晏家堡二號隧道仰拱施工方案優化研究

李 永

(中鐵十八局集團有限公司 天津 300222)

1 引言

隧道仰拱是隧道主要結構組成部分之一，為設置在隧道底部的反拱，其能夠優化隧道上部支撐結構的受力條件、抵抗隧道圍巖變形。 仰拱和襯砌共同作用于隧道空間形成一個整體，提高隧道結構整體穩定性。 由于特殊的受力要求，為確保軟弱夾層、破碎帶等不良地質段圍巖的穩定性及施工人員的生命安全[1]，根據鐵路建設相關規定，鐵路隧道開挖后初期支護要求盡早閉合成環，即提出鐵路隧道安全步距。因此，從某種程度上講，隧道仰拱施工進度制約著掌子面的掘進速度，因此如何縮短仰拱的循環作業時間，就成為隧道進度控制的關鍵因素之一。 目前，通過對隧道整體式弧形模板澆筑仰拱進行工裝選擇的技術方案優化，并在黔張常鐵路晏家堡二號隧道施工中應用，取得了較好效果。

2 工程概況

新建黔江至張家界至常德鐵路先期開工段晏家堡二號隧道工程，位于湖南省龍山與永順兩縣的交界處；隧道設計總長7 081 m，埋深460 ～1 160 m，為越嶺隧道。 隧道施工里程DK123 ＋206 ～DK130＋287[2]。 隧道共設350 m 平導1 座、603 m 斜井1 座。其中隧道平導和隧道斜井各自分擔正洞大小里程方向2 000 m 的施工掘進任務。 隧道圍巖以粉砂巖夾砂質頁巖為主，中厚層狀分布，節理裂隙較發育，巖體較完整，巖質較堅硬，為Ⅱ級高風險隧道。 隧道進口、出口以及斜井口均溝壑縱橫，交通不便。 具有管理跨度大、施工便道長、機械化施工程度要求高、潛在困難和風險大等特點。

3 仰拱施工方案優化背景

為保證隧道仰拱施工質量，根據黔張常鐵路建設指揮部《關于隧道二襯、仰拱及防排水施工座談會議紀要》要求，須對隧道仰拱弧形模板施工工藝進行優化，并要求在仰拱弧形模板內模板上增設排氣搗固孔，仰拱中部增設臨時木模板，確保隧道仰拱混凝土澆筑一次連續成型。 結合黔張常建設指揮部《關于推進隧道作業標準化工作的指導意見》和《關于推廣現場作業標準化和隧道工藝及工裝設備配置使用的通知》要求，隧道仰拱應采用整體式弧形模板，使隧道仰拱施工作業專業化、標準化[3]。在現場利用整體式弧形模板施工過程中，以1 模12 m仰拱為例，定位和安拆時間較長，使用過程中人工、材料、機械成本較高，循環作業時間較長，仰拱進度較慢，不利于現場安全步距卡控和作業成本控制。 為滿足鐵路隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖仰拱距掌子面的安全距離均為35 m 的強制性要求，這就需要通過加快隧道仰拱施工，來保證安全步距達標，達到縮短工期目的。 為此，我們對整體式弧形模板澆筑施工工藝進行方案優化，對整體式弧形模板進行改進，采用自行式液壓仰拱臺車加快現場施工。

4 自行式液壓仰拱臺車施工介紹

4.1 自行式液壓仰拱臺車系統簡介

由液壓系統、仰拱弧形模板、掛模板桁架、支撐絲桿等4 個主要部分構成。 模板收支模式為全自動液壓，左右兩側均有分布，單側長16.6 m，寬為1.92 m，高為3.2 m，總重為7 t 左右；單側掛模桁架共長15.2 m，高為1.37 m，寬為1.45 m；仰拱弧形模板長為12 m，寬為3 m；在仰拱臺車的一側配有液壓站(功率為4 kW)，并配有2 個鋼式走行輪，和模板桁架共同形成一個整體，利用吊懸絲桿將弧形仰拱模板掛在桁架上，模板的伸出或回縮利用6 個液壓裝置動力來實現。 仰拱臺車前段共設4 個地腳，用于定位，總造價約為22 萬元。 如圖1 所示。

在液壓仰拱臺車弧形模板內側共設有8 個中埋式鋼板止水帶固定裝置，間距為1.5 m，用于定位仰拱弧形模板；為確保中埋式鋼板止水帶的位置和標高準確，在模板定位完成后安裝中埋式鋼板止水帶。 如圖2、圖3 所示。

圖1 自行式液壓仰拱臺車

圖2 中埋鋼板止水帶固定裝置

施工過程中，通過挖掘機配合將液壓仰拱臺車移至仰拱區段，利用邊墻測量控制點對仰拱模板的位置進行校正。 通過液壓控制系統對模板進行定位，省去了弧形模板支架鋼筋，節省人工和鋼筋消耗。 為確保整個臺車的整體穩定性，還需利用絲杠對模板進行加固處理[4-5]。 如圖4 所示。

