矿山法铁路隧道拱部衬砌预制及施工工艺研究★

陈 真，齐如见，李成立，旷文涛，戴先兵

(1.中铁隧道集团一处有限公司,重庆 511458; 2.中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

1 概述

从传统矿山法铁路隧道施工质量控制来看,结合隧道运营期病害相关调研内容,衬砌厚度不足及背后脱空等病害主要存在于隧道拱部,存在拱部掉块的风险隐患,严重影响后期隧道运营安全。

采用预制拼装衬砌能够有效解决这一问题,目前衬砌预制技术分为全部预制和部分预制两种形式,目前主要应用于盾构机、TBM掘进机施工的隧道工程[1]。将缺陷比较突出的衬砌拱顶部位利用先进的预制技术进行工厂化、标准化预制,可以从根本上消除现场浇筑作业不规范带来的拱部缺陷[2]。

目前,拱部单独预制块和边墙组合的隧道工程案例很少见,通过调查,国内外既有的大直径盾构法隧道的管片尺寸,其统计结果见表1[3-9]。隧道直径在10 m及以上的大直径盾构隧道通常采用“7+2+1”即7块标准块+2块邻接块+1块封顶块的分块模式,同时考虑盾构隧道中盾构机千斤顶油缸行程、曲线上转向等因素,管片的幅宽通常在2 m左右。管片幅宽直接影响着管片重量,较大幅宽的预制构件在狭小空间内进行拼装施工较复杂,需要更高的拼装精度,影响其余施工工序的正常进行;过大的预制块还存在制造精度高、运输和吊装困难的问题。

依托重庆铁路枢纽东环线8标胡家沟隧道,重点对矿山法隧道拱部大尺寸、高精度预制衬砌进行研究,解决预制衬砌接头处质量控制问题,选择合理的安装方案,实现拱部预制衬砌与现浇拱墙安全、可靠拼装。

2 项目概况

2.1 工程概况

依托工程重庆铁路枢纽东环线8标胡家沟隧道,全长228 m,位于重庆市北碚区东阳镇境内重庆东环线襄渝联络线上,单洞双线隧道,设计时速120 km/h[10]。胡家沟隧道为双线铁路隧道,其开挖的最大跨度为15 m,高度为12.3 m,工作面开挖断面的面积达到152 m2,属于大断面隧道。

表1 国内部分隧道管片的尺寸 m

胡家沟隧道LMZK3+471—LMZK3+603区段共132 m采用拱部预制衬砌拼装,边墙现场模筑,其余区段采用全环整体现浇。

拱部预制衬砌示意图见图1。

2.2 拱部预制结构

拱部预制衬砌拼装长度为132 m,其中L型榫接头预制衬砌72 m,大球形接头预制衬砌60 m,拱部预制衬砌共66片,采用C50钢筋混凝土,抗渗等级不低于P12。预制衬砌幅宽为2 m,弦长8.6 m,预制衬砌具体参数详见表2。拱部预衬砌结构图见图2。

表2 预制衬砌结构参数表

2.3 拱部预制衬砌吊装受力分析

拱部预制衬砌质量较重,最重可达25.86 t,为保证拱部预制衬砌顺利安全吊装,需合理布置吊装孔位置和数量。取拱部预制衬砌厚度为0.5 m,分别针对拱顶设一个吊装孔、沿拱部衬砌环向均匀布置两个吊装孔和三个吊装孔工况对拱部预制衬砌吊装过程中结构安全性的影响。吊装工况配筋检算见表3,预制衬砌弯矩剪力见图3。

表3 吊装工况配筋检算

综合分析、比较一个吊装孔、两个吊装孔和三个吊装孔预制衬砌受力情况,可以看出一个吊装孔吊装时,预制衬砌受力较大,受力集中,受力形式不利;两个吊装孔吊装时预制衬砌受力形式较优,受力较小;三个吊装孔的受力最小,但相比两个吊装孔受力减小程度较小。经与吊装设备制造厂家对接,为避免吊装过程吊装孔的应力集中,采用沿预制衬砌纵向拉通的通长吊装孔,孔径50 mm,为避开注浆孔及螺栓孔位置,每环预制衬砌设置两个吊装孔,间距4.5 m。

