趙有明，王志偉，王子洪

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

0 引言

截至2019年底，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)13.9萬km，其中投入運(yùn)營的鐵路隧道16 084座，總長18 041 km［1］。隨著近些年我國鐵路隧道的大量修建，對隧道的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量提出了更高要求。

傳統(tǒng)鐵路隧道襯砌和基底結(jié)構(gòu)多采用現(xiàn)澆方式進(jìn)行建造，傳統(tǒng)鐵路隧道排水系統(tǒng)與主體承力結(jié)構(gòu)施工工藝存在一定缺陷，施工質(zhì)量不易控制，且難以進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)維修，隧道襯砌結(jié)構(gòu)在列車動載、地下水侵蝕、圍巖壓力等因素綜合作用下，部分線路出現(xiàn)了不同類型的病害［2］，為避免運(yùn)營期結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)以及規(guī)范施工，提出一種鐵路隧道新型結(jié)構(gòu)型式及配套建造技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

相對于平原地區(qū)在復(fù)雜艱險山區(qū)環(huán)境下，傳統(tǒng)隧道營造方法及建設(shè)過程存在工程場地受限、物流運(yùn)輸困難、材料制備復(fù)雜、人員配置難度高、現(xiàn)場施工難度大、結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)時間長等不利因素。著眼于既有建造技術(shù)在復(fù)雜艱險山區(qū)實(shí)施存在的困難，引入預(yù)制裝配式新型隧道建造理念，是一種縮短建設(shè)工期、降低建設(shè)成本的解決思路。

目前，鐵路隧道預(yù)制裝配式技術(shù)作為一種新型建造方法已經(jīng)逐步得到國內(nèi)外工程界的重視。發(fā)展該項技術(shù)是隧道建造方式的重大變革，是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要舉措［3］，有利于節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平，有利于促進(jìn)建筑業(yè)與信息化工業(yè)化深度融合、培育新產(chǎn)業(yè)新動能、推動化解過剩產(chǎn)能。2016年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》（國辦發(fā)〔2016〕71號），從國家層面鼓勵發(fā)展裝配式建造技術(shù)。

概括性總結(jié)近5年來中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司（簡稱鐵科院集團(tuán)公司）在鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)體系方面的研究與實(shí)踐成果，提出該項新型技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展展望，可為此項技術(shù)的進(jìn)一步推廣發(fā)展提供參考。

1 鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)

1.1 發(fā)展歷程

裝配式建筑主要包括預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑等，是現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)方式的代表［4］。

預(yù)制裝配式建（構(gòu)）筑物營造方式發(fā)源于20世紀(jì)初，1900年美國布羅克萊雅因養(yǎng)馬場首次大批量運(yùn)用裝配式PC構(gòu)件［5］。二戰(zhàn)期間，裝配式營造方式在歐美快速發(fā)展，截至目前，美國、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家地上建（構(gòu)）筑物占比不低于35%［6-7］。我國工民建領(lǐng)域自20世紀(jì)80年代開始嘗試，目前地面建筑技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

隧道與地下工程領(lǐng)域中掘進(jìn)機(jī)法開挖的隧道裝配式技術(shù)應(yīng)用最多，世界范圍內(nèi)采用預(yù)制管片拼裝的斷面為圓形、異形的隧道技術(shù)成熟，如我國秦嶺Ⅰ線［8］、京張高鐵清華園隧道［9］、浩吉鐵路白城隧道［10］。如目前公路隧道盾構(gòu)內(nèi)部度多采用雙層車道板結(jié)構(gòu)型式，其中上層車道板結(jié)構(gòu)主要分2種，一種是橫框架梁板柱結(jié)構(gòu)，即上層結(jié)構(gòu)為梁板柱結(jié)構(gòu)，上層車道板通過立柱、縱梁支撐；另一種為“牛腿”車道板結(jié)構(gòu)，即上層車道板通過“牛腿”支撐，實(shí)現(xiàn)上層行車的功能，下層車道板主要采用預(yù)制構(gòu)件和現(xiàn)澆充填相結(jié)合的結(jié)構(gòu)型式，預(yù)制構(gòu)件有“口”形件、“π”形件等，預(yù)制構(gòu)件兩側(cè)現(xiàn)澆混凝土，形成下層車道整體結(jié)構(gòu)。當(dāng)然下層車道結(jié)構(gòu)也可以采用預(yù)制車道板直接與管片之間連接，或者采用“牛腿”連接。當(dāng)前，在地面建（構(gòu)）筑物、掘進(jìn)機(jī)工法隧道以及明挖區(qū)間隧道或地鐵車站等領(lǐng)域，裝配式營造技術(shù)體系所涵蓋的基礎(chǔ)理論、設(shè)計選型、施工裝備、工藝工法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程等已經(jīng)相當(dāng)完備［11-12］。

