隧道用仰拱预制块制作及安装工法

GZSJGF07-99-03

一、前言

“隧道用仰拱预制块制作及安装工法”是铁道部隧道工程局在西安—安康铁路控制工程秦岭I线隧道进口端(北端)创造性应用的、与TBM880E型全断面开敞式掘进机配套的一种新颖的技术型施工方法，是国外先进经验的消化和吸收，是科研成果直接转化的产物。该工法一改传统仰拱混凝土现浇施工的方法，采取工厂化预制、现场安装的方式。这使隧道仰拱混凝土施工这一作业工序走预制、安装之路，把因现场浇注混凝土造成的施工干扰和工期、质量矛盾降至最低，同时配合TBM一系列施工新技术的采用，使隧道仰拱施工具有优质、高效、经济、文明、标准等一系列特点。为今后仰拱施工、管片制作及安装提供了又一新的施工方法。

该工法在西康线秦岭隧道工程施工中，取得了令人满意的效果，其施工组织便利、产品质量可靠，满足了TBM的快速施工。通过对工厂设置、设备配套、材料选择、配比优化、蒸养温控、工艺配套、机械化安装等方面的不断完善、发展和总结整理，形成本工法。

以本工法为主的科研项目“秦岭隧道仰拱预制管片配合比选择与加热养护工艺的研究”课题，于98年7月以“(98)隧评字02号文”通过局级评审，并于99年11月在局科技大会上获“局科技进步奖”。

二、工法特点 1、速度快

TBM施工速度快，在生产高峰时，预计要求每日生产17块仰拱块。即17套进口钢模每天周转一次。故：24h以内其管片生产必须完成钢筋绑扎、浇筑、成型、养护脱模、起吊、清模等工序。现场实施已得到满足。 2、质量好

秦岭隧道要求创国家优质工程。仰拱质量不仅直接影响线路质量，同时也是创国优的基础，在该工法的实施下其生产质量稳定、容易控制。起运时有足够的强度，大于设计强度的50%，其R28检查试件全部达设计C40的要求。全部做到外光内实、几乎无有害裂纹和蜂窝麻面、缺角、掉角现象，其尺寸精度符合要求。 3、工艺简单

本工法应用高精度钢模、气动附着式振捣器振捣，采用模具固定、灌注流动的“干式排管(暖气片)分阶段供热供湿养护”的新方法，其组织合理，工序衔接紧凑，易操作，技术含量高。与传统蒸养工艺相比，大大节省了投资和工序循环时间，保证了钢模的周

转，最大限度地满足了TBM的正常掘进施工和铺衬。 4、安装精度高

安装操作简便、速度快、精度高。在TBM步进期间，前四块仰拱块通过经纬仪和水准仪测量定位，铺设时，欲铺设的仰拱块后部依靠已设置好的仰拱块来定位，而后通过激光指向仪和水平尺在设置的检查点上进行检查。在TBM掘进期间，激光指向仪安置于TBM后的仰拱块形成的中心水沟中，第一检查点位于附近，第二检查点位于TBM主机下，在TBM上作一位于仰拱块理论轴线上的标志，激光束应通过两个检查点。确保了仰拱块的高精度安装，仰拱块安装精度可控制在5cm以内。 5、节能节材

与传统施工方法相比，每循环平均节省时间5h，每m砼可节约用煤20～30Kg，每m砼可节约水泥30Kg左右。

三、适用范围

本工法适用于铁路、公路、水工及各种地下人防工程，采用TBM或盾构施工的全圆型隧道仰拱衬砌块的制作，尤其适用于对工期、质量和标准化作业有较高要求的工厂化大型结构物预制生产。

四、工法原理及关键技术 (一) 工法原理

目前，加速砼预制构件硬化的措施主要有：蒸汽养护(包括养护池、养护蓬、养护室、立式窖、隧道窖、折线窖等)、太阳能养护、红外线养护、电热养护、压蒸养护等，各种方法各有优缺点，应根据具体工程条件灵活采用。其中，湿热养护是蒸汽养护方式中的常用方法。

