矿山法铁路隧道拱部衬砌预制及施工技术应用探析

吴闻金

摘要：常规矿山法铁路隧道衬砌施工拱部位置容易发生质量问题，如厚度不达标、密实度低、中空、脱落等[1]。以铁路隧道工程实例为依托，参考实际隧道空间环境、机械设备、工程质量需求等因素，建立行之有效的拱部衬砌预制结构工艺和装设方案，规范拱部预制衬砌安装施工过程，以有效避免衬砌拱部常见病害，确保铁路隧道拱部衬砌预制衬砌的施工效果和质量。

关键词：矿山法; 铁路隧道; 拱部预制衬砌; 施工技术

0   引言

隧道拱部结构背部脱空、衬砌厚度不达标等会引发结构脱落风险，对隧道的正常运转安全构成影响。通过预制拼接装配衬砌工艺，可有效避免以上常见隧道病害。通过部分预制、整体预制的方式将较突出的拱顶衬砌位置缺陷，通过科学预制工艺技术完成标准、量化的预制，可从根本上消除浇筑施工不达标引发的隧道拱部质量问题。大规格尺寸的预制构件制备精度高、装运及吊装难度大，且有限空间的大幅宽预制构件装配作业更加繁琐复杂，对拼接精度等级要求更高，易对相关实施工序构成影响。基于此，结合隧道施工实际案例，对预制衬砌接头位置施工难点制定科学装配方案，顺利完成拱部衬砌预制和浇筑拱墙的拼装。

1   工程概述

某铁路枢纽环线隧道总长237m，整体结构为单洞双线型隧道，设计通行时速120km/h。隧道截面最大挖设跨度达15m，高度达11.8m，作业挖设最大截面面积可达149m2，隧道断面规模较大。隧道区段拱部预制衬砌拼接总长127m，相应大球状接头预制衬砌59m，L型榫接头预制衬砌68m，拱部预制衬砌幅宽2m、弦长8.3m，预制衬砌管片为63片。拱部采用防渗等级高于P12的C50型钢筋混凝土，边墙通过现场模筑完成，其他区段通过现场整体全环浇筑实现。

鉴于预制衬砌构件质量大，为确保衬砌吊装作业的安全实施，需科学编排吊装孔数和点位。为分散吊装过程中吊装孔应力，选择按预制衬砌纵向拉通方式设置通长吊装孔，各环设置2个吊装孔，为预制衬砌使用，孔径设置为50mm，孔距4.5m。本铁路隧道拱部预制衬砌截面如图1所示。

2   隧道拱部衬砌预制施工技术

2.1   制备和装设模板

为实现隧道拱部预制衬砌的防渗等级、装配结构受力等级达标，预制结构衬砌模具应选取高精度钢模，钢模应具备良好的刚度、强度、密封和稳定效果，并可达到工程所需的外形、尺寸要求[2]。隧道拱部结构制备及拼接安装应具备项目要求的工程精度标准，制备模板之前，应完成建模实验论证。

模板装配方式选择固定台座法。拱部预制衬砌模具结构组成主要包括，可拆解端模、侧模、底模、盖模、底模、安装平台等构件。模具通过专业厂家预制加工制备，在厂家完成预拼装和调测，验证符合项目标准后运至施工现场完成拼接安装。隧道项目整体拱部预制衬砌模板设计结构如图2所示。

针对拱部预制衬砌模具装运、吊装等工序引起的模具精度改变情况，运至隧道场地后应进行必要的精度测量和调整[3]。装配完毕应进行模具净高、净宽、埋装位置、安装幅度等规格的检测，如误差超标应调整至规定标准。钢制模板的随机合模检测精度等级，应不低于拱部预制衬砌精度0.15mm等级，如检测精度不达标应及时纠偏。

2.2   钢筋的预制加工和装设

隧道钢筋部件的加工和装设是整体拱部衬砌结构施工的关键，尤其是针对钢筋的球形、L型连接部位[4]。依据隧道拱部结构钢筋设计方案，完成钢筋骨架胎具的预先制备，以提升后续钢筋装设精度。在钢筋骨架胎具上完成钢筋的焊接定型，达到项目规定标准后，通过桁架完成整体钢筋骨架吊装入模。

