隧道用仰拱预制块制作及安装工法

隧道用仰拱预制块制作及安装工法一、前言隧道仰拱预制块制作及安装技术是铁道部隧道工程局在西安——安康铁路控制工程秦岭I线隧道进口端（北端）创造性应用的、与TBM880E型全断面开敞式掘进机配套的一种新颖的技术型施工方法，是对国外先进经验的消化和吸收。它一改传统仰拱混凝土现浇施工的方法，采取工厂化预制、现场安装的方式，使隧道仰拱施工走预制、安装之路，把因现场浇注混凝土造成的施工干扰同工期、质量的矛盾降至最低。同时，配合TBM（隧道掘进机）一系列新技术，使隧道仰拱施工具有优质、高效、经济、文明、标准等特点。该项技术在秦岭隧道工程施工中，取得了令人满意的效果，其施工组织便利，产品质量可靠，满足了TBM的快速施工要求。通过对工厂设置、设备配套、材料选择、配比优化、蒸养温控、工艺配套、机械化安装等技术的不断完善、发展，经总结形成本工法。以本工法为主的科研项目“秦岭隧道仰拱预制管片配合比选择与加热养护工艺的研究”课题，获1999年局科技进步奖。二、工法特点1、速度快。由于TBM施工速度快，在生产高峰时，预计要求每日生产17块仰拱块。即17套进口钢模每天周转一次。2、质量好。仰拱块预制生产质量稳定、外光内实、几乎无有害裂纹和蜂窝麻面、缺角、掉块现象，其尺寸精度符合要求。3、工艺简单。本工法应用高精度钢模、气动附着式振捣器振捣，分阶段供热供湿养护新方法，工序紧凑，易操作。三、适用范围本工法适用采用TBM或盾构施工的铁路、公路、水工及各种地下人防工程全圆型隧道仰拱衬砌块的制作和安装。四、施工工艺（一）工艺原理目前，加速混凝土预制构件硬化的措施主要有：蒸汽养护（包括养护池、养护蓬、养护室、立式窖、隧道窖、折线窖等）、太阳能养护、红外线养护、电热养护、压蒸养护等，各种方法各有优缺点。考察国外TBM配套管片生产技术，结合秦岭工程实际，因地制宜地采取了“干式排管（暖气管片）分阶段供热供湿养护”的方式，与传统的蒸养工艺相比，有短预养、缓升温、低恒温、慢冷却、节能节材的特点。预制仰拱块要点：用2×0.9m3常压蒸汽锅炉供汽，可单独开关的汽管多排并列通过钢模下部；钢摸固定，灌注工序流动；灌注混凝土的钢模外罩以密封的养护罩，养护时根据测温反馈，调节汽管阀门，保持足够的养护温度；通过溢汽阀调节罩内湿度；按静停、升温、恒温、降温四个步骤进行加热养护；降温结束前，检验同条件养护的试件，确定是否可以起吊脱模。安装仰拱块要点：通过安装在仰拱块中心水沟的激光指向仪发射的激光束确定其中线、标高位置，曲线地段通过支距法保证仰拱块铺设方向；用水平道尺调整相对水平；仰拱块对正后，利用TBM配套注浆系统，通过注浆孔进行细石混凝土注浆，填充仰拱块与围岩之间的空隙。（二）工艺流程（见图1）（三）施工方法1、模具及养护罩该两项属进口TBM附带品，由法国一厂家制造。模具制作按仰拱倒置形式布设，顶盖可以自由开启，两侧模可在一定尺寸范围内收放。模具制作精密，其相对误差都在5mm以内，变形小，密封严，无漏浆。一些预埋件的安装、固定方式简单，定位准确。模具底部装有4台气动式振动器可使混凝土灌注密实、成型良好。养护罩配合养护。起起吊检验，翻转，存放成品出厂运输安装预埋件安装钢筋骨架运送混凝土脱模关罩，加温、恒温、降温，开罩制作试件振捣成型清模、装模，刷脱模剂加止水条和锚固螺栓混凝土生产安装，加“U”止水条，注浆铺轨，TBM前移激光导向灌注混凝土试件检验图1工艺流程2、钢骨架制作根据钢骨架间距小、预埋件预留孔多（达22处）的结构特点，将其分为易加工的多单元，再在组装平台将上组合，保证了加工精度。模板安装后，喷涂脱模剂。3、安装骨架，设置预埋件设置起吊吊杆及螺旋道钉预留用橡皮管。采用120kN桥吊将钢筋骨架吊装入模，骨架采用特制塑料定位块定位。定位块在骨架入模前安放，均安在2#、4#钢筋上，不让靠近预制块边缘，并互相错开，分散布置。每个骨架安放定位块8个。在混凝土灌注过程中，垫块不得松动。骨架安装后，进行泄水孔PVC硬管及注浆孔预埋件安装。