陳 真，齊如見，李成立，曠文濤，戴先兵

(1.中鐵隧道集團一處有限公司,重慶 511458; 2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)

1 概述

從傳統(tǒng)礦山法鐵路隧道施工質(zhì)量控制來看,結(jié)合隧道運營期病害相關(guān)調(diào)研內(nèi)容,襯砌厚度不足及背后脫空等病害主要存在于隧道拱部,存在拱部掉塊的風(fēng)險隱患,嚴(yán)重影響后期隧道運營安全。

采用預(yù)制拼裝襯砌能夠有效解決這一問題,目前襯砌預(yù)制技術(shù)分為全部預(yù)制和部分預(yù)制兩種形式,目前主要應(yīng)用于盾構(gòu)機、TBM掘進機施工的隧道工程[1]。將缺陷比較突出的襯砌拱頂部位利用先進的預(yù)制技術(shù)進行工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制,可以從根本上消除現(xiàn)場澆筑作業(yè)不規(guī)范帶來的拱部缺陷[2]。

目前,拱部單獨預(yù)制塊和邊墻組合的隧道工程案例很少見,通過調(diào)查,國內(nèi)外既有的大直徑盾構(gòu)法隧道的管片尺寸,其統(tǒng)計結(jié)果見表1[3-9]。隧道直徑在10 m及以上的大直徑盾構(gòu)隧道通常采用“7+2+1”即7塊標(biāo)準(zhǔn)塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊的分塊模式,同時考慮盾構(gòu)隧道中盾構(gòu)機千斤頂油缸行程、曲線上轉(zhuǎn)向等因素,管片的幅寬通常在2 m左右。管片幅寬直接影響著管片重量,較大幅寬的預(yù)制構(gòu)件在狹小空間內(nèi)進行拼裝施工較復(fù)雜,需要更高的拼裝精度,影響其余施工工序的正常進行;過大的預(yù)制塊還存在制造精度高、運輸和吊裝困難的問題。

依托重慶鐵路樞紐東環(huán)線8標(biāo)胡家溝隧道,重點對礦山法隧道拱部大尺寸、高精度預(yù)制襯砌進行研究,解決預(yù)制襯砌接頭處質(zhì)量控制問題,選擇合理的安裝方案,實現(xiàn)拱部預(yù)制襯砌與現(xiàn)澆拱墻安全、可靠拼裝。

2 項目概況

2.1 工程概況

依托工程重慶鐵路樞紐東環(huán)線8標(biāo)胡家溝隧道,全長228 m,位于重慶市北碚區(qū)東陽鎮(zhèn)境內(nèi)重慶東環(huán)線襄渝聯(lián)絡(luò)線上,單洞雙線隧道,設(shè)計時速120 km/h[10]。胡家溝隧道為雙線鐵路隧道,其開挖的最大跨度為15 m,高度為12.3 m,工作面開挖斷面的面積達到152 m2,屬于大斷面隧道。

表1 國內(nèi)部分隧道管片的尺寸 m

胡家溝隧道LMZK3+471—LMZK3+603區(qū)段共132 m采用拱部預(yù)制襯砌拼裝,邊墻現(xiàn)場模筑,其余區(qū)段采用全環(huán)整體現(xiàn)澆。

拱部預(yù)制襯砌示意圖見圖1。

2.2 拱部預(yù)制結(jié)構(gòu)

拱部預(yù)制襯砌拼裝長度為132 m,其中L型榫接頭預(yù)制襯砌72 m,大球形接頭預(yù)制襯砌60 m,拱部預(yù)制襯砌共66片,采用C50鋼筋混凝土,抗?jié)B等級不低于P12。預(yù)制襯砌幅寬為2 m,弦長8.6 m,預(yù)制襯砌具體參數(shù)詳見表2。拱部預(yù)襯砌結(jié)構(gòu)圖見圖2。

表2 預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.3 拱部預(yù)制襯砌吊裝受力分析

拱部預(yù)制襯砌質(zhì)量較重,最重可達25.86 t,為保證拱部預(yù)制襯砌順利安全吊裝,需合理布置吊裝孔位置和數(shù)量。取拱部預(yù)制襯砌厚度為0.5 m,分別針對拱頂設(shè)一個吊裝孔、沿拱部襯砌環(huán)向均勻布置兩個吊裝孔和三個吊裝孔工況對拱部預(yù)制襯砌吊裝過程中結(jié)構(gòu)安全性的影響。吊裝工況配筋檢算見表3,預(yù)制襯砌彎矩剪力見圖3。