入模过程中，应确保钢筋骨架准确定位于拱部模板中间点位，预埋构件埋设位置符合设计要求，并做固定处理，避免振捣操作混凝土时出现位置偏移。具体隧道拱部连接位置钢筋布置如图3所示。

2.3   拱部混凝土预制衬砌

2.3.1   填筑混凝土拌制

将拌和站统一搅拌的混凝土拌合料运至施工场地，采用桁车吊装进模。正式填筑前，应保证和易性和坍落度参数达标。填浇顺序应按由两端向中间实施分层振捣浇筑[5]。首先实施弧面两端最低点的混凝土浇筑，并逐渐向中间高点实施逐层浇筑，逐层厚度控制在0.2m。单块盖模选择1m×0.5m规格尺寸，按自下而上的次序实施合模操作，初始盖模应先选择一块，填筑完成端部位置后，再依据设计顺序实施合模填筑，两端浇筑时应保持对称同步实施。

2.3.2   振捣

隧道拱部L型连接位置钢筋布控密集，如未实施充分振捣，气泡难以清排，容易导致混凝土密实度不达标，形成表面的麻面、蜂窝等问题。本项目选择30型振捣棒配合外模平板的方式实施振捣作业。严格控制振捣作业时长，避免因振捣时长过多引起混凝土离析，因振捣时长过短引起混凝土密实度不达标。振捣过程中，应避免振捣棒触及预埋件、钢筋、模板等部位，以防止引起钢筋、预埋件的损坏、偏移等。浇筑及振捣时，应保证模具的清洁度，及时清除模具附近混凝土残渣。

2.3.3   拱部收面

为达到预制衬砌拱部外观的平整效果，应对表面做二次抹光收面处理。先实施整体粗收面，主要針对表面的麻面实施修补。通过二次实施精细收面，以达到表面的平整平滑效果。收面处理时应控制温度影响，选择合理时机，避免预制衬砌外表出现收缩裂缝。

2.4   拱部混凝土预制衬砌脱模及保养

2.4.1   拱部结构脱模

脱模操作实施前，应确保混凝土强度达到设计强度的80%标准，且强度值应大于10MPa。按照由侧模至端模的次序实施脱模。脱模作业应借助龙门起重机桁架吊装拆卸，尤其在拆卸L型端头模板过程中，应掌控拆模力度，禁止强力拉拽造成对L型连接处的损坏。

完成端头、侧模模板及相关构件拆卸后，应在预留吊装孔洞位置装配专业吊装模架实施吊装作业。脱模完成后，应在预制衬砌内弧明显位置标明具体型号、制备日期及编号，做到编号同铁路隧道里程一一对应，以便于后续的查找和拼装。

2.4.2   拱部预制衬砌结構保养及存放

完成混凝土填筑作业后，应使用薄膜、土工织物实施覆盖保湿保养，直至达到设计抗压强度后，实施脱模，以保证拱部预制衬砌效果[6]。拆模后将衬砌结构运至保养区域，做喷淋保养处理，保养周期应保证超过14天。

控制衬砌结构同养护环境温差在20℃以内，保养完成运至指定场地存放。存放位置应具备一定承载支撑性能，并确保排水良好和方便装运。衬砌结构应弧面向下放置于固定支架位置，衬砌结构与支架间应布设柔性垫条，衬砌结构叠放最大层数为2层。专业平板车装运时，同样需保证弧面向下置于车斗内的专业直架上，避免叠加放置。

2.5   拱部衬砌结构质检及性能测试

完成拱部衬砌预制结构制备后，应逐一检测拱部衬砌预制结构的规格尺寸、预埋点位、外观质量等参数。出厂前应参照检测规范做测漏、抗弯、混凝土强度等测试，验证符合工程要求后进场使用。

