秦嶺Ⅰ線隧道仰拱預(yù)制塊施工技術(shù)

1、秦嶺線隧道仰拱預(yù)制塊施工技術(shù)總結(jié)楊書江（中鐵隧道局一處南京盾構(gòu)經(jīng)理部）摘要：文章介紹了秦嶺線隧道仰拱預(yù)制塊的施工生產(chǎn)，對仰拱塊的安裝標(biāo)準(zhǔn)、安裝方向的控制進(jìn)行了初步探討，供類似工程施工參考。關(guān)鍵詞： 仰拱塊 蒸汽養(yǎng)生 預(yù)制 安裝 防水 引言西康鐵路秦嶺線隧道全長18.452km，是目前國內(nèi)最長的鐵路隧道，是鐵路系統(tǒng)首次引進(jìn)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）進(jìn)行機(jī)械化施工的隧道，樹立了我國鐵路隧道修建史上的第四座里程碑。隧道設(shè)計(jì)為直徑8.8m的圓形斷面，底部安裝鋼筋混凝土仰拱預(yù)制塊以支承施工軌線。仰拱塊是整體道床的基礎(chǔ)，成為隧道后期襯砌結(jié)構(gòu)的一部分。 仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)概況仰拱預(yù)制塊長度按TBM一個(gè)掘進(jìn)行程1

2、.8m設(shè)計(jì)。頂面寬度3.88m，滿足施工期間鋪設(shè)四軌雙線（軌距900mm，線路中心距2.08m）施工軌道的要求。仰拱塊上預(yù)留中心排水溝、泄水孔、注漿孔、起吊桿、道釘螺栓孔、承軌槽及安裝止水帶的凹槽等。仰拱塊設(shè)計(jì)為兩種形式：普通式仰拱塊，混凝土數(shù)量為4.42m3，鋼筋525.4kg，適用于類圍巖不設(shè)鋼拱架的地段；底部開槽式仰拱塊，混凝土數(shù)量為4.31m3，鋼筋498.45kg，適用于、類圍巖設(shè)鋼拱架的地段。每塊仰拱塊重約12t，采用400號(hào)鋼筋混凝土現(xiàn)場預(yù)制。仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)圖見圖一。 仰拱預(yù)制塊的生產(chǎn)仰拱預(yù)制塊的生產(chǎn)在預(yù)制工廠內(nèi)采用流水線作業(yè)方式進(jìn)行。首先清洗模具，噴涂脫模劑，安放鋼筋骨架及各種

3、預(yù)埋件；將生產(chǎn)好的混凝土運(yùn)至固定式模具旁，利用16t橋吊起吊料斗灌注混凝土，附著式振搗器振搗成形；常溫靜置預(yù)養(yǎng)后，蓋好養(yǎng)生罩，利用暖氣片加熱養(yǎng)生，在養(yǎng)生過程中不斷補(bǔ)充蒸汽；養(yǎng)護(hù)后脫模起吊仰拱塊并做好編號(hào)工作；室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)生3d后運(yùn)往室外存放場翻轉(zhuǎn)存放；同期養(yǎng)生試塊28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到38Mpa后運(yùn)往洞內(nèi)使用。仰拱預(yù)制廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力每天17塊。3.1 生產(chǎn)工藝的確定通過對引黃入晉萬家寨水利工程管片生產(chǎn)的現(xiàn)場考察，參考有關(guān)技術(shù)資料，針對秦嶺隧道仰拱預(yù)制塊大、厚、重的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇模具固定、暖氣片加熱養(yǎng)生方式，在養(yǎng)生過程中補(bǔ)充蒸汽，以保證混凝土養(yǎng)生所需的溫度和濕度。3.1.1 原材料選擇選擇原材料的原則

4、是在滿足規(guī)范要求的前提下,盡可能采購當(dāng)?shù)夭牧?以降低工程造價(jià)。經(jīng)市場調(diào)查及試驗(yàn)對比確定，水泥選用耀縣秦嶺牌525R硅酸鹽水泥，外加劑選用山西萬榮RB高效減水劑，碎石、砂均為地方材料，拌和用水為石砭峪河水。3.1.2 混凝土配比試驗(yàn)通過多次室內(nèi)對比試驗(yàn)，初步確定混凝土塌落度30mm，水灰比0.39，每立方米混凝土水泥用量452Kg。試拌混凝土制成試件，連同試模一起放在養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，在40的恒溫下養(yǎng)生20h后脫模，經(jīng)試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度達(dá)到24Mpa?？紤]到仰拱塊設(shè)計(jì)為C38的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在同等條件下養(yǎng)生，達(dá)到脫模強(qiáng)度（設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%以上）是可行的。3.1.3 暫定生產(chǎn)工藝鋼筋骨架制作（與以下工序平行作