在骨架人模后应检查保护层情况及预埋件埋设情况，并做好检查记录，填写检查证。4、混凝土生产、运吊、灌注及成型（1）混凝土严格按试验室签发的施工配合比进行生产。所有原材料须有产品合格证，经检验合格方可使用。配合比：水泥∶砂∶碎石∶水∶外加剂；1∶1.40∶2.71∶0.40∶0.01。每m3混凝土材料用量：水泥425kg，砂593kg，碎石1152kg，水170kg，外加剂4.25kg。坍落度6.5㎝。20h强度24.2MPa，7d强度38.9MPa，28d强度45.6MPa。（2）投料顺序：石子→砂→水泥→水及外加剂。各原材料计量允许误差：水泥±1%，砂、石±2%，水、外加剂±1%。搅拌时间1.5min。（3）砂、石含水率每天检测4次，据检测结果，及时调整施工配合比，进行含水率补偿。（4）混凝土用轨道平板车载料斗运送，在运输过程中，应保证匀质性，做到不分层、不离析、不漏浆。混凝土停放间歇时间不大于60min。混凝土入模时坍落度保持在6～8㎝。（5）混凝土运至人模地点后，使用160kN桥吊吊起料斗自流人模，必要时开启料斗上的附着式震动器下料。卸料高度应小于2m。（6）采用集中入模方式，连续灌注，附着式震动器振2～3min，局部用插入式震动器辅助，观察入料口表面有一层浆且延时30s无明显下沉为密实。约20min后，将顶盖开启到竖直位置并锁紧，参照两侧模板弧形，进行预制块最后的抹光整形。5、蒸汽养护由专人负责，配置多个探温头采用数显式温控仪，确保热工制度的及时反馈和调整。静停时间为3～5h，加盖养护罩，蒸汽锅炉供热给模具下暖气片加热升温，17套模具供汽为并联形式，各套模具养生温度、湿度实行集中监测，使环境温度保持在40℃左右，罩内湿度应保持在90％以上，随时通过开关逸汽阀补充罩内蒸汽来调控湿度。经恒温养生10～12h，逐渐降至室温，拆除养护罩。升降温时间均为2～4h，温度曲线见图2，升降温梯度不大于15℃／h。T（T（℃）605011.5h402.5h302h204h1004617.520t（h）图2温度曲线脱模时，混凝土内部温度与室内温度之差不应大于20℃。养生后，脱模强度应达到预制块设计强度的50％以上，即不低于20MPa。6、脱模及存放（1）预制块经20～24h加热养护，经试验室检查同龄期试件强度达到20MPa，即可拆模、起吊。（2）预制块出模时应试吊，确认安全后，吊至室内存放线上存放，同班生产的可2层重叠，并用木楔垫稳，标上生产日期、时间。在室内存放3d，存放期间洒水保持仰拱块足够的湿度，以利强度增长。（3）室内存放3d后，用轨行仰拱运输平板车运至仰拱块翻转台翻身，由原来的倒扣状变成正常状，再用160kN门吊吊至存放地点。（4）仰拱块28d强度经试验室检验合格，明确标识后方可进入洞内铺设。7、仰拱块安装及精确定位在TBM步进期间，前4块仰拱块通过经纬仪和水准仪测量定位，铺设时，欲铺设的仰拱块后部依靠已设置好的仰拱块来定位，通过激光指向仪和水平尺在设置的检查点上进行检查。在TBM掘进期间，激光指向仪安置于TBM后仰拱块形成的中心水沟中，第一检查点位于附近，第二检查点位于TBM主机下，在TBM上作1位于仰拱块理论轴线上的标志，激光束应通过2个检查点，确保仰拱块的高精度安装。仰拱块从洞外用专用运输车运进洞内铺设点，然后利用TBM配置的专为铺设仰拱块用的吊机起吊、就位、检查、固定。用ZED260导向系统首页“presentposition”(显示设备相对于隧道轴线位置)的显示值，检查激光精度。8、仰拱块下回填回填混凝土粗骨料最大粒径10mm，坍落度15～18cm。每5～7块进行一次注浆。注浆通过仰拱块预留注浆孔进行，注浆压力0.3～0.4Ma，注浆量以自由面浆液全面外溢为原则。秦岭隧道线路设计为全新式弹性整体道床，其目的之一即免维护或少维护。因此，注浆质量非常关键。在施工期间，中铁物探中心利用物探技术进行底部注浆质量的逐块检查，绝大多数质量优良，个别不足之处进行补注浆。