晏家堡二号隧道仰拱施工方案优化研究

李 永

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222)

1 引言

隧道仰拱是隧道主要结构组成部分之一，为设置在隧道底部的反拱，其能够优化隧道上部支撑结构的受力条件、抵抗隧道围岩变形。 仰拱和衬砌共同作用于隧道空间形成一个整体，提高隧道结构整体稳定性。 由于特殊的受力要求，为确保软弱夹层、破碎带等不良地质段围岩的稳定性及施工人员的生命安全[1]，根据铁路建设相关规定，铁路隧道开挖后初期支护要求尽早闭合成环，即提出铁路隧道安全步距。因此，从某种程度上讲，隧道仰拱施工进度制约着掌子面的掘进速度，因此如何缩短仰拱的循环作业时间，就成为隧道进度控制的关键因素之一。 目前，通过对隧道整体式弧形模板浇筑仰拱进行工装选择的技术方案优化，并在黔张常铁路晏家堡二号隧道施工中应用，取得了较好效果。

2 工程概况

新建黔江至张家界至常德铁路先期开工段晏家堡二号隧道工程，位于湖南省龙山与永顺两县的交界处；隧道设计总长7 081 m，埋深460 ～1 160 m，为越岭隧道。 隧道施工里程DK123 ＋206 ～DK130＋287[2]。 隧道共设350 m 平导1 座、603 m 斜井1 座。其中隧道平导和隧道斜井各自分担正洞大小里程方向2 000 m 的施工掘进任务。 隧道围岩以粉砂岩夹砂质页岩为主，中厚层状分布，节理裂隙较发育，岩体较完整，岩质较坚硬，为Ⅱ级高风险隧道。 隧道进口、出口以及斜井口均沟壑纵横，交通不便。 具有管理跨度大、施工便道长、机械化施工程度要求高、潜在困难和风险大等特点。

3 仰拱施工方案优化背景

为保证隧道仰拱施工质量，根据黔张常铁路建设指挥部《关于隧道二衬、仰拱及防排水施工座谈会议纪要》要求，须对隧道仰拱弧形模板施工工艺进行优化，并要求在仰拱弧形模板内模板上增设排气捣固孔，仰拱中部增设临时木模板，确保隧道仰拱混凝土浇筑一次连续成型。 结合黔张常建设指挥部《关于推进隧道作业标准化工作的指导意见》和《关于推广现场作业标准化和隧道工艺及工装设备配置使用的通知》要求，隧道仰拱应采用整体式弧形模板，使隧道仰拱施工作业专业化、标准化[3]。在现场利用整体式弧形模板施工过程中，以1 模12 m仰拱为例，定位和安拆时间较长，使用过程中人工、材料、机械成本较高，循环作业时间较长，仰拱进度较慢，不利于现场安全步距卡控和作业成本控制。 为满足铁路隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩仰拱距掌子面的安全距离均为35 m 的强制性要求，这就需要通过加快隧道仰拱施工，来保证安全步距达标，达到缩短工期目的。 为此，我们对整体式弧形模板浇筑施工工艺进行方案优化，对整体式弧形模板进行改进，采用自行式液压仰拱台车加快现场施工。

4 自行式液压仰拱台车施工介绍

4.1 自行式液压仰拱台车系统简介

由液压系统、仰拱弧形模板、挂模板桁架、支撑丝杆等4 个主要部分构成。 模板收支模式为全自动液压，左右两侧均有分布，单侧长16.6 m，宽为1.92 m，高为3.2 m，总重为7 t 左右；单侧挂模桁架共长15.2 m，高为1.37 m，宽为1.45 m；仰拱弧形模板长为12 m，宽为3 m；在仰拱台车的一侧配有液压站(功率为4 kW)，并配有2 个钢式走行轮，和模板桁架共同形成一个整体，利用吊悬丝杆将弧形仰拱模板挂在桁架上，模板的伸出或回缩利用6 个液压装置动力来实现。 仰拱台车前段共设4 个地脚，用于定位，总造价约为22 万元。 如图1 所示。

在液压仰拱台车弧形模板内侧共设有8 个中埋式钢板止水带固定装置，间距为1.5 m，用于定位仰拱弧形模板；为确保中埋式钢板止水带的位置和标高准确，在模板定位完成后安装中埋式钢板止水带。 如图2、图3 所示。

图1 自行式液压仰拱台车

图2 中埋钢板止水带固定装置

施工过程中，通过挖掘机配合将液压仰拱台车移至仰拱区段，利用边墙测量控制点对仰拱模板的位置进行校正。 通过液压控制系统对模板进行定位，省去了弧形模板支架钢筋，节省人工和钢筋消耗。 为确保整个台车的整体稳定性，还需利用丝杠对模板进行加固处理[4-5]。 如图4 所示。