5、業(yè)）清理模具、噴涂脫模劑安裝鋼筋骨架及各種預(yù)埋件混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸灌注加養(yǎng)生罩升溫1h40（90100%的相對濕度）恒溫養(yǎng)生18h降溫1h取養(yǎng)生罩脫模起吊室內(nèi)存放3d室外翻轉(zhuǎn)存放（合計(jì)28d）。3.2 配套設(shè)施（見圖二）3.2.1 混凝土攪拌站為滿足仰拱預(yù)制廠的生產(chǎn)規(guī)模,并考慮到秦嶺隧道后期混凝土襯砌施工的要求，混凝土生產(chǎn)選用華東建筑機(jī)械廠HZS50型攪拌站。主機(jī)為雙臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)，扇形骨料堆放場，懸臂拉鏟集料，機(jī)械杠桿電子稱計(jì)量，設(shè)有外加劑供料系統(tǒng)、除塵設(shè)備，配備水泥筒倉和大傾角螺旋輸送機(jī)，應(yīng)用工控微機(jī)實(shí)現(xiàn)攪拌站的自動(dòng)控制。為降低攪拌站故障時(shí)對仰拱塊生產(chǎn)的影響，安裝了1臺(tái)750L自落式攪拌機(jī)備

6、用。3.2.2 組建預(yù)制廠廠房根據(jù)暫定生產(chǎn)工藝的要求,項(xiàng)目部自行設(shè)計(jì)、加工、建造了一座60×24×13.2m的鋼結(jié)構(gòu)廠房。為重復(fù)利用、減少工程投資，廠房結(jié)構(gòu)間采用高強(qiáng)螺栓聯(lián)結(jié)。預(yù)制廠內(nèi)設(shè)四條流水作業(yè)線和一套溫控設(shè)備。1 兩條混凝土灌注生產(chǎn)線預(yù)制廠內(nèi)17套進(jìn)口鋼模具分成兩條生產(chǎn)線?；炷猎跀嚢枵旧a(chǎn)后，由卷揚(yáng)機(jī)牽引軌道平板車負(fù)載自制料斗至灌注地點(diǎn)，16T橋吊起吊料斗自流入模，附著式振搗器振搗成形，經(jīng)蒸汽養(yǎng)生后脫模起吊至室內(nèi)存放區(qū)。 一條鋼筋骨架加工生產(chǎn)線結(jié)合仰拱塊內(nèi)鋼筋密度大、分層多的特點(diǎn)，為保證鋼筋的焊接質(zhì)量、提高鋼骨架的成型速度，將鋼骨架分成6個(gè)單元，分別在自制的網(wǎng)片成型

7、模具上焊接，再在鋼骨架成型模具上定位、組合焊接成一個(gè)整體。鋼筋骨架加工線配備鋼筋調(diào)直切斷機(jī)1臺(tái)，彎曲機(jī)2臺(tái)，電焊機(jī)臺(tái)，自制鋼筋模具7個(gè)。3 一條室內(nèi)存放線為保證混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展，避免因廠房內(nèi)外溫差大造成混凝土產(chǎn)生表面裂縫，特設(shè)一條仰拱塊室內(nèi)存放線。4 供熱及溫控設(shè)備根據(jù)仰拱塊養(yǎng)生工藝，配備2臺(tái)0.9T/h蒸汽鍋爐，采用高頻赤片式暖氣片加熱養(yǎng)生，調(diào)節(jié)蒸汽噴頭控制養(yǎng)護(hù)罩內(nèi)的濕度。用多探頭數(shù)顯式溫控儀監(jiān)控養(yǎng)生溫度，隨時(shí)調(diào)節(jié)供熱、供汽速度，使混凝土的養(yǎng)護(hù)保持在允許的溫度和濕度范圍內(nèi)。3.2.3 仰拱塊室外存放場為確保TBM掘進(jìn)高峰期仰拱塊的供應(yīng),預(yù)制廠外設(shè)24×70m存放場一處,可存放仰

