预制仰拱在隧道施工中的技术应用

林江

中铁十七局集团第二工程有限公司 陕西 西安 710032

我国隧道施工多采用采矿法、新奥法、浅埋暗挖法等常规施工方法，施工效率低，安全风险高，质量控制难度大，文明施工程度低，不利于环境保护。近年来，随着我国预制装配技术的快速发展，预制隧道能有效解决既有线路穿越、河流穿越、软土地质等复杂工况下的隧道施工问题。由于装配式隧道对预制构件的制作精度要求高，预制构件尺寸和重量大，吊装难度大，成品保护难度大，通过预制构件模板的优化、拼装台车的设计开发和拼装工艺的创新，总结了装配式隧道施工的关键技术，形成了一套完整的施工方法，有效地解决了上述问题。

1 预制仰拱简介

预制仰拱主要用于替代传统的现浇混凝土仰拱。川隧道是一条左右断面的二孔中石隧道。右侧轨距YKl13+399-ykl14+280，长度881m，最大埋深约162m。 组合多个沿隧道延伸方向依次排列的换向部件；每个倒转单元由沿隧道横向排列的多个相同特性的倒转预制块组成；每排倒扣单元中，相邻的两块A纵向倒扣预制块之间形成接缝，相邻两倒扣单元的纵向倒扣接缝相互交错。

2 预制混凝土板的现状

与现浇楼板构件相比，预应力混凝土空心楼板具有省模、减少立模、脱模、避免过多湿作业等优点；缩短施工时间，加快施工进度；节约材料，降低工程造价，节省工地面积，实现文明施工；该电路板质量稳定，易于控制。80年代，在经济水平较低，技术水平不高的时候，为了满足当时建筑市场对装配式建筑的要求，开始广泛应用。但随着改革开放，经济越来越繁荣，材料供给从稀缺变为富足，片面强调保护的观念正在发生变化，建筑安全也从仅仅满足强度变为从满足综合性能考虑。[1]尤其是20世纪90年代以来，出现了许多高层建筑、商场、写字楼、仓库、会议室、停车场、工业设施等，大型民用建筑的楼板和屋面需要大跨度、重、轻的楼板结构。由于小康住宅的功能要求，即使是最传统的预制房屋也需要大跨度、大开间的楼板结构。由于一些固有的弱点，传统的“三板”已不能适应市场变化的需要。如果原有预制构件的材料性能得不到改善，很快就会被现浇板所取代。

与现浇楼板构件相比，预应力混凝土空心楼板具有省模、减少立模、脱模、避免过多湿作业等优点；缩短施工时间，加快施工进度；节约材料，降低工程造价，节省工地面积，实现文明施工；该电路板质量稳定，易于控制。80年代，在经济水平较低，技术水平不高的时候，为了满足当时建筑市场对装配式建筑的要求，开始广泛应用。但随着改革开放，经济越来越繁荣，材料供给从稀缺变为富足，片面强调保护的观念正在发生变化，建筑安全也从仅仅满足强度变为从满足综合性能考虑。尤其是20世纪90年代以来，出现了许多高层建筑、商场、写字楼、仓库、会议室、停车场、工业设施等，大型民用建筑的楼板和屋面需要大跨度、重、轻的楼板结构。由于小康住宅的功能要求，即使是最传统的预制房屋也需要大跨度、大开间的楼板结构。由于一些固有的弱点，传统的“三板”已不能适应市场变化的需要。如果原有预制构件的材料性能得不到改善，很快就会被现浇板所取代。

目前，我国预制构件行业大幅下滑，滞销产品大量堆积，大约一半的预制构件工厂关闭，这是因为预制构件行业面临以下问题：

(1)技术落后：装配式构件行业技术进步缓慢，其产品几十年来几乎没有变化。工业设备老化，难以适应建筑市场不断变化的需求。

(2)产品单一：行业主打产品为“三板”，以混房和单层厂房为主，造型大小单调，整体性差，跨度短，承载力大。此外，随着结构安全性的提高，机制粘土实心砖的使用有限，轻钢结构工厂的泛滥，加剧了整个装配式行业的持续下滑[2]。

