隧道衬砌自动化模板

隧道衬砌的施工工艺包括模板、浇筑、捣固、养生等，工艺良否是确保衬砌品质的关键，下面简要介绍其技术概要。

一. 自动 化模板（混凝土衬砌施工完全机械化）

1）背景

在山岭隧道混凝土衬砌施工中，其基本作业是，把移动式模板移动到规定的位置，接着浇筑混凝土，而后脱模、移动。这些作业，通常由5、6 位作业人员进行操作。由于作业人员的高龄化和新规入职者减少，要求实现作业的机械化。

随着隧道的大断面化和长距离化，对施工效率化的自动化技术要求较高。其中在混凝土浇筑作业中，配管的切换和捣固作业已经导入机械化，但对衬砌混凝土的一系列作业（模板定位、浇筑、脱模、移动）也要求尽早实现完全机械化体系。

2） 技术概要

自动化模板（图1）是混凝土施工中搭载各种装置和功能，用模板进行让混凝土施工作业完全机械化的自动化技术。把过去用人力进行的作用机械化，消减人员和缩短作业时 间，能够大幅度提高生产性。

图1  自动化模板

本技术的主要功能如下。

（1）模板自动安装功能

由于附 属模板的千斤顶的改造和导入新的控制系统，模板自身的上下、左右、纵向三维进行毫米级微调。同时，并用全站仪掌握模板位置和独自的传感器技术，能够完全自动把模板安装就位。据此，可以把过去用复数人员的模板安装作业实现省人化。

（2）混凝土浇筑作业自动化

采用无须捣固的高流动性混凝土，与混凝土浇筑进行状况联动，导入混凝土配管按事先规定的地点自动切换的装置，就能够实现减轻作业人员负担和混凝土浇筑作业的省人化，及高品质的混凝土。

（3）脱模、移动作业的自动化

过去作业人员用人力进行的脱模作业，全部由改造后的千斤顶进行。

据此，进行操作的指示内容和施工中的测定结果等，全部集约在专用监视器上，人员可以一边确认作业的进行状况，一边安全地进行有效率的施工。

二 .  模板自动设置系统

本系统采用自动追尾全站仪测定模板位置，把设计位置和实测位置的差分值通过无线自动传送到隧道控制盘，隧道控制盘基于其值自动把模板移动到设计位置的统合系统（图2）。与既有混凝土搭载处，采用本社开发的“防止衬砌施工缝浮动、剥落系统”，当抹布与既有混凝土接触时超过规定压力的场合，采用附加的自动停止功能，把模板全体设置完成。此外，比过去采用堵头板设置作业，采用能够伸缩的钢模板和气囊，就能够自动设置堵头板。另外，模板搭载有自动走行功能，可自动移动模板位置。

图2  模板自动系统全貌

过去由 6个人进行的模板作业，现在只用2人就能在短时间内完成，既实现省人化又缩短了作业时间，提高了生产性，也提高了模板的设置精度。

本系统已在隧道中试用（图3），今后将根据试用效果进行改善，在其他现场应用。

图3  隧道现场的应用状况

三.双模板衬砌（TAF）工法

1) 概述

目前，面临为确保社会资产的健全性的维修管理成本增大的问题，在隧道结构物中，近年开发了各式各样的技术，力图改善结构的长寿命化问题。衬砌混凝土低龄的衬砌裂缝潜在和伴随混凝土劣化的剥落风险，依然存在。混凝土剥落对第三者影响很大，大大增加了维修管理的负担。因此，如何提高衬砌混凝土的长期耐久性是隧道结构物的重要课题。

根据混凝土标准规范，一般的混凝土结构物的脱模时间，都以发现强度作为参考值，对薄壁构件接近垂直的面、比45°还陡的下面、小的拱的内面一般按5.0MPa决定。

但对隧道的混凝土衬砌，除构件薄以外，隧道内遮光、恒温、多湿的养生环境与洞外的不同，容许达到能够支持自重的强度就可以脱模。一般的双车道公路隧道衬砌断面厚度30cm的素混凝土，抗压强度达到2~3MPa的时期，换算材龄相当12~20h，平均18h就可以脱模。

为此，为了提高衬砌混凝土的品质，在不影响浇筑进度的前提下，建立延长模板存置时间，减轻脱模时构件内部的收缩应变，力求混凝土表面致密化的施工方法是必要的。双模板工法就是解决此问题的一项新技术。

2） 开发的背景

在现场测定的浇筑混凝土的内部温度结果示于图4。据此，混凝土内部温度的峰值（也就是水泥水化反应最活跃的时期），出现在浇筑后 21h，在18h的时点，水化反应是在峰值之前。也就是说，18h脱模，衬砌表面水化反应需要的水分已蒸发，妨碍了混凝土强度的增进。混凝土表面还没有致密化，由于水和气体的渗透劣化，有可能对衬砌混凝土的长期耐久性产生不良影响。另外，在TAF工法中，采用标准的66h的脱模，可以确保温度峰值后用模板养生的时间，混凝土抗压强度也好，表面致密化也好都已达到充分增进的状态。

