秦岭Ⅰ线隧道仰拱预制块施工技术.docx

秦岭Ⅰ线隧道仰拱预制块施工技术总结

杨书江
（中铁隧道局一处南京盾构经理部）

摘要：文章介绍了秦岭Ⅰ线隧道仰拱预制块的施工生产，对仰拱块的安装标准、安装方向的控制进行了初步探讨，供类似工程施工参考。
关键词： 仰拱块 蒸汽养生 预制 安装 防水

１ 引言
西康铁路秦岭Ⅰ线隧道全长18.452km，是目前国内最长的铁路隧道，是铁路系统首次引进全断面隧道掘进机（TBM）进行机械化施工的隧道，树立了我国铁路隧道修建史上的第四座里程碑。隧道设计为直径8.8m的圆形断面，底部安装钢筋混凝土仰拱预制块以支承施工轨线。仰拱块是整体道床的基础，成为隧道后期衬砌结构的一部分。
２ 仰拱预制块设计概况
仰拱预制块长度按TBM一个掘进行程1.8m设计。顶面宽度3.88m，满足施工期间铺设四轨双线（轨距900mm，线路中心距2.08m）施工轨道的要求。仰拱块上预留中心排水沟、泄水孔、注浆孔、起吊杆、道钉螺栓孔、承轨槽及安装止水带的凹槽等。仰拱块设计为两种形式：普通式仰拱块，混凝土数量为4.42m3，钢筋525.4kg，适用于Ⅳ～Ⅵ类围岩不设钢拱架的地段；底部开槽式仰拱块，混凝土数量为4.31m3，钢筋498.45kg，适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩设钢拱架的地段。每块仰拱块重约12t，采用400号钢筋混凝土现场预制。
仰拱预制块设计图见图一。
３ 仰拱预制块的生产
仰拱预制块的生产在预制工厂内采用流水线作业方式进行。首先清洗模具，喷涂脱模剂，安放钢筋骨架及各种预埋件；将生产好的混凝土运至固定式模具旁，利用16t桥吊起吊料斗灌注混凝土，附着式振捣器振捣成形；常温静置预养后，盖好养生罩，利用暖气片加热养生，在养生过程中不断补充蒸汽；养护后脱模起吊仰拱块并做好编号工作；室内继续养生3d后运往室外存放场翻转存放；同期养生试块28d抗压强度达到38Mpa后运往洞内使用。仰拱预制厂设计生产能力每天17块。
3.1 生产工艺的确定
通过对引黄入晋万家寨水利工程管片生产的现场考察，参考有关技术资料，针对秦岭隧道仰拱预制块大、厚、重的结构特点，选择模具固定、暖气片加热养生方式，在养生过程中补充蒸汽，以保证混凝土养生所需的温度和湿度。
3.1.1 原材料选择
选择原材料的原则是在满足规范要求的前提下,尽可能采购当地材料,以降低工程造价。经市场调查及试验对比确定，水泥选用耀县秦岭牌525R硅酸盐水泥，外加剂选用山西万荣RB高效减水剂，碎石、砂均为地方材料，拌和用水为石砭峪河水。
3.1.2 混凝土配比试验
通过多次室内对比试验，初步确定混凝土塌落度30mm，水灰比0.39，每立方米混凝土水泥用量452Kg。试拌混凝土制成试件，连同试模一起放在养护箱内，在40℃的恒温下养生20h后脱模，经试验抗压强度达到24Mpa。考虑到仰拱块设计为C38的钢筋混凝土结构，在同等条件下养生，达到脱模强度（设计强度的50%以上）是可行的。
3.1.3 暂定生产工艺
钢筋骨架制作（与以下工序平行作业）→清理模具、喷涂脱模剂→安装钢筋骨架及各种预埋件→混凝土生产运输灌注→加养生罩→升温1h→40℃（90～100%的相对湿度）恒温养生18h→降温1h→取养生罩→脱模起吊→室内存放3d→室外翻转存放（合计28d）。
3.2 配套设施（见图二）
3.2.1 混凝土搅拌站
为满足仰拱预制厂的生产规模,并考虑到秦岭隧道后期混凝土衬砌施工的要求，混凝土生产选用华东建筑机械厂HZS50型搅拌站。主机为双卧轴强制式搅拌机，扇形骨料堆放场，悬臂拉铲集料，机械杠杆电子称计量，设有外加剂供料系统、除尘设备，配备水泥筒仓和大倾角螺旋输送机，应用工控微机实现搅拌站的自动控制。