(3)预应力钢筋仍以冷作钢筋居多。虽然冷作钢筋由于节省钢材和混凝土而提供了一定的经济和社会效益，但这种冷作钢筋以牺牲延展性来换取强度的增加，导致延性差、脆性断裂和结构性能差。此外，这种冷轧钢筋生产的中空板的跨度和荷载无法降低，跨度过大，无法满足大跨度维护良好的房屋的需要。

(4)冷作钢筋质量不稳定：车间型冷作钢筋和短板构件质量稳定性低。近年来，零部件行业因技术含量低、行业过度发展、产能过剩和恶性竞争而深受其害。

(5)受计划经济影响：标准图纸设计周期过长，不能及时反映技术进步，促进产品升级，成为制约装配式构件行业发展的瓶颈。

3 预制仰拱技术在隧道施工中的应用

3.1 预制进度快，维护拆模效率高

根据定制模具支撑和拆卸方便的特点，便于钢筋安装、混凝土浇筑和维护。隔离剂隔离效果好，混凝土构件模缝严密，不易漏浆漏水。养护期结束后，及时拆除模板，有利于模板周转，加快工程进度，不影响脱模后混凝土表面的后期装饰。

3.2 钢筋和预埋件的节材

同一规格的钢筋应根据不同长度的长度进行搭接。应先切割长材料，然后切割短材料。切割过程中，应使用石笔标记弯曲点的位置。对于形状复杂的钢筋，应减小钢筋材料板上标注的尺寸，以减少短端和损耗；钢筋后预埋36mm，3mm厚塑料套管，5mm厚钢板[3]。图1为预制仰拱钢筋加工图。套管紧贴预埋钢板，用定位钢筋固定牢固。图2为预埋套筒及钢板。

图1 预制仰拱钢筋加工图

图2 预埋套筒及钢板

3.3 混凝土浇筑质量控制效果良好

本项目混凝土为自拌混凝土。混合混凝土对原料、外加剂、沉降和初凝时间有严格的要求。安排专人测量混凝土沉降，发现问题及时通知混凝土搅拌站进行调整。混凝土搅拌站应根据路面混凝土原料的温度条件、运输时间和距离，以及原配比（水泥型、外加剂型等）和混凝土坍落度损失量来制作，以保证混凝土浇筑过程在中间可以满足施工和生产的需要。当气候变化时，混凝土厂提供不同温度下单位时间的坍落度损失值，并在现场调整时间，以掌握混凝土罐车的停放时间。每辆车都会测量进入混凝土的坍落度并记录坍落度测试[4]。

3.4 装配工艺

根据仰拱的结构特点，装配式仰拱的组装施工过程包括准备、组装施工、后处理等。准备工作主要包括倒底开挖、地基处理、仰拱运输等；装配工作主要包括吊装、对中、装配、挤压等；后处理主要包括基础灌浆、连接等。

预制仰拱对欠挖有较高的要求。开挖完成后，清理洞底虚渣，仰拱开挖后检查开挖面。不符合设计断面要求的，小面积机械开挖，大面积钻孔爆破，确保仰拱开挖尺寸满足拼装要求，确保仰拱初期支护施工质量。水膨胀橡胶垫图如图3。

图3 水膨胀橡胶垫图

开挖检查合格后，进行仰拱初期支护施工。仰拱初期支护设置I20a工字梁，纵向间距为1m。仰拱初期支护完成后，再次检查仰拱外轮廓线是否符合要求，并用M30砂浆找平不平的表面。

采用全站仪精确定位，在每个预制仰拱的初始支撑上用红漆标出组装位置。在测量定位过程中，在入口设置专人，禁止车辆通行，以保证测量定位的准确性。

根据施工工艺，仰拱拼装包括吊装、旋转、找正等多个步骤，吊装工具由自行研制的预制仰拱拼装机液压传动系统进行吊装，现场专人指挥。预制块放置在仰拱初始支撑上后，应进行测量和复核，确保平面标高误差不大于15mm，横向接缝误差不大于6mm，纵向接缝误差不大于10mm。预制块纵横缝采用弯螺栓连接，顶部每环纵缝采用12套M30连接螺栓连接，每环横缝采用7套M30螺栓连接；底部纵缝每圈用12套M30连接螺栓，横缝用12套M30螺栓[5]。水膨胀橡胶垫圈设置在结构外部，如图3所示。接缝间设置传力橡胶垫块，注入环氧树脂封堵止水。水膨胀橡胶垫圈施做接缝处理图见图4。

