隧道陡坡斜井仰拱混凝土施工技術

谷金明

摘要：本文以古交興能電廠至太原供熱主管線及中繼能源站工程隧道工程第三合同段2#通風斜井（坡度-46.6%）中仰拱施工為實例，詳細介紹了大坡度斜井仰拱混凝土澆筑的方法選擇、工藝流程、關鍵技術控制點等，形成成熟的大坡度仰拱混凝土澆筑施工工藝。

Abstract： This paper takes the inverted arch construction in 2# ventilation shaft of the third contract segment in Zhingji Energy Station tunnel construction of the heating line from Gujiao Xingneng Power Plant to Taiyuan as the example to describe the methods selection， process flow， key control points of the concrete pouring of large slope inclined arch to form the mature large slope arch concrete pouring construction technology.

關鍵詞：隧道施工；陡坡斜井；仰拱；混凝土澆筑

Key words： tunnel construction；steep inclined shaft；inverted arch；concrete pouring

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）09-0165-04

0 引言

仰拱是隧道結構的主要組成部分之一，它是隧道結構的基礎，使隧道封閉成環，將隧道上部的地層壓力通過隧道邊墻結構或將路面上的荷載有效地傳遞到地下，而且還可以有效地抵抗隧道下部地層傳來的反力。實際上它是能承受地層永久荷載和路面臨時荷載（動荷載）的一種地基（板）。為此仰拱的受力狀態比較復雜。從國內外的交通隧道工程病害的實例來看，由于隧道仰拱結構的設計、施工原因而出現隧道結構失穩、路面沉降開裂、翻漿冒泥病害的實例不在少數。為此在施作仰拱結構時必須精細，其結構物一定要符合規范和設計要求。

在多年的施工實踐中，由于大坡度斜井縱坡陡、長度大，混凝土如何送達澆筑位置，混凝土配合比、坍落度和和易性的控制都是仰拱混凝土澆筑的關鍵問題。且仰拱模筑混凝土和填充混凝土自重大，若采用常規的施工方法，混凝土在澆筑過程中極易造成向下流失、頂面不平順、標高不到位、混凝土離析等現象；且混凝土澆筑過程中無法搗固，混凝土的密實度無法保證，施工質量難以達到預期效果。

古交興能電廠至太原供熱主管線及中繼能源站工程隧道工程第三合同段2#通風斜井（坡度-46.6%）仰拱施工中，通過對大坡度斜井仰拱混凝土澆筑的方法選擇、工藝流程、關鍵控制點等施工技術改進，形成了成熟的大坡度仰拱混凝土澆筑施工工藝。

1 工程概況

古交興能電廠至太原供熱主管線及中繼能源站工程隧道工程第三合同段2#通風斜井，該斜井為三條軌道輸運斜井，洞口與正洞高差為306.249m，斜井長度為724m，傾角-24°59'7.87"（坡度為-46.6%）。斜井凈寬9.2m，凈高8.3m，由于坡度較大，采用有軌運輸方式進行洞內出渣及運料，分別為1號、2號、3號運輸軌道線，3號線為2.5m單卷筒絞車，1、2號線為3.5m雙卷筒絞車。如圖1。

2 技術特點

通過嚴格現場實時調整混凝土的配合比，控制混凝土的塌落度，合理選擇混凝土的運輸方式，以及精準的標高控制方法，成功的解決了混凝土澆筑溢流、離析、不密實、標高控制不準確等施工技術難題，既提高了仰拱混凝土的施工速度，也使混凝土澆筑質量滿足設計規范要求，創造了仰拱施工記錄。

2.1 靈活性：本工藝適用于大坡度斜井仰拱的澆筑，可以根據斜井的長度和具體坡度靈活選擇混凝土的運輸方式。

2.2 精確性：獨特的控制混凝土標高的方法，嚴格控制混凝土在澆筑過程中的表面高度，保證仰拱的厚度，滿足隧道凈空要求。

2.3 可操作性：操作簡單，投入機械少，采用簡易模板配合人工進行澆筑，方便施工，工序簡潔。

2.4 高效性：合理充分利用時間，發揮了最大效率，不影響掌子面的正常施工，保證了仰拱步距要求，節約時間，提高施工進度。

3 施工工藝流程

通過計算仰拱的位置與洞口的高差，合理選擇混凝土的輸送方式；再通過現場實時測量混凝土的塌落度，在保證混凝土強度的前提下合理調整混凝土澆筑配合比；然后通過定位鋼筋上的“之”字形施工定位線，精準確定混凝土澆筑的標高位置；最后配合人工導流及利用簡易模板，將混凝土固定成型，抹平表面。施工工藝流程見圖2。