在考察国外TBM配套管片生产，在综合比较分析的基础上，结合秦岭工程实际，因地制宜地采取了“干式排管(暖气管片)分阶段供热供湿养护”（暂命名）的方式，与传统的蒸养工艺相比，创造了适用于“短预养、缓升温、低恒温、慢冷却”的新工法。对大型仰拱预制管片进行了有效地施工生产和工艺控制，包括与之相配套的：原材料和外加剂的研究、C40砼配合比优化和应用、钢骨架的制作、不同加热养护温度和时间对砼强度发展的影响规律、热工制度的确定、工艺流程的完善及仰拱块的高精度安装定位、仰拱底部注浆回填等配套研究工作。

其制作原理：1)用常压锅炉供汽；2)可单独开关的汽管，多排并列通过钢模下部；3)钢摸固定，灌注工序流动；4)灌注砼的钢模，外罩密封的养护罩；5)养护时根据测温反馈，调节汽管阀门，保持足够的养护温度；6)通过溢汽阀调节罩内湿度；7)按静停、升温、恒温、降温四个步骤进行加热养护；8)降温结束前，通过同条件养护试件，及时

3

3

破型，确定是否可以起吊脱模。

其安装原理：1）制作一靶对正安装在仰拱块中心水沟的激光指向仪发射的激光束定其中线、标高位置；2）利用水平道尺调整相对水平；3）利用TBM上的ZED260导向系统确定、校核、调整激光指向仪的激光方向；4）仰拱块对正后利用TBM配套注浆系统通过注浆孔进行细石砼注浆，以填充仰拱块与围岩之间的空隙；5）曲线地段通过支距法保证仰拱块铺设发方向。 (二)、关键技术

1、模具及养护罩制作，该两项属TBM进口附带品，由法国一厂家制造。模具制作按仰拱倒置形式考虑，模具顶盖可以自由开启，两侧模可以在一定尺寸范围收放。仰拱块顶面由模具底控制。模具制作精密，经现场核实其相对误差都在5mm以内，且变形小、密封严格，无漏浆。一些预埋件的安装、固定方式简单，定位准确。模具底部装有4台气动式振动器可使砼成形良好、强度满足；养护罩：类似雨衣材料，辅以支承架（自制）。即成槽形罩，配合养护。

2、加热养护的混凝土原材料确定及混凝土在不同热工制度下的强度发展规律研究； 3、加热养护工艺流程及热工制度(温度、时间)的确定； 4、加热养护工艺的热工计算及能源节约方案研究； 5、加热工艺的室内研究与工厂生产的差异修正技术； 6、干热养护时的温、湿度控制；

7、仰拱块翻转技术

8、仰生产中各项技术、经济指标的现场测试技术； 9、激光导向及其与ZED260导向系统复核技术； 10、仰拱块下回填压力注浆技术。 五、施工工艺

1、《施工制作工艺流程总框图》见图1：

构件检验编号

成品出厂

起吊

安装1

安装2

安装N

加“U”止水

注 浆

铺 轨 清模 装模 刷脱模剂 安装预埋件 装钢筋骨架

砼生产 砼搅拌运输 翻转 试件制作 存放 加止水条 锚固螺栓 成型编号 开罩 试件检验

构件脱模

通知起吊 加热养护工艺流程总框图 图1

2、《预制厂平面布置示意图》见附后图： 3、《仰拱块结构示意图》见附后图： 4、制作工艺要点

1)钢骨架制作：根据钢骨架间距小、预埋件预留孔多（达22处）的结构特点，将其分为易加工的多单元，每单元制作模台，定型加工，再制作组装平台将所有的单元组合，保证了加工精度和质量，减少了因人工制作精度而 引起的与顾预埋件的干扰等问题。

2）17套模具供热、供风为并联形式，各套模具养生温度、湿度实行集中及分点监测。

3)预制块养生系采用加盖养生罩，蒸汽锅炉供热给模具下暖气片加热升温，使环境温度保持在40℃左右之间，经恒温养生18h左右，逐渐降温至室温，拆除养生罩。 4)养护恒温温度确定为40℃左右。静停时间为3~5小时。升降温时间均为2~4小时，升降温梯度不大于15℃/h。

