地鐵礦山法隧道裝配式二次襯砌配套拼裝需求條件研究

張金偉， 羅富榮， 楊斌斌， 王 寧， 徐 騫

(1. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300133； 2. 北京市軌道交通建設管理有限公司， 北京 100000；3. 北京城市快軌建設管理有限公司， 北京 100000)

0 引言

礦山法隧道二次襯砌結構采用預制構件進行生產及安裝，能夠充分發揮工廠化、模具化、機械化、標準化的優勢。與全現澆建造方式相比，該方法既能降低現場原材料耗費，減少勞動力需求，提高生產工業化，又能通過預制構件保證混凝土的澆筑質量，減少運輸資源占用，降低環境和噪聲污染，優勢相當明顯。因此一套成熟可靠的配套拼裝技術則是裝配式隧道不可或缺的組成部分。

相關文獻對預制拼裝技術、工藝及預制結構力學特性等進行了一些研究。如： 宋丹等[1]結合盾構礦山法施工工藝及土壓平衡盾構管片拼裝原理，闡述了暗挖隧道裝配式管片拼裝在施工中需重點解決的關鍵技術，并介紹了配套的拼裝設備結構組成及功能特點； 占有志[2]結合某地鐵暗挖隧道工程的馬蹄形管片拼裝施工，對暗挖隧道裝配式二次襯砌結構施工工藝進行了介紹； 文獻[3]提供了一種地鐵暗挖區間正線裝配式二次襯砌的施工方法，提高了暗挖隧道二次襯砌的機械化水平與施工工效； 江帥等[4]對裝配式管片拼裝設備的組成、功能進行了簡述，對新型裝配式襯砌施工技術及其配套設備的特點進行了總結； 時亞昕[5]針對部分預制技術的研究，以長大鐵路隧道為對象，對其仰拱及鋪底采用干硬性混凝土和鋼筋混凝土預制板組合結構施工的力學特性和施工方法進行了試驗研究； 賈永剛[6]對接頭力學特性和襯砌片背后填充注漿不密實情況下的幾種工況進行了數值模擬力學分析； 陳敬軍[7]對礦山法施工的鐵路裝配式襯砌隧道進行了計算分析，提出了隧道斷面型式和構件劃分方案； 董林偉[8]以北京地鐵6號線起點—金安橋區間的裝配式工程為依托，進行了裝配式暗挖區間管片接縫室內及現場防水試驗研究，為管片拼裝參數提供了依據； 嚴義招[9]確定了適合于鐵路雙線山嶺隧道裝配式襯砌的斷面形式、全預制構件劃分方案、結構厚度和拼裝方式等，分析了襯砌結構的受力特性； 張勝龍等[10]分析了單線鐵路隧道不同圍巖條件下整體襯砌內力特征和不同接頭剛度條件下接頭處的受力和變形，提出了襯砌接頭剛度應不小于230 MN·m/rad； 林志等[11]針對鉆爆法公路隧道的裝配式襯砌結構構造設計、襯砌類型選擇、分塊設計以及接頭轉動剛度等進行了研究，提出裝配式襯砌結構新型式，采用梁-彈簧模型對結構的厚度、接頭剛度進行模擬，分析了變形和內力分布的特征； 郇星超[12]介紹了公路隧道力學計算模型，提出了合理的裝配式襯砌厚度、構件劃分方案，研究了襯砌結構的變形和內力的變化規律。

綜上，文獻[1-4]從施工角度，重點闡述拼裝施工的關鍵技術和具體方法、工藝等； 文獻[5-12]通過數值分析和試驗研究等手段，對鐵路或公路隧道進行了預制結構的力學特性和結構斷面型式等研究。而這些參考文獻均未就地鐵礦山法隧道裝配式二次襯砌的配套拼裝需求條件進行闡釋和分析，本文以礦山法隧道裝配式襯砌環結構條件為基礎，分析其設計參數及特點，并結合拼裝機工法工藝流程，提出撐靴式拼裝機和機械手式拼裝機，重點探討拼裝機的設計和施工需求條件，并通過試驗應用，驗證其使用效果。

