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斗篷山隧道帽檐斜切式洞门施工技术
范朝忠
( 中铁二局第四工程有限公司贵广铁路项目部,都匀558003)

摘要: 以贵广铁路斗篷山隧道进口帽檐斜切式洞门工程为例, 经过对洞门施工测量放样、 模板安装、 坐标转换及洞门混凝土施工过程的介绍, 探讨施工控制中的难易特点, 总结出高速铁路隧道帽檐斜切式洞门施工的最优方法, 保证了工程质量。
关键词: 高速铁路, 斜切式洞门, 施工放样, 施工技术
1、 引言
随着中国经济的繁荣发展, 人们的生活水平显著提高, 普通铁路已不能满足现在人们生活快节奏、 出行快速化、 旅行安全舒适的要求, 高速铁路迎来了蓬勃发展的新时代。传统的铁路隧道洞门有翼墙式、 端墙式、 柱式、 耳墙式、 台阶式等结构形式, 其组成始终未脱离端墙和翼墙等挡土结构, 随着人们环保意识的提高和隧道施工技术进步, 特别是随着高速铁路的发展, 隧道洞门设计既要满足结构安全的要求, 又要环保美观, 还要缓解微气压波的影响, 因此帽檐斜切式洞门结构便成为主流的洞门形式。帽檐斜切式洞门施工和普通洞门是不同的, 主要体现在帽檐轮廓线控制坐标是三维的, 坐标转换很复杂, 放样方法也与普通洞门的二维坐标放样有所不同, 还有就是帽檐椭圆线形在模板安装和混凝土浇筑时不容易控制。
2、 工程概况
斗篷山隧道进口洞门为1: 1.5帽檐斜切式洞门, 起始里程为D3K98+841, 洞门设计长度20m, 其中斜切段15m, 斜切延伸段为5m。该洞门位于半径为5500 m的平曲线和半径为25000 m的竖曲线上。洞门采用C35的钢筋混凝土浇筑, 混凝土抗渗等级不低于P10。帽檐模板由内模、 外模及挡头模组成, 内外模均有两条椭圆轮廓线组成, 内模由椭圆轮廓线a、 c组成, 外模由椭圆轮廓线b、 d组成。洞门俯视轮廓图和洞门侧面图如图1、 图2所示, 帽檐轮廓线椭圆要素表和椭圆轮廓线坐标表见表1和表2, 其中表2的坐标就是洞门施工放样的轮廓线控制坐标的相对坐标。

图1洞门俯视轮廓图

图2　帽檐斜切式洞门侧面图(单位: cm)

表1　帽檐轮廓线椭圆要素表( 单位: mm)
轮廓线要素
轮廓线c
轮廓线d
轮廓线a
轮廓线b
椭圆中心
X
0
0
0
0
Y
1970
1970
2946
2777
Z
3655
3489
3005
3117
长半轴
11556
12498
11762
12477
短半轴
6410
7210
6532
7210

表2　椭圆轮廓线坐标表( 单位: cm)
坐标
点号
Z
帽檐轮廓线c
帽檐轮廓线d
帽檐轮廓线a
帽檐轮廓线b
备注
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
1
0

610
0
721
0

2
50

623.5
49
721
44.5

3
70
610
0
721
0
628.1
68.6
721
62.4

4
100
616.1
20
721
21.2
634.3
98
721
89.1

5
150
624.7
53.3
721
56.5
642.6
147.1
721
133.6

6
200
631.4
86.7
721
91.8
648.5
196.1
721
178.2

7
250
636.4
120
721
127.1
652
245.1
721
222.7

8
300
639.5
153.3
721
162.4
653.2
294.1
721
267.3

9
300.5
639.5
153.6
721
162.8
653.2
294.6
721
267.7
a短轴端点
10
311.7
640
161.1
721
170.7
653.1
305.6
721
277.7
b短轴端点
11
348.9
640.9
186
721
197
652.1
342.1
720.4
310.9
d短轴端点
12
350
640.9
186.7
721
197.8
652.1
343.1
720.4
311.8

13
365.5
641
197
720.9
208.7
651.2
358.3
719.8
325.6
c短轴端点
14
400
640.6
220
720.1
233.1
648.6
392.2
717.8
356.4