圖3 定位的中埋鋼板止水帶

圖4 液壓仰拱臺車定位

自行式液壓仰拱弧形模板機械化程度高，勞動強度低，施工工效高，施工時只需6 名操作工人，具體人員配置見表1。

表1 自行式液壓弧形模板操作主要人員配置

4.2 仰拱液壓臺車施工方案及工藝流程

首先將仰拱按設計斷面尺寸開挖至設計標高，開挖完成后對斷面進行檢查并測量復核，滿足要求后進入仰拱初期支護施工階段；接著施工隧道邊墻處的防排水系統，工作內容主要包括安裝環向排水管、縱向排水管以及鋪設；邊墻防排水系統滿足既定要求后，在仰拱前端兩側1 m 處墊砟并整平，然后鋪設1 cm 厚2 m ×2 m 鋼板；通過挖掘機將仰拱臺車前端吊起，模板臺車的前端地腳放置在預鋪設的鋼板上，模板臺車的后端則落在已澆筑好混凝土的仰拱填充面上，同時利用隧道內的測量控制點來校正模板臺車的放置位置；需要2 位操作工人或模板工加固模板臺車，并安裝中埋式鋼板止水帶，同時進行仰拱端頭鋼模定位、安裝；在仰拱混凝土澆筑前需對仰拱架位置及模板進行檢查，滿足要求后澆筑混凝土，待混凝土初凝強度合格后拆模，并對仰拱混凝土進行養護，在其強度達到要求后隨即可進一道工序施工[6]。 其施工工藝流程如圖5 所示。

圖5 液壓仰拱臺車工藝流程

4.3 自行式液壓仰拱臺車作業要點

(1)在保證前端地腳基礎穩定的情況下，進行仰拱弧形模板就位；

(2)在固定止水帶時，若出現止水翻折、松動等現象要及時調整，確保固定后的止水帶平順、牢固；

(3)鋼板止水帶在安裝時要以施工縫為對稱中心，搭接長度應達到40 cm，確保鋼板止水帶位置正確，最后將貼合邊進行滿焊；

(4)將縱向背貼止水帶與環向背貼止水帶焊接；

(5)仰拱模板拆除后要及時清理模板上殘留的混凝土，并做好防銹處理；

(6)中心水溝箱式內模移動需通過挖掘機配合，端頭放置在托架上；由于中心水溝箱式內模自重較大，因此無需考慮上浮措施；

(7)澆筑仰拱填充混凝土前在中心水溝箱式內模表面涂刷脫模劑；

(8)在混凝土初凝后，利用挖掘機輕微提起箱式內模，方便混凝土終凝后拆模[7]。

4.4 自行式液壓仰拱臺車設備管理

4.4.1 設備維護

移動、就位及操作液壓仰拱弧形模板時，必須是經過培訓的專業人員嚴格按操作規程進行操作。

(1)每次接線啟動前必須檢查油泵的旋轉方向是否與油泵所標注的方向相同；

(2)油泵工作時要保證電壓穩定在380 V，不允許出現漏電現象；

(3)在油泵各潤滑點定期添加注潤滑脂或潤滑油；

(4)液壓仰拱弧形模板走行時，應注意觀察行走裝置滾輪與桁架是否發生偏移；

(5)在完成仰拱及仰拱填充面作業后，指定專人清除模板上依附的殘留混凝土，尤其要防止混凝土粘附在液壓油管上，如有粘附則及清理干凈；

(6)保持液壓站的清潔，嚴禁雜物落入其中。

4.4.2 設備保養

(1)定期檢查螺栓是否松動，并確保不出現滑絲現象；

(2)按照電氣規范檢查電控系統，定期檢查電控柜內存在松動或脫落的接線或元件，以免造成故障或用電隱患，一般以3 個月為周期[8]；

(3)定期檢查液壓油箱的油量，當油量不足時，要及時予以補充；檢查各液壓油管是否出現破損、老化，避免出現漏油現象；檢查油泵和油缸，確保液壓系統在工作時不出現異常響動；依照作業環境溫度選用不同的低溫抗磨液壓油，吸油濾油器也要定期進行清洗；

