大斷面裝配式下穿隧道施工關鍵技術研究

張長春

(中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201399)

1 引言

下穿隧道作為一種有效改造城市道路的立體交通形式，對施工工期要求非常嚴格，必須實現其施工與通行的快速化，以減少對城市生活的干擾和環境污染。但現階段我國大部分城市下穿隧道仍采用整體現澆的施工方法，存在工期長、現澆混凝土質量不易控制、交通疏解難度大、環境污染嚴重等弊病，無法滿足快速施工和綠色建造的要求[1]。而采用裝配式下穿隧道，通過在工廠內批量預制隧道框架環，再將其運至施工現場進行吊裝拼接的裝配式施工方法，既提高了施工效率，又保證了工程質量，還具有道路干擾時間短、環境污染小等優點。因此，裝配式技術近年來受到國家的高度重視，不斷出臺政策提升建設工程的預制率和裝配率，推廣適合工業化生產的預制裝配式混凝土建筑體系，以提高我國建筑工業化技術的集成水平，促進建筑業轉型升級[2-4]。

目前，在建筑、鐵路、橋梁等以現澆施工為主導的領域，都逐漸形成了標準預制構件的裝配式施工。小到樓蓋板、樓梯、鐵路軌道板、地鐵管片；大到混凝土箱梁、磁浮軌道梁、城軌U型梁、涵洞框構等，裝配式混凝土構件的應用范圍不斷擴大[5-8]，并在基礎理論、研究方法及工程實踐上均獲得較為豐富的成果。日本曾在仙臺市地下鐵道工程中采用了預制雙跨箱型結構，整個結構分成頂板、底板、兩側壁及中柱等5個預制構件，解決了構件的斷面劃分和輕量化問題，使構件便于運輸和吊裝[9]。但是對于市政預制下穿隧道工程，目前國內外在相關設計理論、生產工藝、施工經驗等方面還都十分欠缺[10]。僅有廈門疏港路下穿隧道采用了單、雙倉標準段的預制拼裝工藝，成功解決了既有交通狀況無法滿足大體量混凝土連續澆筑的難題[11]。對于大斷面裝配式下穿隧道，采用整體式斷面，雖易于保證防水質量，結構可靠性高且施工便捷，但存在吊裝重量大、施工危險系數高、運輸和現場吊裝作業難度大等問題。而由多節段拼裝成型的大斷面預制隧道框架環，雖降低了運輸、吊裝難度，但拼縫接頭較多，工序繁瑣，且難以保證接縫強度和防水耐久性，隧道漏水概率增大[12]。

因此，本文結合成都市磨子橋裝配式下穿隧道示范工程，提出一種有效解決大斷面裝配式下穿隧道施工難題的雙節段拼裝施工方法。此方法將單塊隧道框架環在豎向拆分為“W”型與“M”型兩節段相疊加的基本結構(見圖1)，且上、下節段結構尺寸完全相同，以便于長線法標準化生產。隧道框架環的水平接縫只位于豎墻中部，節段分塊少，降低了現場吊裝施工要求和構筑難度，施工穩定性好。同時通過優化接頭構造和防水措施，以及施加預應力改善結構受力性能，使防水層具有較好的整體密封性。首先，接頭處通過采用夾板式機械連接接頭技術，并配合預埋小鋼箱，使結構斷縫處滿足抗剪、抗拉、抗震要求；其次，根據預制構件的特點，除提高結構自身的抗滲性能外，分別采用環氧樹脂、止水膠條、壓漿、預應力預壓等綜合技術，對可能存在漏水隱患的接縫接頭、預留孔道、螺栓孔等進行全面封堵，并結合結構的受力特點，系統構建了預制構件環向縫和水平縫的多重防水體系。經工程實踐驗證，該方法增強了構件拼裝節點的剛度、強度和抗變形能力，并使防水體系能較好地滿足使用功能，進而保證了拼裝隧道的安全性和使用壽命。

