多孔混凝土衬砌结构施工工艺探讨

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[摘要]本文以威海某已建隧道为工程背景，目的在于探讨抗火性能良好的新型混凝土衬砌结构，因而提出了在衬砌结构内表面预留孔道的方法，并研究了多孔混凝土衬砌结构的施工工艺及成型效果。由于混凝土在火灾下会发生严重爆裂，加入孔道的这一新型结构对隧道衬砌抗火有一定的工程意义，可供类似工程参考。

[关键词]隧道；火灾；衬砌；孔道；爆裂

文章编号：2095-4085（2015）07-0100-02

随着越来越多的隧道修建，发生隧道火灾的概率也随之增加。衬砌结构作为隧道的重要组成部分，其抗火性能不容忽视。火灾下高温条件会导致混凝土衬砌结构力学性能的劣化，严重时还会引发爆裂，对衬砌结构造成严重的破坏。国内外学者对混凝土爆裂的成因进行了探讨，有两种主要解释：热应力机理和蒸汽压机理，并提出了一系列有效的预防措施，主要有添加纤维和对构件表层进行耐火隔热处理两种方法。添加纤维主要是指聚丙烯纤维和钢纤维，聚丙烯纤维的熔点低，在高温条件下，提前熔化的聚丙烯纤维会被周围的水泥吸收并留下其原本占据的空间，形成相互贯通的孔道，有利于高温下所形成的水蒸汽排出结构外。基于以上观点，并考虑到增大结构孔隙和降低含水率有利于减小高温下混凝土的爆裂，并且增大混凝土的表面积能够使水蒸汽逸出其表面的渠道增多，在火灾高温时多释放一些蒸汽压从而减少爆裂的发生几率。

1.工程概况

某已建隧道工程由主线及支线组成，整体走向呈“人”字型，具体的工程参数如下所示：主线隧道按Ⅲ类城市交通隧道建设，采用分离式独立双洞设计，隧道单洞宽9m，净高7.5m，洞口净间距为17m；设计起止桩号为K0+540.00～Kl+900.00，长度1440m，洞体走向近似为南北；支线隧道按Ⅲ类城市交通隧道建设，采用单向单洞双车道设计，隧道单洞宽9m，净高7.5m；设计起止桩号为Y3K1+99.565-Y3K1+960.00，长度860.435m，洞体走向近似为西北一东南。表1列出了隧道围岩各岩层的参数。围岩从地面起自上而下第一层为厚度16m的残积土，第二层为厚度13m的强风化花岗岩，第三层为弱风化～新鲜花岗岩。其中隧道位于第三层。

2.隧道衬砌结构预留孔道的施工方法

2.1预留孔道的施工艺

陈明莉指出目前混凝土施工中最常用的两种施工工艺是波纹管预留孔道和橡胶抽拔棒预留孔道，且橡胶抽拔棒无论质量还是成本都较低。衬砌管片管孔可为抛物线形或直线形，孔道预留可采用橡胶抽拔棒，也可采用波纹管。对于长10m以内的孔道，可采用单根橡胶棒从一端进行抽拔；对于长10m以上的孔道，可以采用2段橡胶棒分别从两端进行抽拔，中间的连接处可以外套长30cm的波纹管，并用胶带密封。

张恒仁等介绍了陕西奉天橡胶厂生产的一种扁体橡胶抽拔棒，其扯断伸长率很大，纵向伸长后径向会有较大的收缩，在混凝土终凝后的任意时间内都可以顺利将其抽拔出。该种橡胶抽拔棒内面插有圆钢，能保证混凝土振捣过程中，孔道不变形，并保证孔道周围混凝土密实；最终形成的孔道光滑顺直；可以重复使用，性价比高。要求混凝土终凝后1小时内将橡胶棒中的圆钢拔出。

对于采用波纹管预留孔道，它的施工好坏直接关系到构件的张拉质量。施工过程中要注意严格按照设计要求在底模上放样定位，将钢筋牢固的安装于钢筋骨架上，为避免砂浆进入波纹管，在波纹管的接头处需要另加套管，此处可用胶带将其包裹密实。

2.2质量对比分析

陈明莉对两种施工工艺进行了质量对比分析，指出波纹管预留孔道属于埋设管道法，它的缺点是在混凝土浇筑振捣过程中易导致其发生变形甚至破裂。抽拔式橡胶棒预留孔道，它的缺点一是拔胶管时间过早易导致塌孔变形，二是拔胶管时间过晚易导致拔不出，最终成孔失败。若采取适当的措施，上述的问题都可以避免，所以以上两种施工方法均可以满足工程需求。由于后张法孔道的设置并非多数采用多曲线型，而是采用抛物线或直线型，因此不需要提前埋束，橡胶棒也比较容易拔出，所以以上两种预留孔道的方法都可以满足穿束的要求。

2.3成本对比分析

陈明莉对两种施工工艺的成本进行了对比分析，指出按照现今的市场行情，波纹管按7元/m计算，若管道采用横向布置，每片梁按设置100m的孔道计算，共需花费约700元左右。橡胶抽拔棒约每米30元，每片梁共需要花费材料成本3000元，但由于其可以重复使用，若按摊销20次来算，每片梁共需花费约150元左右。由此可以得出，采用橡胶抽拔棒比较经济，每片梁比波纹管节省约450元左右。

3.隧道衬砌结构预留孔道的设置及成型构浩

仿照后张法预应力混凝土构件的施工工艺，一般预留孔道净距不小于25mm，孔道至构件边缘的净距不小于25mm，且不小于孔道直径的一半。

考虑到孔道成形的方便性，本文选用圆形孔道形式来建立多孔混凝土衬砌结构。尽量减少孔道对衬砌结构承载力的影响，并考虑隧道衬砌结构的平面应变特性，本文采用小孔道、密集布置于靠近隧道净空表层的方式，取孔道直径30mm，将孔道圆心设置在距衬砌内表面35mm位置处，沿隧道纵向的间距为60mm。孔道宜沿隧道环向设置，不仅施工艺较为成熟、经济性好、减轻了结构自重且孔道可以与结构的外排水设施连通，方便其内排水。

4.结语

通过本文的研究可知：多孔衬砌结构中孔道的预留，可以采用橡胶抽拔棒或者波纹管的方式，施工简单，造价低。衬砌结构孔道采用圆形小孔均匀、密集布置于隧道净空表层的方式，且宜沿隧道环向设置，不仅施工工艺较为成熟、经济性好、减轻了结构自重且孔道可以与结构的外排水设施连通，方便其内排水。