表3 吊裝工況配筋檢算

綜合分析、比較一個吊裝孔、兩個吊裝孔和三個吊裝孔預(yù)制襯砌受力情況,可以看出一個吊裝孔吊裝時,預(yù)制襯砌受力較大,受力集中,受力形式不利;兩個吊裝孔吊裝時預(yù)制襯砌受力形式較優(yōu),受力較小;三個吊裝孔的受力最小,但相比兩個吊裝孔受力減小程度較小。經(jīng)與吊裝設(shè)備制造廠家對接,為避免吊裝過程吊裝孔的應(yīng)力集中,采用沿預(yù)制襯砌縱向拉通的通長吊裝孔,孔徑50 mm,為避開注漿孔及螺栓孔位置,每環(huán)預(yù)制襯砌設(shè)置兩個吊裝孔,間距4.5 m。

3 拱部襯砌預(yù)制技術(shù)

拱部預(yù)制襯砌精度要求比較高,質(zhì)量要求嚴(yán)格,因此拱部襯砌預(yù)制采用定制高精度模板,工廠化生產(chǎn)。拱部襯砌預(yù)制工藝流程:預(yù)制場設(shè)計及施工→模具設(shè)計及制作、安裝→鋼筋加工及安裝→鋼筋骨架整體吊裝→預(yù)埋件安裝→混凝土澆筑→養(yǎng)護→質(zhì)量檢測及驗收。

3.1 模板制作及安裝

為保證拱部預(yù)制襯砌的防水、拼裝及結(jié)構(gòu)受力要求,拱部預(yù)制襯砌模具采用高精度鋼模,鋼模具有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性及良好的密封性能,能滿足預(yù)制襯砌的尺寸和形狀要求。拱部預(yù)制襯砌制作及拼裝需要較高的精度要求,模板制作前,對拱部預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)進行三維模型驗證,確保鋼模的精度。模板采用固定臺座法。拱部預(yù)制襯砌模具由底座、底模、側(cè)模、兩側(cè)可拆卸端模、蓋模、操作平臺組成,采用工廠化定制,預(yù)制廠現(xiàn)場拼裝。拱部預(yù)制襯砌模板設(shè)計圖見圖4。

模具選擇由專業(yè)的生產(chǎn)廠家加工,預(yù)制場現(xiàn)場拼裝。模具生產(chǎn)完畢,在生產(chǎn)廠家進行預(yù)組裝與調(diào)試,經(jīng)調(diào)試符合規(guī)定時,再運往施工現(xiàn)場。由于運輸、工廠、現(xiàn)場的吊裝、吊卸等原因,會造成模具的精度發(fā)生變化,在拱部預(yù)制襯砌模具運抵施工現(xiàn)場以后要對模具進行必要的調(diào)整。

模具組裝完成后,檢查模具的凈寬、凈高尺寸,幅度以及預(yù)埋件位置是否符合設(shè)計要求,若超過誤差尺寸,重新整模直至符合要求。拱部襯砌預(yù)制前,需要對模板的尺寸進行檢查,若模具誤差不在合格標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),則需要對模板進行重新校正,校正檢測合格方可投入使用。鋼模的隨機合模精度要求按高于拱部預(yù)制襯砌精度0.15 mm檢測,若不符合標(biāo)準(zhǔn)需要進行校正。在拱部襯砌預(yù)制過程中,要定期對拱部預(yù)制襯砌模具進行校核及保養(yǎng),避免模具尺寸偏差超過規(guī)定值,保證預(yù)制襯砌的精度。

3.2 鋼筋加工及安裝

拱部預(yù)制襯砌鋼筋加工和安裝是確保拱部預(yù)制襯砌質(zhì)量和進度的關(guān)鍵工序,特別是L型接頭和球形接頭位置。拱部襯砌制作前,根據(jù)拱部預(yù)制襯砌鋼筋設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸,提前制作鋼筋骨架胎具,確保鋼筋安裝精度。

