仰拱預制廠廠房建設及維護要點

徐 贊，胡必飛

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

在我國鐵路隧道建設中，以往大多采用鉆爆法施工，隧道基礎的設計通常采用模筑混凝土仰拱或平底基礎(底板)。基礎的施工常常滯后于掌子面開挖很長距離，致使基底長期處于碾壓，造成排水不暢、基底泥化等，使基礎施工質量不高，對以后的道床留下病害隱患。

在隧道掘進機(Tunnel Borning Machine，以下簡稱TBM)施工的條件下，隧道基底不僅要求能夠鋪設重型運輸軌道，還要求鋪設TBM后配套系統的走行軌道，并能夠通暢地排水;因此，對隧道底部結構提出了新的、更高的要求。1997年西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道TBM施工開始鋪設預制的仰拱預制塊，采用裝配式預制塊的形式修建仰拱［1］。在預制仰拱上設置隧道中心排水溝，并預埋道釘以便鋪設施工運輸軌道和TBM后配套系統的走行軌道，為了確保與基底密貼，還留有底部注漿孔等設施［2－4］。

文獻［5－7］對管片預制廠廠房建設進行了比較全面的總結，但仰拱預制塊生產與管片生產相比，具有周期長、重量大、翻轉工藝不同等特點，仰拱預制塊廠房在初期建設和日常維護過程中還有一些需要特別注意的問題尚待系統的總結。本文以蘭渝鐵路西秦嶺隧道仰拱預制塊生產為例，介紹了仰拱預制廠廠房建設及維護要點。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道全長28.236km，為左右線分設的2條單線隧道，采用鉆爆法和敞開式TBM掘進聯合施工。XQLS2標主要承擔正洞左線27.105 km，右線2.613 km，其中仰拱預制塊鋪設地段全長22.412 km，折合仰拱預制塊12 452塊。

仰拱預制塊采用C40鋼筋混凝土結構，分為底部不設凹槽(A型)和底部設凹槽(B型)2種，為凹凸面連接的鋼筋混凝土結構。單塊長度1.8 m，頂面寬度3.6 m，可鋪設四軌雙線(軌距900 mm)運輸軌道。在預制塊上預留中心水溝、泄水孔、注漿孔、承軌槽以及安裝止水帶所需的凹槽等，并預埋起吊桿和道釘。

仰拱預制廠廠房設在洞口對面生產區域內，受施工場地限制，仰拱預制廠廠房依山建設，主廠區占地2 110 m2，建設鋼結構預制廠房，廠房外建有空壓機房、鍋爐房、變壓器房、廠房外存放區、燃煤存放區等生產設施，占地約1 000 m2。生產區域整體坐落在鉆爆法棄碴填筑體上。

2 生產規模及生產工藝確定

2.1 生產規模的確定

仰拱預制塊作為TBM后配套走行軌道的基礎，其生產規模主要根據TBM的步進和掘進速度確定。根據實施性施工組織設計，仰拱預制塊生產基本可分為4個階段(見表1)。

表1 仰拱預制塊生產階段劃分Table 1 Phases of invert segment production

仰拱預制塊生產模具單套價格在22萬元左右，準確確定模具的投入數量以減少模具的投入費用、提高模具的利用率是確定仰拱預制塊生產規模的關鍵。

受仰拱預制塊庫存場地限制，仰拱預制塊難以實現大批量預制后庫存備用，仰拱預制塊生產速度只能適當超前TBM施工需要。結合表1所示TBM施工對仰拱預制塊日生產能力的需要及以往的施工經驗，仰拱預制塊生產模具數量最終確定為16套。