为降低搅拌站故障时对仰拱块生产的影响，安装了1台750L自落式搅拌机备用。
3.2.2 组建预制厂厂房
根据暂定生产工艺的要求,项目部自行设计、加工、建造了一座60×24×13.2m的钢结构厂房。为重复利用、减少工程投资，厂房结构间采用高强螺栓联结。预制厂内设四条流水作业线和一套温控设备。
⑴ 两条混凝土灌注生产线
预制厂内17套进口钢模具分成两条生产线。混凝土在搅拌站生产后，由卷扬机牵引轨道平板车负载自制料斗至灌注地点，16T桥吊起吊料斗自流入模，附着式振捣器振捣成形，经蒸汽养生后脱模起吊至室内存放区。
⑵ 一条钢筋骨架加工生产线
结合仰拱块内钢筋密度大、分层多的特点，为保证钢筋的焊接质量、提高钢骨架的成型速度，将钢骨架分成6个单元，分别在自制的网片成型模具上焊接，再在钢骨架成型模具上定位、组合焊接成一个整体。钢筋骨架加工线配备钢筋调直切断机1台，弯曲机2台，电焊机８台，自制钢筋模具7个。
⑶ 一条室内存放线
为保证混凝土早期强度的发展，避免因厂房内外温差大造成混凝土产生表面裂缝，特设一条仰拱块室内存放线。
⑷ 供热及温控设备
根据仰拱块养生工艺，配备2台0.9T/h蒸汽锅炉，采用高频赤片式暖气片加热养生，调节蒸汽喷头控制养护罩内的湿度。用多探头数显式温控仪监控养生温度，随时调节供热、供汽速度，使混凝土的养护保持在允许的温度和湿度范围内。
3.2.3 仰拱块室外存放场
为确保TBM掘进高峰期仰拱块的供应,预制厂外设24×70m存放场一处,可存放仰拱块510块。存放场内配备跨度24m的自制16T门吊，用以吊放仰拱块。另设一台仰拱块翻转机，将倒置生产的仰拱块翻转成正常形状。
3.3 试生产及工艺改进
1997年9月11日进行了第一块仰拱块的生产，因注浆预留孔圆锥棒的操作问题，养生持续了6h结束，未达到试生产的预定目的。通过对试生产的总结和工艺认识的逐步深入，从以下几个方面对生产工艺进行了改进。
⑴ 混凝土塌落度30mm，灌注时操作困难，后调整为60~80mm，同时在料斗上安装1台附着式振捣器。
⑵ 混凝土灌注结束2h后沿逆时针方向松动注浆预留孔圆锥棒，4h后取出。
⑶ 仰拱块各种预埋件较多，灌注混凝土前必须认真检查防止遗漏，并确保安装到位。
⑷ 混凝土灌注结束后先静置约4h再加热养生，控制升温梯度≯15℃/h，降温梯度≯10℃/h，增强混凝土对升温阶段结构破坏作用的抵抗能力，避免因升、降温过快产生表面裂缝。
⑸ 在混凝土表面呈现浮浆且延时30s无明显下沉时关闭模具上的附着式振捣器，必要时用插入式捣固棒辅助振捣。
⑹ 混凝土初凝后，将模具顶模开启到竖直位置并锁紧，参照侧模的弧形顶面进行仰拱块的抹光整形，消除顶模下的气泡和混凝土表面不平整部分。
⑺ 同步养生试件抗压强度达到20Mpa即可脱模，脱模时仰拱块表面温度与室内温差不得大于20℃。
⑻ 仰拱块脱模起吊至室内存放区后应继续洒水养生，确保混凝土强度的发展。
经过改进优化后的生产工艺如下：
钢筋骨架制作（与以下工序平行作业）→清理模具、喷涂脱模剂→安装钢筋骨架及各种预埋件→混凝土生产运输灌注→静置4h→加养生罩→升温1～2h→恒温（约40～45℃）养生9～10h→降温约2～3h→取养生罩→脱模并编号→室内存放养生3d→室外存放合计28d→使用。
3.4 冬期施工工艺
秦岭属北方寒冷地区，从每年11月份至次年2月份进入冬期施工。针对工地气温低、养生温度上升慢下降快的特点，将养生升温时间调整为4～6h，恒温（约32～39℃）时间延长至12～14h，降温时间约4h。根据同步养生试块的抗压强度试验结果确定脱模时间。为防止温度下降太快产生裂缝，降温时按以下步骤操作：①关气1h后，将养生罩揭起盖在模具顶模上；②关气2h后，取掉养生罩；③关气3h后，打开模具顶模和侧模；④关气4h后脱模起吊仰拱块。
冬季防寒保暖措施：