五、机具设备（见表1）主要机械设备配备表表1序号设备名称型号数量用途1钢筋调直机2台钢筋骨架制作安安装2钢筋切断机2台（同上）3钢筋弯曲机4台（同上）4电弧焊机6台（同上）5钢筋模具6套（同上）6电葫芦10kN1台（同上）7喷枪（含打气泵泵）1套清模8动力车1辆混凝土运输灌注注9混凝土运输平板板车2台（同上）10混凝土运料斗1m32个（同上）11桥吊160kN1台（同上）12混凝土搅拌站HZS50型1套搅拌生产13进口钢模板（含含附着震捣捣器）17套成型、养护14空压机1台震捣成型15常压锅炉2台蒸汽供应16测温装置2套温度控制17管道系统1套养护18试验室检验设备备全套生产控制、质量量检验19单轨仰拱吊机130kN1台人工配合安装仰仰拱块20注浆系统1套块下回填及注浆浆六、劳动组织预制厂设计生产能力每天17块，根据TBM施工计划平均每月掘进500m，以及仰拱预制存放场地存放能力为510块的实际情况，确定预制块生产按两班制作业，每班51人，劳动组织见图3，每班生产预制块6～7块。此外，安装仰拱块需3人。预制厂厂长1名预制厂厂长1名技术厂长1名生产厂长1名质检组质检员1名试验室钢筋加工24人预制块生产12人综合班13人车间主任1名图3劳动组织机构七、质量控制1、秦岭隧道要求创立国家优质工程。因此仰拱块制作及安装质量必须合格为100%合格。2、仰拱块冬季施工质量保证措施（1）当室外日平均气温连续3天稳定低于5℃时，应采取冬季施工措施，秦岭地区冬季最低－11℃，按11月～2月为冬期考虑。（2）做好厂房外墙的防寒措施，门窗、进出口采取保温措施。拌合楼应密封保温，用木板、棉被、草袋等围护。（3）水管包草垫，不将水龙头关死，用石棉瓦将水箱顶部盖住。拌合用水的温度不应低于5℃，加热至45℃最佳。搅拌前，应用热水或蒸汽水冲洗搅拌机，搅拌时间应延长2倍。（4）砂石骨料进入冬季以前开采，并保持干燥状态。砂石骨料温度应保持在0℃以上，骨料在存放中不得夹有冰膜雪团。（5）混凝土出机温度不宜低于15℃，出机后应尽快用完。预制块拆模后，混凝土表面温度与环境温度差应小于15℃，否则用保温材料覆盖。3、仰拱块铺设前必须清理干净底部。加强注浆过程控制。4、仰拱块安装高程、中线偏差控制在50cm以内。八、安全措施1、参加仰拱块制作和安装施工的人员必须经过系统培训，持证上岗。2、建立完善的交接班制度，经常进行安全技术教育。3、在危险的部位位设置安全全警示牌，人人员进入现现场须戴安安全帽，配配齐各种安安全防护设设施。4、吊装仰拱块时时，吊机下下严禁站人人。吊车钢钢丝要经常常检查，严严禁歪吊斜斜拉，并注注意保护蒸蒸汽管线。下下放钢筋料料时，必须须有专人指指挥。5、电缆、电线应应绝缘良好好、无破损损，闸箱要要有防雨措措施，确保保用电安全全。九、效益分析本工法组织合理理，工序衔衔接紧凑，保保证了隧道道仰拱预制制块的生产产和使用。本工法平均每循循环节省热热养时间55h，每m3混凝土节节约用煤220～30Kgg，节约水水泥30KKg。预制制仰拱块33268块块，以混凝凝土总量约约1.5万m3计，可节节约资金224.944万元。本工法将仰拱块块安装测量量与ZED导向系统统统一起来来，节省了了安装时间间，保证了了铺设精度度，确保了了TBM的顺利掘掘进。十、工程实例西康线秦岭隧道道Ⅰ线全长188460mm，开挖断断面φ8.8mm，初期喷喷锚支护，跟跟进铺设混混凝土仰拱拱块，二次次衬砌后成成洞断面φ7.7mm，中铁隧隧道工程局局施工进口口端（北端）58844m。铺设设仰拱块33268块块，混凝土土总量约为为1.5万m3。仰拱块钢模板（含附着式式振动器）为进口设设备，共117套，在在生产高峰峰时，全部部钢模每天天必须周转转1次，采用用加热养护护工艺。为为此，在洞洞口外组建建仰拱块预预制厂，按按三班制作作业。预制厂有2条生生产线和1条室内存存放线，1个钢结构构加工车间间。混凝土土生产用华华建机械厂厂生产的HHZS500型混凝土土搅拌站，主主机为双卧卧