隧道陡坡斜井仰拱混凝土施工技术

谷金明

摘要：本文以古交兴能电厂至太原供热主管线及中继能源站工程隧道工程第三合同段2#通风斜井（坡度-46.6%）中仰拱施工为实例，详细介绍了大坡度斜井仰拱混凝土浇筑的方法选择、工艺流程、关键技术控制点等，形成成熟的大坡度仰拱混凝土浇筑施工工艺。

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.

关键词：隧道施工；陡坡斜井；仰拱；混凝土浇筑

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

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）09-0165-04

0 引言

仰拱是隧道结构的主要组成部分之一，它是隧道结构的基础，使隧道封闭成环，将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效地传递到地下，而且还可以有效地抵抗隧道下部地层传来的反力。实际上它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（板）。为此仰拱的受力狀态比较复杂。从国内外的交通隧道工程病害的实例来看，由于隧道仰拱结构的设计、施工原因而出现隧道结构失稳、路面沉降开裂、翻浆冒泥病害的实例不在少数。为此在施作仰拱结构时必须精细，其结构物一定要符合规范和设计要求。

在多年的施工实践中，由于大坡度斜井纵坡陡、长度大，混凝土如何送达浇筑位置，混凝土配合比、坍落度和和易性的控制都是仰拱混凝土浇筑的关键问题。且仰拱模筑混凝土和填充混凝土自重大，若采用常规的施工方法，混凝土在浇筑过程中极易造成向下流失、顶面不平顺、标高不到位、混凝土离析等现象；且混凝土浇筑过程中无法捣固，混凝土的密实度无法保证，施工质量难以达到预期效果。

古交兴能电厂至太原供热主管线及中继能源站工程隧道工程第三合同段2#通风斜井（坡度-46.6%）仰拱施工中，通过对大坡度斜井仰拱混凝土浇筑的方法选择、工艺流程、关键控制点等施工技术改进，形成了成熟的大坡度仰拱混凝土浇筑施工工艺。

1 工程概况

古交兴能电厂至太原供热主管线及中继能源站工程隧道工程第三合同段2#通风斜井，该斜井为三条轨道输运斜井，洞口与正洞高差为306.249m，斜井长度为724m，倾角-24°59'7.87"（坡度为-46.6%）。斜井净宽9.2m，净高8.3m，由于坡度较大，采用有轨运输方式进行洞内出渣及运料，分别为1号、2号、3号运输轨道线，3号线为2.5m单卷筒绞车，1、2号线为3.5m双卷筒绞车。如图1。

2 技术特点

通过严格现场实时调整混凝土的配合比，控制混凝土的塌落度，合理选择混凝土的运输方式，以及精准的标高控制方法，成功的解决了混凝土浇筑溢流、离析、不密实、标高控制不准确等施工技术难题，既提高了仰拱混凝土的施工速度，也使混凝土浇筑质量满足设计规范要求，创造了仰拱施工记录。

2.1 灵活性：本工艺适用于大坡度斜井仰拱的浇筑，可以根据斜井的长度和具体坡度灵活选择混凝土的运输方式。

2.2 精确性：独特的控制混凝土标高的方法，严格控制混凝土在浇筑过程中的表面高度，保证仰拱的厚度，满足隧道净空要求。

2.3 可操作性：操作简单，投入机械少，采用简易模板配合人工进行浇筑，方便施工，工序简洁。

2.4 高效性：合理充分利用时间，发挥了最大效率，不影响掌子面的正常施工，保证了仰拱步距要求，节约时间，提高施工进度。

3 施工工艺流程

通过计算仰拱的位置与洞口的高差，合理选择混凝土的输送方式；再通过现场实时测量混凝土的塌落度，在保证混凝土强度的前提下合理调整混凝土浇筑配合比；然后通过定位钢筋上的“之”字形施工定位线，精准确定混凝土浇筑的标高位置；最后配合人工导流及利用简易模板，将混凝土固定成型，抹平表面。施工工艺流程见图2。