2.2 生產工藝的確定

仰拱預制塊生產采用全自動計量90拌和站拌制混凝土，汽車運輸混凝土至廠房內，25 t天車吊裝混凝土料斗向半自動整體模具內澆筑混凝土，模具自帶的附著式風動振搗器自動振搗，并輔以插入式振搗器人工輔助振搗，混凝土澆筑45 min后打開模具頂板進行收光抹面，待靜養至可拔出注漿棒后覆蓋蒸汽養生篷布，經升溫、恒溫、降溫3階段蒸汽養護至脫模強度，罩內濕度保持在90%以上，隨時通過補充罩內蒸汽調控濕度。人工配合25 t天車吊裝并利用液壓翻轉機脫模和進行空中180°翻轉，仰拱預制塊脫模完成室內噴淋養生1 d后，運往廠房外存放場分類堆碼存放，同期養生試塊28 d抗壓強度達到38 MPa后運往洞內使用。仰拱預制塊生產工藝流程如圖1所示。

圖1 仰拱預制塊生產工藝流程圖Fig.1 Flowchart of invert segment production

3 預制廠廠房建設要點

3.1 功能區域設置

仰拱預制廠按照功能不同，劃分為鋼筋加工區、預制塊生產區、室內靜養區和配套設施4個部分。根據各功能區域承擔的施工任務不同，為便于各個工序的緊密連接，仰拱預制廠各功能區域布置如圖2所示。這種平面布置形式按生產流程安排，各功能區之間沒有交叉施工，避免了相互之間的干擾，有利于流水作業。

3.1.1 鋼筋加工區

鋼筋加工區主要承擔鋼筋的進場與儲存、切斷、彎曲、彎弧、半成品分類堆碼存放、鋼筋網片焊接、鋼筋籠組裝、成品堆放等任務。在預制廠鋼筋加工區內統一下料加工鋼筋籠，加工時先在鋼筋網片加工胎模上焊接5張鋼筋網，然后在組裝胎模上拼裝并焊接成型。

鋼筋加工區全長61 m，寬10.3 m，按照鋼筋原材料存放區、鋼筋加工及半成品存放區、鋼筋網片焊接及鋼筋籠組裝區、待檢鋼筋籠存放區、已檢鋼筋籠存放區及鋼筋邊角料存放區進行分區管理，各區之間采用10 cm寬反光乳白色油漆實線分隔，各分區均采用標識牌醒目標識。原材料存放區可庫存1.5個月的生產用量，進口大門高4 m，寬4 m，可滿足重載汽車進出的要求，裝卸區采用10 cm寬反光黃色油漆實線醒目分隔。加工區配備5 t龍門吊1套，配合鋼筋進場卸車直至加工成型投入生產使用。

圖2 仰拱預制廠功能區域布置圖Fig.2 Layout of different function areas of invert segment precasting plant

鋼筋籠加工完成后，通過位于鋼筋加工區與預制塊生產區之間的800kg扒桿吊機將鋼筋籠擺渡到預制塊生產區，再經25 t天車吊裝入模。鋼筋加工區布置如圖3所示。

圖3 鋼筋加工區布置Fig.3 Steel reinforcement processing plant

3.1.2 預制塊生產區

預制塊生產區主要承擔模具清理、涂刷脫模劑、鋼筋籠安設、預埋件安裝、混凝土澆筑、蒸汽養護、脫模翻轉等工序。配備仰拱預制塊生產模具16套，并聯擺放，每套模具自帶風動振搗器4臺，模具下單獨設置蒸汽管路和高壓風管路。車間內布置25 t天車1套，用于鋼筋籠安裝、混凝土澆筑、脫模、空中翻轉及預制塊倒運。預制塊生產區尺寸采用4.05 m×101.5 m，整體采用凹形設計，底部整體坡度5%，在較低一側砌筑寬50 cm、坡度15%的排水溝，以便將蒸汽養護和施工期間產生的污水及時收集、排放出廠房。每隔2套模具設置一處人行過道，過道采用鋼板凳形式，寬0.8 m，高度與凹形頂面平行，供人員作業及通行。