圖1 框架環拆分

2 裝配段結構布置

2.1 預制框架環節段構造

本工程裝配式拼裝段全長130.6 m，每1.5 m為一個預制框架環，共87環。框架環斷面寬度22.3 m，每個預制框架環由中部拆分為上、下兩預制節段(單個節段122.5 t)，如圖1所示。單塊節段高度4.2 m，易于吊裝，并滿足城市橋涵限界需求。每14或15節預制框架環通過張拉形成一個整體孔段，共計6個整體孔段，其中14和15節各3段，分別以21 m和22.5 m交替布置，并在各孔段間設置2 cm沉降縫。節段端面設置兩道止水條預留槽以及便于環間對正的陰陽榫齒，并分別在節段上預留豎向和縱向預應力孔道。

2.2 施工優化措施

(1)防水及耐久性

節段拼合前，在接縫面均勻涂刷3 mm厚環氧樹脂粘膠，通過帶膠作業，封閉接縫處一定范圍的毛細孔，增強接縫處的抗滲能力；通過環氧砂漿封閉層、遇水膨脹止水條和膨脹橡膠墊圈，增強接縫處的防水性能；通過預應力對環氧樹脂及遇水膨脹止水條產生擠壓作用，增強結構的防水耐久性。

(2)受力性能

基于廈門疏港路拼裝接縫所采用“涂抹環氧樹脂+預埋鋼板焊接”方案，本施工方法在豎向節段拼接成環階段，通過張拉豎向精軋螺紋鋼，增強水平接縫的壓應力以克服豎墻彎矩產生的拉應力，同時為環氧樹脂膠提供緊固壓力；在縱向多環頂推成孔階段，通過環間預應力鋼絞線增加孔段的整體性，并為截面提供永存壓應力和緊固壓力；水平接縫處設置抗剪鋼箱及鋼夾板，保證接縫的連接剛度(見圖2)；節段水平接縫的豎墻內外側面均預埋20 mm厚的A3鋼板，尺寸為1 500 mm×470 mm×20 mm，鋼板與受力主筋焊接牢固，并預埋對穿M30普通螺桿，一個接縫螺栓根數為24根；豎向精軋螺紋鋼筋張拉后，采用A級鋼板專用膠粘接Q345A鋼板于預埋鋼板外側，并利用預埋螺栓帶膠緊固，如圖3所示。

圖2 框架環構造(單位：cm)

圖3 水平接縫構筑措施(單位：cm)

3 預制節段裝配

對于預制構件在坑道內狹小空間的姿態調整問題，在拼裝階段開發了節段姿態調整成套技術，通過精調軌道系統的精度，不但可滿足構件的安裝精度，還大大節約了構件的安裝調整時間。如圖4所示，首先在基底縱向設置6條鋼軌，分別對應預制構件的兩側墻及中墻，然后在W節段對應鋼軌的位置設置3塊預埋鋼板，使得施工中可通過調整鋼軌的標高及位置，實現預制構件的精確對位，同時利用雙鋼軌滑道系統有效減小摩阻力，并配合石墨粉減小W節段水平及縱向調整阻力，方便構件快速移動及精準定位，有效解決W節段在坑道內的姿態調整問題。

圖4 基底鋼軌支撐(單位：cm)

3.1 組裝成環

(1)基底鋼軌:在底板下三道豎墻下方位置，按設計挖出三排條形混凝土基礎，長度約132 m；設置預埋板，并安裝三組鋼軌，用于承載預制框架。

(2)就位W節段:當W節段下落至距離軌道2 cm時由龍門吊操控緩慢移動，將首個W節段對正預設位置下落就位。在其豎墻上端的夾板螺栓處安裝對位模具以提高組裝效率；插入抗剪鋼箱，并在節段底板上安裝和固定精軋螺紋鋼連接器，如圖5所示。

(3)吊裝M節段:構件合攏前，連接上部預應力精軋螺紋鋼，并安裝縱向兩道遇水膨脹止水條，同時在螺栓孔和螺帽間安裝遇水膨脹橡膠墊圈；對正下落M節段后測量節段三豎墻的標高及水平接縫的空隙，符合要求后提起M節段；在其接縫面涂刷環氧樹脂膠；在水平縫內外側鋼板上用微膨脹環氧混凝土找平預留槽，起到防水及防鋼板腐蝕的作用。

圖5 水平接縫細部構造

(4)豎向張拉:吊裝M節段精確對位后穿入精軋螺紋鋼，利用設計中預留的螺栓孔道，有效限制M塊拼裝時的擺動，可實現上、下兩節段的快速精確定位；待接縫環氧樹脂膠達到設計強度后進行豎向預應力張拉和孔道壓漿封錨。