5)恒温时间为10~12小时。脱模时，罩内温度与砼内部温度及与室内温度之差不应大于20℃。

6)养生后，脱模强度应达到预制块设计强度的50%以上，即不低于20MPa。

7)罩内湿度应保持在90%以上，随时通过补充罩内蒸汽(开关逸汽阀)来调控湿度。

8）在预制工厂与存放场之间专设一仰拱块翻转装置，出厂的仰拱块经此专用设备一翻转，由原来的倒扣状变成正常状。 5、主要配合比

生产阶段主要配合比见表1： 表1 每立方米材料用量(Kg) C S G W RB- C：S：G：W：RB- 0.01 (mm) R20h(40℃) R7 R28 注 24.2 38.9 45.6 理 论 配 合 比 坍落度 强度(MPa) 备 425 593 1152 170 4.25 1：1.40：2.71：0.40：65 6、主要温度曲线和热工制度

T(℃ ) T(℃) 60 11h 60 50 3h 50 11.5h

40 7h 40 2.5h

30 30 2h 20 20 10 10 4h 0 0

17.5 20 t(h)

T--t(温度--时间)曲线1 T--t(温度--时间)曲线2

热工制度：0+7+11(50℃)+3=21h 热工制度：[ 4]+2+11.5(38℃)+2.5=16 h[20h]

7、仰拱块铺设及精确定位

1）TBM在起动之初利用洞口控制网，精确前几块定位，随后在激光系统未建成之前利用人工进行设计标高、中线的控制。当TBM进洞以后中心水沟形成即可激光系统

2）激光指向仪设置在中心水沟，激光方向与隧道中线平行；用激光光线检查放在须铺的仰拱块中心水沟中的靶的位置；并用道尺检测仰拱块的水平；

3）仰拱块从洞外专用运输车运进洞内铺设点，然后利用TBM配置专为铺设而用的吊机起吊、就位、检查、固定。

4）利用ZED260导向系统控制单元首页“present position”（显示设备相对于隧道轴线位置）的显示值，检查激光精度。

7 18 21 t(h) 4 6

8、仰拱块下回填压力注浆技术

1） 1） 1） 回填砼粗骨料最大粒径10mm，坍落度15~18cm；

2） 2） 2） 利用仰拱块上的注浆孔进行注浆，注浆压力0.3~0.4Mpa。 3）5—7块进行一次注浆，注浆通过仰拱块预留注浆孔进行，注浆量以自由面浆液全面外溢为原则。 9、仰拱块回填密实度检查

秦岭隧道线路设计为全新式弹性整体道床，其目的之一即免维护或少维护。因此注浆质量非常关键。在施工期间请中铁物探中心第三方进行底部注浆质量逐块检查，反馈信息为绝大多数保证质量，不足之仰拱进行补注浆。

六、机具设备 1、主要机械设备表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 设备名称 钢筋调直机 钢筋切断机 钢筋弯曲机 电弧焊机 钢筋模具 电葫芦 喷模喷枪(含打气泵) 动力车 砼运输平板车 砼运料斗 桥吊 砼搅拌站 进口钢模板(含附着震捣器) 空压机 常压锅炉 测温装置 管道系统 试验室检验设备 单轨仰拱吊机 注浆系统 型号 1T 1M 16T 3数量 2台 2 4 6 6 1 1 1 2 2 1 备注 钢筋骨架制作安装 (同上) (同上) (同上) (同上) (同上) 清模 砼运输灌注 (同上) (同上) (同上) 搅拌生产 成型、养护 震捣成型 蒸汽供应 温度控制 养护 生产控制、质量检验 人工配合安装仰拱块 块下填塞及注浆 HZS50型 1套 13T 17套 1台 2台 2套 1套 全套 1台 1套