16套模具沿長度方向一字擺開，液壓翻轉機在脫模后，仰拱預制塊提升高度不需要超過打開狀態的模具蓋板即可以直接側向平移至空中翻轉區進行翻轉作業。為滿足預埋泄水孔中心定位鋼管抽出的需要，結合預制塊生產區尺寸，模具間距采用1.29 m，6個模具橡膠減震墊分別安放在30 cm高的鋼筋混凝土基座上(見圖4)，模具通過M36預埋地腳螺栓與基礎連接固定。這樣，模具底部距離基礎面約0.8 m，在不將模具移開的情況下即可進行模具底部風動振搗器等設備的日常維護和修理。

圖4 預制塊生產區布置Fig.4 Invert segment precasting plant

3.1.3 室內靜養區

室內靜養區主要功能是仰拱預制塊脫模后的室內翻轉和靜養，夏季施工時還應進行噴淋養護，設在預制塊生產區的一側，寬2.3 m，底部坡度為10%，噴淋產生的流水匯入預制塊生產區排水溝。仰拱預制塊室內靜養可2層碼放，按20排設計，每批次占用8排，兩端可循環倒放。

3.1.4 配套設施

配套設施主要有生活區宿舍、90拌和站、空壓機房、鍋爐房、變壓器房、廠房外預制塊存放區、燃煤存放區等，附屬設施建設位置依附于主功能區，使其與主功能區能夠方便鏈接。

3.2 生產設備配置

仰拱預制廠主要生產設備配置如表2所示。

表2 仰拱預制廠生產設備一覽表Table 2 Equipment of invert segment precasting plant

3.3 廠房基礎建設

由于仰拱預制廠廠區整體位于棄碴填筑體上，填筑體雖經過分層碾壓并經地基承載力試驗能夠滿足建設要求，但由于基礎并未經過自然沉降，且千枚巖巖屑具有易風化、遇水后呈泥狀等特性，容易造成基礎失穩。在此種基礎上建設鋼結構廠房，尤其是還要建設110m長、8m高、鋼軌中心間距11.4m寬且除兩端設置橫向連接外中間110m區域無橫向連接的25t天車運行軌道。因此，把廠房基礎整體化，避免因局部沉降造成廠房基礎失穩是廠房建設過程中必須著重解決的問題。

西秦嶺隧道仰拱預制廠廠房基礎選用筏形基礎，以25 t天車立柱基礎為縱梁，縱梁采用C30鋼筋混凝土結構，截面尺寸為240 cm×50 cm，并預埋38組M36螺栓作為天車H型鋼(600 mm×350 mm×10 mm×16 mm)立柱的預埋件，預埋螺栓每組10根，單根長0.88 m，露絲10 cm，根部端頭焊接成整體;縱梁間采用C30鋼筋混凝土橫梁連接成整體，橫梁截面尺寸為100 cm×50cm，間距為12 m。廠房基礎設計見圖5。

3.4 廠房高度確定

西秦嶺隧道仰拱預制塊生產主要采用1部25 t天車配合生產施工，預制塊翻轉機在作業時通過鋼絲繩懸掛在天車吊鉤上，通過吊鉤的提升從而帶動翻轉機上升來完成預制塊的脫模。因此，在廠房建設時必須保證其建設高度能夠滿足翻轉機作業的空間需要。

對于采用空中翻轉技術進行仰拱預制塊脫模和翻轉的仰拱預制塊生產線廠房(見圖6)，其建設高度應滿足

式中:H為廠房高度;h1為液壓起吊翻轉機作業高度;h2為液壓起吊翻轉機高度;h3為天車吊鉤及連接翻轉機用鋼絲繩可活動高度范圍;h4為天車高度;h5為天車距廠房頂棚安全高度。

同時，液壓起吊翻轉機作業高度h1還應滿足

式中:W為仰拱預制塊寬度;Δh為液壓起吊翻轉機作業距地面安全高度;h1'為模具高出地面部分高度;h2'為液壓起吊翻轉機脫模后距模具頂部安全高度;h3'為翻轉孔距離預制塊頂面距離。