⑴ 将裸露的水管用草垫包裹，并保持管内水的流动。
⑵ 搅拌站用彩条布密封，在预制厂的各个出口挂门帘保暖。
⑶ 清除骨料堆上的积雪，增加骨料含水率的检测次数，调整拌和用水量。
⑷ 将拌和用水加热至45-55℃，拌制混凝土时按碎石→砂→水→水泥→外加剂的顺序投料。
⑸ 混凝土生产后尽快灌注，灌注结束后，立即加盖养生罩保温。
3.5 劳动组织
根据仰拱预制块生产的工艺流程特点，经过劳动力优化组合，主要生产人员按两班、辅助人员按三班作业配置，以达到均衡生产的目的。仰拱预制厂合计80人。其中：
钢筋骨架加工22人/2班。其中钢筋调直切断弯曲成型3人，网片加工6人，钢骨架组合成型2人。
立模6人/2班。其中模具清洗、喷涂脱模剂1人，安装钢骨架及各种预埋件2人。
混凝土生产运输灌注18人/2班。其中混凝土拌和2人，运输2人，灌注整形4人，空压司机1人。
养生脱模12人/3班。其中加盖养生罩、脱模2人，温度、湿度监控1人，锅炉工1人。
机械电器操作维修12人/3班。其中值班电工、修理工各1人，桥吊司机1人，门吊司机1人。
仰拱块翻转存放4人/2班。
厂部6人。其中厂长1人，技术副厂长1人，调度员1人，管库员3人。
４ 仰拱预制块的安装
仰拱预制块安装利用TBM配备的仰拱块吊机起吊，仰拱激光仪定位。安装一块仰拱块约需7～10min，同时受掘进速度、通风除尘效果、仰拱块吊机性能、操作人员熟练程度的影响。
4.1 安装前的准备工作
仰拱块安装前应先将隧道底部的虚碴清洗干净，准备好水平尺、刻有十字丝的标靶、铁锤、混凝土楔形块等。清碴时应注意以下几点：
⑴ 清碴时必须先用铁锹清理，然后用高压水冲洗干净。
⑵ 仰拱块前设一道气囊、一道砂袋拦水挡碴，每次应至少清出安装三块仰拱块的位置。
⑶ 仰拱块两侧岩面上的虚碴（尤其右侧除尘风机水箱处）应清洗干净，避免除尘风机循环水将岩碴冲到清洗干净的仰拱块底部，影响注浆质量。
4.2 仰拱块安装
仰拱块由专用平板车和固定编组成列的运输列车，运至TBM后配套材料车链条拖拉装置处，由拖拉装置拖到设备桥下部，用专用仰拱吊机运至预定安装位置。仰拱吊机最大起重量16T，有独立的液压系统和PLC控制系统及安全保护装置。起升和下降速度为2m/min，移动速度15m/min，总功率为18.5Kw。
将仰拱块吊至预定位置后，把标靶放到仰拱块中心水沟前端，操纵吊机使仰拱块下降至激光束照射到十字丝的横丝上，然后操纵吊机左右移动，使激光束处于十字丝的中心，表示仰拱块已处于设计位置。把水平尺放在仰拱块顶面与隧道轴线垂直的方向，缓慢调节仰拱吊机链条升降，直到水平尺气泡居中，表示仰拱块顶部已经水平。
在仰拱块两侧的前后端底部各放一块混凝土楔形块，用铁锤敲打挤紧仰拱块。安装完毕后粘贴中心水沟止水带，清理干净中心水沟内杂物，将预留的泄水孔用不透水材料堵塞，防止喷射混凝土时的回弹料堵塞泄水孔。
4.3 安装方向的控制
仰拱块安装方向由设在中心水沟内的仰拱激光仪来控制。施工中将TBM主机位置与仰拱激光建立联系，相互校核，有效控制了仰拱块的安装偏差。
在检查校核仰拱激光偏差时发现激光光斑经常发生散射，有时甚至没有激光束照到标靶上，经分析有以下几个方面的原因：
(1) 掘进过程中用水冲洗后配套上的落碴，水在中心水沟内形成雾气；水沟内积碴致使水位抬高，激光束无法穿过。
(2) 隧道内通风效果不好，空气湿度大，激光束发生散射。
(3) 除尘风机、刀盘喷水系统发生故障，隧道内悬浮颗粒多，激光穿透能力减弱。
为保证仰拱块的安装精度，决定TBM掘进过程中严禁用水冲洗后配套，并加强了对除尘、通风系统的维修保养工作，创造良好舒适的工作环境。
4.4 安装标准的探讨
铁路系统首次采用TBM施工，仰拱块的安装也无规范可循，参照万家寨引黄工程双护盾TBM混凝土预制管片衬砌施工实例，初步确定仰拱块安装容许偏差如下：