图3 定位的中埋钢板止水带

图4 液压仰拱台车定位

自行式液压仰拱弧形模板机械化程度高，劳动强度低，施工工效高，施工时只需6 名操作工人，具体人员配置见表1。

表1 自行式液压弧形模板操作主要人员配置

4.2 仰拱液压台车施工方案及工艺流程

首先将仰拱按设计断面尺寸开挖至设计标高，开挖完成后对断面进行检查并测量复核，满足要求后进入仰拱初期支护施工阶段；接着施工隧道边墙处的防排水系统，工作内容主要包括安装环向排水管、纵向排水管以及铺设；边墙防排水系统满足既定要求后，在仰拱前端两侧1 m 处垫砟并整平，然后铺设1 cm 厚2 m ×2 m 钢板；通过挖掘机将仰拱台车前端吊起，模板台车的前端地脚放置在预铺设的钢板上，模板台车的后端则落在已浇筑好混凝土的仰拱填充面上，同时利用隧道内的测量控制点来校正模板台车的放置位置；需要2 位操作工人或模板工加固模板台车，并安装中埋式钢板止水带，同时进行仰拱端头钢模定位、安装；在仰拱混凝土浇筑前需对仰拱架位置及模板进行检查，满足要求后浇筑混凝土，待混凝土初凝强度合格后拆模，并对仰拱混凝土进行养护，在其强度达到要求后随即可进一道工序施工[6]。 其施工工艺流程如图5 所示。

图5 液压仰拱台车工艺流程

4.3 自行式液压仰拱台车作业要点

(1)在保证前端地脚基础稳定的情况下，进行仰拱弧形模板就位；

(2)在固定止水带时，若出现止水翻折、松动等现象要及时调整，确保固定后的止水带平顺、牢固；

(3)钢板止水带在安装时要以施工缝为对称中心，搭接长度应达到40 cm，确保钢板止水带位置正确，最后将贴合边进行满焊；

(4)将纵向背贴止水带与环向背贴止水带焊接；

(5)仰拱模板拆除后要及时清理模板上残留的混凝土，并做好防锈处理；

(6)中心水沟箱式内模移动需通过挖掘机配合，端头放置在托架上；由于中心水沟箱式内模自重较大，因此无需考虑上浮措施；

(7)浇筑仰拱填充混凝土前在中心水沟箱式内模表面涂刷脱模剂；

(8)在混凝土初凝后，利用挖掘机轻微提起箱式内模，方便混凝土终凝后拆模[7]。

4.4 自行式液压仰拱台车设备管理

4.4.1 设备维护

移动、就位及操作液压仰拱弧形模板时，必须是经过培训的专业人员严格按操作规程进行操作。

(1)每次接线启动前必须检查油泵的旋转方向是否与油泵所标注的方向相同；

(2)油泵工作时要保证电压稳定在380 V，不允许出现漏电现象；

(3)在油泵各润滑点定期添加注润滑脂或润滑油；

(4)液压仰拱弧形模板走行时，应注意观察行走装置滚轮与桁架是否发生偏移；

(5)在完成仰拱及仰拱填充面作业后，指定专人清除模板上依附的残留混凝土，尤其要防止混凝土粘附在液压油管上，如有粘附则及清理干净；

(6)保持液压站的清洁，严禁杂物落入其中。

4.4.2 设备保养

(1)定期检查螺栓是否松动，并确保不出现滑丝现象；

(2)按照电气规范检查电控系统，定期检查电控柜内存在松动或脱落的接线或元件，以免造成故障或用电隐患，一般以3 个月为周期[8]；

(3)定期检查液压油箱的油量，当油量不足时，要及时予以补充；检查各液压油管是否出现破损、老化，避免出现漏油现象；检查油泵和油缸，确保液压系统在工作时不出现异常响动；依照作业环境温度选用不同的低温抗磨液压油，吸油滤油器也要定期进行清洗；

(4)润滑：须加注“锂”基或“钙”基，润滑点主要包括自动走行装置的相对运动处、前支架导柱的相对运动处及行走机构。

4.5 自行式液压仰拱台车作业的质量要点卡控

(1)要确保浇筑的仰拱几何尺寸满足设计和规范要求，开挖仰拱后利用卷尺进行量测，量测左边墙、左中心线、中心线、右中心线、右边墙等位置；

(2)浇筑仰拱混凝土前，须先清理基底岩面上虚渣，有积水的须抽排积水，如存在超挖，则用同级混凝土回填超挖部分；

(3)为满足混凝土的强度要求，运输、浇筑混凝土以及浇筑作业的间歇所用时长不得超过其初凝时间；在同一施工段，应保证混凝土浇筑连续，不得有间隔[9]；

(4)成型后的仰拱表面平顺，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)在浇筑仰拱混凝土之前要清理仰拱表面的废渣及积水；表面处理应满足设计要求；