七、劳动组织及施工生产 1、组织机构见框图2：

预制厂厂长

技术厂长

生产厂长

质检组 车间主任

质检员

试验室 钢筋加工 预制块生产 综合班 网片加工 骨架加工 砼生产 预制块生产 吊车司机 运输司机 翻转台操作 锅炉工 空压司设备维机 修 保养

劳动力组织框图 图2 2、劳动力配置

预制工厂设计生产能力每天17块，根据TBM施工掘进计划平均每月500米，以及仰拱预制块存放场地存放能力为510块，为达到合理组织劳动力，使预制块生产均衡有序化，确定预制块生产按二班制作业，每班生产预制块6--7块进行劳动力配备。 工 种 车间主任 钢筋骨架加工 预制块生产 综合班 质检员 每 班 厂 长 技术厂长 生产厂长 总人数(两班) 仰拱块安装、注浆 3施工生产

仰拱预制块生产在工地预制厂内进行，采用暖气片加热养生方式。仰拱预制厂设计生产能力17块/天，按三班制作业，每套模具每天循环一次。

预制厂内布置有两条生产线，共17套固定式模具和一条室内存放线，一个钢结构加工车间。仰拱块砼在HZS50型搅拌站生产后，轨道平板车负载料斗运输至入模地点，16t桥吊起吊料斗自流入模(后加一附着振动器)。模具上附着式气动振捣器振捣成型，经养生脱模在室内存放三天后运入仰拱预制块存放场存放。

砼生产设备为华建机械厂生产的HZS50型砼搅拌站，主机为双卧轴强制式搅拌机，扇形骨料堆场，悬臂拉铲集料，机械杠杆电子秤计量，设有外加剂供料系统、除尘设备，配备有水泥筒仓和大仰角螺旋输送机，应用工控微机实现搅拌站的自动控制。 仰拱块底部的岩渣及废料由人工清理至渣斗内，通过单轨吊斗卸到刀盘背后的皮带机上，由皮带机送到刀盘前面。

仰拱块车进入连接桥下装卸区后，在回转台上人工回转90度，然后由TBM皮带桥下的13T仰拱块吊机用3 个链式吊钩把仰拱块从车上吊起，向前运到所需安装的位置。仰拱块下的空隙，用水泥砂浆通过注浆泵注塞密实。

劳动力配备(人) 1 24 12 13 1 51 1 1 1 105(人) 3

八、质量控制

1、秦岭隧道要求创立国家优质工程。因此仰拱制作质量必须合格为100%。 2、模板整理安装

1)模具清理分两次进行，砼注入模并整形后，应立即将模板外砼清理干净；脱模后用灰刀、抹布等清理模板内杂物。

2)模板安装后，用喷涂的方法涂脱模剂。 3、骨架安装及预埋件埋设

1)起吊吊杆及螺旋道钉预留用橡皮管埋设。 2)采用12t桥吊吊装入模。

3)骨架采用特制塑料定位块定位。定位块在骨架入模前安放，均安在2#、4#钢筋上。 4) 钢筋保护层定位块不宜靠近预制块边缘，不得横贯保护层的全部截面，应互相错开，分散布置。每块骨架上安放定位块8个。在砼灌注过程中，垫块不宜发生任何松动。 5)钢骨架安装后，进行泄水孔PVC硬管及注浆孔预埋件安装。

6)在骨架入模后应检查保护层情况及预埋件埋设情况，并做好检查记录，填写检查证。

4、砼生产运吊、灌注及成型

1)严格按试验室设计签发的施工配合比进行生产。所有原材料须有产品合格证，且经试验检验合格方可使用。

2)投料顺序：石子—砂—水泥—水及外加剂；各原材料计量误差要求小于：水泥±1%，砂、石±2%，水、外加剂±1%。搅拌时间：大于1.5min。

3) 砼性能检查每工作班进行1～2次。砂、石含水率每天进行四次检测，及时调整施工配合比，进行含水率补偿。

4)砼运至入模地点后，使用桥吊起吊料斗直接入模，砼自流。必要时开启料斗上的附着式振动器下料。搅拌机卸料高度应小于2m。

5)砼在运输过程中，应保证匀质性。做到不分层、不离析、不漏浆。砼停放间歇时间不大于60min。砼入模时坍落度保持在6～8cm。

6)采用集中入模方式，连续浇筑，附着式振动器振2～3min，局部用插入式振动器辅助。经振捣，观察入料口表面有一层浆且延时30秒，无明显下沉为密实。 7)约20min后，将顶盖开启到竖直位置并锁紧，参照两侧模板弧形，进行预制块最后的抹光整形，抹平顶盖下气泡及两顶盖不平整部分。

