百乐隧道进口仰拱移动模架快速施工法.docx
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百乐隧道进口仰拱移动模架快速施工法
新建贵阳至广州铁路贵阳至贺州段
（DK238+376～DK247+059）
隧道仰拱快速施工设备及施工工法
发表人：
李小龙
中铁二十一局集团贵广铁路工程
指挥部第一项目部
二0一一年九月
隧道仰拱快速施工设备及施工工法
中铁二十一局贵广铁路工程指挥部第一项目部
1．前言
在当前隧道施工中，常因没有理想的配套设备和施工工艺，仰拱施工的质量和进度难以保障，成本也较高。
进而影响了防水系统、二衬等后继工序的结构衔接质量和进度，隧道仰拱施工成为制约隧道快速施工的控制性工序。
为了加快隧道仰拱及填充混凝土施工进度，保证安全、提高质量，降低工程成本，改善文明施工形象，中铁二十一局贵广铁路工程指挥部第一项目部联合相关单位进行技术攻关，设计开发出隧道仰拱快速施工工艺及配套设备，通过现场实践、总结形成本工法。
2．工法特点
2.1采用把一个仰拱作业面分为两个作业区进行流水作业方式进行施工，大大缩短了仰拱施工每循环的作业时间。
2.2采用19m长的双车道分离式简易栈桥，移动方便，保证了仰拱混凝土施工中的洞内交通畅通。
2.3把仰拱模板设计为固定部分和活动部分，利用铰接组合，使仰拱模板安装、拆除能够简单快速地完成。
2.4采用端头梁来固定仰拱模架和中心水沟模架，同时在移动时运载模架系统，使模板系统形成为一个整体，定位准确，移动就位快捷。
2.5模板系统可以自行移动。
利用栈桥为吊梁，以端头梁为依托，使模板系统在绞车的拉动下整体自行移动到下一工作区。
3.适用范围
本工法对双线隧道的仰拱施工具有普遍适用性。
4．工艺原理
4.1把两个仰拱作业面利用长栈桥合为一个作业面进行流水作业，减少了仰拱施工段的总长度，有利于安全距离的实现。
4.2把仰拱模板填充混凝土以上的部分设计为固定部分。
所以在填充混凝土施工时，固定部分不拆除，只需把填充混凝土面以下的仰拱模板转起来就可以浇筑填充。
4.3在端头梁上设置了模板系统的定位卡，使模板系统定位准确、快速、便捷。
4.4通过端头梁把模架式系统联系成一体后，利用与栈桥配套的轨道吊车在绞车的牵引下整体移动至下一工作区。
5．施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
施工过程一般包括：
隧底开挖，出碴，清底（Ⅳ、Ⅴ级围岩等有初期支护和衬砌钢筋），模架系统移动、定位，浇筑仰拱混凝土，拆除仰拱模板的活动部分，浇筑填充混凝土，拆除中心水沟模板和仰拱模板的固定部分等，施工工艺流程见图1。
图1施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1快速施工设备的制作要点
（1）仰拱模架：
满足仰拱混凝土一次性整体浇筑完成的要求；
（2）中心沟模架：
满足填充施工中预留中心水沟的要求；
（3）端头梁：
满足定位并固定仰拱模架、中心沟模架，安设仰拱填充端头模板和中埋式止水带。
同时，在隧底开挖出碴时，作为栈桥的临时支撑，满足混凝土罐车上栈桥浇筑仰拱混凝土的作业要求，是快速施工设备的核心部分。
（4）栈桥：
满足在仰拱填充施工中洞内的交通要求，同时作为仰拱模架、中心沟模架、端头梁整体移动的行走吊梁。
（5）走行设备：
自制与栈桥配套的轨道吊车，配备2台8t的绞车为动力，以栈桥为吊梁，使模架系统向前移动。
5.2.2快速施工设备各部分的设计
（1）仰拱模架：
因仰拱中部弧形半径大，坡度比较平缓，可不设模板，混凝土通过自然摊铺的方法从中间向两边浇筑，混凝土浇至仰拱模板下沿时，混凝土改由仰拱两侧的顶部入模，使仰拱混凝土一次浇筑完成。