4 施工技術及工藝

4.1 仰拱開挖

為了不影響掌子面施工，仰拱開挖時選擇在掌子面鉆炮眼、上下導支拱架時進行。首先拆除三條線上的臨時軌排，斷開整個線路，及時開挖一側軌道，開挖至標高位置后，人工配合挖機移動鋼軌棧橋與3號線軌道穩定連接，保證一條線路運行的情況下開挖另外兩條線路仰拱。

仰拱開挖每次不大于3m，為控制仰拱的開挖精度，仰拱開挖采用洞內挖掘機進行開挖，圍巖較堅硬時采用沖擊錘進行鑿除，并進行人工清理虛渣至底標高。由于斜井坡度較大，直接用全站儀進行高程放樣困難較大，本斜井高程控制采用在拱墻上相同里程位置上放出高程相同的點，并采用鋼釘固定配合紅漆做標記。仰拱開挖時，起止每個里程通過兩點拉線并吊鉛錘的方式，控制仰拱弧度范圍內中線及兩側各兩個點共五個點的高程，確保仰拱開挖準確，嚴格控制超欠挖。

斜井仰拱分為有初期支護和無初期支護兩種。有初期支護的仰拱在開挖完成后，及時架設鋼拱架與上下導封閉成環后噴射C25混凝土，然后等噴射混凝土達到設計強度，綁扎二襯鋼筋，檢查合格后方可進行混凝土澆筑。無初期支護的仰拱開挖完成后，清理內底虛渣后方可進行混凝土澆筑。

4.2 混凝土輸送方式選擇

由于本斜井坡度陡、高差大、線路長，在滿足施工工期和施工質量的前提下，選擇柴油混凝土泵送車泵送和軌式混凝土運輸罐車兩種方式運行仰拱混凝土澆筑。

柴油混凝土泵送車泵送距離和揚程有限，該斜井內斜長小于330m（高差140m），采用柴油泵送車進行泵送。泵車架設于斜井洞口一側，通過連接泵管及彎管至仰拱澆筑位置。泵車泵送混凝土操作簡單，采用罐車進行運送料，每次泵送方量大，速度快，效率高，不影響掌子面的施工，節省時間，但每次澆筑必須先連接管道至澆筑位置，檢查各個接口，澆筑完畢后，由于管道較長且有彎管，清理困難。

軌式罐車適用于坡度大，線路長，高差大，混凝土泵車壓力有限而無法泵送的部位。軌式罐車工序簡單，省去了每次澆筑時的拼接管道，且澆筑前的潤濕及澆筑后的清洗可以在存車線上進行，方便快速，但由于洞身坡度較大，罐車運行線路被挖斷，混凝土罐車無法運行到施工作業面，所需混凝土需要進行二次搬運才可以到達澆筑部位。罐車運行線路為2號線路，與12m3礦車運行線路一致，每次澆筑前及完成后必須進行礦車與罐車的互換，影響工序時間，所以一般選擇在掌子面鉆炮眼或架立拱架安裝錨桿時進行仰拱澆筑。

4.3 混凝土配合比的確定

大坡度向下泵送混凝土的難度主要在于混凝土在傾斜的輸送管內會因重力作用面自流或出現空洞，導致泵送無壓力，并可能嚴重離析而堵塞管道，使泵送無法完成。因此，泵送方案的設計必須妥善有效地解決混凝土自流和離析問題，需要從布管、優化混凝土配合比和泵送操作等方面著重解決，調整混凝土的配合比、控制塌落度尤其重要。