3 拱部衬砌预制技术

拱部预制衬砌精度要求比较高,质量要求严格,因此拱部衬砌预制采用定制高精度模板,工厂化生产。拱部衬砌预制工艺流程:预制场设计及施工→模具设计及制作、安装→钢筋加工及安装→钢筋骨架整体吊装→预埋件安装→混凝土浇筑→养护→质量检测及验收。

3.1 模板制作及安装

为保证拱部预制衬砌的防水、拼装及结构受力要求,拱部预制衬砌模具采用高精度钢模,钢模具有足够的强度、刚度、稳定性及良好的密封性能,能满足预制衬砌的尺寸和形状要求。拱部预制衬砌制作及拼装需要较高的精度要求,模板制作前,对拱部预制衬砌结构进行三维模型验证,确保钢模的精度。模板采用固定台座法。拱部预制衬砌模具由底座、底模、侧模、两侧可拆卸端模、盖模、操作平台组成,采用工厂化定制,预制厂现场拼装。拱部预制衬砌模板设计图见图4。

模具选择由专业的生产厂家加工,预制场现场拼装。模具生产完毕,在生产厂家进行预组装与调试,经调试符合规定时,再运往施工现场。由于运输、工厂、现场的吊装、吊卸等原因,会造成模具的精度发生变化,在拱部预制衬砌模具运抵施工现场以后要对模具进行必要的调整。

模具组装完成后,检查模具的净宽、净高尺寸,幅度以及预埋件位置是否符合设计要求,若超过误差尺寸,重新整模直至符合要求。拱部衬砌预制前,需要对模板的尺寸进行检查,若模具误差不在合格标准范围内,则需要对模板进行重新校正,校正检测合格方可投入使用。钢模的随机合模精度要求按高于拱部预制衬砌精度0.15 mm检测,若不符合标准需要进行校正。在拱部衬砌预制过程中,要定期对拱部预制衬砌模具进行校核及保养,避免模具尺寸偏差超过规定值,保证预制衬砌的精度。

3.2 钢筋加工及安装

拱部预制衬砌钢筋加工和安装是确保拱部预制衬砌质量和进度的关键工序,特别是L型接头和球形接头位置。拱部衬砌制作前,根据拱部预制衬砌钢筋设计结构尺寸,提前制作钢筋骨架胎具,确保钢筋安装精度。

钢筋骨架在骨架胎具上焊接成型,成型后的钢筋骨架经质量验收合格后,采用桁架整体吊装入模。钢筋骨架吊装入模时必须精准定位,置于拱部预制衬砌模板中间位置。预埋件严格按照设计位置进行埋设,并且固定牢固,防止混凝土振捣过程偏位。拱部预制衬砌及接头部位钢筋布置图见图5。

3.3 拱部预制衬砌混凝土施工

1)混凝土浇筑。混凝土由拌合站集中拌和,桁吊吊装入模。混凝土浇筑前要检测坍落度及和易性,混凝土浇筑时先两端后中间,分层浇筑分层振捣。按照先浇筑弧面两个最低点,向中间较高点逐层浇筑的方法进行,分层厚度控制在20 cm左右。盖模每块1 m×0.5 m(长×宽),关模顺序由下向上,为便于拱部预制衬砌端部混凝土质量控制,首次关一块盖模,端部混凝土浇筑完成后,再按顺序依次关模浇筑,混凝土浇筑两侧对称进行。

2)混凝土振捣。因拱部预制衬砌L型接头处钢筋分布较密,振捣不到位、气泡不易排出,易造成混凝土不密实、表面蜂窝麻面等质量缺陷;L型端部混凝土振捣选用30型振捣棒加外模平板振捣,L型接头预制衬砌实物图见图6。

混凝土振捣时间需要加强控制,不能过短,过短振捣不密实,不能过长,防止出现混凝土离析现象。振捣时振捣棒不得触碰模板、钢筋、预埋件等,以防止钢筋骨架及预埋件移位和损伤钢筋。在混凝土浇筑及振捣过程中,及时清理模具周边散落的混凝土残渣,保持模具的清洁。

3)预制衬砌拱部收面。为保证预制衬砌拱部表面的平整度,需要对拱部进行二次抹光收面。第一次进行粗收面,对于一些表面麻面等进行修补,第二次进行细收面,保证表面的光洁及平整。收面要考虑当时温度的影响,不得过早或过晚,防止预制衬砌表面产生收缩裂纹。