15
450
638.5
253.3
717.5
268.4
642.8
441.2
713
400.9

16
500
637.4
286.7
713.1
303.7
634.5
490.2
706.1
445.4

17
550
629.1
320
706.9
339
623.7
539.2
697
490

18
600
621.6
353.3
698.9
374.3
610.2
588.2
685.6
534.5

19
650
612.3
386.7
688.9
409.6
593.9
637.3
671.8
579.1

20
700
601.1
420
677
444.9
574.6
686.3
655.4
623.6

21
750
587.5
453.3
663
480.3
551.8
735.3
636.2
668.2

22
800
571.8
486.7
646.8
515.6
525.1
784.3
614
712.7

23
850
553.7
520
628.2
550.9
494
833.4
588.5
757.3

24
900
532.8
553.3
606.9
586.2
457.4
882.4
559.1
801.8

25
950
509
586.7
582.8
621.5
414.1
931.4
525.2
846.4

26
1000
481.6
620
555.3
656.8
361.5
980.4
485.9
890.9

27
1050
450.2
653.3
524.1
692.1
294.7
1029.4
439.7
935.4

28
1100
413.7
686.7
488.3
727.4
200
1078.5
384.3
980

29
1140.3
379.5
713.6
455.5
755.9
0
1118
329.6
1015.9
a长轴端点
30
1150
370.6
720
446.9
762.8

314.6
1024.5

31
1200
318.4
753.3
398.2
798.1

217.4
1069.1

32
1243.3
261.5
782.2
347.6
828.7

0
1107.7
b长轴端点
33
1250
251.3
786.7
338.9
833.4

34
1300
150.8
820
262
868.7

35
1327
0
838
206.6
887.8

c长轴端点
36
1350

141.4
904

37
1369.8

0
918

d长轴端点
3、 施工总体方案及模板的选择
由于帽檐的4条轮廓线全为三维坐标控制, 若使用组合模板存在较大的困难, 一是加工困难即轮廓把握不准, 二是安装困难, 很难与洞门斜切面紧密连接, 因此选择采用拼装模板与木模配合使用。该洞门分为3次浇筑, 第一次浇筑明洞段, 第二次浇筑延伸段及斜切段, 最后施工帽檐。明洞段和斜切段施工时, 内模均采用全断面液压衬砌台车, 外模和端模均采用木模, 明洞段衬砌施工完后, 将衬砌台车推至斜切和延伸段, 斜切和延伸段完成后衬砌台车不动, 以衬砌台车为帽檐内模支撑点, 明洞衬砌和边坡为帽檐外模支撑点安装帽檐模板浇筑混凝土。
4、 坐标转换及施工放样
测量施工放样是洞门施工的关键问题之一, 在施工放样前必须对设计给定的椭圆轮廓线坐标进行复核, 经复核无误后才能进行计算放样, 放样的难点是轮廓线相对坐标转换成管段范围的绝对坐标的计算和控制帽檐的三维坐标的放样。
4.1坐标转换
由于斗篷山隧道进口洞门平面位置处在圆曲线上, 高程又在8.3‰纵坡上且有竖曲线的影响, 因此在进行轮廓线相对坐标转换成管段范围的绝对坐标的计算是个难点, 进行坐标转换分为两步: 1、 按照根据设计图纸上给定的相对坐标即表2的数据的X、 Y、 Z( 即与隧道中线的距离为X、 与水沟盖板顶面标高的相对标高为Y和从隧道洞门口向洞内的距离为Z) 结合现场实际管段所处的位置推算出相对坐标( Z、 h 、 S) ( Z为该点到隧道左中线的距离左偏为负右偏为正, h为轨面标高的相对标高, S为里程) ; 2、 相对坐标( Z、 h 、 S) 转换为绝对坐标( X、 Y、 H) , 结合管段的平曲线要素由( S、 Z) 推算出相应里程的坐标( X、 Y) , 结合管段的坡度和竖曲线, 由该点的里程计算出轨面标高, 再加上h即可得到绝对高程H。经过转换后的绝对坐标( X、 Y、 H) 就是现场施工放样的坐标。
下面以轮廓线c上的控制点( 6.100,0.000,0.700) ( 单位为m) 为例, 简述一下坐标转换过程:
由设计图纸能够知道线路左中线到隧道中线为2.4m, 进口洞门里程为DK98+841, 平曲线要素见表3, 曲线五大桩坐标见表4:
表3　平曲线要素表( 左中线)
交点
坐标( m)
转向角
( 右转)
曲线半径( m)
缓和曲线长( m)
切线长
( m)
曲线长
( m)
JD25
X: 2906982.5412
Y: 494728.8490
28°52ˊ09.9"
5500
380
1605.986
3151.265

