全預制軌下結構拼裝綠色施工技術研究

苗孔杰

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250014)

1 引言

近年來，地上可用空間隨著城市化發展在不斷減少，而迫于人口密度、汽車數量不斷增加的巨大壓力，地下空間開發力度也隨之增大。在此背景下，盾構法因具有環保、掘進速度快、對圍巖擾動小的優點，故而大直徑長距離盾構隧道在城市快速路建設中得到了大量的應用[1]。當前國內外大直徑盾構隧道內部多采取雙層車道結構形式，以現澆施工工藝為主。傳統的施工工藝效率低、能耗高、對環境污染大，同時受限于盾構隧道有限的施工空間及現場工人素質，現澆施工質量難以保證。為解決這一系列問題，盾構隧道內部結構開始走向預制化、工業化的道路[2]。

當前構件預制化在很多國家都作為發展技術的一個重要指標，同時，預制化作業也是施工工廠化技術發展的必然趨向，是提升工程質量和修建進度、減少資源消耗的主要措施[3]。

同時，在經濟、技術效益上，預制技術所體現的優勢也相當明顯，工期大幅度縮短及結構的質量指標，如強度、耐久性以及防腐蝕、防水等性能也得到了保證和提高，現澆混凝土的諸多問題也得以消除。由此可見，預制施工技術水平的提高，為施工的標準化、模式化提供了條件，特別是在隧道或其它地下結構工程中施工環境方面獲得了長足的改善；降低施工成本，契合國家對現代綠色環保施工的政策導向[4]。

目前，國內大直徑盾構隧道多以公路隧道為主，隧道內部結構單、雙層皆有。上海復興東路越江隧道為雙層隧道，采用上部預制板安裝后下層現澆的施工技術[5]。杭州錢江隧道盾構段采用先安裝中部口型預制構件，后現澆邊側牛腿及邊側行車道板的施工技術[6]。揚州瘦西湖隧道設計了一種雙層臺車，在不干擾隧道內運輸的前提下進行行車道板的安裝及立柱現澆[7]。南江緯三路過江盾構隧道采用了大量的預制構件，但結構內立柱依然為現澆結構[8-9]。而在軌道交通方面，長春地鐵2號線袁家店車站是國內第一座預制裝配式地鐵車站的試驗站，開拓了預制施工在軌道交通領域的應用[10]。其它地下工程施工，預制拼裝技術亦有所涉獵，如十堰市地下綜合管廊采用了墻板分離預制拼裝施工工藝[11]。

綜上所述，由于每條隧道都有各自的獨特性，隧道內部軌下結構施工方式也各不相同，以全部現澆施工或者部分預制、部分現澆施工為主。目前在國內軌下結構全預制拼裝的施工方法尚屬空白。本文以新建京張鐵路清華園隧道盾構段為例，介紹一種鐵路大直徑盾構隧道軌下結構全預制的綠色快速施工技術。

2 工程概況及方案研究

2.1 工程施工環境

清華園隧道為新建京張高鐵控制性重點工程，位于北京市海淀區，正線全長6.02 km，并行地鐵13號線，穿越4處地鐵、7處主要城市道路及88條重要市政管線，是國內目前穿越地層最復雜、穿越重要建(構)筑物最多的鐵路單洞雙線大直徑盾構高風險隧道。

2.2 工程特點

(1)環境復雜，環保要求高。地處城市核心區，周邊居民、高校密集，施工環境與郊區、野外差異很大，特別是環保要求日益提高，對施工組織、物料運輸、夜間施工、設備運轉等造成了極大制約，嚴重影響施工組織。

(2)風險密集，控制要求高。隧道全線側穿地鐵13號線，穿越10號線、15號線、12號線(在建)，下穿學院南路、北三環、知春路、北四環、成府路、清華東路等，并下穿73條主要管線，風險源密集，對施工控制提出了極為苛刻的要求。

(3)工期緊張，場地不滿足。為保證節點工期，在如此復雜的條件下，盾構每個月平均掘進進度指標為280 m，在同類工程中前所未有。

2.3 方案研究

在清華園隧道施工過程中，首次采用機械化程度高、施工速度快的軌下結構全預制拼裝的施工方法進行施工。

采用構件全預制的施工方案，機械化程度高，現場施工無需周轉材料，減少了施工占地，成功解決了因施工環境復雜導致的對施工組織、物料運輸等的極大制約。同時，因采用構件全預制的方案，避免了洞內交叉施工，減少了施工對交通及環境的影響，實現了綠色、低碳、環保的施工目標。

預制構件采用工廠化生產、現場拼裝，因此避免了商品混凝土發運、環保政策及天氣情況等因素導致無法施工的問題，在很大程度上解決了施工工期緊張、場地不滿足的施工難題。

3 施工技術

(1)軌下結構

清華園隧道盾構段為單洞雙線隧道，全長4 448.5 m，隧道管片外徑12.2 m、內徑11.1 m，管片環寬2 m，壁厚0.55 m，按6+2+1模式進行拼裝。為加快施工進度，清華園隧道軌下架構采取中間預制“口”字件(中箱涵)+兩側預制邊箱涵的結構形式，實現軌下結構全預制拼裝施工。中箱涵之間、中箱涵與邊箱涵之間均采用螺栓連接，每隔100 m設置一個緊急疏散樓梯，同時設置通風口。疏散樓梯及通風口處均為異型箱涵。

清華園隧道全預制軌下結構為全國首創，即采用3塊獨立箱涵拼裝形式(2塊邊箱涵和1塊中箱涵，見圖1)，中箱涵隨盾構機掘進利用盾構機自帶箱涵拼裝機施工，邊箱涵由特制邊箱涵拼裝機進行拼裝，滯后于中箱涵，位于盾構機四號臺車尾部。