不同于以上應(yīng)用領(lǐng)域，隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)是將隧道拱墻、軌下結(jié)構(gòu)、溝槽蓋板等分模預(yù)制、分塊安裝，關(guān)鍵接頭部件可靠連接的一種新型結(jié)構(gòu)體系［13］，適用于鉆爆法工法下暗挖空間內(nèi)鐵路隧道的建造。當(dāng)前世界范圍內(nèi)尚無該體系在整座隧道內(nèi)的應(yīng)用案例。自2016年起，鐵科院集團(tuán)公司依托相關(guān)課題和試驗(yàn)工點(diǎn)開展了該項技術(shù)的研究、試驗(yàn)、實(shí)踐工作，經(jīng)過系統(tǒng)的深入研究，積累了大量研究成果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了集設(shè)計、生產(chǎn)、施工、裝備、信息化管控的成套關(guān)鍵技術(shù)及體系。

1.2 技術(shù)體系

鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)體系由理論研究、設(shè)計選型、施工技術(shù)與信息管控技術(shù)組成（見圖1）。

理論研究是基石，作為裝配組合而成的結(jié)構(gòu)，裝配式構(gòu)件之間的榫槽、螺栓等接頭的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)承載能力的關(guān)鍵和保障，此外裝配式結(jié)構(gòu)在一般地質(zhì)和特殊地質(zhì)條件下的適用性也是研究的重點(diǎn)。

對于設(shè)計選型，遵循既有的設(shè)計通用參考圖確定結(jié)構(gòu)的內(nèi)外邊界，在此基礎(chǔ)上針對不同跨度、線路類型進(jìn)行設(shè)計選型，可最大程度保證與采用傳統(tǒng)建造方法隧道區(qū)段的順暢接駁。由于結(jié)構(gòu)結(jié)合尺度不同，對于附屬洞室的設(shè)計也是應(yīng)該關(guān)注的地方。當(dāng)前設(shè)計中，洞口防護(hù)有采用柔性支護(hù)和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)剛性支護(hù)2種方式，裝配式預(yù)制混凝土明洞也是將來的一個重要發(fā)展方向。對于地應(yīng)力條件復(fù)雜的隧道，環(huán)向縱向連接設(shè)計應(yīng)著重考慮，滿足安全性、可靠性、線路平順性是基本要求。此外，對于箱涵式預(yù)制基底結(jié)構(gòu)，底部塊體接觸點(diǎn)的縫隙以及空腔的設(shè)置增加了振動與噪聲的影響，應(yīng)進(jìn)行專門的減隔振和防噪聲設(shè)計。

預(yù)制裝配式隧道施工技術(shù)與既有隧道建造方式有很大不同，其很大程度上依賴于拼裝裝備，且工藝質(zhì)量與高精度模具、構(gòu)架養(yǎng)護(hù)與運(yùn)輸直接相關(guān)。洞內(nèi)拼裝時，拼裝裝備的適用性、靈活性與信息化程度對于人力投入減少和施工功效提高有很大影響。此外，裝配式結(jié)構(gòu)與圍巖之間間隙采用的注漿工藝、結(jié)構(gòu)防排水工藝、施工過程中的監(jiān)測檢測同樣重要。

