引水洞衬砌底板混凝土成品保护技术研究

张世强

云南省滇中引水工程有限公司 云南大理 671000

在国内以往引水隧洞的施工中，通常采取“先挖后衬”施工方案，待开挖贯通后再进行二衬施工，虽然不用对底板混凝土进行保护，但遇到特殊不良地质施工时存在软弱围岩变形甚至坍塌的安全隐患，施工安全风险较大。为此，海东隧洞在初步设计时，引入了施工安全步距控制的理念，即支洞进入主洞交汇地段和限排洞段必须按照设计“边挖边衬”要求进行施工组织，以确保施工安全。

海东隧洞前段布置4 条施工支洞配合主洞施工，在隧洞岩溶富水地段可能存在A、B 级涌水风险，需按照设计限排洞段“边挖边衬”要求组织施工。边挖边衬施工方案在国内以往水工隧洞施工中使用不多，为确保开挖与二衬同步作业，底板混凝土浇筑后需要过施工车辆，因此需要对底保混凝土采取措施进行保护。以往常采取钢板加橡胶带、浇筑混凝土保护层加橡胶垫层、垫设土工织物后浇筑混凝土等方式来保护成品混凝土，但其施工工序较多、施工方法比较繁琐，同时投入的施工成本比较大，因此需要我们研究一种工序更简单、成本更低廉、效果更好的混凝土成品保护技术。

1 工程概述

云南省滇中引水工程海东隧洞全长25.285km，过水隧洞底板纵坡i 为0.238‰，隧洞断面采用马蹄型断面形式，衬砌后断面尺寸9.46m×9.46m，现浇钢筋混凝土衬砌，Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩洞段衬砌厚度分别为0.5m、0.6m 和0.7m，断层破碎带及活动断裂带衬砌厚度0.8m。

为加快海东隧洞工程进度，在保证工程质量的前提下，施工单位研究底板混凝土成品保护措施，主要有以下几种方案：

（1）在浇筑成型的底板上铺筑4m 宽8mm 厚钢板；

（2）在浇筑成型的底板上铺筑4m 宽草垫，再铺筑5mm 厚钢板；

（3）在底板混凝土中间浇筑4m 宽10cm 厚混凝土保护层，在底板与保护层间铺筑塑料隔膜，方便后期拆卸。

三个方案的优缺点分析如下：

第一种方案，全洞需要铺设10.1 万平米钢板约375 万元，后期拆除时考虑钢板折旧回收约117 万成本，即需投入总成本258万元，但施工过程中钢板吊装麻烦，并且比较容易撞击混凝土破坏。

第二种方案，全洞需要铺设10.1 万平米草垫约101 万元，由于运行过程中草垫容易损毁，考虑1.3 损耗率后成本为131 万元，钢板只存在容重差费用约176 万元，即需投入总成本307 万元。

第三种方案，全洞需要浇筑10114m3垫层C20 混凝土，总成本约320 万元。由于垫层浇筑后需要一定的等强时间，施工速度相对较慢，但底板成品混凝土的保护效果好，洞内文明施工形象好。隧洞二衬典型断面图和底板保护措施示意图如下：

2 技术实施方法

2.1 试验方案

为实现工程目标，需要对方案再进行优化，分别展开两种工况下的试验，通过试验段来验证保护效果。工况一：无水洞段底板混凝土脱模后，在底板上铺设塑料隔膜，中间铺设20cm 粉土或细砂，上面再铺设细粒径洞碴。工况二：有水洞段底板混凝土脱模后，在底板上铺设塑料隔膜，中间浇筑低标号混凝土，上面再铺设细粒径洞碴。通过现场试验来确定：①塑料隔膜材质、厚度等质量要求，方便后期拆除时减少影响；②保护层混凝土配合比、合适的厚度、混凝土等强后通车时间；③底板混凝土上施工设备通行及会车要求。

V 类围岩二衬断面结构示意图

底板保护示意图

2.2 试验过程

（1）塑料薄膜材质以及后续拆除的影响。试验方案：为了模拟隧道内的水湿环境，在20-30cm 混凝土浇筑后12h 分别铺设14mm、8mm 和12mm 混凝土。模拟程序如下图所示。

