仰拱預(yù)制塊施工

1、秦嶺I線隧道仰拱預(yù)制塊施工技術(shù)總結(jié)楊書(shū)江（中鐵隧道局）摘要：文章介紹了秦嶺I線 隧道仰拱預(yù) 制塊的施工生產(chǎn)，對(duì)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(lèi) 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1引言西康鐵路秦嶺I線隧道全長(zhǎng)18.452km，是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)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(shù)立了我 國(guó)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(zhǎng)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(mǎn)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W丑類(lèi)圍巖 不設(shè)鋼拱架的地段；底部開(kāi)槽式 仰拱塊，混凝土數(shù)量為4.31m3，鋼筋498.45kg，適用于II、111類(lèi)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(chǎng)預(yù)制。仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)圖見(jiàn)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

3、具， 噴涂脫模劑，安放鋼筋骨架及各種預(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(guò)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(chǎng)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(guò)對(duì)引黃入晉萬(wàn)家寨水利工程管片生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)考察，參考有關(guān)技術(shù)資料， 針對(duì)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(guò)程中補(bǔ)充蒸汽，以保證混 凝土養(yǎng)生

4、所需的溫度和濕度。3.1.1原材料選擇選擇原材料的原則是在滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，盡可能采購(gòu)當(dāng)?shù)夭牧?，以?低工程造價(jià)。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)查及試驗(yàn)對(duì)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(wàn)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(guò)多次室內(nèi)對(duì)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 C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。考慮到仰 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

5、%以上）是可行的。3.1.3暫定生產(chǎn)工藝鋼筋骨架制作（與以下工序平行作業(yè)）一清理模具、噴涂脫模劑一安裝鋼 筋骨架及各種 預(yù)埋件一混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸灌注一 加養(yǎng)生罩一升溫1h- 40 C（ 90 100%的相對(duì)濕度）恒溫養(yǎng)生18h-降溫1h-取養(yǎng)生罩一脫模起吊一室內(nèi)存放3d f室外翻轉(zhuǎn)存 放（合計(jì)28d ）。3.2配套設(shè)施（見(jiàn)圖二）3.2.1混凝土攪拌站為滿(mǎn)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(chǎng)，懸臂拉鏟集料，機(jī)械杠桿電子稱(chēng)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(cāng)和大傾

6、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(duì)仰拱塊生產(chǎn)的影響，安裝了 1臺(tái)750L自落式攪拌機(jī) 備用。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 X 24 X 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。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。混凝 土在攪拌站生產(chǎn)后，由 卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引軌道平板車(chē)負(fù)載自制料斗全灌注地 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)生后脫模起吊全室內(nèi)存放區(qū)。一條鋼筋骨架加工生產(chǎn)線結(jié)

7、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)8臺(tái)，自制鋼筋模具7個(gè)。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?jī)?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。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

8、的溫度和濕度 范圍內(nèi)。3.2.3仰拱塊室外存放場(chǎng)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 X 70m存放場(chǎng)一處，可 存放仰拱塊510塊。存放場(chǎng)內(nèi)配備跨度24m的自制16T門(mén)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(wèn)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(guò)對(duì)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(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)。 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。 混凝土灌注結(jié)

9、束2h后沿逆時(shí)針?lè)较蛩蓜?dòng) 注漿預(yù)留孔圓錐棒，4h后取出。 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。 混凝土灌注結(jié)束后先靜置約4h再加熱養(yǎng)生，控制升溫梯度小15C/h， 降溫梯度小10 C /h，增強(qiáng)混凝土對(duì)升溫階段結(jié)構(gòu)破 壞作用的抵抗能力，避免因 升、降溫過(guò)快產(chǎn)生表面裂縫。在混凝土表面呈現(xiàn)浮漿且延時(shí)30s無(wú)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。 混凝土初凝后，將模具頂模開(kāi)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。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

10、面溫度 與室內(nèi)溫差不 得大于20C。 仰拱塊脫模起吊全室內(nèi)存放區(qū)后應(yīng)繼續(xù)灑水養(yǎng)生，確保混凝土強(qiáng)度的 發(fā)展。經(jīng)過(guò)改進(jìn)優(yōu)化后的生產(chǎn)工藝如下：鋼筋骨架制作（與以下工序平行作業(yè)）一清理模具、噴涂脫模劑一安裝鋼 筋骨架及各種預(yù)埋件一混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸灌注一靜置4h-加養(yǎng)生罩一升溫12h f恒溫（約4045C）養(yǎng)生910h-降溫約23h-取養(yǎng)生罩一脫模并編號(hào)一 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月份全次年2月份進(jìn)入冬期施工。針對(duì)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3239C ）時(shí)間延長(zhǎng)至1214h，降溫時(shí)間

11、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(kāi)模具頂模和側(cè)模；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(mén)簾保暖。 清除骨料堆上的積雪，增加骨料含水率的 檢測(cè)次數(shù)，調(diào)整拌和用水量。將拌和用水加熱至45-55 C，拌制混凝土?xí)r按碎石一砂一水一水泥一外 加劑的順序投料?；炷辽a(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

12、特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)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/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(mén)吊司機(jī)1人。仰拱塊翻轉(zhuǎn)存放4人/2班。廠部6人。其

13、中廠長(zhǎng)1人，技術(shù)副廠長(zhǎng)1人，調(diào)度員1人，管庫(kù)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)：清碴時(shí)必須先用鐵鍬清理，然后用高壓水沖洗干凈。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。 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

14、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(zhuān)用平板車(chē)和固定編組成列的運(yùn)輸列 車(chē)，運(yùn)至TBM后配套材料車(chē) 鏈條拖拉裝置處，由拖拉裝置拖到設(shè)備橋下部，用專(zhuān)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，

15、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(lái)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(méi)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：掘進(jìn)過(guò)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，

16、激光束無(wú)法穿過(guò)。隧道內(nèi)通風(fēng)效果不好，空氣濕度大，激光束發(fā) 生散射。除塵風(fēng)機(jī)、刀盤(pán)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(guò)程中嚴(yán)禁用水沖洗后配套，并 加強(qiáng)了對(duì)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(wú)規(guī)范可循，參照萬(wàn)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：高程、中線與設(shè)計(jì)位置的偏差忍30mm;兩塊仰拱塊之間的錯(cuò)臺(tái)忍5mm;兩塊仰拱塊接縫處的最大間隙忍8mm。然而上述標(biāo)準(zhǔn)在現(xiàn)場(chǎng)施工中的執(zhí)行落實(shí)情況不盡如意。混凝土預(yù)制管

17、片襯 砌是萬(wàn)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(chē)舒適、防水可靠、施工可行性等方面綜合考慮。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?jī)晒?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(jiàn)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

18、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型止水帶性能參數(shù)表表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)N 3.0伸長(zhǎng)率(%) 400遇水膨脹率(7天)N 200%伸長(zhǎng)率(%)N 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(jiàn)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(guò)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 土 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(zhǎng)率(%)250耐高溫150 C不流淌抗?jié)B指 標(biāo)(Mpa)0.6耐低溫-20 C 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)刀盤(pán)自然 下沉，造