3.4 拱部预制衬砌脱模、养护及存放

3.4.1 拱部预制衬砌脱模

拱部预制衬砌拆模前,要检测混凝土强度是否达到规定值,达到规定值方可进行脱模。脱模顺序先侧模再端模,拆模采用龙门吊桁架吊装拆除,拆除过程中严格控制力度,不得强拉硬拽,防止损伤拱部预制衬砌。

L型接头预制衬砌端头模板拆除时,要严格控制拆模力度,不得损伤L型接头。侧面和端头模板以及其他附件拆除完成后,在拱部预制衬砌预留吊装孔中固定专用吊装模架进行吊装。

拱部预制衬砌脱模成功后,在拱部预制衬砌内弧面易见的位置处注明预制衬砌型号、生产日期和制造编号,拱部预制衬砌编号应与里程相对应,方便查找及安装。

3.4.2 拱部预制衬砌养护

混凝土浇筑完成后,采用土工布+薄膜覆盖保湿养护,养护未达到规定的抗压强度之前,不得脱模,防止损伤拱部预制衬砌。拱部预制衬砌拆模后移至养护区,继续进行喷淋养护,养护时间不得少于14 d,保持拱部预制衬砌温度与环境温度之差不大于20 ℃,养护结束后运至拱部预制衬砌存放场进行存放。

3.4.3 拱部预制衬砌存放

拱部预制衬砌存放场地有一定的承载力,坚实、平稳,排水系统良好,同时要便于运输。拱部预制衬砌质量较重,拱部预制衬砌存放时弧面朝下,倒扣在固定支架上,固定支架与预制衬砌之间设置柔性材料垫条,防止损伤拱部预制衬砌。拱部预制衬砌堆放高度不超过2层,正常为1层,见图7。拱部预制衬砌场外运输由专用平板车运输,拱部预制衬砌弧面向下平稳放于平板车专用支架上。拱部预制衬砌平稳地放于运输车辆的车斗,严禁叠放。

3.5 拱部预制衬砌质量检查及性能检测

拱部衬砌预制完成后,必须逐片对拱部预制衬砌尺寸及预埋件位置、表面质量进行检查。出场前必须按照规范要求进行拱部预制衬砌抗弯试验、检漏试验及拱部预制衬砌混凝土强度试验,检验合格方可出厂。

4 拱部衬砌安装技术

4.1 拱部预制衬砌安装方案对比

考虑施工可行性和对施工进度的要求,选取先拱后墙,先安装拱部预制衬砌后浇筑边墙方法、先墙后拱,从洞口纵向顶管安装方法、先墙后拱,从掌子面纵向拼装3种安装方案进行对比分析,3种方案分别为:

1)先拱后墙,先安装拱部预制衬砌后浇筑边墙方法。通过对二衬模板台车进行改造,在模板台车上部对应预制衬砌的四个角部位置设置液压顶伸装置,液压装置顶部可用真空吸盘吸附预制衬砌,两侧边墙模板可向下旋转和向内收缩,以便于拱部预制衬砌顶升。施工流程如下:先利用台车顶伸装置将预制衬砌顶伸到拱部预定位置;浇筑边墙混凝土;边墙混凝土浇筑完成后,待边墙混凝土达到设计强度,台车走行继续向前施工(见图8)。

此方案需对模板台车进行相应改造,一次施作二衬的长度取决于模板台车可同时承担的预制衬砌的数量。

本方案存在的弊端:每一模拱部预制块拼装施作完成后,须等边墙混凝土强度达到设计要求才可拆模后继续往前施作,施工进度较低;由于边墙后浇筑,边墙顶与拱部预制块连接处混凝土浇筑质量不易控制。

2)先墙后拱,从洞口纵向顶管安装方法。施工流程如下:首先浇筑两侧边墙混凝土;待边墙混凝土达到设计强度后,从洞口位置纵向插入拱部预制衬砌,并根据边墙强度逐环顶推预制衬砌,将预制衬砌纵向顶推到预定位置(见图9)。

