呂 剛， 劉建友， *， 趙 勇， 劉 方， 王志偉

(1. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司， 北京 100055； 2. 中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院， 北京 100844；3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司， 北京 100081)

0 引言

隧道及地下工程施工通常面臨作業(yè)空間狹小、環(huán)境差、速度慢、質(zhì)量不易控制等問題，而預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)采用工廠化預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的施工方式，具有機械化程度高、施工速度快、施工質(zhì)量高、作業(yè)環(huán)境好等特點，逐漸成為地下工程技術(shù)的發(fā)展方向。構(gòu)件預(yù)制化的程度越高，技術(shù)水平也越高。盾構(gòu)隧道實現(xiàn)了隧道支護結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝施工，這也使得盾構(gòu)隧道在城市地鐵建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。近些年，我國制造業(yè)迅猛發(fā)展，各種預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)也實現(xiàn)了快速發(fā)展，并開展了大量的研究工作，夏鵬舉等[4]研究了盾構(gòu)隧道雙層預(yù)制結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性控制； 張中勇等[5]研究了預(yù)制拼裝技術(shù)在地鐵工程中的應(yīng)用； 劉建文等[6]提出了綜合管廊預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)； 王德超等[7]研究了地下工程預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。

盾構(gòu)隧道管片安裝后內(nèi)部弧面起伏小，為實現(xiàn)隧道全預(yù)制拼裝提供了良好的安裝條件。王善高等[8]以南京緯三路過江盾構(gòu)隧道工程為例，研究了公路盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制施工技術(shù)，實現(xiàn)了公路隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝施工； 劉培碩[9]、符亞鵬[10]、周佳媚等[11]以秦嶺特長鐵路隧道為例，研究了敞開式TBM鐵路單線隧道仰拱預(yù)制技術(shù)，采用仰拱預(yù)制塊實現(xiàn)了單線鐵路隧道軌下結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝施工。

目前許多國家都把預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)作為技術(shù)發(fā)展的重要標志之一，日本在仙臺市地下鐵道工程中采用5塊式預(yù)制箱型結(jié)構(gòu)，解決了構(gòu)建分塊的輕量化和相互連接問題； 俄羅斯在馬蹄形礦山法隧道采用裝配式襯砌，而且在豎井和橫通道連接處也采用裝配式襯砌，解決了嚴寒地區(qū)隧道凍害問題。本文以京張高鐵清華園隧道為例，提出大直徑雙線鐵路盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)及水溝電纜槽等附屬結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝技術(shù)，實現(xiàn)了隧道支護結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)的全預(yù)制拼裝施工。

1 工程背景

清華園隧道是新建北京至張家口高速鐵路重點控制性工程之一，位于北京城市核心區(qū)，隧道全長6 020 m，采用12.2 m的大直徑盾構(gòu)，設(shè)計速度目標值為120 km/h，采用單洞雙線斷面。隧道縱向采用V型縱坡，進口360 m采用-30‰的縱坡入地，之后1 140 m為-3.3‰的緩坡段，下穿地鐵10號線DK14+900～DK15+640段采用-18.53‰的縱坡，出口段采用3‰～20‰的縱坡出隧道。隧道拱頂最大埋深為28.6 m，平均埋深為15～25 m。

全線近距離側(cè)向下穿城鐵13號線，于學(xué)院南路南側(cè)入地，依次穿越學(xué)院南路、北三環(huán)、地鐵12號線、知春路、地鐵10號線、北四環(huán)、城府路、雙清路、清華東路、地鐵15號線后，于五環(huán)內(nèi)出地面。共穿越3處地鐵、7處主要市政道路及大量重要市政管線，是目前國內(nèi)位于城市核心區(qū)，穿越地層復(fù)雜、穿越重要建(構(gòu))筑物最多的國鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險隧道。

圖1 隧道縱剖面圖(單位： m)

針對清華園隧道處于北京市核心區(qū)，人口密集、地層復(fù)雜、且穿越多條地鐵和重要建(構(gòu))筑物的特點，對清華園隧道提出了占地小、污染少、工期短、對市區(qū)環(huán)境影響小、消除城市分割等多方面要求。為滿足以上要求，清華園隧道的管片、軌下結(jié)構(gòu)、水溝、電纜槽等均采用工廠化預(yù)制，并開發(fā)拼裝機器人，實現(xiàn)了軌下結(jié)構(gòu)快速精準拼裝。