3.5 灌浆技术

组装完成后，在距顶部30cm的截面中心设置预留灌浆孔（5cm），吊装组装完成后进行灌浆。灌浆材料采用M30水泥砂浆，压力控制在0.1-0.3MPa，确保仰拱接近初始支撑面；路面横坡应通过10cm厚的找平层进行调整，找平层应设置间距为100*10010的钢筋网。冷轧带肋钢筋每隔12M预留沉降缝，沉降缝与二次衬砌施工缝对齐。

图4 水膨胀橡胶垫圈施做接缝处理图

4 质量保证措施

4.1 加强质量管理

施工过程中，严格按照技术说明书和施工技术规范制定施工方案，做好各项施工记录，施工过程中严格遵守控制工程师的监督管理。工序结束后，质量控制体系中、后，每道工序审核通过后，方可进入下一道工序。

将工程技术人员对设计图纸和规范的理解渗透到每个施工过程中，加强对每个过程的监督。加强技术培训和技术讲解，确保每道工序都有标准、有验收、有结果，确保隧道施工有序、安全。

质检人员要加强现场监控，严把质量关，坚持原则，确保施工质量符合要求。

加强施工现场管理，按照施工计划合理组织施工，确保施工有序进行，确保施工质量得到控制。

4.2 加强过程控制

反拱预制结构施工前，必须仔细研究设计结构，结合施工现场的材料，仔细考虑现有施工人员和机器标准等因素。验证程序将适用于每个建筑环节的所有施工工作，并在施工前制定必要的技术规定。

混凝土配合比和材料必须通过混凝土和易性、强度和耐久性指标的确认以及常规预制混凝土搅拌工艺的抗裂性比较来验证。混合比例一旦确定，不得随意调整，应采用机器混合，混合时间应根据添加剂工艺要求确定。混凝土应进行摇晃和粘结，摇晃时不得接触钢筋、钢筋、型材和接缝；同时，螺栓用保护塑料包裹，以保证混凝土的厚度。

混凝土的温度应根据温度进行调整。在炎热的天气里，温度不应超过30℃。当夜间平均气温低于5℃或最低气温低于-3℃时，为冬季施工，混凝土生产温度不低于5℃。成型后的混凝土内部最高温度通常不高于65℃，各构件内部的最高温度和任何时候的表面温度通常不高于20℃。

混凝土的养护必须满足以下要求： 混凝土浇筑成型后，在脱模前必须保证恒温恒湿。混凝土必须预先养护，升温速度不应超过15℃/h。且冷却速度不应超过10℃/h，在脱模时，当结构表面温度与环境温度之差大于20℃时，最高恒温不应超过60℃，表面温度与环境温度相差20℃ 期间应注意养护，以确保混凝土不失水。

在购买起重设备或自制起重设备之前，应根据混凝土配合比重新确定倒置预制块的重量，以确保起重设备的起重功率满足施工需要。起重设备的生产应研究和定制，结合预制结构的形状和强度特点，确保起重设备起重时结构受力均匀，避免应力集中和损坏。

起吊施工前，做好前期准备工作，将仰拱底部堆积的水、泥沙、杂物清理干净，准备好工具，特别是仰拱底部的虚渣，并做好找平层。隧道排水是影响隧道开挖的因素之一。应特别在仰拱底部进行排水工作。

建筑物必须保持清洁。安装前，必须在安装前进行清洁。尤其是接头和分离的连杆必须除垢，防止砂粒影响接头质量。同时，砂粒会引起应力集中，造成结构应力开裂。

组装结构时，必须将吊头拧紧。在结构安装过程中，起重附件是为了防止吊头单独承受结构重量。

各结构的相对位置必须符合设计图纸的要求，不得随意定位。结构安装时，必须仔细定位，严格控制高度，确保结构安装正确。

在施工过程中，及时观察并记录结构裂缝等损坏情况，提醒施工人员注意，并选择合适的时间对结构进行修复。

5 结语

经过深入研究，预制仰拱施工对掌子面施工影响不大，可实现预制仰拱施工在隧道中的应用，解决传统仰拱施工存在的问题。

目前的测试结果表明，该换向组装机性能满足设计要求，各项功能均满足施工要求，换向块可实现自动悬挂、升降、旋转、移动和组装等功能。