(5)安裝夾板:張拉完成后，粘接Q345A鋼板于預埋鋼板外側，并利用預埋對穿螺栓帶膠緊固；安裝完畢后用環氧混凝土封閉鋼板，并在鋼板與環氧混凝土封閉層之間平焊短鋼筋，壓環氧砂漿填充縫隙，如圖3所示。

3.2 張拉成孔

(1)臨時張拉:拼接第2段預制框架環，在節段端面預留止水條槽內粘貼遇水膨脹止水條，并在涂刷環氧樹脂膠后頂推靠攏，直至相鄰兩環間的陰陽榫齒準確扣合；分別從內外對環間兩道止水條的空隙澆筑同標號的灌漿料并填實，以克服因預制精度局部不足而造成的環向縫隙偏大及壓漿不密實問題，增強止水效果；壓漿完成后在縱向預留孔道內穿入精軋螺紋鋼，施加臨時縱向預應力。

(2)節段推移:后序節段安裝時以首個框架環定位，如圖6所示。在吊耳和支座上安裝D32 mm精軋螺紋鋼筋及配套墊板、螺母，將首節段與現澆段連接固定；按照拼裝順序，依次按同樣方式拼裝其他節段成環，并頂推調整到位、臨時張拉；成環節段向前移動前，在預留的縱向張拉孔內插入直徑60 mm的鋼棒作為導向鋼棒，同時在M節段的頂面吊耳上連接精軋螺紋鋼，配置限位螺母，防止節段移動過程中前后傾倒；后續距離較遠的節段不適合穿鋼棒，可在中部夾板螺栓及底板張拉孔上固定撐桿，與安裝在鋼軌上的夾軌支座連接后形成三角支撐，防止傾倒，如圖7所示。

圖6 首環固定示意

圖7 成環節段的頂推組裝

(3)縱向張拉:在W節段兩側墻下部及中部縱向張拉孔中穿入三根精軋螺紋鋼，在節段后端用螺母固定；后續節段通過連接器接長精軋螺紋鋼，并在首節段前端穿出后，安裝三臺穿心千斤頂；從第二大段開始(前一大段已用鋼絞線張拉封錨，精軋螺紋鋼無法繼續連接)，需將端頭節與前一節段用精軋螺紋鋼連接雙方吊耳進行固定，再從張拉孔洞中穿精軋螺紋鋼，并在端頭預留槽口中安裝錨固螺母，并將穿心千斤頂改在節段后端穿出的精軋螺紋鋼上安裝。為減少推進時的摩擦阻力，吊放W節段時需將底面鋼板打磨光整、棱邊倒圓，并在軌面上涂抹石墨粉。

待整孔節段安裝就位完成后，在縱向預留孔道內導入環間預應力鋼絞線；張拉永久預應力鋼束，完畢后進行縱向管道壓漿；最后安裝下一孔段，處理沉降縫，并對已完成孔段進行底部灌漿，外包防水。

3.3 沉降縫

沉降縫迎水面設置紫銅片止水帶，底板和側墻采用預留燕尾槽的方式預留止水帶安裝孔，頂板采用預留槽設置后澆帶，在結構背水面設置背貼式可注漿橡膠止水帶，內周設置后澆帶預留槽，并預埋鋼板及螺栓，將橡膠止水帶固定，如圖8所示。

圖8 沉降縫防水設置(單位：cm)

4 結論

本文結合大斷面裝配式下穿隧道的工程實踐，在滿足城市運輸限界的前提下，選擇合理的大斷面預制構件分塊形式，并對構件連接和防水構造進行優化。首先，采取環氧樹脂膠、遇水膨脹止水條、環氧砂漿封閉層及膨脹橡膠墊圈等措施增加接縫的防水及耐久性；其次，通過設置豎向和縱向預應力，改善拼接結構的受力性能，并增設抗剪鋼箱、栓接鋼夾板、粘接鋼板、預埋對穿螺栓使結構接縫處受力更加可靠，施工時可實現目視直觀判定構件間的連接可靠性。實施效果表明，該施工技術簡單快捷、安全可靠，有效減少了現場濕作業和對周邊環境的影響，是一種能較好滿足全預制下穿隧道防水要求的綠色施工技術。