本方案存在的弊端:预制衬砌纵向顶推难度较大,特别在曲线段,且隧道长度较长时需要利用辅助坑道分区实现;预制衬砌端面与边墙混凝土端面在滑动过程中存在相互接触碰撞损坏的问题;预制衬砌需不断向前顶推,必须在所有预制衬砌顶进完成后方能进行注浆。

3)先墙后拱,从掌子面纵向拼装。将预制衬砌纵向顶举的位置设在掌子面前方还未施作边墙的地段。施工流程如下:边墙台车正常施作边墙;将预制衬砌运输到靠近掌子面附近未施工边墙位置;通过拱部预制衬砌拼装移动小车将预制衬砌顶升稍高于安装位置,从未施工边墙处向已拼装拱部二衬端纵向运输拱部预制衬砌,移动到位后进行拼装(见图10)。

该方案不影响二衬施作进度,但在拼装拱部衬砌的过程中,预制衬砌顶升移动小车需从上方穿过边墙二衬模板台车,需对模板台车进行适当改造。由于预制衬砌顶升移动小车走行距离较长,需要较高精度和平稳度。

综合考虑洞内空间条件、设备条件、施工质量要求及施工进度要求等影响因素,结合本项目实际工况,拱部预制衬砌安装采用先墙后拱,从掌子面纵向拼装方法。

4.2 拱部预制衬砌安装

拱部预制衬砌安装采用先墙后拱,从掌子面纵向拼装方法。隧道开挖、仰拱及填充按照矿山法隧道施工工艺正常施作,悬臂边墙利用高精度悬臂边墙模板台车一次性浇筑成型[11],悬臂侧墙混凝土强度达到设计强度后安装拱部预制衬砌。拱部预制衬砌安装需要的机械设备有:拱部预制衬砌运输车、提升门吊、预制衬砌安装机等。

正式安装前,按照高铁断面1∶1的比例搭建了模型,模型尺寸14.98 m(宽)×10.45 m(高)。整体由三部分组成,分别为“初期支护外壳”“两侧现浇边墙”及“上部预制衬砌”(见图11)。拱部预制衬砌与现浇部分搭接采用 “L”型接头形式,初期支护外壳下设10 m长轨道,可实现外壳纵向移动。

拱部预制衬砌具体安装流程为:拱部预制衬砌从预制厂运输至隧道洞口(见图12(a)),采用运输车将拱部预制衬砌运输至隧道内安装位置(见图12(b)),再利用拱部预制衬砌提升门吊将拱部预制衬砌放至拱部预制衬砌安装机上(见图12(c)),做好接缝防水措施后,开始安装拱部预制衬砌,预制衬砌按照6片为一组进行安装,每组预制衬砌由衬砌安装机移送至相应位置(见图12(d),图12(e)),6组安装完成后拧紧连接螺栓,然后进行拱部衬砌壁后注浆填筑。按照上述工序依次安装剩余拱部预制衬砌,完成全隧衬砌安装。

通过先墙后拱,从掌子面纵向拼装工艺,现场完成了试验段66片拱部预制衬砌的拼装施工,安装效果如图13所示。

5 结论与建议

结合重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道,对拱部大尺寸衬砌预制及施工工艺进行了总结,并得出以下结论及建议:

1)针对拱顶设一个吊装孔、沿拱部衬砌环向均匀布置两个吊装孔和三个吊装孔工况对拱部预制衬砌吊装过程中结构安全性的影响进行分析,每环预制衬砌设置两个吊装孔,间距4.5 m为最佳方案。

2)拱部衬砌采用工厂化、标准化预制,拱部衬砌质量得到较好控制,满足需求。采用拱部预制衬砌,能够有效减少隧道拱部背后空洞,衬砌厚度不足、掉块等衬砌质量缺陷。

3)综合分析先拱后墙,先安装拱部预制衬砌后浇筑边墙方法、先墙后拱,从洞口纵向顶管安装方法、先墙后拱,从掌子面纵向拼装3种安装方案,先墙后拱,从掌子面纵向拼装方案最适合拱部预制衬砌拼装。

通过先墙后拱,从掌子面纵向拼装方案,现场完成了试验段66片拱部预制衬砌的预制及安装施工,表明矿山法施工铁路隧道通过拱部预制解决拱部衬砌质量问题是可行的。