鋼筋骨架在骨架胎具上焊接成型,成型后的鋼筋骨架經(jīng)質(zhì)量驗收合格后,采用桁架整體吊裝入模。鋼筋骨架吊裝入模時必須精準(zhǔn)定位,置于拱部預(yù)制襯砌模板中間位置。預(yù)埋件嚴(yán)格按照設(shè)計位置進行埋設(shè),并且固定牢固,防止混凝土振搗過程偏位。拱部預(yù)制襯砌及接頭部位鋼筋布置圖見圖5。

3.3 拱部預(yù)制襯砌混凝土施工

1)混凝土澆筑?；炷劣砂韬险炯邪韬?桁吊吊裝入模?；炷翝仓耙獧z測坍落度及和易性,混凝土澆筑時先兩端后中間,分層澆筑分層振搗。按照先澆筑弧面兩個最低點,向中間較高點逐層澆筑的方法進行,分層厚度控制在20 cm左右。蓋模每塊1 m×0.5 m(長×寬),關(guān)模順序由下向上,為便于拱部預(yù)制襯砌端部混凝土質(zhì)量控制,首次關(guān)一塊蓋模,端部混凝土澆筑完成后,再按順序依次關(guān)模澆筑,混凝土澆筑兩側(cè)對稱進行。

2)混凝土振搗。因拱部預(yù)制襯砌L型接頭處鋼筋分布較密,振搗不到位、氣泡不易排出,易造成混凝土不密實、表面蜂窩麻面等質(zhì)量缺陷;L型端部混凝土振搗選用30型振搗棒加外模平板振搗,L型接頭預(yù)制襯砌實物圖見圖6。

混凝土振搗時間需要加強控制,不能過短,過短振搗不密實,不能過長,防止出現(xiàn)混凝土離析現(xiàn)象。振搗時振搗棒不得觸碰模板、鋼筋、預(yù)埋件等,以防止鋼筋骨架及預(yù)埋件移位和損傷鋼筋。在混凝土澆筑及振搗過程中,及時清理模具周邊散落的混凝土殘渣,保持模具的清潔。

3)預(yù)制襯砌拱部收面。為保證預(yù)制襯砌拱部表面的平整度,需要對拱部進行二次抹光收面。第一次進行粗收面,對于一些表面麻面等進行修補,第二次進行細收面,保證表面的光潔及平整。收面要考慮當(dāng)時溫度的影響,不得過早或過晚,防止預(yù)制襯砌表面產(chǎn)生收縮裂紋。

3.4 拱部預(yù)制襯砌脫模、養(yǎng)護及存放

3.4.1 拱部預(yù)制襯砌脫模

拱部預(yù)制襯砌拆模前,要檢測混凝土強度是否達到規(guī)定值,達到規(guī)定值方可進行脫模。脫模順序先側(cè)模再端模,拆模采用龍門吊桁架吊裝拆除,拆除過程中嚴(yán)格控制力度,不得強拉硬拽,防止損傷拱部預(yù)制襯砌。

L型接頭預(yù)制襯砌端頭模板拆除時,要嚴(yán)格控制拆模力度,不得損傷L型接頭。側(cè)面和端頭模板以及其他附件拆除完成后,在拱部預(yù)制襯砌預(yù)留吊裝孔中固定專用吊裝模架進行吊裝。

拱部預(yù)制襯砌脫模成功后,在拱部預(yù)制襯砌內(nèi)弧面易見的位置處注明預(yù)制襯砌型號、生產(chǎn)日期和制造編號,拱部預(yù)制襯砌編號應(yīng)與里程相對應(yīng),方便查找及安裝。

3.4.2 拱部預(yù)制襯砌養(yǎng)護

混凝土澆筑完成后,采用土工布+薄膜覆蓋保濕養(yǎng)護,養(yǎng)護未達到規(guī)定的抗壓強度之前,不得脫模,防止損傷拱部預(yù)制襯砌。拱部預(yù)制襯砌拆模后移至養(yǎng)護區(qū),繼續(xù)進行噴淋養(yǎng)護,養(yǎng)護時間不得少于14 d,保持拱部預(yù)制襯砌溫度與環(huán)境溫度之差不大于20 ℃,養(yǎng)護結(jié)束后運至拱部預(yù)制襯砌存放場進行存放。