8、拱塊510塊。存放場內(nèi)配備跨度24m的自制16T門吊，用以吊放仰拱塊。另設(shè)一臺(tái)仰拱塊翻轉(zhuǎn)機(jī)，將倒置生產(chǎn)的仰拱塊翻轉(zhuǎn)成正常形狀。3.3 試生產(chǎn)及工藝改進(jìn)1997年9月11日進(jìn)行了第一塊仰拱塊的生產(chǎn)，因注漿預(yù)留孔圓錐棒的操作問題，養(yǎng)生持續(xù)了6h結(jié)束，未達(dá)到試生產(chǎn)的預(yù)定目的。通過對試生產(chǎn)的總結(jié)和工藝認(rèn)識(shí)的逐步深入，從以下幾個(gè)方面對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)。1 混凝土塌落度30mm，灌注時(shí)操作困難，后調(diào)整為6080mm，同時(shí)在料斗上安裝1臺(tái)附著式振搗器。2 混凝土灌注結(jié)束2h后沿逆時(shí)針方向松動(dòng)注漿預(yù)留孔圓錐棒，4h后取出。3 仰拱塊各種預(yù)埋件較多，灌注混凝土前必須認(rèn)真檢查防止遺漏，并確保安裝到位。4 混凝土

9、灌注結(jié)束后先靜置約4h再加熱養(yǎng)生，控制升溫梯度15/h，降溫梯度10/h，增強(qiáng)混凝土對升溫階段結(jié)構(gòu)破壞作用的抵抗能力，避免因升、降溫過快產(chǎn)生表面裂縫。5 在混凝土表面呈現(xiàn)浮漿且延時(shí)30s無明顯下沉?xí)r關(guān)閉模具上的附著式振搗器，必要時(shí)用插入式搗固棒輔助振搗。6 混凝土初凝后，將模具頂模開啟到豎直位置并鎖緊，參照側(cè)模的弧形頂面進(jìn)行仰拱塊的抹光整形，消除頂模下的氣泡和混凝土表面不平整部分。7 同步養(yǎng)生試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到20Mpa即可脫模，脫模時(shí)仰拱塊表面溫度與室內(nèi)溫差不得大于20。8 仰拱塊脫模起吊至室內(nèi)存放區(qū)后應(yīng)繼續(xù)灑水養(yǎng)生，確?；炷翉?qiáng)度的發(fā)展。經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝如下：鋼筋骨架制作（與以下工序

10、平行作業(yè)）清理模具、噴涂脫模劑安裝鋼筋骨架及各種預(yù)埋件混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸灌注靜置4h加養(yǎng)生罩升溫12h恒溫（約4045）養(yǎng)生910h降溫約23h取養(yǎng)生罩脫模并編號(hào)室內(nèi)存放養(yǎng)生3d室外存放合計(jì)28d使用。3.4 冬期施工工藝秦嶺屬北方寒冷地區(qū)，從每年11月份至次年2月份進(jìn)入冬期施工。針對工地氣溫低、養(yǎng)生溫度上升慢下降快的特點(diǎn)，將養(yǎng)生升溫時(shí)間調(diào)整為46h，恒溫（約3239）時(shí)間延長至1214h，降溫時(shí)間約4h。根據(jù)同步養(yǎng)生試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果確定脫模時(shí)間。為防止溫度下降太快產(chǎn)生裂縫，降溫時(shí)按以下步驟操作：關(guān)氣1h后，將養(yǎng)生罩揭起蓋在模具頂模上；關(guān)氣2h后，取掉養(yǎng)生罩；關(guān)氣3h后，打開模具頂模和側(cè)模；

11、關(guān)氣4h后脫模起吊仰拱塊。冬季防寒保暖措施： 將裸露的水管用草墊包裹，并保持管內(nèi)水的流動(dòng)。 攪拌站用彩條布密封，在預(yù)制廠的各個(gè)出口掛門簾保暖。 清除骨料堆上的積雪，增加骨料含水率的檢測次數(shù)，調(diào)整拌和用水量。 將拌和用水加熱至45-55，拌制混凝土?xí)r按碎石砂水水泥外加劑的順序投料。 混凝土生產(chǎn)后盡快灌注，灌注結(jié)束后，立即加蓋養(yǎng)生罩保溫。3.5 勞動(dòng)組織 根據(jù)仰拱預(yù)制塊生產(chǎn)的工藝流程特點(diǎn)，經(jīng)過勞動(dòng)力優(yōu)化組合，主要生產(chǎn)人員按兩班、輔助人員按三班作業(yè)配置，以達(dá)到均衡生產(chǎn)的目的。仰拱預(yù)制廠合計(jì)80人。其中：鋼筋骨架加工22人/2班。其中鋼筋調(diào)直切斷彎曲成型3人，網(wǎng)片加工6人，鋼骨架組合成型2人。立模6人

