03仰拱开挖控制及混凝土施工工艺.docx
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03仰拱开挖控制及混凝土施工工艺
仰拱开挖控制及混凝土施工工艺
中铁一局五公司云桂项目部白柱
1前言
1.1工艺概况
仰拱是隧道结构的重要组成部分，是隧道结构的基础。
它一方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构以及将路面上的荷载有效的传递到地下，同时还须有效抵抗隧道下部地层传来的反力。
实际上仰拱是能承受地层永久荷载和路面临时荷载（动荷载）的一种地基梁（板），受力状态复杂。
从国内外交通隧道工程病害的实例来看，隧道仰拱由于受到设计、施工及其它因素的影响，出现隧道结构失稳，路面沉降开裂，翻浆冒泥等病害。
因此在施做仰拱结构时必须严把施工质量关，精细化作业，使其结构符合规范和设计要求。
我们通过石林隧道仰拱开挖以及混凝土浇筑，并结合现场操作、机具配备、设计要求，多次改进施工工艺，不断摸索、完善，总结形成本施工工艺。
1.2工艺原理
仰拱开挖按照光面爆破控制要求进行，开挖完成后及时初支封闭成环。
仰拱及填充混凝土采用集中拌合站拌合，混凝土送输车运输，泵送混凝土入模。
仰拱模型采用浮放式整体弧形模板支架（图5），端头均采用钢模板，一次浇筑长度为6m～10m。
2工艺特点
1）提高仰拱开挖精度，可以有效的控制仰拱超挖，从而降低混凝土损耗。
2）仰拱和填充混凝土分层浇筑，保证了衬砌的完整性，提高仰拱受力性能。
3）仰拱混凝土施工采用定型模板施工，方便操作，节约了工序作业时间，保证了仰拱施工进度。
3适用范围
本工艺工法适用于公路隧道、铁路隧道、市政隧道等仰拱施工。
4主要引用标准
《高速铁路隧道工程施工技术指南》、《铁路混凝土工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号），《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10753-2010）、《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10423-2010）、《新建铁路工程测量规范》（TB10101）、《高速铁路工程测量规范》（TB10601）。
5施工方法
仰拱开挖遵循测量先行的原则，在开挖前按照设计弧形进行放样，同时在初支表面将仰拱钢筋上下线、仰拱混凝土顶面标高线测量放样，为仰拱精细化施工提供保障。
仰拱按照光面爆破控制要求进行开挖。
开挖完成后初支及时封闭成环，浇筑仰拱之前，需要测量仰拱底标高，若开挖断面未达到设计要求，则需要继续开挖，直到符合设计及规范要求。
仰拱施工实行分区管理，Ⅳ、Ⅴ级围岩初期支护超前仰拱50㎝～100㎝，仰拱超前仰拱填充50㎝～100㎝。
仰拱超前拱墙衬砌，仰拱整体浇筑采用仰拱栈桥，实现同时作业，加快施工进度；仰拱成型采用定型钢模板、仰拱弧形模板，确保仰拱中埋式止水带定位准确，仰拱线形顺畅；仰拱、仰拱填充分开整体浇筑，一次成型，仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑。
仰拱端头混凝土应超前仰拱填充混凝土50cm。
6工艺流程及操作要点
6.1施工工艺流程
仰拱及填充施工工艺流程如图1。
6.2操作要点
6.2.1施工准备
⑴对作业人员进行培训和交底。