研究并推廣鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)可加快加深隧道工程建設(shè)信息化、機(jī)械化應(yīng)用程度。裝配式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、定制化、批量化等特點(diǎn)可更有效的串聯(lián)溝通制造單位、建設(shè)單位、設(shè)計單位施工單位和后期運(yùn)營維保單位，相較于傳統(tǒng)隧道建造工法，其在信息化、機(jī)械化等方面的應(yīng)用具有天然優(yōu)勢［13］。因此，信息化管控技術(shù)也是技術(shù)體系的一個重要組成部分，涵蓋基于BIM的設(shè)計與虛擬建造、構(gòu)件信息的識別與追蹤、構(gòu)件制造過程中的信息化管理以及裝配式隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的全生命周期質(zhì)量追溯。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)體系包括以下4個方面關(guān)鍵技術(shù)：

（1）預(yù)制構(gòu)件設(shè)計選型及標(biāo)準(zhǔn)化。隧道斷面確定后，應(yīng)考慮受力、穩(wěn)定性及限界等進(jìn)行設(shè)計選型，選型時構(gòu)件的劃分應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)受力（靜荷載、動荷載）合理和方便制造與安裝，并應(yīng)著眼于規(guī)模化生產(chǎn)，著重考慮預(yù)制構(gòu)件輕量化和簡統(tǒng)化。

（2）預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化制備。先進(jìn)的模具制作技術(shù)發(fā)展及相對便宜的金屬模具材料是大型構(gòu)件模塊化、批量化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的前提，構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的規(guī)模化，最大程度保證經(jīng)濟(jì)節(jié)約。

（3）預(yù)制構(gòu)件安全快速拼裝。裝配式建造方式可使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工廠化預(yù)制超前或平行于隧道內(nèi)對應(yīng)部位的開挖時機(jī)，理論上可節(jié)約隧道內(nèi)施工線性工序?qū)嵤r間，但快速拼裝的實(shí)現(xiàn)取決于機(jī)械工裝的技術(shù)水平和適用性，研發(fā)靈活、易用、大型化、智能化的機(jī)械工裝是實(shí)現(xiàn)安全快速拼裝的前提。

（4）建造過程中機(jī)械化、信息化深度融合。機(jī)械化、信息化深度融合一方面可進(jìn)一步提高工程建設(shè)質(zhì)量和管理水平，另一方面可極大程度踐行隧道智能建造理念。

2 設(shè)計選型技術(shù)分析框架

掘進(jìn)機(jī)法開挖隧道中，施工機(jī)械決定了斷面的基本形狀，圓形斷面給構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了有利條件。明挖法修建的區(qū)間隧道或地鐵車站，結(jié)構(gòu)斷面一般為矩形結(jié)構(gòu)或拱形結(jié)構(gòu)，得益于工作面空間大，對于構(gòu)件形狀、尺寸的約束較小。鐵路山嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)預(yù)制過程需考慮不同圍巖級別及單雙線線路類型，構(gòu)件之間接頭如何連接，力學(xué)性能如何判定以及如何劃分構(gòu)件，成為設(shè)計選型的技術(shù)難題。

2.1 預(yù)制構(gòu)件接頭力學(xué)性能研究路線

當(dāng)前采用榫槽與螺栓組成復(fù)合連接結(jié)構(gòu)將預(yù)制構(gòu)件結(jié)合在一起，用以提高裝配式結(jié)構(gòu)整體抗彎、抗剪性能已經(jīng)成為工程界的共識。結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接形式有榫槽接［14］與平接頭［15］（盾構(gòu)隧道中管片間的微榫槽可歸結(jié)為平接頭）2種，構(gòu)件之間的連接主要有曲螺栓、斜螺栓和直螺栓3種（見圖2）。預(yù)制構(gòu)件接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)及選型研究的技術(shù)路線見圖3，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同軸力作用下不同接頭型式的抗彎剛度等力學(xué)性能和破壞模式，通過數(shù)值仿真進(jìn)行對應(yīng)分析，一方面印證室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，另一方面增加試驗(yàn)不能考慮的模擬工況，獲取更多數(shù)據(jù)。