5、蒸养：由专人负责，采用数显式温控仪配置多个探温头确保热工制度的落实。 6、仰拱块脱模及室内外存放的工艺要求

1)预制块经20～24小时加热养护，经试验室检查同龄期施工试件强度达到20MPa强度，即可通知拆模、起吊。

2)预制块出模应试吊，确认安全后，吊至室内存放线上存放。

3)仰拱块同班生产的可两层重叠存放，并用木楔稳定；并做好整形及生产日期、时间编号工作。

4)仰拱块脱模后应在室内存放三天，存放期间应洒水保持仰拱块足够的湿度，以利强度增长。

5)经室内存放三天后，利用轨行仰拱运输平板车，运至仰拱块翻转台，进行仰拱块翻身后，利用16t门吊吊至存放地点。室内存放可三层叠放，并用木楔稳定。 6)仰拱块R28强度经试验室检验合格后，明确标识后方可进入洞内使用。

7、仰拱块冬季施工的有关保证措施

1)当室外日平均气温连续3d稳定低于5℃时，应采取冬季施工措施，以保证仰拱块质量。秦岭地区冬季最低 -11℃，按11月～2月为冬期考虑。

2)拌合用水的温度不应低于5℃。冬期拌制砼应优先采用加热水的方法，水及骨料的加热温度应据热工计算后确定，不宜大于60℃。实际水加热至45℃～55℃即可。 3)将施工用水管道全部进行草垫包管保温，并不将水龙头关死。并用石棉瓦将水箱顶部盖住，以防止水箱开口积雪和箱中水结冰。

4)砂石骨料应在进入冬季以前开采，并保持干燥状态。砂石骨料温度应保持在0℃以上，骨料在存放中不得夹有冰膜雪团。骨料必须清洁，不得含有易冻裂的矿物质及活性骨料。为防止砂子因含有游离水而结块，应用人工捣细砂中的结块。

5)严格控制砼水灰比，加强砂石含水率的监测，随时调整用水量。搅拌前，应用热水或蒸汽水冲洗搅拌机，搅拌时间应延长2倍。

6)拌合楼应密封保温，增加防寒隔层。用木板、棉被、草袋等围护。

7)砼出机温度不宜低于15℃，出机后应尽快浇筑完毕，及时盖顶，并加养护罩后静停。拆模后，砼表面温度与环境温度差应小于15℃，否则，应对砼采用保温材料覆盖。 8)预制厂房，在冬季应做好外墙的防寒措施，做好门窗、进出口的保温措施。浇筑砼用的容器应具有保温措施。

9)加热养护时，升降温速度应控制不超过15℃/h。 8、安装质量保证措施

1） 1） 仰拱块安装高程、中线偏差控制在50cm以内；

2） 2） 在安装前，特别是洞内环境（温度、湿度）变化较大时，必须对激光 进行检查；

3） 3） 仰拱块铺设前必须清理干净底部，这是工作重点。由于开挖是在上坡进行，

势必会产倒流污染底，施工中采取了多道防线，同时加强清理工作。 4） 4） 加强注浆工艺及过程控制。 九、安全措施

参加仰拱块制作和安装施工的领导干部、技术人员、管理人员、操作工人都必须经过系统培训，持证上岗。操作前，应明确各工位的安全操作规程及正确的操作程序。 经常进行安全技术教育，结合生产实际，制定相应的技术措施，合理安排工序进度与关键工序的作业循环，及时解决生产中进度与安全的矛盾，统一指挥，避免安全事故发生。

施工各工班之间，建立完善的交接班制度，现场负责人、作业班组要随时检查交接班情况。在危险的部位设置安全警示牌，进入现场必须戴好安全帽，并配齐各种相匹配的安全防护设施、材料。