綜合考慮上述因素，西秦嶺隧道仰拱預制廠廠房高度采用11.5 m。

3.5 排水、防水、通風及應急照明系統

在廠房設計過程中，往往比較重視廠房的功能性，即能否滿足正常的生產施工需要，而排水、防水、通風及應急照明等問題經常被忽略，這給后續生產施工帶來不便。

3.5.1 排水系統

排水系統包括廠房內排水系統和廠房外排水系統2部分，廠房內排水以預制塊生產區主排水溝為中心，廠房內各功能區基礎以一定坡度向排水溝匯水。行車道一側按照5%的坡度將流水通過基礎施工階段以6 m間距預埋的φ50 PVC管排放到廠房外排水溝內。

廠房外排水溝沿廠房建筑外輪廓周邊設計，位于廠房頂棚屋檐下方，較廠房基礎面高程低30 cm左右，寬40 cm，水溝頂部設鋼筋網雨蓖，主要排放自然降雨及室內排放到廠房外排水溝內的流水。

3.5.2 防水系統

廠房的防水工作主要是針對鋼筋加工區，鋼筋加工區內帶電設備較多，且鋼筋、胎膜等均為導體，如果地面淌入雨水，就只能暫停鋼筋作業，以免作業人員觸電。因廠房外墻采用彩鋼板，墻體與地面之間必定會留有施工間隙，在墻體安裝完畢后，墻體與地面之間應灌入瀝青并確保瀝青飽滿。墻體上窗戶四周也應用密封膠封緊，防止雨水較大時斜澆到墻面后沿縫隙滲入廠房內。鋼筋加工區與室內靜養區之間采用混凝土澆筑的矮墻間隔，矮墻截面尺寸為20 cm×30 cm。

廠房頂棚的隔水性是廠房防水的重點，在建設過程中應加強頂棚的施工精度管理，確保棚板之間咬合良好并有一定的重疊。對于運輸過程中出現的掉漆等情況應及時修補，以防使用過程中銹蝕穿透而造成漏水。

3.5.3 通風系統

采用夾心彩鋼板結構建造的仰拱預制廠廠房猶如一個大大溫室，整體保溫性良好，加上蒸汽養護的溫度散失，夏季施工時廠房內溫度可達到40℃以上，而冬季施工時由于廠房內部較外部溫度較高，廠房內鋼筋加工產生的有害氣體無法向外界釋放，采取必要的通風措施勢在必行。

在鋼筋加工區墻體上安裝5部換氣扇，夏季施工時除開窗加強通風外，另增加3臺大功率坐地扇，加強通風，冬季施工時也應經常開窗換氣。

3.5.4 應急照明系統

西秦嶺隧道地處秦嶺山區，電力運輸距離長、負荷大，且山區氣候多變、雷雨較多，經常出現臨時停電情況，且大多比較突然;尤其是夜間施工時，天車、模具頂部等均有人員作業，如缺少應急照明系統，容易造成作業人員意外受傷，增大了項目安全管理風險。因此，除配備能夠滿足廠區臨時施工所需電力的發電機外，還應安設應急照明燈，以應對突發停電事件。

4 日常維護要點

科學、合理、實用的廠房建設是仰拱預制塊高產的基礎，而細致、負責的廠房日常維護則是仰拱預制塊穩定生產的保證。

4.1 廠區文明施工

整潔、衛生的廠房環境有利于廠房各項基礎設施長期處于安全可控狀態，施工中嚴格按施工方案實施各道工序，堅持做到工完料凈，廢物廢料集中堆放，及時清理出場。廠房內除日常打掃外，每月應進行一次大掃除，對廠房墻壁、窗戶、立柱、模具、篷布、天車、行吊、管道、標識牌、消防設施、護欄、工具箱、工具架、文件柜、地面、排水溝等處衛生進行徹底清理，堅決不留死角。夏季車間內應安排專人定期灑水，保持地面濕度，避免揚塵，在氣溫允許的條件下應經常開窗通風透氣，保持室內空氣清新無異味。