12、/2班。其中模具清洗、噴涂脫模劑1人，安裝鋼骨架及各種預(yù)埋件2人。混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸灌注18人/2班。其中混凝土拌和2人，運(yùn)輸2人，灌注整形4人，空壓司機(jī)1人。養(yǎng)生脫模12人/3班。其中加蓋養(yǎng)生罩、脫模2人，溫度、濕度監(jiān)控1人，鍋爐工1人。機(jī)械電器操作維修12人/3班。其中值班電工、修理工各1人，橋吊司機(jī)1人，門吊司機(jī)1人。仰拱塊翻轉(zhuǎn)存放4人/2班。廠部6人。其中廠長1人，技術(shù)副廠長1人，調(diào)度員1人，管庫員3人。 仰拱預(yù)制塊的安裝仰拱預(yù)制塊安裝利用TBM配備的仰拱塊吊機(jī)起吊，仰拱激光儀定位。安裝一塊仰拱塊約需710min，同時(shí)受掘進(jìn)速度、通風(fēng)除塵效果、仰拱塊吊機(jī)性能、操作人員熟練程度的影響。4.1

13、 安裝前的準(zhǔn)備工作仰拱塊安裝前應(yīng)先將隧道底部的虛碴清洗干凈，準(zhǔn)備好水平尺、刻有十字絲的標(biāo)靶、鐵錘、混凝土楔形塊等。清碴時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1 清碴時(shí)必須先用鐵鍬清理，然后用高壓水沖洗干凈。2 仰拱塊前設(shè)一道氣囊、一道砂袋攔水擋碴，每次應(yīng)至少清出安裝三塊仰拱塊的位置。3 仰拱塊兩側(cè)巖面上的虛碴（尤其右側(cè)除塵風(fēng)機(jī)水箱處）應(yīng)清洗干凈，避免除塵風(fēng)機(jī)循環(huán)水將巖碴沖到清洗干凈的仰拱塊底部，影響注漿質(zhì)量。4.2 仰拱塊安裝仰拱塊由專用平板車和固定編組成列的運(yùn)輸列車，運(yùn)至TBM后配套材料車鏈條拖拉裝置處，由拖拉裝置拖到設(shè)備橋下部，用專用仰拱吊機(jī)運(yùn)至預(yù)定安裝位置。仰拱吊機(jī)最大起重量16T，有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)和PLC

14、控制系統(tǒng)及安全保護(hù)裝置。起升和下降速度為2m/min，移動(dòng)速度15m/min，總功率為18.5Kw。將仰拱塊吊至預(yù)定位置后，把標(biāo)靶放到仰拱塊中心水溝前端，操縱吊機(jī)使仰拱塊下降至激光束照射到十字絲的橫絲上，然后操縱吊機(jī)左右移動(dòng)，使激光束處于十字絲的中心，表示仰拱塊已處于設(shè)計(jì)位置。把水平尺放在仰拱塊頂面與隧道軸線垂直的方向，緩慢調(diào)節(jié)仰拱吊機(jī)鏈條升降，直到水平尺氣泡居中，表示仰拱塊頂部已經(jīng)水平。在仰拱塊兩側(cè)的前后端底部各放一塊混凝土楔形塊，用鐵錘敲打擠緊仰拱塊。安裝完畢后粘貼中心水溝止水帶，清理干凈中心水溝內(nèi)雜物，將預(yù)留的泄水孔用不透水材料堵塞，防止噴射混凝土?xí)r的回彈料堵塞泄水孔。4.3 安裝方向的