圖2 預(yù)制構(gòu)件接頭與螺栓類型

圖3 預(yù)制構(gòu)件接頭力學(xué)性能試驗(yàn)及選型研究技術(shù)路線

張勝龍［14］通過研究不同軸力和彎矩作用下上述各種接頭型式的力學(xué)行為，獲得了各接頭在不同載荷工況下接觸面裂縫、混凝土應(yīng)力、垂向位移和轉(zhuǎn)角的演化過程，指出榫槽接頭受力可靠性優(yōu)于平接頭，曲螺栓對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性保障優(yōu)于直螺栓與斜螺栓，掌握了極限各類接頭極限破壞荷載，揭示了軸力、彎矩和螺栓型式對抗彎剛度的影響規(guī)律，擬合了接頭剛度公式，可為預(yù)制裝配式接頭型式選取和計算提供直接依據(jù)。

2.2 裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計選型技術(shù)框架

裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計選型技術(shù)框架見圖4，分塊時應(yīng)綜合考慮受力、拼裝難度、工程水文地質(zhì)條件、線路和隧道類型，關(guān)鍵分塊位置可按照彎矩最下位置與彎矩最大位置2種方法進(jìn)行，分塊后在軟件中建立“車-巖-隧”耦合動力模型計算結(jié)構(gòu)靜態(tài)受力及動力響應(yīng)，綜合比選，進(jìn)行設(shè)計選型。

圖4 裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計選型技術(shù)框架

常規(guī)分塊位置多采用彎矩最小處劃分［14］，若在彎矩最大位置分塊，預(yù)制襯砌受力將發(fā)生重分布，此時結(jié)構(gòu)變形與軸力會增加，但最大彎矩值會降低，襯砌結(jié)構(gòu)形成新的穩(wěn)定狀態(tài)，關(guān)鍵部位安全系數(shù)有下降趨勢?？紤]到混凝土材料的極限受壓承載力遠(yuǎn)大于極限受拉承載力，且預(yù)制構(gòu)件一般選取高標(biāo)號商用混凝土材料預(yù)制，因此在兼顧整體安全系數(shù)條件下，可進(jìn)行分塊部位綜合比選，分析框架見圖5。

圖5 不同分塊方法分析框架

遵循預(yù)制構(gòu)件接頭力學(xué)性能研究技術(shù)路線及設(shè)計選型技術(shù)框架，結(jié)合工程現(xiàn)狀可進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計選型。針對隧道基底結(jié)構(gòu)，鐵科院集團(tuán)公司依托鄭萬鐵路羅家山隧道橫洞建設(shè)過程開展了設(shè)計與試驗(yàn)驗(yàn)證，分別針對Ⅲ級及Ⅴ級圍巖地段，設(shè)計了分段仰拱及分段中空填充結(jié)構(gòu)（見圖6），構(gòu)件環(huán)向采用螺栓連接，縱向采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線連接（見圖7）。針對拱墻結(jié)構(gòu)，鐵科院集團(tuán)公司依托京沈鐵路重載試車線（國家鐵道試驗(yàn)中心鐵科重載試車線）建設(shè)，在裝配式基底結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首次針對鐵路山嶺隧道拱墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計與實(shí)踐（見圖8），拱墻裝配式構(gòu)件之間采用直螺栓與曲螺栓連接（見圖9）。

圖6 鄭萬鐵路羅家山隧道橫洞隧道底部預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖7 隧道底部預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)環(huán)向及縱向連接

圖8 預(yù)制裝配式鐵路山嶺隧道拱墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 預(yù)制構(gòu)件制備關(guān)鍵技術(shù)