表4　曲线五大桩坐标表( 左中线)
主点
里程
坐标( X)
坐标( Y)
ZH
D3K97+227.0190
2907824.0650
493360.9930
HY
D3K97+607.0190
2907621.2453
493682.3166
QZ
D3K98+802.6515
2906857.2970
494598.9949
YH
D3K99+998.2840
2905913.6200
495329.3305
HZ
D3K100+378.284
2905585.1795
495520.4104

由上能够计算出里程为D3K98+841.700, 到左中线偏距为左偏3.7m的坐标为( 2906831.645,494628.684) ; 里程为DK98+841.700, 到左中线偏距为右偏8.5m的坐标为( 2906823.238,494619.843) 。
坡度和竖曲线如下表5:
表5　坡度和竖曲线要素表
变坡点桩号
变坡点高程( m)
前坡率
后坡率
切线长( m)
曲线半径( m)
外移距E( m)
曲线类型
D3K98+850
933.034
8.3‰
3‰
66.250
25000
0.088
凸

由上能够计算出里程为DK98+841.7的轨面标高为932.898m。
由上两步轮廓线c上的点( 6.100,0.000,0.700) →相对里程坐标左面( -3.700,0.3,98841.7) 和右面( 8.500,0.3,98841.7) →绝对坐标左面( 2906831.645,494628.684, 933.198) 和右面( 2906823.238,494619.843, 933.198) 。在施工放样过程中使用的坐标为转换后得到的绝对坐标。
4.2施工放样
在施工放样前要进行控制网的复测和加密, 平面上洞外导线控制点的加密按照导线二等进行, 并闭合成环; 高程上采用国家二等水准测量进行加密, 形成闭合水准路线, 在完成控制点加密后才能进行施工放样。在斗篷山隧道进口帽檐斜切式洞门的施工测量放样中所用仪器为DJ1型全站仪, 标称精度: 测角1″, 测距1mm+1.5ppm, 具体为徕卡TCRA1201+R400型全站仪, 仪器编号: 264298, 仪器使用前都经过年检和一般常规检验。帽檐的4条的轮廓线的放样顺序是: 轮廓线c的放样→轮廓线d的放样→轮廓线a的放样→轮廓线b的放样。在放样的过程中, 平面坐标放样采用的是全站仪坐标法, 高程放样采用的是全站仪三角高程法, 将二者结合起来就能够直接进行三维坐标放样。
轮廓线c的放样: 从严格意义上讲在进行精确的液压台车就位后, 轮廓线c能够直接经过平面坐标放样即可放样在液压模板台车上, 放样出的平面坐标点的高程极为高程放样的高程, 可是由于液压模板台车就位有偏差, 也需要经过高程放样来进行具体调整, 使轮廓线c光滑美观,放样出的点用红油漆标示。
轮廓线d和轮廓线a的放样: 现场施工放样的方法分为两步: 1、 平面: 先进行平面坐标放样将轮廓线控制点的绝对坐标( X,Y) 放样在固定液压模板台车上, 用红油漆标示; 2、 高程: 测量出该放样点在模板台车上的高程, 再与设计高程作差得出向上的距离, 从而将高程引申到模板台车上指导模板安装。立模时经过移动模板调整到相应的标高即可, 待模板安装好后还需复测并做出相应的调整。
轮廓线b的放样: 在进行完轮廓线a的放样, 安装好帽檐内模并加固后, 按照定型模板顺序分阶段先欲安装帽檐外膜即轮廓线b, 之后用全站仪免棱镜模式直接测量模板分阶段的三维坐标( X,Y, H) 与设计值的绝对坐标做比较做出相应调整, 直到吻合为止, 待模板安装固定好后还需复测并做出相应的调整。
5、 洞门施工
5.1洞门施工工艺流程
斜切式洞门的施工工艺流程为: 明洞施工→衬砌台车就位→延伸段及斜切段钢筋绑扎→轮廓线c的放样→轮廓线d的放样及延伸段斜切段外膜的安装→斜切面模的安装→浇筑斜切段混凝土→达到设计强度后拆除外膜及面模→安装帽檐内模( 轮廓线a) →帽檐钢筋绑扎→安装帽檐外膜(轮廓线b)→安装帽檐端模→浇筑帽檐混凝土→达到设计强度后拆除帽檐模板。
5.2延伸段及斜切段施工
在施工延伸段及斜切段的台车就位之前在变形缝中填塞聚苯板, 并在内缘采用双组份密封膏嵌缝。然后在台车上按照坐标转换后的绝对坐标放样出轮廓线c, 在放样轮廓线d时要考虑竖曲线的影响调整坡度比例, 直接按照坐标转换后的绝对坐标放样也能够, 在绑扎钢筋时考虑相应的保护层厚度, 同时斜切段的纵向钢筋应从端模中伸出, 便于下一步施工和帽檐钢筋相连接, 这个是个关键点, 必须重视。由于斜切面是个扭曲面因此待钢筋绑扎完毕后, 再严格按照轮廓线c、 d调整斜切面模板的位置, 以达到与设计相符合, 这步是个关键点, 否则会影响后续施工帽檐模板的位置定位。在混凝土制备前要严格把好各种原材料的进料关, 制备过程中加强计量控制、 严格配合比和拌制时间, 严格检测混凝土的坍落度。灌注中及时取样试验, 并将试验结果及时反馈拌和站, 不断提高混凝土制备质量。混凝土采用输送泵泵送入模, 两侧对称分层浇筑, 左右高差不大于0.5米, 台车前后高差不超过0.6米, 合理控制浇筑速度。采用附着式振动器配合插入式捣固器捣固浇筑混凝土,
每层厚度不超过振动棒长的1.25倍, 振捣密实又不超振。灌注至拱顶时采用倒退浇筑法, 将挡头模封严, 最后采用挤压式压力浇筑, 以使拱顶混凝土注满无空隙。拆模时的混凝土强度应达到设计强度标准值的100%。