4 施工技术及工艺

4.1 仰拱开挖

为了不影响掌子面施工，仰拱开挖时选择在掌子面钻炮眼、上下导支拱架时进行。首先拆除三条线上的临时轨排，断开整个线路，及时开挖一侧轨道，开挖至标高位置后，人工配合挖机移动钢轨栈桥与3号线轨道稳定连接，保证一条线路运行的情况下开挖另外两条线路仰拱。

仰拱开挖每次不大于3m，为控制仰拱的开挖精度，仰拱开挖采用洞内挖掘机进行开挖，围岩较坚硬时采用冲击锤进行凿除，并进行人工清理虚渣至底标高。由于斜井坡度较大，直接用全站仪进行高程放样困难较大，本斜井高程控制采用在拱墙上相同里程位置上放出高程相同的点，并采用钢钉固定配合红漆做标记。仰拱开挖时，起止每个里程通过两点拉线并吊铅锤的方式，控制仰拱弧度范围内中线及两侧各两个点共五个点的高程，确保仰拱开挖准确，严格控制超欠挖。

斜井仰拱分为有初期支护和无初期支护两种。有初期支护的仰拱在开挖完成后，及时架设鋼拱架与上下导封闭成环后喷射C25混凝土，然后等喷射混凝土达到设计强度，绑扎二衬钢筋，检查合格后方可进行混凝土浇筑。无初期支护的仰拱开挖完成后，清理内底虚渣后方可进行混凝土浇筑。

4.2 混凝土输送方式选择

由于本斜井坡度陡、高差大、线路长，在满足施工工期和施工质量的前提下，选择柴油混凝土泵送车泵送和轨式混凝土运输罐车两种方式运行仰拱混凝土浇筑。

柴油混凝土泵送车泵送距离和扬程有限，该斜井内斜长小于330m（高差140m），采用柴油泵送车进行泵送。泵车架设于斜井洞口一侧，通过连接泵管及弯管至仰拱浇筑位置。泵车泵送混凝土操作简单，采用罐车进行运送料，每次泵送方量大，速度快，效率高，不影响掌子面的施工，节省时间，但每次浇筑必须先连接管道至浇筑位置，检查各个接口，浇筑完毕后，由于管道较长且有弯管，清理困难。

轨式罐车适用于坡度大，线路长，高差大，混凝土泵车压力有限而无法泵送的部位。轨式罐车工序简单，省去了每次浇筑时的拼接管道，且浇筑前的润湿及浇筑后的清洗可以在存车线上进行，方便快速，但由于洞身坡度较大，罐车运行线路被挖断，混凝土罐车无法运行到施工作业面，所需混凝土需要进行二次搬运才可以到达浇筑部位。罐车运行线路为2号线路，与12m3矿车运行线路一致，每次浇筑前及完成后必须进行矿车与罐车的互换，影响工序时间，所以一般选择在掌子面钻炮眼或架立拱架安装锚杆时进行仰拱浇筑。

4.3 混凝土配合比的确定

大坡度向下泵送混凝土的难度主要在于混凝土在倾斜的输送管内会因重力作用面自流或出现空洞，导致泵送无压力，并可能严重离析而堵塞管道，使泵送无法完成。因此，泵送方案的设计必须妥善有效地解决混凝土自流和离析问题，需要从布管、优化混凝土配合比和泵送操作等方面着重解决，调整混凝土的配合比、控制塌落度尤其重要。

混凝土浇筑前，通过现场实验确定混凝土的泵送配合比和塌落度。首先用清洗球对管道进行冲洗，并用砂浆湿润管道，严格控制粗骨料、细骨料、水泥、水、外加剂的用量，搅拌少量混凝土，并进行泵送实验，时刻注意泵管出口端混凝土的形态和离析状况。及时调整水和外加剂含量，并再次进行泵送实验，直到端口混凝土达到既不离析也不堵塞管道为止，塌落度为180±20mm。确定配合比后，采用强制式搅拌机，每次搅拌时采用电子计量配料机配料，严格控制用量，并搅拌均匀。采用轨式罐车运输时，每次浇筑前先用水充分湿润罐车内部，在洞口处通过溜槽将拌合好的混凝土输送至罐车内，混凝土塌落度保持在140±20mm。罐车在轨道上运行时，罐车会自行转动，保证罐内混凝土的和易性，待罐车运行至指定位置后，通过插电使电机反转，均匀卸出罐内混凝土。