1 拼裝機工法簡介

所述拼裝機工法，是指在采用傳統工法開挖和初期支護施工完成后，將拼裝設備下井、組裝，在已經完成的初期支護結構保護下，拼裝預制混凝土襯砌環片，最終形成隧道結構的一種半機械化施工方法。其施工工藝流程主要為： 隧底施作定位導臺—拼裝機分塊下井、組裝—襯砌片運輸—襯砌片吊裝、拼裝、豆礫石運輸—空隙吹填豆礫石—空隙充填注漿—拼裝完成至設備接收、轉場。拼裝機工法施工現場如圖1所示。具體工藝可參考文獻[2]，本文不再詳述。

2 地鐵礦山法隧道裝配式襯砌環結構條件

目前，地鐵暗挖區間基本采用盾構法和礦山法。就可能出現的建(構)筑物沉降、變形、坍塌而言，礦山法并不一定遜色于盾構法。而且礦山法施工靈活，不受兩端車站限制，并適應于多種地層條件。本次研究基于地鐵礦山法隧道，即采用常規開挖和支護手段，初期支護施工完成后拼裝二次襯砌，隧道仍采用初期支護+二次襯砌的復合式襯砌結構，不改變原有施工總體工序。研究認為礦山法隧道二次襯砌結構采用全部預制構件進行生產及安裝可行，礦山法隧道裝配式二次襯砌采用馬蹄形斷面型式，鋼筋混凝土平板型式襯砌片，襯砌片厚度為300 mm或350 mm，分6塊，全部預制，錯縫拼接，環寬為1 200 mm，襯砌片采用螺栓連接，根據拼裝機設計原理(是否能夠提供對襯砌片的持續縱向擠壓力)的不同可采用彎螺栓或者直螺栓。本次研究將這些研究成果作為輸入條件。襯砌環結構橫斷面如圖2所示。

(a) 拼裝機分塊下井

(b) 襯砌片拼裝

(c) 螺栓緊固

(d) 吹填豆礫石

圖2 襯砌環結構橫斷面圖

襯砌環結構主要設計參數見表1。

表1 襯砌環結構主要設計參數

3 配套拼裝技術需求條件分析

襯砌片拼裝應立足于機械化、標準化，拼裝設備應具備先進、精確的定位和導向系統。 同時，盡量避免采用二次襯砌澆筑、預埋等方式定位，必須采用時也僅作為輔助定位。襯砌片拼裝機設計應結合礦山法隧道開挖多采用豎井和橫通道方式的特點，具備分體下井再組裝的功能，具有便捷的步進系統，能夠完成拼裝及行進動作，拼裝結束可靈活轉場至其他區間實現快速組裝和拼裝，并且具備適合大多數線路平、縱曲線條件的能力。針對前述襯砌環結構設計參數，分別研究與其對應的拼裝機設計和施工需求條件。

1)馬蹄形帶仰拱斷面結構，給管片的運輸、存放、拼裝造成一定困難，設備制造需要綜合考慮運輸、抓取、起吊、平移、翻轉、拼裝整體穩定等問題。同時，仰拱塊定位可選擇隧底預鋪豆礫石或隧底設平臺2種不同方案。仰拱塊定位方案如圖3所示。

2)初期支護與二次襯砌間應預留一定的空隙，滿足拼裝機的要求，該空隙可取80～100 mm，空隙內吹填豆礫石并灌注水泥漿充填。

(a) 仰拱預鋪豆礫石

(b) 隧底設平臺

3)襯砌片采用全部預制，鋼筋混凝土平板型式，錯縫拼接，環寬為1 200 mm，襯砌片厚度為300 mm或350 mm，分6塊，最大分塊質量接近4 t。拼裝機抓取、起吊等應予以考慮。封頂塊采用徑向插入1/2襯砌環寬度后縱向插入方式。