(4)潤滑：須加注“鋰”基或“鈣”基，潤滑點主要包括自動走行裝置的相對運動處、前支架導柱的相對運動處及行走機構。

4.5 自行式液壓仰拱臺車作業的質量要點卡控

(1)要確保澆筑的仰拱幾何尺寸滿足設計和規范要求，開挖仰拱后利用卷尺進行量測，量測左邊墻、左中心線、中心線、右中心線、右邊墻等位置；

(2)澆筑仰拱混凝土前，須先清理基底巖面上虛渣，有積水的須抽排積水，如存在超挖，則用同級混凝土回填超挖部分；

(3)為滿足混凝土的強度要求，運輸、澆筑混凝土以及澆筑作業的間歇所用時長不得超過其初凝時間；在同一施工段，應保證混凝土澆筑連續，不得有間隔[9]；

(4)成型后的仰拱表面平順，便于排水；

(5)仰拱高程控制在偏差±15 mm，仰拱表面平整度偏差不得大于20 mm[10]；

(6)在澆筑仰拱混凝土之前要清理仰拱表面的廢渣及積水；表面處理應滿足設計要求；

(7)仰拱進行填充混凝土后，仰拱表面要滿足高程控制；

(8)仰拱填充表面要留有一定坡度、坡面要平順，滿足流水條件；

(9)施作后的混凝土結構面要平整、顏色均一，不得出現蜂窩、麻面、空洞、漏筋等缺陷；

(10)要確保環向中埋式止水帶同施工縫中心軸線重合；

(11)縱向鋼邊橡膠止水帶按設計施工縫安裝，止水帶安裝平順、居中。

4.6 自行式液壓仰拱臺車作業安全控制要點

(1)在施工區域設置警示標牌，限制非工作人員進入；

(2)及時避讓過往車輛及行走的機械設備，尤其是運渣車輛經過時，注意塊石掉落砸傷橋下施工人員；

(3)進入施工現場時一定要佩戴安全帽；

(4)裝載機、挖掘機等大型機械設備在經過棧橋時，需要專人進行指揮引導，防止落空[11]；

(5)為保證現場施工安全，施工現場必須有人指揮施工工作，并配備1 名安全員負責現場安全工作，堅持每天工作前對施工人員進行安全教育；

(6)在仰拱開挖過程中，安全員要注意仰拱兩側的初支是否存在變形，若出現失穩狀態，迅速撤離現場工作人員，并采取相應加固措施，提高隧道結構整體穩定性。

5 與整體式仰拱弧形模板方案相比的優點

(1)能確保整個隧道中埋式鋼板止水帶線形順直，且標高精準度能有效保證。

(2)可極大減少仰拱弧形模板定位及安拆所需的時間。 施工中，每模仰拱的長度12 m，兩種不同的方法作業時間如表2 所示。

表2 每模12 m 仰拱作業時間對比 h

(3)大大節約了施工成本：

①以每模仰拱12 m 為例，兩種方法在施工中所占用的人工數量如表3 所示。

表3 每模12 m 仰拱用工人數對比

②在施工過程中可節省定位鋼筋的數量，降低材料成本。 自行式液壓仰拱弧形模板與整體式弧形模板相比，每模12 m 的仰拱可節約定位鋼筋600 kg。

③在施工作業時，整體式弧形模板無論是在安裝，還是在拆卸、堆碼時均需占用大量挖機時間，最高時長可達17 h；液壓仰拱臺車僅需在定位時用到挖機，占用時間僅為0.5 h，縮短作業循環時間，降低成本。

(4)液壓仰拱臺車操作靈活、穩定性好，且自動化和機械化程度高；在進行仰拱澆筑時，液壓仰拱臺車能保證仰拱線形順暢和混凝土的澆筑質量，仰拱施工效率大幅度提高，進而節約大量資金成本。

6 工期情況比較分析

以每模仰拱12 m 為例，與整體式弧形模板相比，液壓仰拱臺車可節約循環時間12.7 h，見表4。

表4 仰拱作業工序時間對比 h

中心水溝模板和端頭模板安裝按6 h 計算，填充混凝土澆筑按8 h 計算，混凝土待強度達到5 MPa需24 h，進入下一循環作業。 澆筑1 板仰拱及填充循環時間：使用整體式弧形模板需要73 h，約3 d，每天進度約4 m，月進度120 m；而采用液壓仰拱臺車需要60.2 h，約2.5 d，每天進度約4.8 m，月進度144 m，可保證每個月掘進140 m 施工進度要求，從而使隧道各工序施工安全步距滿足要求。 斜井正洞2 761 m，全部采用液壓仰拱臺車，共節省工期115 d，約3.8 個月；全隧道實際節約工期9.5 個月，由此帶來工期縮短的效益顯著[12]。

7 經濟效益比較分析

利用整體式弧形模板進行仰拱澆筑，每12 延米需消耗610 kg 的鋼筋來支撐加固，其還需定位、安裝、拆卸及堆碼保養共14 名工作人員，挖配配合作業時間達13 h。 液壓仰拱臺車無需利用鋼筋定位，可節約鋼筋約610 kg，節省大量材料成本，只需5 名工作人員進行安裝、拆卸及保養工作，與整體式弧形模板相比可節約9 人(鋼筋工3 人，模板工4 人，普工2 人)；占用挖機協助作業時間0.5 h，每臺挖機能節約12.5 h(185 元/臺時)。

綜上所述，晏家堡二號隧道斜井正洞大里程方向自采用自行式液壓仰拱模板臺車施工整個隧道以來，每模降低5 472 元成本，其中：工費降低1 573元；主材料費降低1 586 元；機械費降低2 313 元。平均每米仰拱節省456 元，最終總計降低資金成本達295 萬元，經濟效益十分明顯。

8 結束語

通過對隧道仰拱施工方案技術優化，對整體式弧形模板進行改進，采用液壓仰拱臺車施工仰拱，很好地解決了施工中仰拱進度慢，導致鐵路隧道施工中安全步距超標的問題；適用于采用傳統棧橋進行仰拱施工的情況，對使用、施工條件無特殊要求，能夠有效降低隧道仰拱作業的施工成本，也保證隧道仰拱的施工質量。