圖9 預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)螺栓連接

預(yù)制構(gòu)件的制備及施工工藝涵蓋構(gòu)件制造、施工過程及質(zhì)量控制（見圖10）。模具設(shè)計制作依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙和配筋圖紙，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)型式、便于澆筑振搗，優(yōu)質(zhì)材料、高精度切割工藝要求、不易變形、利用率高等特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，由于當(dāng)前并無鐵路隧道專用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計、施工和驗(yàn)收方面規(guī)范規(guī)程，因此，可參考GB 50446—2008《盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范》的要求制作。

圖10 預(yù)制構(gòu)件制備及施工工藝涵蓋范圍

預(yù)制構(gòu)件制備場地選用應(yīng)綜合考慮運(yùn)輸條件、噪聲、環(huán)水保、平整度等因素，因地制宜，綠色環(huán)保，最好選用遠(yuǎn)離住宅和辦公的區(qū)域，在考慮生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)工藝匹配條件下，生產(chǎn)場地布置根據(jù)功能進(jìn)行劃分為：混凝土成型區(qū)、鋼筋加工區(qū)、后期養(yǎng)護(hù)區(qū)、存放區(qū)、攪拌站、鍋爐房、配電室等。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件制備全流程見圖11。

圖11 預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件制備全流程

4 施工拼裝工藝

4.1 施工裝備

在相關(guān)工點(diǎn)的試驗(yàn)過程中，鐵科院集團(tuán)公司獨(dú)立開發(fā)了施工裝備，預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)拼裝機(jī)見圖12，預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)拼裝臺車見圖13。預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)拼裝機(jī)主要由車架、行走車輪組、行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)、小車供電、橫移機(jī)構(gòu)、四點(diǎn)起吊三點(diǎn)平衡機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、U型吊具、箱涵件調(diào)整定位機(jī)構(gòu)等組成。該設(shè)備可以將預(yù)制構(gòu)件從運(yùn)輸車吊起，并平移調(diào)整后放到指定安裝位置，最終將構(gòu)件精確安裝于隧道內(nèi)。預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)拼裝臺車由多個油缸、行走裝置、抓取裝置、拉緊裝置、軌道等組成，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的吊裝、抬升、推緊、連接。

圖12 預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)拼裝機(jī)

圖13 預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)拼裝臺車

4.2 拼裝過程

4.2.1 預(yù)制件運(yùn)入

由于預(yù)制件體積較大，占用的行車面積較大，所以預(yù)制件運(yùn)輸車輛在開進(jìn)隧道前應(yīng)確定隧道內(nèi)沒有占路的設(shè)施或車輛，如有交通阻塞，將預(yù)制件運(yùn)輸車?？恳粋?cè)，讓出部分行車空間，及時疏通交通，然后開進(jìn)，保證順利到達(dá)拼裝區(qū)域。

4.2.2 施工放樣

根據(jù)施工進(jìn)度及拼裝質(zhì)量情況，測量工程師分批次對成品預(yù)制件進(jìn)行檢驗(yàn)，同時對即拼裝預(yù)制件進(jìn)行施工放樣。每批次為5～10個，且測量間隔不大于3 d；若多批次預(yù)制件拼裝質(zhì)量較好，則可以適當(dāng)增加每批次預(yù)制件數(shù)量；反之，則應(yīng)增加測量頻率，減少每批次數(shù)量。施工放樣內(nèi)容包含2個方面的內(nèi)容：

（1）成品預(yù)制件的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容包括坡度、高程、里程以及相鄰構(gòu)件間的錯臺及接縫情況；