4)根據拼裝機是否能夠提供持續的縱向擠壓力，襯砌片可采用彎螺栓或者直螺栓連接。

經研究篩選，目前符合地鐵礦山法區間裝配式二次襯砌施工需求的拼裝配套設備主要包括撐靴式拼裝機和機械手式拼裝機。

3.1 撐靴式拼裝機需求條件研究

3.1.1 撐靴式拼裝機簡介

撐靴式拼裝機由撐靴組、滾輪、推進油缸、拼裝機、吊機、注豆礫石系統、注漿系統、液壓電控系統等部件組成。 撐靴式拼裝機示意如圖4所示。通過撐靴移步換位，設備行進便捷，也可持續提供管片的預緊力。

圖4 撐靴式拼裝機示意圖

撐靴式拼裝機特點明顯，不僅可實現分塊下井及井下組裝，還可實現正、反向拼裝2種模式。撐靴密貼在初期支護結構面上，需保證初期支護結構面的平整。設備的步進與襯砌環的定位均以導臺為基準，襯砌片底部直接作用在導臺上，接觸面積大，襯砌片承壓小，支撐穩定可靠，拼裝工序簡單，效率較高。撐靴作用于初期支護面而產生摩擦力，從而提供管片拼裝的持續擠壓力。充填豆礫石時，可從底部平臺兩側注入，使襯砌片底部充填密實。其主要不足為，設備用鋼量偏大，偏笨重，靈活機動性欠佳。

3.1.2 撐靴式拼裝機需求條件

撐靴裝置支承在隧道初期支護上，靠撐靴與初期支護之間產生的摩擦力來提供持續擠壓力。其設計要點為，在持續擠壓力的條件下，隧道初期支護結構仍能正常使用而不破壞。分別建立地層-結構模型和荷載-結構模型計算分析，主要計算結果如表2和表3所示。

表2 初期支護厚250 mm時控制截面內力及配筋表

表3 初期支護厚300 mm時控制截面內力及配筋表

通過以上計算可知，為保證初期支護結構能夠正常受力，并留有一定的安全度，撐靴荷載可按100～150 kN/m取值。為驗證初期支護的承載力，在施工現場選取隧道拱部，并進行擠壓試驗。現場隧道拱部擠壓試驗場景如圖5所示。在加載至500 kPa時仍未監測到結構的明顯變形，驗證初期支護結構最大承載力取150 kPa時能夠滿足結構安全的要求，可作為設備撐靴反力的設計依據。同時，需要通過調整撐靴與初期支護的接觸面積來滿足初期支護結構和襯砌片預緊力的雙重要求。

(a) 吊裝加載構件

(b) 擠壓加載試驗實況

3.2 機械手式拼裝機需求條件研究

3.2.1 機械手式拼裝機簡介

機械手式拼裝機由行走設備、連接梁、大臂、拼裝機、豆礫石泵、拖車等部件組成。機械手式拼裝機示意如圖6所示。行走設備為主動式履帶機，可根據需要行走步進。大臂在升降油缸及行走設備的作用下，可上下、左右擺動，拼裝機在伸縮油缸的作用下可前后滑移。注漿臺車有獨立驅動單元，可根據實際注漿的作業需要自行前后移動。

圖6 機械手式拼裝機示意圖

機械手式拼裝機因具有獨立行走設備，對隧道初期支護結構內表面要求較不嚴格，機動性較好，拼裝施工快捷。同時設備功能較齊全、結構較簡單、用鋼量不大、生產成本較低。但其顯著特點是不能提供襯砌片的縱向擠壓力，襯砌環只能通過螺栓連接實現壓緊，且只能進行單方向的拼裝作業。

3.2.2 機械手式拼裝機需求條件

較之撐靴式拼裝機，機械手式拼裝機設計原理較為簡單。考慮到其不能對襯砌片提供持續的縱向擠壓力，則需要通過直螺栓預緊的方式滿足襯砌片的壓緊需求。因此，機械手式拼裝機實現的條件為： 螺栓預緊能夠滿足管片擠壓和防水的要求。