　　图3　延伸段及斜切段钢筋绑扎　　　　　　　　　　　 图4　延伸段及斜切段面模及外模安装

图5　伸出面模的纵向钢筋便于与帽檐钢筋相连接
5.3帽檐施工
帽檐施工是整个斜切式洞门施工的重点, 帽檐模板的安装为已经施工好的斜切面作为帽檐的底模, 并复核帽檐轮廓线c、 d, 即为帽檐的下口安装线, 以衬砌台车为帽檐内模支撑点, 明洞衬砌和边坡为帽檐外模支撑点, 内外模用M12的拉杆对拉固定, 安装好帽檐模板后浇筑帽檐混凝土。
①帽檐模板的安装
模板的安装顺序为安装内模→绑扎帽檐钢筋→安装外模→安装顶面模。待斜切段施工完后, 按照帽檐设计轮廓线将内模、 外模用吊车固定在斜切面上, 帽檐模板以隧道中线为中心对称设置内侧由16块模板组成, 外侧由17块模板组成及顶面盖板由17块组成, 相邻模板之间用M20的螺栓连接, 内外模用M12的拉杆对拉固定。内外模的准确定位是帽檐模板正确安装的关键, 我们在安装前应先复测帽檐下口的安装线是否符合要求, 待内外模安装完成后, 对其上口安装线进行精确放样, 即帽檐轮廓线a、 b,作为帽檐安装控制线, 待上口安装线调试完毕后开始安装面模, 面模板采用4mm厚的热轧Q235钢板( 预先加工成型) , 采用间隔安装的方法方便混凝土浇筑。

图6 帽檐内模的安装 图7 帽檐外模、 内模安装
②帽檐混凝土浇筑
待检查帽檐模板准确无误后方可进行混凝土的浇筑, 帽檐混凝土采用泵送, 从面模进入, 振捣要充分, 对称浇筑以免造成偏压导致跑模的现象发生。待强度达到设计强度要求后, 方可拆除模板。

图8洞门侧面外观 图9洞门正面外观
6、 结束语
经过40多天的时间, 成功完成了斗篷山隧道进口帽檐斜切式洞门施工, 其施工质量得到多方肯定, 在实际操作中还要注意以下关键控制点:
①在液压衬砌台车就位和在台车模板上方轮廓线时要充分结合现场实际考虑平曲线和竖曲线, 以免侵限。
②施工斜切段混凝土时要将纵向钢筋伸出面模, 便于和帽檐钢筋相连接。
③施工斜切段时即帽檐的下口安装线一定要精确控制, 否则会导致帽檐不能按照设计准确安装, 在安装帽檐模板时需重新对下口安装线进行放样。
④帽檐模板要对称安装, 并加固; 帽檐混凝土要对称浇筑, 防止跑模。