混凝土澆筑前，通過現場實驗確定混凝土的泵送配合比和塌落度。首先用清洗球對管道進行沖洗，并用砂漿濕潤管道，嚴格控制粗骨料、細骨料、水泥、水、外加劑的用量，攪拌少量混凝土，并進行泵送實驗，時刻注意泵管出口端混凝土的形態和離析狀況。及時調整水和外加劑含量，并再次進行泵送實驗，直到端口混凝土達到既不離析也不堵塞管道為止，塌落度為180±20mm。確定配合比后，采用強制式攪拌機，每次攪拌時采用電子計量配料機配料，嚴格控制用量，并攪拌均勻。采用軌式罐車運輸時，每次澆筑前先用水充分濕潤罐車內部，在洞口處通過溜槽將拌合好的混凝土輸送至罐車內，混凝土塌落度保持在140±20mm。罐車在軌道上運行時，罐車會自行轉動，保證罐內混凝土的和易性，待罐車運行至指定位置后，通過插電使電機反轉，均勻卸出罐內混凝土。

4.4 混凝土的澆筑

仰拱澆筑前首先將需要澆筑里程段的臨時軌排拆除，進行開挖。為減少下導拱架懸空數量和時間，仰拱每次開挖長度不得大于3m，且盡早封閉成環。開挖至仰拱底標高后，清理基底石渣，及時安裝移動棧橋，保證掌子面的開挖掘進。有初期支護的及時架立鋼拱架，焊接縱向連接筋后噴射C25早強混凝土，待噴射混凝土達到設計強度后，方可進行仰拱鋼筋綁扎。仰拱鋼筋綁扎時，在兩層鋼筋之間焊接豎向定位鋼筋作為控制混凝土標高及安裝模板的支撐，定位鋼筋間距為150cm（環向）×100cm（縱向）。仰拱澆筑時采用簡易模板，并加人工引流，操作簡單、方便，保證混凝土頂面標高正確，結構平整密實，保證混凝土的澆筑成型質量及平整度。然后在仰拱邊墻兩側安裝Φ116HDPE縱向排水管，引流地下水和地面水，且通過Φ116HDPE橫向單壁打孔波紋管，將地下水引至中央Φ300HDPE雙壁打孔波紋管內，排水管連接緊密，通過人工精確定位，通過與鋼筋進行固定，保證混凝土澆筑時排水管不發生移動。如圖3。

通過測量放樣，在定位鋼筋及邊墻仰拱預留鋼筋上放出仰拱頂面標高，并做記號后，用施工線走“之”字型線路進行連接，確保模板高程定位準確。堵頭模板通過鋼筋焊接和增加向后的斜撐進行加固，確保安裝牢固、緊密、穩定，能夠承受混凝土由于自重而產生向下的分力。

采用泵車輸送混凝土時，首先要充分濕潤各個泵管，再用砂漿進行濕潤，嚴格控制混凝土配合比。通過增加或減少泵管、彎管等將混凝土引送至需要澆筑的部位，利用斜井自身的坡度使混凝土自由滑流。澆筑時先澆筑兩側后澆筑中間，分段、分級、分層澆筑，直至澆筑結束。每層澆筑厚度不大于10cm，待混凝土自流形成倒錐體時，采用人工稍加振搗，振搗不得過振，防止混凝土離析流出模板。對混凝土不能自流到位的地方，可加以人工引導。泵送時洞口洞內設專人指揮，配對講機，嚴格控制混凝土泵送量，發現混凝土有自流或溢出模板趨勢，及時停止泵送，人工平整引導后繼續泵送。

采用軌式罐車運輸混凝土時，罐車無法到達仰拱澆筑作業面，需要二次搬運才能到達指定位置。軌式罐車在斜井洞口，通過自制改裝的溝槽使混凝土裝入罐車內，然后向下運送至仰拱澆筑位置。罐車運輸過程中，自行進行轉動攪拌，保證混凝土的和易性。澆筑時通過溝槽配合人工引導進行下料。澆筑同泵車輸送時相同，先澆筑兩側后澆筑中間，分段、分級、分層澆筑，直至澆筑結束，每層澆筑不大于10cm，并配合人工振搗，不得不振也不得過振，保證混凝土的密實度和平整度。

仰拱無初期支護且無二次襯砌鋼筋的圍巖段，施工時開挖至仰拱底標高后，直接預埋定位鋼筋，安裝橫向、縱向及中央排水管，并架立模板和堵頭模板。首先澆筑兩側下導暴露拱腳下面邊墻仰拱，澆筑寬度為80cm，混凝土頂面標高和澆筑厚度與設計相同。再澆筑中間仰拱段，同樣采用分段、分級、分層的澆筑方法配合人工振搗，確保混凝土澆筑密實，表面平整。