根據中國礦業大學的隧道防水膠條性能試驗數據[8]，隧道環間防水密封需提供的最小單位擠壓力為17.3 kN/m。針對300 mm厚的襯砌片，認為環間襯砌片接觸面上任意一點的壓力達到57.67 kN/m2時，即達到防水密封狀態的要求。通過建立三維荷載-結構模型(見圖7)對螺栓荷載作用下的結構進行計算分析，結果如圖8—10所示。

圖7 三維荷載-結構模型

“+”為拉應力； “-”為壓應力。

“+”為拉應力； “-”為壓應力。

“+”為拉應力； “-”為壓應力。

由圖8—10可知： 1)對于300 mm厚的襯砌片，在螺栓軸力達到25 kN時，襯砌片接觸面間形成一圈58.3～116.7 kN/m2的壓應力區，該區域滿足襯砌片環間密封狀態的壓力值(57.67 kN/m2)，認為襯砌片環間已達到防水的要求； 2)當螺栓軸力達到43 kN時，襯砌片受拉區最大拉應力大于C50混凝土軸心抗拉強度的設計值，襯砌片破壞。考慮到仰拱塊螺栓上緊需克服部分摩擦力，仰拱塊螺栓軸力需達到28.73 kN，即能夠滿足襯砌片壓緊和防水的需求。

4 拼裝機下井條件

為實現隧道內的機械化拼裝，首先需解決機械的運輸條件，可采取2種方式： 一是在相鄰車站預留始發及接收條件； 二是在區間范圍內設置相應的始發及接收井。當拼裝機由車站始發及接收時，車站需設置相應吊裝孔及下料口，此種方式對車站施工的影響較大，且區間隧道在拼裝過程中直接制約車站的工程組織。而暗挖區間初期支護結構的實施一般都需設置相應的施工豎井，拼裝機吊裝井及下料井可結合豎井設置，拼裝機采用井下組裝，標準豎井的凈空即可滿足吊裝及下料的要求。吊裝豎井凈空尺寸應根據拼裝設備、襯砌片分塊大小等因素綜合確定。一般情況下，該尺寸可取4.6 m×6.7 m。拼裝機吊裝豎井平面示意如圖11所示。拼裝機下井示意如圖12所示。

圖11 拼裝機吊裝豎井平面示意圖(單位： mm)

圖12 拼裝機下井示意圖

5 洞門接口處理

拼裝設備從首環開始向隧道推進處洞門稱為始發洞門，末環處洞門稱為到達洞門。始發或到達洞門縱剖面如圖13所示。同一條區間隧道可能會涉及多處始發或到達洞門，基本上都位于拼裝結構與現澆結構的交接處。

圖13 始發或到達洞門縱剖面圖

拼裝機工法隧道始發及接收洞門處，預留洞口周邊需設置加強圈梁。圈梁內凈空一般以拼裝管片外輪廓外放600 mm為宜，其內部設置后澆洞門圈梁，通過該圈梁實現現澆結構與拼裝結構的過渡連接。當拼裝機不提供頂推力時，始發洞門處后澆圈梁在設備始發時施作，作為首環管片安裝定位的基準，其襯砌長度應根據理論排版進行確定。當拼裝機能提供頂推力時，始發時宜設置負環，架設反力架，待隧道拼裝完畢后再拆除負環，施作始發洞門后澆環梁。若不設置負環，需先期施作后澆洞門圈梁或能提供反力鋼環，為拼裝機提供反力支撐。反力鋼環示意如圖14所示。到達洞門處后澆圈梁一般在末環拼裝完畢后施作，圈梁內鋼筋與末環管片縱向螺栓焊接后進行澆筑。對于結構防水的處理、近洞口處的拉緊措施，與盾構隧道做法類似。

圖14 反力鋼環示意圖

6 拼裝環與現澆段銜接

在拼裝機工法暗挖隧道內，除洞門結構外，還有可能涉及到人防段、渡線段等非標準斷面。在目前的設備和技術條件下，無法全部采用拼裝機工法施作，不可避免地會遇到拼裝環與現澆結構的連接問題，比如不同結構體系間的連接問題、不同防水體系間的過渡處理等。對于這些非標準斷面，臨時仰拱及中隔壁的設置會阻礙拼裝機的行進路徑。需先期施作現澆段結構，預留洞門施作條件，按照洞門設計的相關做法來解決結構及防水的銜接問題。