2 軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝技術(shù)

清華園隧道盾構(gòu)管片、軌下結(jié)構(gòu)、水溝、電纜槽等均采用工廠化預(yù)制、現(xiàn)場拼裝，實現(xiàn)了隧道安全、快速施工的目標，提高了隧道結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，改善了隧道的施工作業(yè)環(huán)境。

2.1 全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計

2.1.1 管片及電纜槽

清華園隧道采用單洞雙線設(shè)計，盾構(gòu)法施工，根據(jù)高速鐵路建筑限界，并滿足防災(zāi)疏散通道的設(shè)置要求，確定隧道內(nèi)徑為11.1 m； 根據(jù)隧道埋深、圍巖荷載、周邊建筑物環(huán)境，確定盾構(gòu)管片為55 cm厚的C50鋼筋混凝土，以滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求； 根據(jù)管片運輸、安裝的要求，將管片環(huán)劃分為6個標準塊、2個鄰接塊和1個封頂塊，管片環(huán)縱向長2 m。管片分塊如圖2所示，管片設(shè)計參數(shù)如表1所示。為了滿足城市環(huán)保要求，減小洞內(nèi)現(xiàn)澆施工，隧道兩側(cè)的通信信號電纜槽、電力電纜槽以及排水溝均采用預(yù)制C40鋼筋混凝土。

圖2 盾構(gòu)管片分塊示意圖

Table 1 Design parameters of shield segment of Tsinghuayuan Tunnel

項目參數(shù)備注盾構(gòu)隧道內(nèi)、外徑/m11.1、12.2襯砌管片類型 C50鋼筋混凝土襯砌抗?jié)B等級不小于P12襯砌管片厚度/mm550襯砌管片寬度/mm2 000 通用環(huán)雙面楔形量 44 mm襯砌環(huán)類型8+1 6個標準塊+2個鄰接塊+1個封頂塊

2.1.2 軌下結(jié)構(gòu)

軌下結(jié)構(gòu)采用3塊獨立箱涵拼裝而成，包括2塊邊箱涵和1塊中箱涵，如圖3所示。軌下結(jié)構(gòu)采用C40纖維混凝土，聚丙烯網(wǎng)狀纖維，摻量為0.9 kg/m3。

(a) 隧道橫剖面圖

(b) 軌下結(jié)構(gòu)三維模型圖

中箱涵分為A、B、C 3種類型。其中A型中箱涵適用于標準段； B型中箱涵適用于疏散樓梯段，箱涵頂部設(shè)置了疏散通道入口，隧道每隔100 m設(shè)置1處B型箱涵； C型中箱涵適用于側(cè)壁開孔段，如為通風(fēng)口設(shè)置的開孔。箱涵縱向長度為1 980 mm。

邊箱涵分為A、B 2種類型。其中A型邊箱涵適用于標準段、疏散樓梯段和側(cè)壁開孔段的不開孔側(cè)； B型邊箱涵適用于側(cè)壁開孔段的開孔側(cè)。

中箱涵頂板和側(cè)墻厚30 cm，底板厚25 cm； 邊箱涵頂板厚30 cm，邊墻和底板厚25 cm。中箱涵與邊箱涵的橫向連接以及各箱涵的縱向連接采用M24螺栓機械連接。箱涵底部設(shè)置300 mm×300 mm的凸臺，高30 mm，底部空隙通過預(yù)留注漿孔采用微膨脹525快硬型硫鋁酸鹽水泥漿進行填充，使箱涵與管片受力均勻。當(dāng)管片環(huán)縫出現(xiàn)錯臺造成中箱涵連接困難時，應(yīng)對底部凸臺打磨或設(shè)置墊板對高程進行調(diào)整。

2.2 現(xiàn)場拼裝技術(shù)