吊装仰拱块时，行走吊机下严禁站人，吊车钢丝要经常检查并作好记录，严禁歪吊斜拉，并注意保护蒸汽管线。下放钢筋料时，必须有专人指挥。注意联络信号，确保运混凝土料车的交通安全。

锅炉、空压机要按规定经常进行检查、维修、保养、并作好记录。压力表应进行校正，确保安全。

注意施工用电，电缆、电线应绝缘良好、无破损，闸箱要有防护、防雨措施并有接地装置，确保用电安全。

十、技术经济分析 社会效益：

本工法，由于其组织合理，工序衔接紧凑，省时节能，满足了隧道仰拱预制管片的生产和使用，与传统蒸养工艺相比，大大节省了工序循环时间，保证了钢模的周转，最大限度地满足了TBM的正常掘进施工和铺衬，砼质量外光内实。本工法，工艺先进，技术含量高。其产品在铁路同行中领先一大步，填补了国内空白，达到了国内先进水平。 经济效益：

采用本工法平均节省热养历时5h/每循环；平均可降低脱模强度16.1%；平均降低恒温温度10℃左右；每m砼可节约用煤20～30Kg；每m砼可节约30Kg左右的水泥。以我局管段仰拱总块数为5884m/1.8m=3268块，砼总量约为1.5万m计，可节约资金24.94万元。

本工法将仰拱块安装测量与ZED导向系统统一起来，节省了安装时间，保证了铺设精度，确保了TBM的顺利掘进。

十一、工程实例

西康线控制工程秦岭隧道，其线全长18460m，开挖断面Φφ8.8m，初期喷锚支护，跟进先铺设砼仰拱块，二次衬砌后成洞断面为φ7.7m，我局施工段为进口端(北端)TBM掘进5884m。仰拱块总块数为3268块，砼总量约为1.5万m。

33

3

3

由于其仰拱块钢模板(含附着式振动器)为进口设备，共17套，在生产高峰时，全部钢模每天必须周转一次。由此可见，24h以内其管片生产必须完成钢筋绑扎、浇筑、成型、养护脱模、起吊、清模等工序。为保证起运时有足够的强度，(特别是冬期生产)大于设计强度的50%，确保合理工序，加速钢模周转，则必须而且只能采用加热养护工艺，并组建仰拱预制工厂。也就是说其厂房设计、场地布置、配比选择、热工制度等必须在TBM就位前开始考虑。因此，在做好其配合比选择的大量室内对比试验的同时，要尽可能地对其加热养护工艺进行研究，以求找出满足工序能力，比较合理、经济的热工制度。

我局管段秦岭隧道自TBM开钻至完工，共生产和安装仰拱块3268片，铺衬5884m，至今未发生任何质量和精度问题，保证了前方掘进的需要和各工序的顺利进行。其R28检查试件全部达设计C40的要求，平均强度为46.0MPa左右，约达C40的10--20.0%。经检全部做到外光内实。本工法经过两年工程应用的实践检验，尤其是顺利渡过了两个冬期施工，证明该工法应用是成功的，经验是先进的，受到现场工人和工程技术人员的充分肯定，

实践证明，本工法是一种符合国情、节能可行的养护新工艺，其装置简单可靠、设计合理、运行方便、具有能耗低、操作安全、项目投资少、见效快、易于推广等特点。

周振国 卢智强 孙 谋 陈 智 沈熙智 刘启栋 焦增现 冯 健

执笔： 陈 智 校核： 卢智强 孙 谋

进料公路

试 验 室 钢筋加工 空压机 锅 炉 房 外 加 剂 钢筋骨架加工 钢筋骨架存放 钳工间 骨架绑扎 室 内 存 放 砂 石 (3天*17=51块) 洞口 室外存放(510块) 翻转台 仰 拱 模 具 (9套)

轨道 轨道 搅拌机

门吊 行吊 仰 拱 模 具 (8套) 水泥罐

测 温 工具箱

66.0m 卸渣

0.2m 2.0m 11.8m

9.6m

附图 仰拱预制厂平面布置示意图 段面示意图 24.0m