(7)仰拱进行填充混凝土后，仰拱表面要满足高程控制；

(8)仰拱填充表面要留有一定坡度、坡面要平顺，满足流水条件；

(9)施作后的混凝土结构面要平整、颜色均一，不得出现蜂窝、麻面、空洞、漏筋等缺陷；

(10)要确保环向中埋式止水带同施工缝中心轴线重合；

(11)纵向钢边橡胶止水带按设计施工缝安装，止水带安装平顺、居中。

4.6 自行式液压仰拱台车作业安全控制要点

(1)在施工区域设置警示标牌，限制非工作人员进入；

(2)及时避让过往车辆及行走的机械设备，尤其是运渣车辆经过时，注意块石掉落砸伤桥下施工人员；

(3)进入施工现场时一定要佩戴安全帽；

(4)装载机、挖掘机等大型机械设备在经过栈桥时，需要专人进行指挥引导，防止落空[11]；

(5)为保证现场施工安全，施工现场必须有人指挥施工工作，并配备1 名安全员负责现场安全工作，坚持每天工作前对施工人员进行安全教育；

(6)在仰拱开挖过程中，安全员要注意仰拱两侧的初支是否存在变形，若出现失稳状态，迅速撤离现场工作人员，并采取相应加固措施，提高隧道结构整体稳定性。

5 与整体式仰拱弧形模板方案相比的优点

(1)能确保整个隧道中埋式钢板止水带线形顺直，且标高精准度能有效保证。

(2)可极大减少仰拱弧形模板定位及安拆所需的时间。 施工中，每模仰拱的长度12 m，两种不同的方法作业时间如表2 所示。

表2 每模12 m 仰拱作业时间对比 h

(3)大大节约了施工成本：

①以每模仰拱12 m 为例，两种方法在施工中所占用的人工数量如表3 所示。

表3 每模12 m 仰拱用工人数对比

②在施工过程中可节省定位钢筋的数量，降低材料成本。 自行式液压仰拱弧形模板与整体式弧形模板相比，每模12 m 的仰拱可节约定位钢筋600 kg。

③在施工作业时，整体式弧形模板无论是在安装，还是在拆卸、堆码时均需占用大量挖机时间，最高时长可达17 h；液压仰拱台车仅需在定位时用到挖机，占用时间仅为0.5 h，缩短作业循环时间，降低成本。

(4)液压仰拱台车操作灵活、稳定性好，且自动化和机械化程度高；在进行仰拱浇筑时，液压仰拱台车能保证仰拱线形顺畅和混凝土的浇筑质量，仰拱施工效率大幅度提高，进而节约大量资金成本。

6 工期情况比较分析

以每模仰拱12 m 为例，与整体式弧形模板相比，液压仰拱台车可节约循环时间12.7 h，见表4。

表4 仰拱作业工序时间对比 h

中心水沟模板和端头模板安装按6 h 计算，填充混凝土浇筑按8 h 计算，混凝土待强度达到5 MPa需24 h，进入下一循环作业。 浇筑1 板仰拱及填充循环时间：使用整体式弧形模板需要73 h，约3 d，每天进度约4 m，月进度120 m；而采用液压仰拱台车需要60.2 h，约2.5 d，每天进度约4.8 m，月进度144 m，可保证每个月掘进140 m 施工进度要求，从而使隧道各工序施工安全步距满足要求。 斜井正洞2 761 m，全部采用液压仰拱台车，共节省工期115 d，约3.8 个月；全隧道实际节约工期9.5 个月，由此带来工期缩短的效益显著[12]。

7 经济效益比较分析

利用整体式弧形模板进行仰拱浇筑，每12 延米需消耗610 kg 的钢筋来支撑加固，其还需定位、安装、拆卸及堆码保养共14 名工作人员，挖配配合作业时间达13 h。 液压仰拱台车无需利用钢筋定位，可节约钢筋约610 kg，节省大量材料成本，只需5 名工作人员进行安装、拆卸及保养工作，与整体式弧形模板相比可节约9 人(钢筋工3 人，模板工4 人，普工2 人)；占用挖机协助作业时间0.5 h，每台挖机能节约12.5 h(185 元/台时)。

综上所述，晏家堡二号隧道斜井正洞大里程方向自采用自行式液压仰拱模板台车施工整个隧道以来，每模降低5 472 元成本，其中：工费降低1 573元；主材料费降低1 586 元；机械费降低2 313 元。平均每米仰拱节省456 元，最终总计降低资金成本达295 万元，经济效益十分明显。

8 结束语

通过对隧道仰拱施工方案技术优化，对整体式弧形模板进行改进，采用液压仰拱台车施工仰拱，很好地解决了施工中仰拱进度慢，导致铁路隧道施工中安全步距超标的问题；适用于采用传统栈桥进行仰拱施工的情况，对使用、施工条件无特殊要求，能够有效降低隧道仰拱作业的施工成本，也保证隧道仰拱的施工质量。