晏家堡二號隧道仰拱施工方案優(yōu)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(jié)構(gòu)組成部分之一，為設(shè)置在隧道底部的反拱，其能夠優(yōu)化隧道上部支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)整體穩(wěn)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(zhì)段圍巖的穩(wěn)定性及施工人員的生命安全[1]，根據(jù)鐵路建設(shè)相關(guān)規(guī)定，鐵路隧道開挖后初期支護要求盡早閉合成環(huán)，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(huán)作業(yè)時間，就成為隧道進度控制的關(guān)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(shù)方案優(yōu)化，并在黔張常鐵路晏家堡二號隧道施工中應(yīng)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(shè)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(shè)350 m 平導(dǎo)1 座、603 m 斜井1 座。其中隧道平導(dǎo)和隧道斜井各自分擔(dān)正洞大小里程方向2 000 m 的施工掘進任務(wù)。 隧道圍巖以粉砂巖夾砂質(zhì)頁巖為主，中厚層狀分布，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，巖質(zhì)較堅硬，為Ⅱ級高風(fēng)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(fēng)險大等特點。

3 仰拱施工方案優(yōu)化背景

為保證隧道仰拱施工質(zhì)量，根據(jù)黔張常鐵路建設(shè)指揮部《關(guān)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(yōu)化，并要求在仰拱弧形模板內(nèi)模板上增設(shè)排氣搗固孔，仰拱中部增設(shè)臨時木模板，確保隧道仰拱混凝土澆筑一次連續(xù)成型。 結(jié)合黔張常建設(shè)指揮部《關(guān)于推進隧道作業(yè)標準化工作的指導(dǎo)意見》和《關(guān)于推廣現(xiàn)場作業(yè)標準化和隧道工藝及工裝設(shè)備配置使用的通知》要求，隧道仰拱應(yīng)采用整體式弧形模板，使隧道仰拱施工作業(yè)專業(yè)化、標準化[3]。在現(xiàn)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(huán)作業(yè)時間較長，仰拱進度較慢，不利于現(xiàn)場安全步距卡控和作業(yè)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(yōu)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(xiàn)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(tǒng)簡介

由液壓系統(tǒng)、仰拱弧形模板、掛模板桁架、支撐絲桿等4 個主要部分構(gòu)成。 模板收支模式為全自動液壓，左右兩側(cè)均有分布，單側(cè)長16.6 m，寬為1.92 m，高為3.2 m，總重為7 t 左右；單側(cè)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(cè)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(xiàn)。 仰拱臺車前段共設(shè)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(nèi)側(cè)共設(shè)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(qū)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(tǒng)對模板進行定位，省去了弧形模板支架鋼筋，節(jié)省人工和鋼筋消耗。 為確保整個臺車的整體穩(wěn)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(shè)計斷面尺寸開挖至設(shè)計標高，開挖完成后對斷面進行檢查并測量復(fù)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(tǒng)，工作內(nèi)容主要包括安裝環(huán)向排水管、縱向排水管以及鋪設(shè)；邊墻防排水系統(tǒng)滿足既定要求后，在仰拱前端兩側(cè)1 m 處墊砟并整平，然后鋪設(shè)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(yù)鋪設(shè)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(nèi)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(yǎng)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(yè)要點

(1)在保證前端地腳基礎(chǔ)穩(wěn)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(xiàn)止水翻折、松動等現(xiàn)象要及時調(diào)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(yīng)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(huán)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)模，方便混凝土終凝后拆模[7]。

4.4 自行式液壓仰拱臺車設(shè)備管理

4.4.1 設(shè)備維護

移動、就位及操作液壓仰拱弧形模板時，必須是經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人員嚴格按操作規(guī)程進行操作。

(1)每次接線啟動前必須檢查油泵的旋轉(zhuǎn)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(wěn)定在380 V，不允許出現(xiàn)漏電現(xiàn)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(yīng)注意觀察行走裝置滾輪與桁架是否發(fā)生偏移；

(5)在完成仰拱及仰拱填充面作業(yè)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(shè)備保養(yǎng)

(1)定期檢查螺栓是否松動，并確保不出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象；

(2)按照電氣規(guī)范檢查電控系統(tǒng)，定期檢查電控柜內(nèi)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(dāng)油量不足時，要及時予以補充；檢查各液壓油管是否出現(xiàn)破損、老化，避免出現(xiàn)漏油現(xiàn)象；檢查油泵和油缸，確保液壓系統(tǒng)在工作時不出現(xiàn)異常響動；依照作業(yè)環(huán)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(dǎo)柱的相對運動處及行走機構(gòu)。

4.5 自行式液壓仰拱臺車作業(yè)的質(zhì)量要點卡控

(1)要確保澆筑的仰拱幾何尺寸滿足設(shè)計和規(guī)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(yè)的間歇所用時長不得超過其初凝時間；在同一施工段，應(yīng)保證混凝土澆筑連續(xù)，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(yīng)滿足設(shè)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(jié)構(gòu)面要平整、顏色均一，不得出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞、漏筋等缺陷；

(10)要確保環(huán)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(shè)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(yè)安全控制要點

(1)在施工區(qū)域設(shè)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(shè)備，尤其是運渣車輛經(jīng)過時，注意塊石掉落砸傷橋下施工人員；

(3)進入施工現(xiàn)場時一定要佩戴安全帽；

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

(5)為保證現(xiàn)場施工安全，施工現(xiàn)場必須有人指揮施工工作，并配備1 名安全員負責(zé)現(xiàn)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(cè)的初支是否存在變形，若出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，迅速撤離現(xiàn)場工作人員，并采取相應(yīng)加固措施，提高隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

5 與整體式仰拱弧形模板方案相比的優(yōu)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(yè)時間如表2 所示。

表2 每模12 m 仰拱作業(yè)時間對比 h

(3)大大節(jié)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(shù)量如表3 所示。

表3 每模12 m 仰拱用工人數(shù)對比

②在施工過程中可節(jié)省定位鋼筋的數(shù)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(jié)約定位鋼筋600 kg。

③在施工作業(yè)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(yè)循環(huán)時間，降低成本。

(4)液壓仰拱臺車操作靈活、穩(wěn)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(zhì)量，仰拱施工效率大幅度提高，進而節(jié)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(jié)約循環(huán)時間12.7 h，見表4。

表4 仰拱作業(yè)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(huán)作業(yè)。 澆筑1 板仰拱及填充循環(huán)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(jié)省工期115 d，約3.8 個月；全隧道實際節(jié)約工期9.5 個月，由此帶來工期縮短的效益顯著[12]。

7 經(jīng)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(yǎng)共14 名工作人員，挖配配合作業(yè)時間達13 h。 液壓仰拱臺車無需利用鋼筋定位，可節(jié)約鋼筋約610 kg，節(jié)省大量材料成本，只需5 名工作人員進行安裝、拆卸及保養(yǎng)工作，與整體式弧形模板相比可節(jié)約9 人(鋼筋工3 人，模板工4 人，普工2 人)；占用挖機協(xié)助作業(yè)時間0.5 h，每臺挖機能節(jié)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(jié)省456 元，最終總計降低資金成本達295 萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。

8 結(jié)束語

通過對隧道仰拱施工方案技術(shù)優(yōu)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(dǎo)致鐵路隧道施工中安全步距超標的問題；適用于采用傳統(tǒng)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(yè)的施工成本，也保證隧道仰拱的施工質(zhì)量。