（2）待拼裝構(gòu)件放樣，包括里程、兩側(cè)邊界、設(shè)計與實(shí)測端面高程等內(nèi)容。

4.2.3 設(shè)備檢查

由機(jī)電工程師組織人員對設(shè)備進(jìn)行檢查，檢查項目包含：

（1）吊機(jī)鋼絲繩是否有損壞現(xiàn)象；

（2）吊機(jī)上的耐磨板是否連接可靠；

（3）吊機(jī)軌道是否暢通，臺車上是否有物品阻擋吊車運(yùn)行；

（4）吊機(jī)的各個功能是否正常。

在設(shè)備檢驗(yàn)完畢，預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)轿缓?，拼裝司機(jī)根據(jù)既定的拼裝方案下達(dá)拼裝指令。

4.2.4 預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝

（1）準(zhǔn)備工作。①預(yù)制件運(yùn)輸?shù)轿?；②現(xiàn)場確定將要吊裝的預(yù)制件型號，檢查外觀質(zhì)量，檢查合格才允許拼裝；③安裝組清理預(yù)安裝位置的垃圾雜物，把將要使用的構(gòu)件連接件和連接螺栓及墊片拿到已安裝結(jié)構(gòu)的最前端。

（2）澆筑精平條帶及拼裝。受開挖爆破控制精度的影響，預(yù)制構(gòu)件的安裝位置若不能保證構(gòu)件精準(zhǔn)拼裝，可采用澆筑精平條帶的方式，在構(gòu)件底部選取合適位置進(jìn)行局部范圍找平或找齊，采用全站儀定點(diǎn)定位，確定高程，設(shè)置精平條帶并養(yǎng)護(hù)。拼裝臺車吊取構(gòu)件，高度調(diào)整完畢后，將構(gòu)件放置于精平條帶上，而后進(jìn)行后續(xù)構(gòu)件的吊裝拼接（見圖14）。

圖14 構(gòu)件拼裝過程

4.3 回填注漿

精平條帶之間應(yīng)注漿，注漿每環(huán)注1次，從在弧板頂部預(yù)留排氣孔排氣，為預(yù)制構(gòu)件密實(shí)且不對構(gòu)架和軌下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。注漿時注漿壓力不宜過大、注漿速率不宜過快、注漿量不宜過大，注漿壓力可控制在0.2 MPa。注漿時需配備流量計，將注漿速率控制在24 L/min以內(nèi)（力求達(dá)到漿液擴(kuò)散速率與漿液注入速率相平衡），當(dāng)注漿量達(dá)到理論值時（最大不超過理論值的1.2倍），應(yīng)停止注漿。同時實(shí)時觀測注漿過程中漿液的流量及壓力變化，如遇流量或壓力驟增驟減的情況，應(yīng)及時調(diào)整漿液凝固時間，做到漿液最佳擴(kuò)散。

4.4 對施工組織的影響

裝配式結(jié)構(gòu)從施工準(zhǔn)備到注漿，1個2 m的循環(huán)完成共需要4～5 h，施工會中斷交通，制約施工前方的機(jī)械進(jìn)出、渣土外運(yùn)、物料運(yùn)輸?shù)?，因此對仰拱拼裝施工時間與高度機(jī)械化配套施工的施工橫通道相結(jié)合，使施工干擾降至最低。根據(jù)不同圍巖級別，對Ⅱ、Ⅲ級圍巖，構(gòu)件拼裝施工安排在掌子面測量到裝藥爆破前這段時間組織施工；對Ⅳ、Ⅴ級圍巖，拼裝安排在掌子面初期支護(hù)、超前支護(hù)這段時間組織施工。

5 信息化技術(shù)應(yīng)用

我國鐵路建造技術(shù)日益先進(jìn)，BIM（Building Infor?mation Modeling）技術(shù)在鐵路建造領(lǐng)域取得階段性成果，BIM技術(shù)促進(jìn)了我國鐵路建造模式的革新和轉(zhuǎn)變［16］。運(yùn)用RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，可解決預(yù)制構(gòu)件在設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場裝配全過程中的質(zhì)量追溯與跟蹤［17］。預(yù)制構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)制備、人機(jī)料財務(wù)管理等離不開企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）。