3.4.3 拱部預(yù)制襯砌存放

拱部預(yù)制襯砌存放場地有一定的承載力,堅實、平穩(wěn),排水系統(tǒng)良好,同時要便于運輸。拱部預(yù)制襯砌質(zhì)量較重,拱部預(yù)制襯砌存放時弧面朝下,倒扣在固定支架上,固定支架與預(yù)制襯砌之間設(shè)置柔性材料墊條,防止損傷拱部預(yù)制襯砌。拱部預(yù)制襯砌堆放高度不超過2層,正常為1層,見圖7。拱部預(yù)制襯砌場外運輸由專用平板車運輸,拱部預(yù)制襯砌弧面向下平穩(wěn)放于平板車專用支架上。拱部預(yù)制襯砌平穩(wěn)地放于運輸車輛的車斗,嚴(yán)禁疊放。

3.5 拱部預(yù)制襯砌質(zhì)量檢查及性能檢測

拱部襯砌預(yù)制完成后,必須逐片對拱部預(yù)制襯砌尺寸及預(yù)埋件位置、表面質(zhì)量進行檢查。出場前必須按照規(guī)范要求進行拱部預(yù)制襯砌抗彎試驗、檢漏試驗及拱部預(yù)制襯砌混凝土強度試驗,檢驗合格方可出廠。

4 拱部襯砌安裝技術(shù)

4.1 拱部預(yù)制襯砌安裝方案對比

考慮施工可行性和對施工進度的要求,選取先拱后墻,先安裝拱部預(yù)制襯砌后澆筑邊墻方法、先墻后拱,從洞口縱向頂管安裝方法、先墻后拱,從掌子面縱向拼裝3種安裝方案進行對比分析,3種方案分別為:

1)先拱后墻,先安裝拱部預(yù)制襯砌后澆筑邊墻方法。通過對二襯模板臺車進行改造,在模板臺車上部對應(yīng)預(yù)制襯砌的四個角部位置設(shè)置液壓頂伸裝置,液壓裝置頂部可用真空吸盤吸附預(yù)制襯砌,兩側(cè)邊墻模板可向下旋轉(zhuǎn)和向內(nèi)收縮,以便于拱部預(yù)制襯砌頂升。施工流程如下:先利用臺車頂伸裝置將預(yù)制襯砌頂伸到拱部預(yù)定位置;澆筑邊墻混凝土;邊墻混凝土澆筑完成后,待邊墻混凝土達到設(shè)計強度,臺車走行繼續(xù)向前施工(見圖8)。

此方案需對模板臺車進行相應(yīng)改造,一次施作二襯的長度取決于模板臺車可同時承擔(dān)的預(yù)制襯砌的數(shù)量。

本方案存在的弊端:每一模拱部預(yù)制塊拼裝施作完成后,須等邊墻混凝土強度達到設(shè)計要求才可拆模后繼續(xù)往前施作,施工進度較低;由于邊墻后澆筑,邊墻頂與拱部預(yù)制塊連接處混凝土澆筑質(zhì)量不易控制。

2)先墻后拱,從洞口縱向頂管安裝方法。施工流程如下:首先澆筑兩側(cè)邊墻混凝土;待邊墻混凝土達到設(shè)計強度后,從洞口位置縱向插入拱部預(yù)制襯砌,并根據(jù)邊墻強度逐環(huán)頂推預(yù)制襯砌,將預(yù)制襯砌縱向頂推到預(yù)定位置(見圖9)。

本方案存在的弊端:預(yù)制襯砌縱向頂推難度較大,特別在曲線段,且隧道長度較長時需要利用輔助坑道分區(qū)實現(xiàn);預(yù)制襯砌端面與邊墻混凝土端面在滑動過程中存在相互接觸碰撞損壞的問題;預(yù)制襯砌需不斷向前頂推,必須在所有預(yù)制襯砌頂進完成后方能進行注漿。

3)先墻后拱,從掌子面縱向拼裝。將預(yù)制襯砌縱向頂舉的位置設(shè)在掌子面前方還未施作邊墻的地段。施工流程如下:邊墻臺車正常施作邊墻;將預(yù)制襯砌運輸?shù)娇拷谱用娓浇词┕み厜ξ恢?通過拱部預(yù)制襯砌拼裝移動小車將預(yù)制襯砌頂升稍高于安裝位置,從未施工邊墻處向已拼裝拱部二襯端縱向運輸拱部預(yù)制襯砌,移動到位后進行拼裝(見圖10)。