4.2 設備日常維護與保養

生產設備是仰拱預制塊生產能力的生命線，在日常生產中應加強設備的日常維護與保養工作，特種設備如天車、龍門吊、翻轉機、鍋爐等應指定專人操作，經過考試合格以后持證上崗。在平時使用過程中應做好交接班記錄，發現問題及時上報處理，不能立即處理的，應利用生產空余時間及時修復，堅決禁止設備帶病作業。

4.3 廠房沉降情況監測

廠房建設完成后，在廠房附近穩定位置埋設1個高程基準點，在每根天車立柱上焊接1個高程測量點，并記錄各個測點的初始高程數據，堅持不定期進行高程測量并記錄各高程點的變化情況，掌握廠房基礎的沉降情況。一旦出現大幅度沉降，應及時采取底部加固措施，以免影響正常生產施工。在廠房投入使用初期及雨季，應加強測量頻率。

4.4 天車軌道檢測

如前所述，天車軌道鋪設在只有兩端進行固定連接的軌道基礎上，軌道距離長，容易出現軌道間距變化或產生高度差，造成天車在運行期間“啃軌”，威脅天車運行安全。在天車投入使用后，安排專人定期檢查軌道間距并量測兩側軌道相對高度，并檢查天車立柱螺栓有無外旋、焊點脫焊、構件變形等情況，發現問題及時做好記錄并進行處理。

4.5 防水系統修補

經過氣候變換，雨季到來之前，應做好廠房防水系統的修復工作，加固廠房頂棚，修補裂口、缺失的瀝青防滲水部分。

4.6 排水系統疏通

排水溝內的雜物要及時進行清理，確保其排水暢通。尤其是在雨季，經加強檢查和治理頻率，避免因排泄不暢造成雨水下滲浸泡廠區基礎。

4.7 消防器材檢查與更換

消防器材配置在各個區域，其目的是在萬一發生火警的情況下，能夠用其滅火甚至逃生。每周對廠區內放置的消防器材進行檢查、清理，查看滅火器是否在安設位置、鉛封是否完好、壓力表指針是否在綠色區域、噴嘴和噴射管是否堵塞等。

4.8 廠區消毒

廠房是一個相對封閉、潮濕、恒溫的環境，衛生死角較多，容易滋生細菌，作為人員相對密集的公共場所，采取每隔2～3個月進行一次全廠區范圍內的消毒保潔措施，最大程度地保障工人的健康。

5 結論與建議

仰拱預制塊生產作為敞開式TBM施工不可或缺的一部分，TBM正式步進、掘進前的關鍵工作往往是仰拱預制廠的建設，仰拱預制廠建設適應預制塊連續高產穩產的需要是保證TBM快速作業的關鍵。在TBM進洞前，應充分考慮仰拱預制廠廠房的建設周期和調試周期，一般在正式需要預制塊前4～5個月開始生產，但鑒于西秦嶺隧道TBM在正式掘進前需要先行步進通過2 113m鉆爆施工段的情況，預制塊必須提前完成庫存工作。因此，廠房建設較TBM進洞提前8個月開始籌備工作。

截至2011年8月，仰拱預制塊生產已完成7 536塊，完成計劃數量的60.5%，各項設施均能夠滿足正常生產的需要，沒有因為廠房設計缺陷而造成停工、誤工情況，合理的結構布置為后續的生產工作帶來了很大的便利。

各個項目工程情況不同，對廠房建設要求和日生產能力要求也不盡相同，只有結合本工程的具體施工需要，合理確定各功能區的尺寸，科學布置并配置必要的起重和運輸設備，形成完善的排水、防水、通風和應急照明系統才能滿足預制廠的生產要求，提高資源利用率，確保正常施工。

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