15、控制仰拱塊安裝方向由設(shè)在中心水溝內(nèi)的仰拱激光儀來控制。施工中將TBM主機(jī)位置與仰拱激光建立聯(lián)系，相互校核，有效控制了仰拱塊的安裝偏差。在檢查校核仰拱激光偏差時(shí)發(fā)現(xiàn)激光光斑經(jīng)常發(fā)生散射，有時(shí)甚至沒有激光束照到標(biāo)靶上，經(jīng)分析有以下幾個(gè)方面的原因：(1) 掘進(jìn)過程中用水沖洗后配套上的落碴，水在中心水溝內(nèi)形成霧氣；水溝內(nèi)積碴致使水位抬高，激光束無法穿過。(2) 隧道內(nèi)通風(fēng)效果不好，空氣濕度大，激光束發(fā)生散射。(3) 除塵風(fēng)機(jī)、刀盤噴水系統(tǒng)發(fā)生故障，隧道內(nèi)懸浮顆粒多，激光穿透能力減弱。為保證仰拱塊的安裝精度，決定TBM掘進(jìn)過程中嚴(yán)禁用水沖洗后配套，并加強(qiáng)了對除塵、通風(fēng)系統(tǒng)的維修保養(yǎng)工作，創(chuàng)造良好舒適的工

16、作環(huán)境。4.4 安裝標(biāo)準(zhǔn)的探討鐵路系統(tǒng)首次采用TBM施工，仰拱塊的安裝也無規(guī)范可循，參照萬家寨引黃工程雙護(hù)盾TBM混凝土預(yù)制管片襯砌施工實(shí)例，初步確定仰拱塊安裝容許偏差如下：(1) 高程、中線與設(shè)計(jì)位置的偏差30mm;(2) 兩塊仰拱塊之間的錯(cuò)臺(tái)5mm;(3) 兩塊仰拱塊接縫處的最大間隙8mm。然而上述標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)場施工中的執(zhí)行落實(shí)情況不盡如意。混凝土預(yù)制管片襯砌是萬家寨引黃工程中隧道成形的最后一道重要工序，仰拱塊安裝僅作為秦嶺隧道鋪設(shè)施工軌道和模注混凝土襯砌的一個(gè)部分，況且如此大、重、厚的預(yù)制仰拱塊安裝在鐵路系統(tǒng)尚屬首次遇到。筆者認(rèn)為，仰拱塊安裝標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從外形美觀、行車舒適、防水可靠、施工可行性等

17、方面綜合考慮。5 仰拱塊防水施工仰拱預(yù)制塊防水采用“接縫密封、注漿密實(shí)”型式，設(shè)多道防線提高隧道的防水質(zhì)量。5.1 凹凸面處防水每兩節(jié)仰拱塊間采用凹凸面連接方式。仰拱塊安裝前，用膠粘劑將DP-821BF復(fù)合型膨脹止水帶（性能參數(shù)見表一）粘結(jié)在仰拱塊凹槽內(nèi)。止水帶遇水膨脹，達(dá)到以水止水的目的。止水帶粘貼按以下步驟進(jìn)行： 仰拱塊上安裝止水帶的凹槽擦洗干凈，使凹槽保持潔凈干燥。 用毛刷將膠粘劑均勻的涂在凹槽內(nèi)，自然干燥10min左右，待稍感粘手時(shí)，將止水帶從先刷膠的一側(cè)逐漸粘貼到凹槽內(nèi)，用木錘輕輕敲打確保粘貼效果。 安裝仰拱塊時(shí)用撬棍配合手動(dòng)葫蘆把相鄰仰拱塊擠緊，使兩條止水帶密貼。DP-821BF型

18、止水帶性能參數(shù)表 表一天 然 橡 膠膨 脹 橡 膠硬度SH55±5硬度SH40±5扯斷強(qiáng)度（Mpa）10扯斷強(qiáng)度（Mpa）3.0伸長率（%）400遇水膨脹率（7天）200%伸長率（%）4005.2 水溝接頭處防水仰拱塊安裝后，先用抹布將水溝接頭處擦干凈，用膠結(jié)劑把HF-78型水溝接頭止水帶（性能參數(shù)見表二）粘貼在預(yù)留槽內(nèi)，然后用摻加速凝劑的150號(hào)水泥砂漿抹面。過15min后用抹刀將水泥砂漿壓實(shí)抹光，防止止水帶脫落。 HF-78型止水帶性能參數(shù)表 表二普 通 橡 膠膨 脹 膩 子硬度SH55±5膨脹率(%)100剝離強(qiáng)度(Mpa)0.01扯斷強(qiáng)度(Mpa)6最大膨脹率(%)150-300剪切強(qiáng)度(Mpa)0.06伸長率(%)250耐高溫150不流淌抗?jié)B指標(biāo)(Mpa)0.6耐低溫20不發(fā)脆5.3 底部防水按設(shè)計(jì)，仰拱塊安裝后與圍巖間尚有5cm空隙，但因TBM掘進(jìn)時(shí)刀