4.5 施工技術要求

①仰拱混凝土分段、分級、分層連續澆筑，一次成型，不設縱向施工縫。②在施作仰拱時，必須事先設計沉降縫（伸縮縫）的位置，沉降縫處仰拱混凝土必須在同一斷面上中斷開。有二襯段沉降縫的位置應根據二襯臺車的長度確定。無二襯段且圍巖變化不大的地段，仰拱應少設或不設沉降縫，因為沉降縫處理不好，將會是整個斜井漏水的薄弱地段。有沉降縫的按設計要求鋪設止水帶，并保證止水帶的搭接長度。③由于坡度較大，礦車在線路運行時對仰拱的作用力大，為保證仰拱不整體向下滑動，采取防爬措施。每隔10m位置，垂直原地面打雙排φ22砂漿錨桿錨入原地面，間距1m×1m，排距0.5m，錨桿長度2.5m，錨入深度不小于1.5m，每處16根，與初支、仰拱二襯鋼筋相連接。φ22砂漿錨桿在開挖完成后徑向打入巖體，與初期支護同時施作，打入巖體后與鋼拱架焊接連接。鋼筋上露長度與所對應襯砌類型的仰拱填充面齊平，其余均打入巖體中，根據不同位置打入巖體長度不同。④仰拱鋼筋的加工一律在加工場按照仰拱每次開挖澆筑的長度加工成半成品，由礦車運送至施工作業面。鋼筋焊接時采用單面焊接，保證搭接長度。每板仰拱鋼筋連接時，接頭部位向上彎起，再進行焊接，確保鋼筋受力同軸。⑤標高定位準確，保證上下層鋼筋凈距。⑥仰拱填充嚴禁采用虛渣配合混凝土進行回填，必須采用C10混凝土進行回填。

5 質量保證措施

5.1 質量標準

仰拱混凝土工程質量首先應滿足《鋼筋混凝土施工及驗收規范》及有關強制性條文要求，還應達到以下質量目標：①混凝土澆筑密實，澆筑過程中不離析、不堵管；②不產生裂縫，防滲水，表面光潔，無明顯色差；③混凝土澆筑標高嚴格控制，滿足設計要求。

5.2 質量控制要點

①仰拱位置和標高準確，保證仰拱底部輪廓開挖準確，開挖時應選擇在掌子面打炮眼或進行拱架初支時進行，開挖完成后及時架設移動鋼軌棧橋，盡量避免干擾掌子面掘進作業；②仰拱開挖采用挖機和破碎錘較困難時，盡量采用光爆技術開挖，嚴禁放大炮，控制超挖。③仰拱初期支護前，必須對基底的虛渣、雜物、積水等清理干凈；仰拱填充時，澆筑混凝土強度需達到設計的80%以上。④仰拱澆筑時必須保證混凝土的塌落度，避免離析和堵管現象。⑤定位鋼筋必須焊接牢固，確保高程定位準確，澆筑混凝土時不發生位移。⑥使用泵管進行澆筑時，必須配備專用對講機溝通，嚴格控制混凝土每次的泵送量，說停即停，避免混凝土過多造成溢流。

6 安全保證措施

①泵車由專人進行操作，每次泵送停止后，混凝土在自重作用下流出，泵管口嚴禁站人，若留有空氣，再次泵送時會噴射石子、砂漿等；②澆筑混凝土時，作業人員需戴安全帽，穿防滑鞋；③洞內振搗、焊接等臨時用電必須符合相關規范要求和安全用電規定；④施工時隨時注意其他線路礦車的運行情況，礦車行駛時，嚴禁施工人員跨越線路行走。

7 結語

采用本施工技術及工藝創造了仰拱月進尺103.2m的施工記錄，由于仰拱施工的高效性，保證了步距的要求，創造了月進尺100m的國內掘進記錄，且比原計劃工期提前22天進入正洞施工。同時已施工段仰拱標高準確，未出現滲水現象，強度滿足要求，外觀平整光潔，滿足設計及規范要求，受到了甲方及監理單位的一致好評。

參考文獻：

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