隧道中箱涵與盾構(gòu)隨機拼裝，盾構(gòu)配套臺車配備吊裝設(shè)備，如圖4所示。平板車開至合適位置，調(diào)整平板車高度，使吊機能吊取構(gòu)件；高度調(diào)整完畢后，降低并平移吊具至箱涵下方，初步對正后，提升吊具使其恰好卡在箱涵上；到位后接近開關(guān)會給出一個信號，操作手可以加緊夾具，提升箱涵，箱涵觸到限位開關(guān)后，即可平移箱涵。根據(jù)拼裝方案要求，盾構(gòu)司機安排相關(guān)人員在箱涵后端面粘貼預(yù)制橡膠墊，以調(diào)整箱涵走向及坡度。

圖4 中箱涵拼裝示意圖

隧道邊箱涵研制了專用拼裝機，如圖5所示。拼裝機主要由車架、行走車輪組、行走驅(qū)動機構(gòu)、小車供電、橫移機構(gòu)、四點起吊三點平衡機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、U型吊具、箱涵件調(diào)整定位機構(gòu)等組成。該設(shè)備可以將邊箱涵件從運輸車吊起，并平移調(diào)整后放到指定安裝位置，最終將邊箱涵件精確安裝于隧道內(nèi)，實現(xiàn)邊箱涵快速施工。

軌下結(jié)構(gòu)拼裝技術(shù)的要點如下。

1)拼裝精度。中箱涵頂面與圓形隧道結(jié)構(gòu)水平軸線距離、中箱涵豎直軸線與圓形隧道結(jié)構(gòu)豎直軸線距離容許誤差范圍是-10～10 mm(必須保證箱涵之間的順利連接)。

2)預(yù)制件縱向長度為1.98 m，布置縱向間隔為0.02 m。

3)在施工中，由于線路擬合，管片環(huán)、中箱涵的實際設(shè)置里程可能與理論值存在距離差。施工時可根據(jù)實際情況進行微調(diào)。

(a) 立體圖

(b) 剖面圖

4)平、豎曲線段中箱涵拼裝時，可通過在中箱涵縱向連接處設(shè)置橡膠墊的方式調(diào)整間隙，以實現(xiàn)中箱涵對曲線半徑的擬合。橡膠墊厚度依據(jù)拼裝處的曲線半徑通過計算確定。

5)當(dāng)管片環(huán)縫出現(xiàn)錯臺造成中箱涵連接困難時，應(yīng)通過在底部凸臺設(shè)置2.0 mm厚的HDPE墊片進行調(diào)整。

2.3 軌下結(jié)構(gòu)注漿技術(shù)

軌下結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)管片的連接是全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，確保軌下結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)管片均勻受力，防止局部應(yīng)力集中產(chǎn)生局部破損，是軌下結(jié)構(gòu)預(yù)制化設(shè)計的重點。

清華園隧道在軌下結(jié)構(gòu)下部設(shè)置了凸臺，使軌下結(jié)構(gòu)與管片之間存在20～30 mm的縫隙，該縫隙采用注漿填充。軌下結(jié)構(gòu)注漿是預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝的一個重要環(huán)節(jié)，采用壓漿機將軌下結(jié)構(gòu)與管片間的空隙填充密實，以確保軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性。軌下結(jié)構(gòu)注漿工藝必須滿足以下要求。

1)箱涵底部清理。箱涵拼裝時，首先進行中箱涵拼裝，邊箱涵跟進，每次箱涵拼裝前，需要將拼裝位置以及與上環(huán)箱涵連接面底部的雜物清理干凈。

2)邊箱涵注漿分艙。每次邊箱涵拼裝完成5環(huán)后，對邊箱涵進行分艙，分艙采用干硬性水泥砂漿進行； 每5環(huán)使邊箱涵形成1艙。

3)中箱涵底部再次清理。隨著箱涵的跟進，對已拼裝中箱涵及時進行再度清理和分艙。

4)中箱涵注漿分艙。對于已拼裝中箱涵，通過對底部嵌縫條鉆眼，并灌入聚氨酯發(fā)泡劑實現(xiàn)每5環(huán)分艙，如圖6所示。最終實現(xiàn)中箱涵、邊箱涵分艙閉合。