经现场试验证明：
混凝土坍落度在120～140mm的情况下，从仰拱与二衬边墙设计施工缝处向下设置3.0米长的弧形模板，即可很好的满足仰拱混凝土的施工要求（图5-1）。
仰拱模架设计为左右两幅，分别由刚性骨架和模板组成。
刚性骨架设置在仰拱外露部分（不被填充掩埋的部份），主要作用是固定、存放和移动模板，以及安设走行设备绞车，传递动力。
模板采用大块组合钢模，每幅3块，模板间用枢纽连接，以翻折方式安装和拆除。
每块长6m，宽0.8～1.2m，用10cm槽钢做加强肋，使模板具有足够的刚度，仅通过销钉固定模板两端就可完成模板固定，以简化模板加固措施。
（2）中心沟模架：
中心沟模架采用模架、模板一体式设计，即用20cm工字钢为模架，在模架上有6mm钢板作面板和底板（图5-2）。
（3）端头梁：
根据仰拱和填充混凝土的结构尺寸设计端头梁，以满足端头就位后，仰拱模架、中心沟排架跟着就位的要求。
梁底为弧形，与仰拱中埋式止水带位置一致，便于固定中埋式止水带。
梁上边缘与填充混凝土面标高一致，可控制填充混凝土浇筑标高。
在端头梁两端设立仰拱模架靠柱，定位仰拱模架。
为适应隧底开挖清理后的地形情况，共设置8根可自由伸缩的支柱，梁部采用20cm工字钢制作，设计承载60t。
（4）栈桥：
考虑洞内施工中设备配套情况，每幅栈桥采用两片分离式，每片重约10t，使一台挖机可完成栈桥的移动。
为保持在仰拱混凝土施工时，洞内交通畅通，由4片梁组成两幅栈桥形成双车道。
栈桥长19m，单片宽1.2m。
在仰拱施工中，两端支撑长度各2.5m，有效工作长度约13m。
其中，端头梁宽度1m，有效工作面长约12m，平均分为两个仰拱作业面。
栈桥设计为双层结构，上层主要采用20cm工字钢，做成弧形，使桥面成为拱桥面；下层用36cm工字钢制作，上下两层之间每隔1m左右设一道联系横梁，使下层主梁受力荷载符合均布荷载模型，加强结构整体性和承载能力。
（5）走行设备：
为使栈桥能够做为快速施工设备的吊梁，利用栈桥每片梁两边工字钢翼板作为轨道，配备一个轨道吊车，使之吊起端头梁，在绞车的拉动下，可以拉着仰拱模架、中心沟模架一起移动到下一工作面。
轨道车采用20cm槽钢作为梁，每侧各设两个滑轮与栈桥的底层工字钢翼板咬合，确保走行顺畅。
轨道吊车的吊运和卸货定位。
吊运：
因端头梁有可以伸缩的支柱，所以，把端头梁用拉杆与吊车连接拉紧后，收缩端头梁的支柱，就起吊了。
仰拱模架、中心沟模架一端在已施工的填充面上，安设轮子可滑行。
另一端与端头梁连接，在绞车的拉动下使整体向前移动。
卸载定位：
模架移动到设计里程后，需要上下调整标高，左右调整平面位置。
这时在栈桥上挂设手动葫芦，提升端头梁，轨道车松动拉杆就卸载了。
通过手动葫芦先上下调整端头梁至设计标高，横向再用千斤顶左右调整端头梁设计平面位置，然后放下端头梁的支柱完成定位。
5.2.2现场施工要点
隧底开挖、出碴、清底（此步骤为第一工作区作业内容，可在后续第二工作区作业时同时进行）；
测量放样，确定端头梁位置；
栈桥就位，使栈桥与隧道中线平行；
用拉杆把端头梁与两边栈桥吊车连接拉紧后，收起端头梁的支柱，使模架系统处于悬吊状态；
启动电动绞车，拉动模架系统向前移动6m；
利用挂在栈桥上的两个手动葫芦吊住端头梁两端，轨道吊车卸载；
松开轨道吊车与端梁之间的拉杆，用手动葫芦上下调整端头梁标高至设计位置；
用千斤顶横向调整端头梁至设计平面位置；
放下端头梁支柱，使端头梁固定；
仰拱排架一端靠紧端头梁的端头立柱，另一端利用仰拱接茬钢筋和绞车自重固定；
用绞车拉住翻折的仰拱模板，人工配合放下仰拱模板至预先布设销钉上，固定模板；
撑开中心沟模架，一端在端头梁上定位，另一端在已施作混凝土上定位；