BIM、RFID技術(shù)與ERP融合系統(tǒng)主要功能框架見圖15。其中BIM可介入規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)制造、建造施工、運(yùn)營為主全過程，在圖紙繪制、施工方案設(shè)計、數(shù)字化建造等方面發(fā)揮重要作用；RFID技術(shù)通過將芯片預(yù)埋入構(gòu)件內(nèi)部，通過專有閱讀器，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造、搬運(yùn)運(yùn)輸、吊裝拼裝全過程的構(gòu)件身份識別、定位、跟蹤，輔助運(yùn)維保障階段備品備件管理和更換；ERP系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)制造、倉儲物流、物資管理、合同管理等。將三者融合可實(shí)現(xiàn)涵蓋預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計、制造、運(yùn)輸、拼裝、質(zhì)量管控全生命周期的信息化管控。此融合系統(tǒng)的開發(fā)可進(jìn)一步提高裝配式建造的技術(shù)水平，并促進(jìn)裝配式建造技術(shù)的推進(jìn)和市場化運(yùn)作。

圖15 BIM、RFID技術(shù)與ERP融合系統(tǒng)主要功能框架

6 面臨的挑戰(zhàn)與解決方案

理論研究在以下2個方面尚需持續(xù)開展研究和實(shí)踐：一是預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)與圍巖耦合協(xié)同受力關(guān)系研究范疇，圍巖荷載持續(xù)作用的特點(diǎn)和荷載大小數(shù)量級均與施工期車輛碾壓荷載和運(yùn)維期列車振動荷載不同，在隧道采用“新奧法”設(shè)計理念條件下，預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)與圍巖耦合作用共同抵御圍巖荷載，結(jié)構(gòu)具體承擔(dān)的荷載值隨時間的作用關(guān)系當(dāng)前研究尚無定論；二是不良地質(zhì)、高能地質(zhì)環(huán)境條件下預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)適用性方面，對于高地震烈度、高地應(yīng)力軟巖、高水壓等地質(zhì)環(huán)境隧道，應(yīng)針對適用性開展專門分析研究與現(xiàn)場試驗(yàn)。

設(shè)計選型方面，由于當(dāng)前尚無標(biāo)準(zhǔn)參考圖，既有研究尚處于試用階段，因此在針對不同線路類型、不同隧道類型分析的基礎(chǔ)上，面向一般地質(zhì)、不良地質(zhì)、高能地質(zhì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參考圖方面的工作刻不容緩，在圖紙繪制過程中，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與適用性，構(gòu)建綠色高效、安全可靠的建造技術(shù)體系。

施工技術(shù)方面，拼裝裝備和原材料的技術(shù)水平和性能有待提升。研發(fā)自動化、實(shí)用性與適用性強(qiáng)的裝配式結(jié)構(gòu)拼裝臺車是保證施工效率的必要手段。由于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件與初支之間存在縫隙或接觸面，因此為保證密貼，需研發(fā)流動性好、早高強(qiáng)、易凝固、價格便宜的注漿回填料。此外，拼裝施工的前序作業(yè)包括地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測、施工準(zhǔn)備、鑿巖、裝藥爆破、通風(fēng)排煙、初噴、出渣、施做初支，上述各項工序依次開展，但隧道建造進(jìn)度推進(jìn)，不可避免地會出現(xiàn)工序沖突問題，各工序之間如何實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)推進(jìn)，是亟須解決的問題。

信息化管控方面，由于當(dāng)前尚無工點(diǎn)開展面向整座長大隧道的現(xiàn)場應(yīng)用，因此涵蓋設(shè)計、制造、施工、物資供應(yīng)等全鏈條的信息化系統(tǒng)尚未得到完全應(yīng)用，預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件工廠化制造離不開信息化系統(tǒng)，智能建造也需要機(jī)械化與信息化的高度融合，因此持續(xù)投入信息化方面的研究和系統(tǒng)開發(fā)，可為將來應(yīng)用提供積累與支撐。