3   矿山法铁路隧道拱部衬砌安装施工技术

3.1   隧道拱部预制衬砌安装方案设计

3.1.1   整体方案设计确定

基于本项目铁路隧道空间环境、设备状况、工程质量及进度要求标准等因素，考虑到预制衬砌顶部抬升移动小车需要行进较长距离的行进，并需保证高标准的平稳性和精度需求，因此本铁路隧道拱部衬砌结构安装选择利用先墙后拱，并沿掌子面纵向拼装方法完成。

3.1.2   实施方案内容

将预制衬砌纵向顶举点位，设定在掌子面前侧没有装设边墙区域，利用边墙台车进行边墙衬砌施工。将预制衬砌结构运至临近掌子面区域衬砌边墙附近，利用专业衬砌拼装移动小车，抬升预制衬砌结构至略高于安装高度，将未施工边墙位置设定为初始点位，向已拼接拱部二衬纵向方向运送拱部预制衬砌结构，到达预计地点后实施拼装。

3.2   隧道拱部预制衬砌安装施工

3.2.1   预制衬砌安装施工前准备

基于先墙后拱、沿掌子面纵向拼装方式，隧道的挖设、仰拱、填筑应依据矿山法隧道实施工艺有序完成。边墙通过高精度悬臂边墙模板台车完成一体式填浇定型，待悬臂侧墙混凝土强度达到设计强度的80%标准，且强度值应大于10MPa的设计要求标准后，装配预制衬砌结构。

3.2.2   预制衬砌安装施工

整体安装过程主要采用衬砌结构装运运输车、预制衬砌安装设备、提升门机等机械设备。安装衬砌结构前，依据铁路断面同样大小比例构建模型。模型截面长10.5m、宽15m，整体由初期支护外壳、两端浇筑边墙、上端拱部预制衬砌等部分构成。拱部预制衬砌结构同现场浇筑结构搭接使用L型搭接结构，初期支护外壳下方装设10m距离钢轨，以达到外壳纵向平移的功效。

整个拱部预制衬砌结构安装工序如下：将拱部预制衬砌结构从预制加工厂预制隧洞口位置，并经由装运车将衬砌结构送至隧道指定安装区域。通过提升门机将拱部预制衬砌结构置于专业安装机械上，实施必要的接缝防渗处理后，实施拱部衬砌装设。拱部衬砌按单组6片实施装设，衬砌安装机械分别以组为单位将衬砌结构运至指定施工方位，每完成6组装设后，通过螺栓实施紧固，随即完成拱部衬砌壁后侧的混凝土注浆处理。按照以上工序依次往复完成隧道内全部拱部的预制衬砌装设，直至项目隧道全部衬砌结构装设完成。

3.2.3   预制块拼装精度质量控制

针对拱部预制衬砌结构的现场拼装施工工艺及安装精度质量控制，重点对隧洞装运、洞口吊装运输、隧道内运输、转动衬砌预制结构、拼接位置防渗处理、预制结构置顶与平移、螺栓紧固、预制结构管片的回填注浆处理等工序进行质量控制。

4   结束语

本文结合实际铁路隧道工程衬砌工程案例，分析大尺寸隧道拱部预制衬砌施工技术特点，严格控制大规格尺寸拱部衬砌预制构件的制备精度和安装精度，以有效防止衬砌拱部出现典型质量缺陷。在综合考量实际隧道空间条件、设备机械、项目进度及质量要求求等因素基础上，建立合理的拱部衬砌预制结构工艺和装设方案，保证了铁路隧道拱部衬砌预制结构的高质量施工。

参考文献

[1] 刘保林，旷文涛，齐如见，杨宝，杨昌宇.矿山法铁路隧道

衬砌拱部预制拼装现场试验研究[J].铁道标准设计，2021，65

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[2] 向龙，田志宇，王俊，等.隧道施工因素对衬砌结构安全性

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[3] 吕刚，刘建友，赵勇，等.京张高铁清华园隧道轨下结构预

制拼装技术[J].隧道建设（中英文），2019，39（8）：1357-1364.

[4] 何海兵.隧道拱顶管片运输拼装设备及拼装工艺研究[J].铁

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[5] 占有志.地铁暗挖区间装配式二衬结构施工技术[J].国防

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[6] 宋丹，江帅，张运森.暗挖隧道装配式管片拼装技术研究[J].

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