做好各道工序、工艺的技术交底，现场技术负责必须向施工人员及相关的技术员进行详细的技术交底，使每个人员对工艺、工序都心中有数。
⑵模板与栈桥加工。
仰拱衬砌顶部模板（面板）根据施工设计图加工成弧形，采用弧形钢模板,单块钢模板尺寸为1.0m×1.5m（纵向×横向）。
面板、加筋板均采用6mm钢板，法兰盘采用3mm钢板。
仰拱及填充端模由加工班按照设计，结合现场施工情况进行加工。
图1仰拱及填充施工工艺流程图
仰拱端模采用［28槽钢加工成与隧底同弧度的支撑板，作为仰拱衬砌及仰拱填充端部模板的底座。
面板、加筋板厚度为6mm钢板加工成横向长度为1.2m，竖向为隧底弧度的弧形钢模板。
仰拱混凝土施工用栈桥，采用工字钢加工，使其移动方便、使用灵活。
中心水沟模板采用950㎜×1500㎜的定型钢模板，模板面板采用5㎜厚钢板，连接法兰盘采用50×5等边角钢，模板加筋采用5㎜厚钢板。
⑶进场原材料检验。
所有进场原材料必须检验合格后方可使用，严禁未检先用。
⑷试验室结合设计要求进行配合比选定。
选定的配合比既要满足设计要求，又要有利于成本控制。
6.2.2仰拱开挖
图2仰拱开挖示意图
Ⅱ级围岩无仰拱段下台阶和底板一次开挖，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩下台阶和仰拱分次开挖。
仰拱采用光面爆破技术进行开挖，每循环开挖进尺控制在3m，每循环由测量人员进行精确控制，点间距不大于50㎝，使仰拱基本成型，挖掘机、装载机、自卸车出渣，开挖仰拱时应注意两侧边墙拱脚处附近不要钻设炮眼，拱脚处欠挖部分采用风镐凿除，以免松动边墙钢架，为了控制超欠挖，应加强仰拱开挖标高的测量工作及加强装药量的控制。
为使弧形开挖满足设计要求，控制好开挖精度，施钻人员按照测量放样点进行施钻，为便于操作，作业人员在仰拱靠边墙侧修筑梯形小平台，以半蹲姿势进行钻孔作业。
钻眼时控制好仰拱周边眼间距、外插角度等。
同时为方便作业人员施钻，采用短气腿YT-28风钻进行钻眼。
为实现隧道施工过程中车辆运输及仰拱施工同时作业，避免平行作业下的施工干扰，做到仰拱、铺底施工与运输同步进行，缩短循环作业时间，提高隧道施工效率，仰拱开挖时利用简易栈桥形成运输通道。
6.2.3基底处理
整幅仰拱一次施工完毕，人工配合挖装机清碴。
将隧底虚碴、杂物、泥浆、积水等清除干净，并用高压风将隧底吹洗干净，超挖部分采用同级混凝土进行回填。
6.2.5初期支护
Ⅳ级围岩B型复合式衬砌仰拱初期支护喷射C25素混凝土，厚度10㎝；Ⅴ级围岩复合式衬砌仰拱初期支护安装I20b型钢钢架，喷射C25素混凝土，厚度28㎝。
仰拱初期支护应超前仰拱50㎝～100㎝。
6.2.6钢筋绑扎
隧道仰拱钢筋安装前，先在专用预弯平台上将钢筋弯制成设计的弧形，安装时全部采用绑扎连接。
⑴钢筋的弯制和末端弯钩按设计要求加工；设计无要求时，按下列规定：
①所有受拉光圆钢筋（HPB235）的末端应制成180°的半圆形弯钩，弯钩的内径不得小于2.5d，钩端应留有不小于3d的直线段。
（如图3）
②受拉热轧带肋钢筋的末端加工成直角形弯钩，弯曲直径不得小于钢筋直径的2.5倍（HRB335），钩端应留有不小于钢筋直径3倍（HRB335）的直线段。
（如图4）
图3半圆形弯钩图4直角形弯钩
⑵仰拱上下层钢筋接头分散布置，“同一连接区段“内有接头的受力钢筋截面面积占受力钢筋总截面面积的百分率按设计及规范要求错开。
钢筋搭接长度必须符合施工规范要求。
采用扎丝绑扎时，搭接长度应符合表1要求。