图 4 衬砌混凝土内部温度的历时变化例

通常，为了延长模板的存置时间可以采取以下对策。

（1）调整进度，长期间存置1台模板。

（2）准备2台模板，交互浇筑。

但在（1）的场合，标准的衬砌施工循环是：浇筑6h+养生18h+脱模~移动设置8h+夜间停工6h=48h，不可避免地会延迟浇筑进度。 在（2）的场合，要把隧道全长分成2个区间，用2台模板分别浇筑，也可以1台先行，另1台一边浇筑一边并进。

用2台模板分别浇筑，不管哪种方法都会增加作业的复杂性，作业分散，管理相当繁琐。为了解决上述问题，而且能够与过去一样能够进行连续的浇筑，不改变浇筑循环，又能够延长模板的存置时间，开发了2台模板交互移动、浇筑、脱模的移动式模板衬砌工法。

3） 开发的经纬

开发前对模板存置时间66h的效果进行了小规模的模拟试验。混凝土表面4周后的透气系数测定结果示于图5。与过去18h脱模的2.0×10-16m²相比，66h脱模约为0.2×10-16m²，降低到原来的1/10。与存置7d模板的场合相同。可以确认存置66h，可以充分发挥材龄初期的模板养生效果。

图5  透气系数的试验结果(小规模模拟试验)

4） 新开发的TAF模板的施工步骤

此次开发的TAF模板的概念图示于图6。其施工步骤示于图7。

图6  TAF 模板工法概念图

图7  TAF工法的施工步骤

TAF工法的施工步骤如下：

第1天：

第1模板养生中；

用第2模板进行混凝土浇筑。

第2天：

第2模板与运搬装置（台架）分离，第2模板进行养生；

第1模板缩径，进入台架，在第2模板下退出，前进到下一次浇筑位置。

第3天：

第2模板养生中；

第1模板进行浇筑。

第4天：

第1模板与运搬装置（台架）分离，第1模板处于养生状态；

第2模板缩径，进入台架，在第1模板下退出，前进到下一次浇筑位置。

如图7所示，1台支架，让2台模板往来、交互地连续浇筑。养生完成的模板与台架接合后缩径，在存置中模板的内侧退出。

 

5）现场的应用实例

（1）岩古谷隧道应用实例（TAF1号机）

岩古谷隧道是开挖净空断面积62.8m²的双车道公路隧道。隧道长1287m，全隧采用此法。

①TAF模板的基本动作认证

模板设置时和模板移动时的断面示于图8。如图所示，能够充分确保模板移动时的间隙，模板可以顺利地退出，浇筑也能够实现2 天1次的循环。

图8  各施工阶段模板的状况(尺寸单位:mm)

②模板存置时间延长效果的认证

衬砌内部温度的测定结果示于图9。据此，该隧道的混凝土内部温度峰值出现在浇筑后约36h，在浇筑后18h的时点，与图4同样，水化反应在峰值前。与图4比较，混凝土内部温度的峰值发现迟缓。同时现场养生试件的单轴抗压强度，在18h是0.88N/mm，66h 是5.0N/mm。

图9  衬砌混凝土内部温度的历时变化

衬砌表面透气系数的程度结果示于图10。据此，模板存置时间从18h到66h的试验结果与室内试验结果相同，透气系数大幅度地降低到1/10左右。这说明延长模板存置时间，可以促进水泥的水化反应，能够使混凝土表层部致密化。66h与90h的比较，透气系数几乎没有变化，与室内试验的倾向是一致的。

图10  透气系数测定结果

（2）德定隧道的应用实例（TAF2号机）

德定隧道（开挖净空断面积75~80m，新东名高速公路隧道）长1172m，采用中流动性混凝土浇筑（图11）。

图11  德定隧道开挖情况

①TAF模板的改进和施工性认证由于采用中流动性混凝土，比普通混凝土，侧压有所增加，各构件要适当加厚。为此为了确保第2模板退出时的间隙，变更了横梁的构造。模板移动时的断面示于图12。改进后的构造可以确保拱顶间隙约300mm，肩部间隙约150mm。 图13是新东名高速公路萁面隧道改进的3号机的断面。

图12  退出时的模板状况

图13  风管和皮带运输机配置 

施工时，在模板上设置了各种量测器，测定混凝土侧压和模板应力及支持千斤顶的轴力等。

②模板存置时间延长效果的试验结果

a. 透气系数测定结果（表层品质改善效果）

对过去的18h脱模和TAF66h脱模的初期养生效果进行了比较试验认证。

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