4.4 混凝土的浇筑

仰拱浇筑前首先将需要浇筑里程段的临时轨排拆除，进行开挖。为减少下导拱架悬空数量和时间，仰拱每次开挖长度不得大于3m，且尽早封闭成环。开挖至仰拱底标高后，清理基底石渣，及时安装移动栈桥，保证掌子面的开挖掘进。有初期支护的及时架立钢拱架，焊接纵向连接筋后喷射C25早强混凝土，待喷射混凝土达到设计强度后，方可进行仰拱钢筋绑扎。仰拱钢筋绑扎时，在两层钢筋之间焊接竖向定位钢筋作为控制混凝土标高及安装模板的支撑，定位钢筋间距为150cm（环向）×100cm（纵向）。仰拱浇筑时采用简易模板，并加人工引流，操作简单、方便，保证混凝土顶面标高正确，结构平整密实，保证混凝土的浇筑成型质量及平整度。然后在仰拱边墙两侧安装Φ116HDPE纵向排水管，引流地下水和地面水，且通过Φ116HDPE横向单壁打孔波纹管，将地下水引至中央Φ300HDPE双壁打孔波纹管内，排水管连接紧密，通过人工精确定位，通过与钢筋进行固定，保证混凝土浇筑时排水管不发生移动。如图3。

通过测量放样，在定位钢筋及边墙仰拱预留钢筋上放出仰拱顶面标高，并做记号后，用施工线走“之”字型线路进行连接，确保模板高程定位准确。堵头模板通过钢筋焊接和增加向后的斜撑进行加固，确保安装牢固、紧密、稳定，能够承受混凝土由于自重而产生向下的分力。

采用泵车输送混凝土时，首先要充分湿润各个泵管，再用砂浆进行湿润，严格控制混凝土配合比。通过增加或减少泵管、弯管等将混凝土引送至需要浇筑的部位，利用斜井自身的坡度使混凝土自由滑流。浇筑时先浇筑两侧后浇筑中间，分段、分级、分层浇筑，直至浇筑结束。每层浇筑厚度不大于10cm，待混凝土自流形成倒锥体时，采用人工稍加振捣，振捣不得过振，防止混凝土离析流出模板。对混凝土不能自流到位的地方，可加以人工引导。泵送时洞口洞内设专人指挥，配对讲机，严格控制混凝土泵送量，发现混凝土有自流或溢出模板趋势，及时停止泵送，人工平整引导后继续泵送。

采用轨式罐车运输混凝土时，罐车无法到达仰拱浇筑作业面，需要二次搬运才能到达指定位置。轨式罐车在斜井洞口，通过自制改装的沟槽使混凝土装入罐车内，然后向下运送至仰拱浇筑位置。罐车运输过程中，自行进行转动搅拌，保证混凝土的和易性。浇筑时通过沟槽配合人工引导进行下料。浇筑同泵车输送时相同，先浇筑两侧后浇筑中间，分段、分级、分层浇筑，直至浇筑结束，每层浇筑不大于10cm，并配合人工振捣，不得不振也不得过振，保证混凝土的密实度和平整度。

仰拱无初期支护且无二次衬砌钢筋的围岩段，施工时开挖至仰拱底标高后，直接预埋定位钢筋，安装横向、纵向及中央排水管，并架立模板和堵头模板。首先浇筑两侧下导暴露拱脚下面边墙仰拱，浇筑宽度为80cm，混凝土顶面标高和浇筑厚度与设计相同。再浇筑中间仰拱段，同样采用分段、分级、分层的浇筑方法配合人工振捣，确保混凝土浇筑密实，表面平整。