绑扎接头为1.3倍搭接长度且不小于500㎜。
表1钢筋绑扎接头的最小搭接长度表
钢筋类别
受拉区
受压区
＜C30
≥C30
＜C30
≥C30
光圆钢筋HPB235级
35d
30d
25d
20d
带肋钢筋HRB335级
45d
35d
35d
25d
带肋钢筋HRB400级
55d
40d
40d
30d
注：
1.表中d为钢筋接头，C30为混凝土强度等级。
2.绑扎接头搭接长度除符合上表规定外，受拉区不得小于300㎜，受压区不得小于200mm。
6.2.7安装仰拱模板和止水带
端头模板安装时先将安装模板位置隧底整平，安装［28弧形槽钢，弧形槽钢与隧底未密贴部位可在仰拱混凝土浇筑外侧采用木楔楔紧，弧形槽钢顶面安装中埋式橡胶止水带，止水带顶面再安装弧形钢模板。
仰拱弧形模板单独安装，容易脱落，结构不稳定，利用三角形的稳定结构原理，使用I14工字钢、L63×6角钢，把原先单独拼装的单块模板连接成一个整体。
安装时按照测量控制点位，使用挖掘机将模板纵向一端固定在已施工好的仰拱填充面上，另一端固定在定位正确的活动式支模架上。
弧形整体模板调整到设计位置后，用销钉对纵向工字钢进行固定，并用钢丝将模板固定牢固，防止浇筑混凝土时模板上浮。
（见图5）
6.2.8仰拱混凝土施工
根据隧道设计不同围岩级别，仰拱衬砌采用C30混凝土或C35钢筋混凝土，混凝土施工严格按照混凝土施工规范进行，计量准确。
仰拱混凝土浇筑前，先将混凝土浇筑范围内隧底虚石、浮碴、积水等清理、排除干净，混凝土由混凝土拌合站集中生产，混凝土运输车运至工作面，人工浇筑。
混凝土浇筑时，人工采用插入式捣固器振捣，边浇筑边捣固，对于局部无法用振动棒捣固的部位可用钎子进行插捣，确保混凝土密实。
6.2.9仰拱填充混凝土施工
仰拱填充宜在仰拱混凝土终凝后施作。
仰拱施工缝和变形缝应做防水处理。
底板坡面应平顺，排水畅通。
仰拱填充均采用C20混凝土，仰拱填充混凝土浇筑前，应将填充底面（仰拱顶面）清理干净，并洒水湿润，同时检查预埋件（过轨管、横向排水管等）、中心水沟模板定位、加固等是否符合设计规范要求。
仰拱填充混凝土施工应严格按照混凝土施工规范进行，计量准确。
混凝土由混凝土拌和站集中生产，混凝土运输车运到工作面，人工浇筑。
混凝土浇筑分层进行，每层浇筑厚度不超过50cm，人工采用插入式捣固器振捣，确保混凝土捣固密实。
6.2.10安装纵向止水带和止水条
仰拱纵向钢边止水带在仰拱混凝土浇筑前安装完毕，采用方钢+专用“U”型卡进行固定，方钢为120mm×40mm，“U”型卡为10mm钢板加工而成。
具体方法：
将纵向钢边止水带钢边部分用两块方钢夹住，再用“U”型卡进行固定，纵向间距为1.5m～2.0m/个。
钢边止水带连接采用热熔焊接方式。
6.2.11仰拱混凝土养护及拆模
1）混凝土养护
（1）混凝土养护期间，应重点加强混凝土的湿度和温度控制，尽量减少表面混凝土的暴露时间，及时对混凝土暴露面进行紧密覆盖，防止表面水分蒸发。
（2）混凝土养护应保持环境温度不低于5℃，浇筑结束4～6h且混凝土终凝后方可升温，升温速度不宜大于10℃/h。
恒温期间混凝土内部温度不宜超过60℃，降温速度不宜大于10℃/h。
（3）混凝土带模养护期间，应进行保湿、潮湿养护。
（4）拆模时混凝土内部与表层、表层与环境之间的温差不得大于20℃，结构内外侧表面温差不得大于15℃；混凝土内部开始降温前不得拆模。
（5）脱模后应对混凝土进行蓄水、浇水或覆盖洒水等措施进行潮湿养护。
不同混凝土保湿保温养护期限见表2。