圖6 分艙示意圖(單位： mm)

5)嵌縫條、吊裝孔封堵。對于拼裝后箱涵密封效果較差、箱涵嵌縫密封條轉(zhuǎn)角不密實等部位，中箱涵和邊箱涵連接螺栓墊圈處、吊裝孔、觀察孔等孔洞使用M10微膨脹水泥砂漿進行封堵。

6)壓漿。壓漿時采用φ30 mm管徑的壓漿嘴，壓漿嘴在注漿孔中的部分不應(yīng)小于150 mm。順時針旋轉(zhuǎn)壓漿嘴，使橡膠套繃緊在混凝土內(nèi)表面上，旋緊螺絲。壓漿位置選擇中箱涵每個分艙區(qū)域最低點處。

7)雷達檢測壓漿效果。箱涵底需采用壓漿料填充密實，填充完成后，應(yīng)采用地質(zhì)雷達探查有無空洞，發(fā)現(xiàn)空洞時應(yīng)進行補充壓漿。

3 軌下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

為驗證本文提出的軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝技術(shù)的合理性，采用FLAC3D軟件建立二維模型，對軌下結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的穩(wěn)定性進行分析。軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)、管片以及周圍土體采用實體單元模擬，材料特性采用基于Mohr-Coulomb屈服準則的彈塑性增量本構(gòu)關(guān)系，軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)及管片間3 cm的注漿層采用接觸面單元模擬。軌下結(jié)構(gòu)采用C40纖維混凝土，盾構(gòu)管片采用C50鋼筋混凝土，材料力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 軌下結(jié)構(gòu)及接觸面參數(shù)

為了分析不同工況軌下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，分別計算深埋和淺埋2種工況軌下結(jié)構(gòu)的變形和受力。深埋工況隧道拱頂埋深28.26 m，圍巖為卵石土，且位于地下水位以下； 淺埋工況隧道拱頂埋深15 m，圍巖為粉質(zhì)黏土，位于地下水位以上。軌下結(jié)構(gòu)與管片之間3 cm的注漿層采用接觸面單元模擬，接觸面切向和法向剛度取2 GN/m，內(nèi)摩擦角取15°。

清華園隧道實際行車速度為120 km/h，保守計算列車速度為350 km/h時的荷載峰值為160 kN。計算得到有限元模型豎向位移、水平位移及豎向應(yīng)力分布如圖7—9所示，各監(jiān)測點位移時程曲線如圖10所示。由圖可知，軌下結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下最大豎向變形和水平變形分別為0.24 mm和0.06 mm，可忽略不計，滿足變形要求； 最大拉、壓應(yīng)力分別為0.06 MPa和0.63 MPa，滿足強度要求。另外，計算得到軌下結(jié)構(gòu)的抗滑動穩(wěn)定性系數(shù)為16.03，滿足滑移穩(wěn)定性要求。

4 應(yīng)用效果

全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有如下優(yōu)點。

4.1 減少對盾構(gòu)管片的破壞

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)需要在現(xiàn)有管片上大量植筋，對管片造成破壞； 全預(yù)制結(jié)構(gòu)僅少量植入錨栓，減少對隧道結(jié)構(gòu)的破壞。

圖7 模型整體豎向位移云圖(單位： m)

圖8 模型整體水平位移云圖(單位： m)

Fig. 8 Horizontal displacement nephogram of the model (unit: m)

圖9 模型整體豎向應(yīng)力云圖(單位： Pa)

4.2 施工速度快

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)施工完成后再施作，混凝土運輸困難，工效低，工期久。全預(yù)制結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)施工同步安裝，取消了模板制作，簡化了施工工序，減少了勞動強度，大幅度減少了隧道內(nèi)施工作業(yè)人數(shù)； 同時，可采用機械化智能機器人，大幅度提高隧道施工工效，與常規(guī)現(xiàn)澆施工相比，施工速度可提高30%左右。

清華園隧道受施工工期的控制，預(yù)留給后期軌下結(jié)構(gòu)施工的工期很短，現(xiàn)澆施工無法滿足工期要求，因此采用預(yù)制拼裝技術(shù)，實現(xiàn)了軌下結(jié)構(gòu)快速施工。清華園隧道自2017年11月6日開工至2018年11月20日結(jié)束，總長6 020 m的隧道僅用了1年零15 d實現(xiàn)貫通。