4.5 施工技术要求

①仰拱混凝土分段、分級、分层连续浇筑，一次成型，不设纵向施工缝。②在施作仰拱时，必须事先设计沉降缝（伸缩缝）的位置，沉降缝处仰拱混凝土必须在同一断面上中断开。有二衬段沉降缝的位置应根据二衬台车的长度确定。无二衬段且围岩变化不大的地段，仰拱应少设或不设沉降缝，因为沉降缝处理不好，将会是整个斜井漏水的薄弱地段。有沉降缝的按设计要求铺设止水带，并保证止水带的搭接长度。③由于坡度较大，矿车在线路运行时对仰拱的作用力大，为保证仰拱不整体向下滑动，采取防爬措施。每隔10m位置，垂直原地面打双排φ22砂浆锚杆锚入原地面，间距1m×1m，排距0.5m，锚杆长度2.5m，锚入深度不小于1.5m，每处16根，与初支、仰拱二衬钢筋相连接。φ22砂浆锚杆在开挖完成后径向打入岩体，与初期支护同时施作，打入岩体后与钢拱架焊接连接。钢筋上露长度与所对应衬砌类型的仰拱填充面齐平，其余均打入岩体中，根据不同位置打入岩体长度不同。④仰拱钢筋的加工一律在加工场按照仰拱每次开挖浇筑的长度加工成半成品，由矿车运送至施工作业面。钢筋焊接时采用单面焊接，保证搭接长度。每板仰拱钢筋连接时，接头部位向上弯起，再进行焊接，确保钢筋受力同轴。⑤标高定位准确，保证上下层钢筋净距。⑥仰拱填充严禁采用虚渣配合混凝土进行回填，必须采用C10混凝土进行回填。

5 质量保证措施

5.1 质量标准

仰拱混凝土工程质量首先应满足《钢筋混凝土施工及验收规范》及有关强制性条文要求，还应达到以下质量目标：①混凝土浇筑密实，浇筑过程中不离析、不堵管；②不产生裂缝，防渗水，表面光洁，无明显色差；③混凝土浇筑标高严格控制，满足设计要求。

5.2 质量控制要点

①仰拱位置和标高准确，保证仰拱底部轮廓开挖准确，开挖时应选择在掌子面打炮眼或进行拱架初支时进行，开挖完成后及时架设移动钢轨栈桥，尽量避免干扰掌子面掘进作业；②仰拱开挖采用挖机和破碎锤较困难时，尽量采用光爆技术开挖，严禁放大炮，控制超挖。③仰拱初期支护前，必须对基底的虚渣、杂物、积水等清理干净；仰拱填充时，浇筑混凝土强度需达到设计的80%以上。④仰拱浇筑时必须保证混凝土的塌落度，避免离析和堵管现象。⑤定位钢筋必须焊接牢固，确保高程定位准确，浇筑混凝土时不发生位移。⑥使用泵管进行浇筑时，必须配备专用对讲机沟通，严格控制混凝土每次的泵送量，说停即停，避免混凝土过多造成溢流。

6 安全保证措施

①泵车由专人进行操作，每次泵送停止后，混凝土在自重作用下流出，泵管口严禁站人，若留有空气，再次泵送时会喷射石子、砂浆等；②浇筑混凝土时，作业人员需戴安全帽，穿防滑鞋；③洞内振捣、焊接等临时用电必须符合相关规范要求和安全用电规定；④施工时随时注意其他线路矿车的运行情况，矿车行驶时，严禁施工人员跨越线路行走。

7 结语

采用本施工技术及工艺创造了仰拱月进尺103.2m的施工记录，由于仰拱施工的高效性，保证了步距的要求，创造了月进尺100m的国内掘进记录，且比原计划工期提前22天进入正洞施工。同时已施工段仰拱标高准确，未出现渗水现象，强度满足要求，外观平整光洁，满足设计及规范要求，受到了甲方及监理单位的一致好评。

参考文献：

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[2]辛国平，等.富水大断面陡坡曲线斜井衬砌施工技术[J].公路，2009（3）.

[3]杨万功，等.大断面大倾角斜井快速施工方法[J].中州煤炭2007（6）.