密度混凝土澆筑過程中，從5個(gè)方面采取措施保障施工質(zhì)量。a．澆筑混凝土前，在補(bǔ)強(qiáng)板上抹油，防止補(bǔ)強(qiáng)板與混凝土粘結(jié)。b．在混凝土泵送前，用高強(qiáng)度等級(jí)砂漿進(jìn)行試泵，以濕潤和密封管壁，減少管壁對混凝土拌合物的阻力。c．泵送過程中，嚴(yán)格控制泵送壓力，并加強(qiáng)鋼管變位和抬動(dòng)觀測，防止管壁失穩(wěn)和變形。d．分層泵送混凝土前，采用稍高于泵送壓力的水(其壓力不高于鋼管抗外壓的安全壓力)擠開補(bǔ)強(qiáng)板與混凝土間的縫隙。e．為保證混凝土的泵送不影響鋼管的安裝，泵送混凝土的管節(jié)與對接、焊接的管節(jié)至少間隔錯(cuò)開兩倉即48m以上為宜。

4結(jié)語

廣州市西江引水工程中小塘立交段采用盾構(gòu)法，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用厚度為300mm的預(yù)制鋼筋混凝土管片，在盾構(gòu)內(nèi)徑為5400mm的隧道二次襯砌DN4800的鋼管，鋼管承受內(nèi)部水壓，盾構(gòu)管片承受外壓，提高了管道的安全可靠性。該工法施工技術(shù)難度極大，在國內(nèi)外可查閱資料中尚無先例可循，在工程實(shí)踐中，成功攻克了大口徑鋼管在隧道內(nèi)的運(yùn)輸、對接、焊接和自密實(shí)混凝土澆筑等技術(shù)難題，為今后其他同類工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。