现场养护混凝土强度增长实测曲线（单位：MPa）

施工保护层混凝土时环境温度变化曲线

在海东隧洞0#支洞上游主洞DL Ⅱ0+752 桩号实施上述试验。混凝土保护层浇注在底部混凝土上，保护层的混凝土强度在等强度36 小时后测定。用50t 混凝土罐车碾压混凝土保护层20 次，观察以下内容：①薄膜破损是否造成混凝土两层扩散；②薄膜铺装是否会影响底板混凝土表面质量；③底板混凝土保护层上施工车辆交汇和调头要求。

（2）混凝土保护层配合比、强度及厚度，等强后通车时间。先开展10cm 混凝土保护垫层的重车碾压试验，计算混凝土罐车通过时需要的混凝土最低强度。重车碾压工况示意图如下：

根据材料力学计算公式得出：δ=1.2G/（L×W）+1.2f/（W×w）。式中：δ 为保护层混凝土承受应力值，G 为罐车自重分配到单轮的重量；考虑12m3 罐车满载时自重50t，一共10 个轮胎受力，考虑单轮受力为5t，所以G=50kN；f 为罐车驱动摩擦力，f=μ×G，μ 取0.2，则f=0.2×50kN=10kN；L 为轮胎压地长度，根据实测L 取17cm；W 为轮胎宽度，根据实测W 为25cm；w 为保护层混凝土厚度，取10cm 计算。得出：

标号 配合比参数 单方材料用量用水量/Kg 水胶比 粉煤灰掺量% 砂率% 设计容重/Kg·m-3 水 水泥 粉煤灰 砂 小石 中石 减水剂C10 164 0.6 25 46 2410 164 205 68 907 1065 0 2.19 C20 159 0.5 25 45 2420 159 239 80 874 1069 0 2.54 C30 159 0.4 25 42 2420 159 298 99 783 1081 0 3.18

δ=1.2G/（L×W）+1.2f/（W×w）=（1.2×50kN）/（17cm×25cm）+（1.2×10kN）/（25cm×10cm）=1.89MPa。考虑2 倍安全系数，即保护层厚度取10cm。

底板施工循环时间推算：移开仰拱栈桥后开挖底板并清底6h →钢筋绑扎10h →模板及止水袋安装4h →底板混凝土浇筑8h →底板混凝土等强22h →铺薄膜及保护层混凝土浇筑4h →保护层混凝土等强36h，合计90h。即平均3.75d 浇筑一仓底板混凝土长度12m，按有效施工时间26 天计算，每月可施工底板二衬7环约84m，IV/V 类围岩能够跟上开挖进度要求（Ⅳ/Ⅴ类围岩平均进度80m/月）。

经过以上分析，拟定了C10、C20、C30 三种强度的配合比，如下表：

混凝土标号 水胶比 24h 抗压强度/MPa C10 0.6 7.2 C20 0.5 10.7 C30 0.4 15.5

为了保证混凝土表面的平整度，通过配合比试验，确定采用c10 混凝土作为保护层是可行的。考虑2 倍安全系数，混凝土强度取C20。

（3）保护层混凝土对于已浇筑的底板混凝土质量的影响，试验后待验证的内容试验结果如下表所示。

表1 保护层厚度变化对底板混凝土的质量影响

3 结语

隧洞衬砌底板采用8mm 厚薄膜作为混凝土分隔层、10cm 厚C20 混凝土作为的过车保护层、填筑50cm 厚细粒径洞渣，能够满足隧洞衬砌底板的施工质量要求；底板二衬施工理论循环时间3.75d，每月施工7 环约84m，能够保证IV 类和V 类围岩边挖边衬施工要求。其他技术要点有：

（1）隧洞过底板二衬的主要交通设备为10m3混凝土罐车、湿喷机械手、3m3斗容装载机、25t 自卸汽车。

（2）底板保护用的各类原材料品质、等级对结果有一定的影响。

（3）底板开挖清底、立模、钢筋安装等工序循环时间还有提升空间。

（4）本方案仅考虑保护底板混凝土的材料铺设及回填费用，未考虑临时工程后期拆除费用。

本工程采用引水洞底板混凝土成品保护技术，满足限排洞段“边挖边衬”的设计要求，实现了隧洞开挖与二衬同步作业，压缩了二衬及固结灌浆工期，降低了软弱围岩地段的施工安全风险，使工程能够持续均衡平稳推进。本方案所采取的底板混凝土成品保护技术，同类引水工程值得借鉴。