表2不同混凝土保湿保温养护的最低期限
水胶比
洞内
洞口
日平均气温
T（℃）
潮湿养护期限（d）
日平均气温
T（℃）
潮湿养护期限（d）
＞0.45
5≤T＜10
10≤T＜20
T≥20
21
14
10
5≤T＜10
10≤T＜20
T≥20
28
21
14
≤0.45
5≤T＜10
10≤T＜20
T≥20
14
10
7
5≤T＜10
10≤T＜20
T≥20
21
14
10
（6）在任意养护期间，养护水温度于混凝土表面温度之差不得大于15℃。
养护期间采取保温措施，防止混凝土表面温度受环境因素影响而发生剧烈变化。
2）混凝土脱模
混凝土拆模时的强度应符合设计要求。
设计未提出时，应符合下列规定：
（1）拆模采用最后一盘封顶混凝土试件达到的强度来控制。
（2）侧模应在混凝土强度达到2.5MPa以上，且表面及棱角不因拆模而受损时，方可拆除。
（3）拆模时混凝土的温度不能太高，以免混凝土接触空气时降温过快而开裂，更不能在此时洒水养护。
结构与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差大于20℃时不宜拆模；大风或气温急剧变化时不宜拆模；在寒冷季节，环境温度低于0℃时不宜拆模；在炎热和大风干燥季节，应采取逐段拆模、边拆边盖的拆模工艺。
（4）拆除模板时，不得影响或中断混凝土的养护工作。
6.2.11车辆通行
仰拱（含填充）和底板混凝土强度达到5MPa后行人方可通行，达到设计强度的100%后车辆方可直接通行。
7劳动力组织
表3劳力组织表
序号
作业队
人数
工作内容
1
混凝土拌和班
20
拌合、运输、试验等
2
衬砌班（仰拱）
8
模板安装、预埋件、灌注等
3
辅助
4
测量、抽水、接管线
合计
32
8主要机具设备
表4机具设备配置表
序号
设备名称
规格
数量
备注
1
拌合站
90m³/h
1座
含计量设备
2
装载机
ZL50
1台
料场倒料
3
运输设备
8m³运输车
3台
根据运距确定，1km以内
15t自卸车
5台
4
注浆机
BWT100/30
1台
5
钢栈桥
12m
1套
铺仰拱时临时便桥
6
仰拱模板
10～12m
1套
7
振捣式捣固棒
4台
8
混凝土溜槽
自制
2套
9质量控制
9.1易出现的质量问题
1）仰拱超挖较大，导致混凝土超耗，从而增加成本。
2）混凝土蜂窝、麻面、空洞
3）混凝土表面露筋
4）混凝土裂缝
9.2保证措施
1）为了控制超欠挖，应加强仰拱开挖标高的测量工作及加强装药量的控制。
采用短气腿凿岩机进行钻眼，仰拱采用光面爆破技术进行开挖。
将仰拱开挖纳入光面爆破考核，作为光面爆破考核的组成部分。
2）浇灌混凝土前认真检查模板的牢固性及缝隙是否堵好，模板应清洗干净并用清水湿润，不留积水，并使模板缝隙膨胀严密。
3）钢筋混凝土施工时，注意垫足垫块，保证厚度，固定好。
钢筋混凝土结构钢筋较密集时，要选配适当石子，以免石子过大卡在钢筋处，普通混凝土难以浇灌时，可采用细石混凝土。
4）加强混凝土早期养护，浇灌完的混凝土要及时养护，防止干缩，冬季施工期间要及时覆盖养护，防止冷缩裂缝产生。
加强施工管理，混凝土施工时应结合实际条件，采取有效措施，确保混凝土的配合比、塌落度等符合规定的要求并严格控制外加剂的使用，同时应避免混凝土早期受到冲击。
5）严格按照混凝土施工工艺进行混凝土拌制、浇筑和捣固，确保混凝土施工质量。
混凝土下料高度超过2m时设串筒或溜槽；浇灌混凝土应分层下料、分层捣固密实，防止漏捣，至排出气泡为止。