安设仰拱填充端头木板和止水带等防排水系统；
浇筑仰拱混凝土：
中部无模板部分混凝土通过自然摊铺的方式，从仰供中部开始纵向摊铺，再向左右两边同时浇筑，混凝土浇至仰拱模板下沿时，混凝土改由仰拱两侧的顶部入模，使仰拱混凝土不留施工缝，一次浇筑完成；
仰拱模板拆除：
利用绞车和滑轮拉起模板翻折到模架上；
浇筑填充混凝；
中心沟脱模后，模架系统整体移到下一作业区。
5.3劳动力组织
仰拱快速施工技术施工劳动力组织见表2。
表2人员配置及职责分工
序号
人员
人数
工作职责
1
技术人员
1
负责施工技术指导
2
试验工程师
1
负责混凝土质量检查
3
质检工程师
1
负责施工质量控制
4
一般工人
8
负责现场施工
合计
11
6.材料与设备
6.1材料：
主要有20cm工字钢，36cm75m制作模架，10cm角铁15m、12cm槽钢12m制作定位卡。
定型模板1套。
总重量约4t。
6.2主要机械设备配置
主要机械设备配备见表3。
表3主要机械设备配备表
序号
机械名称
单位
数量
备注
1
仰拱快速施工设备
套
1
每模施工6延米
2
挖掘机
台
1
出渣、移动栈桥等
3
砼搅拌运输车
台
3
4
自卸汽车
台
3
7.质量控制
7.1工程质量控制标准
《铁路混凝土工程施工技术指南》TZ210-2005
《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准》TB10424-2003J283-2004
《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》铁建设（2005）160号
《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002
《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》TZ214-2005
7.2质量控制措施
（1）模架、模板的设计必须满足规范要求，防止结构变形，同时保证安全。
（2）严格落实测量复核制，确保测量放线准确无误。
（3）必须对模板进行清洁并均匀涂抹专用脱模剂。
（4）浇筑结构前，严格落实“自检、互检、交检”三检制度，确保结构尺寸、预埋件设置等准确无误。
（5）保证混凝土原材料质量，同时严格按照施工配合比拌制混凝土，加强施工过程中混凝土的捣固和分层浇筑的厚度控制。
（6）加强混凝土养护工作，制作同条件养护试件，试压强度符合拆模强度值后，确定拆模时间。
8.安全措施
施工中，严格遵照隧道或地下工程相关规范、规程关于安全方面的规定，确保施工安全。
同时，重点注意以下几点：
8.1所有人员必须经过培训，考核合格后才准上岗。
8.2定人定岗，严格按照设备操作规程实施。
8.3模架拆卸、安装过程中，应将行走滑轮制动，防止模架自然溜滑失控。
8.4丝杆、螺帽的调整应使用扳手等专用工具，严禁赤手操作，以免伤手。
8.5定期对设备保养、维护，特别是绞车牵引钢丝绳和栈桥的状态要重点检查。
9.环保措施
施工中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章制度，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生活和生产垃圾、弃渣的管理和治理，接受相关单位及部门的监督和检查。
10.效益分析
10.1循环时间大大缩短
（1）快速施工法在填充混凝土的强度达到脱模强度后，就可移动至下一作业区，而不是放行强度时间，可节省16小时；
表6-1仰拱填充施工工序时间对照表
项目
现有模式
快速施工法
备注
隧底开挖（小时）
12
与混凝土工序平行作业