(1) 高程、中线与设计位置的偏差≤30mm;
(2) 两块仰拱块之间的错台≤5mm;
(3) 两块仰拱块接缝处的最大间隙≤8mm。
然而上述标准在现场施工中的执行落实情况不尽如意。混凝土预制管片衬砌是万家寨引黄工程中隧道成形的最后一道重要工序，仰拱块安装仅作为秦岭隧道铺设施工轨道和模注混凝土衬砌的一个部分，况且如此大、重、厚的预制仰拱块安装在铁路系统尚属首次遇到。笔者认为，仰拱块安装标准应从外形美观、行车舒适、防水可靠、施工可行性等方面综合考虑。
5 仰拱块防水施工
仰拱预制块防水采用“接缝密封、注浆密实”型式，设多道防线提高隧道的防水质量。
5.1 凹凸面处防水
每两节仰拱块间采用凹凸面连接方式。仰拱块安装前，用胶粘剂将DP-821BF复合型膨胀止水带（性能参数见表一）粘结在仰拱块凹槽内。止水带遇水膨胀，达到以水止水的目的。止水带粘贴按以下步骤进行：
⑴ 仰拱块上安装止水带的凹槽擦洗干净，使凹槽保持洁净干燥。
⑵ 用毛刷将胶粘剂均匀的涂在凹槽内，自然干燥10min左右，待稍感粘手时，将止水带从先刷胶的一侧逐渐粘贴到凹槽内，用木锤轻轻敲打确保粘贴效果。
⑶ 安装仰拱块时用撬棍配合手动葫芦把相邻仰拱块挤紧，使两条止水带密贴。
DP-821BF型止水带性能参数表 表一
天 然 橡 胶
膨 胀 橡 胶
硬度SH
55±5
硬度SH
40±5
扯断强度（Mpa）
＞10
扯断强度（Mpa）
≥3.0
伸长率（%）
＞400
遇水膨胀率（7天）
≥200%
伸长率（%）
≥400

5.2 水沟接头处防水
仰拱块安装后，先用抹布将水沟接头处擦干净，用胶结剂把HF-78型水沟接头止水带（性能参数见表二）粘贴在预留槽内，然后用掺加速凝剂的150号水泥砂浆抹面。过15min后用抹刀将水泥砂浆压实抹光，防止止水带脱落。
HF-78型止水带性能参数表 表二
普 通 橡 胶
膨 胀 腻 子
硬度SH
55±5
膨胀率(%)
＞100
剥离强度(Mpa)
0.01
扯断强度(Mpa)
＞6
最大膨胀率(%)
＞150-300
剪切强度(Mpa)
0.06
伸长率(%)
＞250
耐高温
150℃不流淌
抗渗指标(Mpa)
＞0.6
耐低温
－20℃不发脆

5.3 底部防水
按设计，仰拱块安装后与围岩间尚有5cm空隙，但因TBM掘进时刀盘自然下沉，造成仰拱块与围岩间隙一般在10cm 左右。为确保仰拱块的稳定和防水，通过预留的注浆孔在0.5～0.6Mpa压力下向仰拱块底部注入200号细石混凝土填充密实。
根据WIRTH公司推荐的注浆材料抗压强度要求：R6h≥1Mpa，R12h≥3Mpa。选择混凝土配合比如下，水泥：中砂：石子＝1：1.57：1.45，水灰比0.45，坍落度14～18cm，外加剂选用上海麦斯特建材公司产SG液体稠度剂，掺量为水泥重量的1%。为防止输送管堵塞，要求选用的骨料最大粒径不超过10mm。施工中注浆工作必须及时进行，使混凝土早期强度得到充分的发展。
6 结束语
笔者在秦岭Ⅰ线隧道施工期间，参与了仰拱预制工厂的设计、仰拱块生产施组编制、仰拱块生产技术管理及仰拱块施工技术工作，在仰拱块的生产、安装及防水施工方面取得了一定的经验，但以下几个方面的问题，仍然值得从事TBM施工的广大工程技术人员互相探讨、研究。
⑴ 仰拱块生产中进行外加剂品种和掺量的研究，提高蒸汽养生后混凝土的强度或缩短蒸汽养生时间，改善混凝土的性能。
⑵ 洞口段仰拱块底部注浆质量缺乏有效简便的检测手段，局部地段出现了泛浆现象，我们请北京物探中心全面做了探查，对不良地段进行了二次压浆处理。今后，应加强技术攻关，确保注浆密实效果。
⑶ 仰拱块安装验收标准应由设计、施工、监理单位在总结秦岭隧道施工实践基础上，参考国内外有关施工经验，形成适合我国铁路隧道施工的规范性文件，指导今后的施工。