此外，值得說明的是，鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)作為一種新型隧道施工建造方法，當(dāng)前尚無標(biāo)準(zhǔn)化的工程定額規(guī)定，針對建造過程中所必需的模具和拼裝機(jī)械加工制造費(fèi)用以及輔助設(shè)備的購置費(fèi)用尚無標(biāo)準(zhǔn)化計算方法。技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理是該項技術(shù)體系發(fā)展的必要條件，亟須選取一定長度的隧道進(jìn)行工程示范性應(yīng)用，在此過程中積累經(jīng)驗(yàn)，參照工程實(shí)際開銷進(jìn)行工經(jīng)、定額、預(yù)算、投資方面的綜合分析，驗(yàn)證該項技術(shù)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)合理性，并同時形成相應(yīng)的規(guī)范規(guī)程或管理方法，有利于該項技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

7 發(fā)展展望

我國隧道工程建設(shè)如火如荼，近5年來，平均每年新增運(yùn)營鐵路隧道超過1 400 km，相當(dāng)于每天4 km的進(jìn)度。大規(guī)模的隧道工程持續(xù)建設(shè)，有利于發(fā)展預(yù)制裝配式新型建造技術(shù)。

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》發(fā)布近5年來，鐵科院集團(tuán)公司已經(jīng)在京張高鐵清華園隧道、京沈鐵路重載試車線（國家鐵道試驗(yàn)中心鐵科重載試車線）、鄭萬鐵路羅家山隧道橫洞針對預(yù)制裝配式基底結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)研究、試用及實(shí)踐工作，初步形成了涵蓋理論研究、設(shè)計、施工和信息化的技術(shù)體系。相對于基底結(jié)構(gòu)，既有隧道拱墻結(jié)構(gòu)的病害、缺陷問題更加突出，通過采用預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)減少或解決此類問題是一個重要發(fā)展方向，當(dāng)前瑞士等國已經(jīng)開始在暗挖隧道內(nèi)開展此項研究和應(yīng)用?？蛇x取單線礦山法隧道工程進(jìn)行全斷面預(yù)制拼裝試驗(yàn)，結(jié)合工程推進(jìn)，形成涵蓋設(shè)計、施工、機(jī)械工裝、材料、工藝工法等在內(nèi)的技術(shù)體系。

諸如川藏鐵路等復(fù)雜艱險工程，其建設(shè)面臨高海拔低壓、低溫、低氧的氣候條件，高山峽谷復(fù)雜地質(zhì)條件以及人跡罕至的社會條件，使得傳統(tǒng)隧道營造方法及建設(shè)過程相對于低海拔地區(qū)，存在工程場地受限、物流運(yùn)輸困難、材料制備復(fù)雜、人員配置難度高、現(xiàn)場施工難度大、結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)時間長等不利因素。著眼于既有建造技術(shù)在此類線路實(shí)施存在的困難，立足預(yù)制裝配式建造方法標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工、智能化管理及專業(yè)化協(xié)同的特點(diǎn)，滿足綠色施工的節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水和環(huán)保要求，研究實(shí)踐推廣預(yù)制裝配式新型建造方法，是一種縮短建設(shè)工期、降低建設(shè)難度和建設(shè)成本的解決思路。

隧道智能建造技術(shù)作為我國“智能鐵路”的一個重要組成部分，代表了未來隧道修建技術(shù)的發(fā)展方向。預(yù)制裝配式建造方法可在建造理念、設(shè)計方法、施工設(shè)備以及施工管理水平等方面與現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)以及人工智能技術(shù)深度融合，其綠色、智能、標(biāo)準(zhǔn)化管理、智能化施工等優(yōu)勢對于促進(jìn)鐵路隧道智能建造技術(shù)發(fā)展大有裨益。因此構(gòu)建基于預(yù)制裝配式建造技術(shù)的智能建造技術(shù)體系，是隧道智能建造領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。