隧底出碴（小时）
2
与混凝土工序平行作业
虚碴清理（小时）
4
与混凝土工序平行作业
仰拱模版安装（小时）
4
3
仰拱混凝土浇筑（小时）
6
3
等强时间（小时）
4
2
中心沟模版安装
1
与仰拱模板同时完成
填充混凝土浇筑
1
1
等强移动栈桥施工下一模
24
10
合计（小时）
58
19
（2）仰拱混凝土浇筑采用了3.5m长弧形模板，可一次快速完成浇筑，不会有模板弧长过短而导致快速浇筑混凝土从模板下沿大量冒出的现象。
因使用了中心沟排架，中心水沟的模板安装等强时间也没有了，可节省4小时；
（3）采用两作业区流水作业，第一作业区的循环时间少于第二作业区，以第二作业区时间19小时为准，节省18小时；
此外，快速施工法的仰拱模板安装不需要挖掘机配合，移动自成体系，有效地避免了机械设备不足的干扰。
综上所述，采用快速施工法施工所需工序循环时间只有以前循环时间的1/3。
10.2施工成本大幅降低
前期使用的拼装小模板，每8延米需要320kg以上的钢筋来加固和支撑，需要10个专业木工4小时以上的工作时间来完成安装工作，仰拱模板的安装费用约为225元/延米。
快速施工法仅需不足10kg的钢筋，5个人3小时完成模板安装，费用不足80元/延米。
采用快速施工法，每延米节约成本约145元。
10.3工程质量明显提高
小模板施工存在着板缝多，错台易超限，线条不直等缺陷。
大模板又存在移动加固困难，易整体跑模的问题。
快速施工法法采用端头梁定位固定，整体模板，模架刚度好，有效避免了上述问题，使仰拱混凝土达到了内实外美的效果。
10.4为隧道快速掘进提供了保障
快速施工法使用前只能每3天一循环，每天进度不足3m；如果增加作业面保证进度，必然要加大掌子面与衬砌间的距离，造成安全步距超标，使得施工进度与安全步距之间的矛盾一直未能得到很好的解决。
采用本例快速施工法法施工，可满足每月235米（6m×24÷19×31=235m）的施工进度要求。
若将本例栈桥长度由18米加长到22米，则可满足每月313米（8m×24÷19×31=313m）的施工进度要求。
以此类推，快速施工法可轻易地满足隧道施工各工序安全步距的实现。
10.5优化洞内施工组织和工序分区、利于标准化作业和安全文明施工
模架法施工工艺只需保留一个仰拱作业面，减少了工序分区间的相互干扰，减小了掌子面与二衬之间的作业面数量和总长度，利于二衬及时跟进，保障了隧道施工安全；双车道栈桥保持了洞内开挖出碴作业的交通畅通，文明施工和标准化作业水平显著提高。
11.应用实例
工程项目名称：
新建贵广铁路GGTJ-3-4标百乐隧道进口
11.1工程概况
百乐隧道进口全长3744米，起讫里程为：
DK243+315～DK247+059。
本隧道为双线隧道。
围岩以Ⅴ级为主，少量Ⅳ级、Ⅲ级。
隧道净空R=641cm，仰拱两边为弧长l=240cm，半径R=225cm的圆弧，中部为弧长l=950cm，半径R=1477cm的圆弧。
仰拱与拱墙分界高度为内轨顶面上10cm，即仰拱面最高与最低处高差为2.0m（如图2-1）。
根据规范要求，仰拱混凝土要一次性整体浇筑，不留施工缝，仰拱与填充混凝土分开浇筑。
在填充混凝土中预留中心水沟宽110cm，深123cm的沟槽。
11.2应用效果
该隧道采用仰拱快速施工技术及配套设备后，经现场检验，施工快捷，作业面整洁、结构美观，从质量、工期、成本、文明施工等方面均取得了良好效果，解决了机械化配套快速施工课题中仰拱施工进度无法在安全步距内与掌子面进度保持一致的关键性问题。
中铁二十一局
贵广铁路工程指挥部第一项目部
2011年9月26日
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