(a) 監(jiān)測點布置

(b) 沉降變形

(c) 水平變形

4.3 施工質(zhì)量高

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)各個工序均在現(xiàn)場完成，施工精度和質(zhì)量控制難度大，不易保證； 全預(yù)制結(jié)構(gòu)均為工廠化生產(chǎn)，采用固定模具加工，精度高、耐久性好。

4.4 滿足環(huán)保要求

現(xiàn)澆施工要求連續(xù)作業(yè)，混凝土的運輸一旦中斷，對施工影響較大，而北方霧霾污染天氣常禁止施工和運輸車輛在城市內(nèi)通行。預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)可以根據(jù)空氣狀況合理選擇運輸時間，避免霧霾時段加重空氣污染； 此外，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)可自由安排運輸時間，有效規(guī)避交通擁堵時段，減少了因汽車擁堵而產(chǎn)生的尾氣排放。清華園隧道所有物資的運輸均安排在深夜12點至凌晨5點，減小了對城市交通的影響； 同時，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)使隧道施工向洞外排放的煙氣和粉塵大幅降低。

4.5 改善洞內(nèi)施工環(huán)境

與現(xiàn)澆施工相比，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)大幅度改善了隧道施工作業(yè)環(huán)境?，F(xiàn)澆施工工序繁雜，模型制作、鋼筋布設(shè)、混凝土澆筑和養(yǎng)護等工序都需要大量人員和機械設(shè)備，施工過程中的噪聲、粉塵和尾氣將嚴重影響隧道內(nèi)環(huán)境； 預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)采用工廠化預(yù)制現(xiàn)場拼裝，工序簡單，隧道內(nèi)現(xiàn)場拼裝的人員和設(shè)備大幅精簡。根據(jù)現(xiàn)場檢測，與普通現(xiàn)澆的軌下結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)隧道內(nèi)施工噪聲降低了約30%，空氣中粉塵降低了約60%，大幅度改善了施工作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)論與討論

1)針對現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)存在的局限性，提出了一種在盾構(gòu)隧道內(nèi)部采用軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝的施工技術(shù)。該技術(shù)將隧道內(nèi)部軌下結(jié)構(gòu)分為若干標準段箱涵，其中中箱涵采用盾構(gòu)自帶吊具拼裝，邊箱涵采用邊箱涵拼裝機拼裝； 待箱涵全部拼裝完成后，對箱涵和管片之間的空隙實施注漿，使得隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密連接為一個整體，以確保軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性。

2)京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)均采用全預(yù)制機械化拼裝技術(shù)，是國內(nèi)首次實現(xiàn)盾構(gòu)軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝的隧道。采用FLAC3D對其軌下結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下的穩(wěn)定性進行了分析，結(jié)果表明軌下結(jié)構(gòu)滿足變形、強度和抗滑穩(wěn)定要求，能保證全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3)對比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)具有機械化程度高、施工速度快、施工質(zhì)量高、生產(chǎn)批量化、工序循環(huán)時間短、環(huán)境影響小、建設(shè)成本低等諸多優(yōu)點，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

清華園隧道實現(xiàn)了盾構(gòu)隧道各主要構(gòu)件全預(yù)制化拼裝，但在建設(shè)過程中也存在以下難題有待進一步研究。

1)各構(gòu)件的拼裝精度有待進一步提高，尤其是中箱涵的安裝精度。一旦中箱涵拼裝存在較大偏差，則兩側(cè)邊箱涵無法按設(shè)計位置安裝，導(dǎo)致箱涵頂部路面起伏波動。

2)各構(gòu)件之間的連接方式有待進一步研究。本隧道軌下結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)管片之間采用注漿連接，軌下結(jié)構(gòu)中箱涵和邊箱涵橫向和縱向均采用螺栓連接。注漿連接如何保證注漿體飽滿密實是目前存在的難點，而螺栓連接的2個接觸面很難嚴絲合縫，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和破損。