該方案不影響二襯施作進度,但在拼裝拱部襯砌的過程中,預(yù)制襯砌頂升移動小車需從上方穿過邊墻二襯模板臺車,需對模板臺車進行適當(dāng)改造。由于預(yù)制襯砌頂升移動小車走行距離較長,需要較高精度和平穩(wěn)度。

綜合考慮洞內(nèi)空間條件、設(shè)備條件、施工質(zhì)量要求及施工進度要求等影響因素,結(jié)合本項目實際工況,拱部預(yù)制襯砌安裝采用先墻后拱,從掌子面縱向拼裝方法。

4.2 拱部預(yù)制襯砌安裝

拱部預(yù)制襯砌安裝采用先墻后拱,從掌子面縱向拼裝方法。隧道開挖、仰拱及填充按照礦山法隧道施工工藝正常施作,懸臂邊墻利用高精度懸臂邊墻模板臺車一次性澆筑成型[11],懸臂側(cè)墻混凝土強度達到設(shè)計強度后安裝拱部預(yù)制襯砌。拱部預(yù)制襯砌安裝需要的機械設(shè)備有:拱部預(yù)制襯砌運輸車、提升門吊、預(yù)制襯砌安裝機等。

正式安裝前,按照高鐵斷面1∶1的比例搭建了模型,模型尺寸14.98 m(寬)×10.45 m(高)。整體由三部分組成,分別為“初期支護外殼”“兩側(cè)現(xiàn)澆邊墻”及“上部預(yù)制襯砌”(見圖11)。拱部預(yù)制襯砌與現(xiàn)澆部分搭接采用 “L”型接頭形式,初期支護外殼下設(shè)10 m長軌道,可實現(xiàn)外殼縱向移動。

拱部預(yù)制襯砌具體安裝流程為:拱部預(yù)制襯砌從預(yù)制廠運輸至隧道洞口(見圖12(a)),采用運輸車將拱部預(yù)制襯砌運輸至隧道內(nèi)安裝位置(見圖12(b)),再利用拱部預(yù)制襯砌提升門吊將拱部預(yù)制襯砌放至拱部預(yù)制襯砌安裝機上(見圖12(c)),做好接縫防水措施后,開始安裝拱部預(yù)制襯砌,預(yù)制襯砌按照6片為一組進行安裝,每組預(yù)制襯砌由襯砌安裝機移送至相應(yīng)位置(見圖12(d),圖12(e)),6組安裝完成后擰緊連接螺栓,然后進行拱部襯砌壁后注漿填筑。按照上述工序依次安裝剩余拱部預(yù)制襯砌,完成全隧襯砌安裝。

通過先墻后拱,從掌子面縱向拼裝工藝,現(xiàn)場完成了試驗段66片拱部預(yù)制襯砌的拼裝施工,安裝效果如圖13所示。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道,對拱部大尺寸襯砌預(yù)制及施工工藝進行了總結(jié),并得出以下結(jié)論及建議:

1)針對拱頂設(shè)一個吊裝孔、沿拱部襯砌環(huán)向均勻布置兩個吊裝孔和三個吊裝孔工況對拱部預(yù)制襯砌吊裝過程中結(jié)構(gòu)安全性的影響進行分析,每環(huán)預(yù)制襯砌設(shè)置兩個吊裝孔,間距4.5 m為最佳方案。

2)拱部襯砌采用工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制,拱部襯砌質(zhì)量得到較好控制,滿足需求。采用拱部預(yù)制襯砌,能夠有效減少隧道拱部背后空洞,襯砌厚度不足、掉塊等襯砌質(zhì)量缺陷。

3)綜合分析先拱后墻,先安裝拱部預(yù)制襯砌后澆筑邊墻方法、先墻后拱,從洞口縱向頂管安裝方法、先墻后拱,從掌子面縱向拼裝3種安裝方案,先墻后拱,從掌子面縱向拼裝方案最適合拱部預(yù)制襯砌拼裝。

通過先墻后拱,從掌子面縱向拼裝方案,現(xiàn)場完成了試驗段66片拱部預(yù)制襯砌的預(yù)制及安裝施工,表明礦山法施工鐵路隧道通過拱部預(yù)制解決拱部襯砌質(zhì)量問題是可行的。