6）严格执行隐蔽工程签证制度只有当监理工程师签认后方可转入下道工序。
7）按照《不合格产品控制程序》要求对不合格的原材料和半成品不投入使用不合格的工序不转序。
8）定期召开工程质量会议，传达上级有关工程质量的要求，强化相关人员的质量意识。
10安全保证措施
1）开工前制定相应的安全应急预案并备好各种应急设施。
2）对参加施工的人员进行岗前安全技术教育达到应知、应会、并经考核合格者方可上岗操作。
3）对挖掘机司机等特殊工种作业人员应经过专业培训获得合格证书后持证上岗。
4）操作人员上岗前必须按规定穿戴防护用品。
施工区域设置警示标牌，严禁非工作人员出入。
5）施工所用的各种机具设备和劳动保护用品定期进行检查和检验保证其完好状态不合格的严禁使用并建立安全台帐。
6）建立健全各级安全管理机构并设立专、兼职安全检查人员。
安全员跟班作业。
7）定期召开安全会议，进行安全教育，学习安全制度，制定安全措施并示于洞口，以增强安全意识及掌握避险方法。
11环保措施
1）开始施工前，必须进行环境因素识别，确定重要环境因素，制定相应的管理方案。
2）施工废水及施工垃圾不得随意排放、丢弃，施工废水得经过处理池处理后再排放到指定地点，施工垃圾倒置在指定地方统一处理。
12应用实例
12.1工程简介
由中铁一局集团有限公司承建的石林隧道位于弥勒～石林板桥区间，全长18208m，起讫里程为DK651+225，DK669+433，设计为单洞双线隧道。
隧道进口位于左偏曲线，出口位于右偏曲线，曲线半径5500m。
线路设计为“人”字坡，隧道最大埋深约250m。
为满足施工、排水及通风需求及防灾救援等问题，采用“一贯通平导+两斜井”的辅助坑道模式。
石林隧道Ⅱ级围岩A型复合式衬砌无仰拱。
Ⅲ级围岩A型复合式衬砌，仰拱浇筑C30混凝土，厚度50cm；Ⅳ级围岩B型复合式衬砌仰拱初期支护喷射C25素混凝土，厚度10㎝，仰拱浇筑C35钢筋混凝土，厚度55㎝；Ⅴ级围岩复合式衬砌仰拱初期支护安装I20b型钢钢架，喷射C25素混凝土，厚度28㎝；仰拱浇筑C35钢筋混凝土，厚度60㎝（Ⅴ级A型）/70㎝（Ⅴ级C型）。
仰拱填充浇筑C20混凝土，仰拱填充深度108㎝。
隧道中心线处设中心矩形排水沟，净空尺寸为60cm（宽）×89cm（高），盖板厚8cm。
12.2施工情况
施工过程中遵循测量先行的原则，仰拱采用光面爆破进行开挖，严格装药量和加强仰拱开挖标高的测量工作，实行“五线上墙”制度（五线即仰拱顶面标高线、钢筋段上下错开线、纵环向盲管布置线），在边墙支护完成后及时将仰拱混凝土顶面标高线进行测量标识，很好地控制仰拱混凝土顶面。
仰拱初期支护、仰拱及仰拱填充实行分区管理；仰拱混凝土采用弧形模板、端头钢模板进行混凝土施工，既确保了仰拱衬砌的完整性，又为隧道精细化施工提供了保证。
12.3建设效果及施工图片
有关图片见图5-图9。
13工程结果评价
仰拱采用光面爆破技术进行开挖，并纳入光爆考核管理，在约束作业班组操作的同时也激励了作业班组的积极性，很好地控制了仰拱超挖。
仰拱混凝土浇筑采用弧形模板、钢模板等定型模板，不仅满足了仰拱设计要求，也降低了混凝土超耗。
仰拱开挖控制机混凝土精细化施工不仅取得了一定的经济效益，也获得了监理单位和业主的好评。
图5仰拱整体弧形模板图6仰拱端模
图7仰拱混凝土超前填充图8仰拱钢筋
图9施工完成的仰拱及“五线上墙”
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