中箱涵用作救援通道，邊箱涵用作通風風道及設備管廊。箱涵均采用C40混凝土預制，縱向長度均為1 980 mm。預制箱涵使用M24螺栓機械連接，箱涵同管片襯砌間具有30 mm空隙，待安裝完畢后用水泥基灌漿料填充。

圖1 隧道內部軌下結構(單位：mm)

(2)施工步驟

大直徑盾構隧道軌下結構全預制施工技術主要包括三個階段，分別為中箱涵的運輸及拼裝、邊箱涵的運輸及拼裝、水泥基灌漿料填充空隙。

中箱涵的運輸及拼裝與以往的盾構隧道施工技術相近。首先，利用已拼裝完成的中箱涵形成的運輸通道，將中箱涵運輸至盾構機尾部，再利用盾構后配套設施中的起吊安裝一體化設備(見圖2)將中箱涵拼裝到位。

圖2 隧道預制中箱涵拼裝

邊箱涵的運輸及拼裝主要步驟：首先，利用中箱涵形成的運輸通道，將待安裝的邊箱涵運至拼裝臺車處；然后，利用拼裝臺車的起吊機構(見圖3)，將邊箱涵從運輸車進行垂直起吊，待起吊完畢后，開啟橫向移動裝置將邊箱涵平移至所要安裝的邊箱涵側，隨后將邊箱涵降至安裝位置(見圖4)。此時，邊箱涵可進行同中箱涵及管片間的螺栓連接工作，而拼裝臺車同步進行另一側邊箱涵的吊裝工作。

圖3 邊箱涵拼裝臺車

圖4 軌下預制邊箱涵拼裝

在各預制構件與盾構管片之間以螺栓形式完成連接后，方可進行注漿，遵從“先底部、再中部、最后上部”的注漿順序，嚴格控制注漿壓力，防止箱涵上浮，使隧道軌下結構成為一個整體。

4 實施效果分析

(1)綜合對比

武漢地鐵八號線黃埔路站-徐家棚站越江區間[12]與清華園隧道同屬于單洞雙線盾構隧道，但其使用的是部分預制的施工方法，與清華園隧道盾構區間相比，箱涵采用預制施工，但后續的邊跨結構及中隔墻采用整體式現澆施工。清華園盾構區間則采用邊箱涵拼裝機進行軌下邊跨結構的預制施工，平均3人5 min可拼裝完成一塊邊箱涵，極大提高了盾構隧道內軌下結構施工速度，縮短了工期。同時與黃浦路-徐家棚盾構區間的現澆邊跨結構相比，構件質量更高、價格更低。

(2)全預制施工技術優勢

該施工方法機械化程度高、施工速度快，預制構件運至現場即可利用機械進行拼裝，大大提高了工人的工作效率和機械使用效率。

預制件工廠化生產可實現構件的標準化，且對其做好防護措施后不受自然環境影響，可以充分保證預制件質量，實現批量化生產。統一生產的標準性和規范性確保了預制構件幾何形狀精度，大大提高了混凝土結構的美觀性，同時也確保了現場施工的質量和效率，降低了損耗，達到節約工期及材料的目的；構件生產采用定型鋼模板，可多次重復使用，節約了模板材料投入。

現場施工無需周轉材料，不需占用大量材料堆場，減少施工占地，節約土地，有效降低了盾構隧道的建設成本。

廠制構件，養護水循環利用，減少了現澆混凝土養護時水資源浪費，節約用水，且養護質量容易控制。

全預制施工不僅避免了洞內交叉施工影響，還減小了施工對交通及環境的影響，節能環保，實現了綠色、低碳、環保的施工目標。

工廠化生產、現場拼裝，除后續砂漿灌封外，無現場混凝土澆筑，避免了受商品混凝土發運、環保政策及天氣情況等因素影響無法施工的問題。

(3)臺車優點

邊箱涵拼裝臺車由于采用橡膠大直徑輪胎行走輪系，承載能力大、運行平穩、環境適應性強；拼裝機行走輪系具有轉向功能，能夠適用于隧道彎曲施工環境；拼裝機前輪設計有側向定位裝置，能夠確保拼裝機位置保持在隧道中心。

拼裝機配備四套由變頻+PLC控制的電動葫蘆，采用四點起吊三點平衡原理，能夠確保邊箱涵在吊運過程中保持平穩精準。

車架由型鋼構成，具有良好的強度和抗扭性能。邊箱涵吊具采用專用的U型吊具，且設置有距離檢測裝置、定位和夾緊裝置及彈性緩沖材料，能夠確保U型吊具在吊裝時安全穩定不被破壞；吊具具有±90°的回轉功能，可實現箱涵件安裝定位時的角度位置精調。

拼裝機設置有安全限位系統和超載保護系統，能夠確保在安全、可靠、方便、快速的情況下實現隧道邊箱涵件的拼裝(見圖5～圖6)。

圖5 邊箱涵拼裝臺車正面結構

圖6 邊箱涵拼裝臺車側面結構

5 結束語

通過對軌下結構全預制拼裝施工方法的分析，并與部分預制工法對比得出結論：該施工方法在工期、經濟性等方面具有明顯優勢，施工靈活性高、適應性強、工序循環時間短、可避免多次物資倒運，使用效果良好，相比現澆施工能大大縮短施工工期。本方法施工進度快、占用井下空間小、節省人工及材料成本，保證了施工進度及安全要求，環保效果顯著，具有很好的經濟效益和社會效益，建議推廣應用。