7 結論與體會

1)拼裝機工法介于盾構法和礦山法之間，其機械設備制造和使用原理較為簡單，很容易為大多數施工單位掌握，推廣前景廣闊。

2)撐靴式拼裝機和機械手式拼裝機都適用于地鐵礦山法隧道的二次襯砌拼裝，但有其各自特點。撐靴式拼裝機能夠提供襯砌片的持續壓緊，而設備撐靴需要作用于初期支護結構上，要求初期支護結構承載力不得低于150 kPa； 機械手式拼裝機使用靈活，但需要借助襯砌環間螺栓實現壓緊，對于300 mm厚的襯砌片，在螺栓軸力達到25 kN時，襯砌片環間可達到防水的要求。具體工程中，應綜合分析隧道斷面組合、結構型式、拼裝機運輸、組裝和下井條件、洞門接口位置和數量等多種因素來選擇適用的拼裝設備。

3)獨立設置的拼裝機吊裝豎井凈空尺寸一般可取4.6 m×6.7 m。對于地鐵暗挖區間的非標準斷面，因設置臨時仰拱及中隔壁，拼裝機行進路徑受阻，需采用現澆方法先行施作，以保證拼裝與現澆結構的銜接，同時保證拼裝機可順利通過。

4)針對拼裝環的定位和導向，采用了提前施作隧底定位導臺方式，導臺的平整度及其后期保護尤為重要，對施工精度要求較高。后期研究中，還應立足拼裝設備本身應具備先進、精確的定位和導向系統，盡量避免采用二次襯砌澆筑、預埋等方式。若必須采用，可僅用于輔助定位。

目前，機械手式拼裝機工法已經在北京地鐵某礦山法隧道中首次試驗應用，效果良好。筆者期望本次研究和試驗成果能為類似工程提供借鑒和指導，帶動地鐵建設行業在預制領域、裝配化方面取得一定的進步和發展。

參考文獻(References)：

[1] 宋丹, 江帥, 張運森. 暗挖隧道裝配式管片拼裝技術研究[J]. 隧道建設, 2017, 37(增刊1): 134.

SONG Dan, JIANG Shuai, ZHANG Yunsen.Study of assembling technology for assembled segments in mined tunnels[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(S1): 134.

[2] 占有志. 地鐵暗挖區間裝配式二襯結構施工技術[J]. 國防交通工程與技術, 2019, 17(3): 46.

ZHAN Youzhi. Construction techniques of the prefabricated secondary lining for the undercut section of a tube[J].Traffic Engineering and National Defense Technology, 2019, 17(3)： 46.

[3] 中鐵六局集團有限公司,中鐵六局集團北京鐵路建設有限公司. 地鐵暗挖區間正線裝配式二襯的施工方法： 106930777B[P]. 2018-08-24[2019-11-12].

China Railway Sixth Group Co., Ltd., Beijing Railway Construction Co., Ltd. of China Railway Sixth Group Co., Ltd. The subway underground main range prefabricated construction method of second lining： 106930777B[P]. 2018-08-24[2019-11-12].

[4] 江帥, 宋丹, 趙振威, 等. 新型裝配式襯砌技術在地鐵隧道的應用研究[J]. 隧道建設(中英文), 2019, 39(6): 1014.

JIANG Shuai, SONG Dan, ZHAO Zhenwei, et al. Application of new type of fabricated lining technology to metro tunnel[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(6): 1014.

[5] 時亞昕. 隧道仰拱快速施工技術的現場試驗研究[D]. 成都： 西南交通大學, 2004.

SHI Yaxin, Inverted arch tunnel rapid construction technology of field test research[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2004.

[6] 賈永剛. 鐵路隧道裝配式襯砌力學特性研究[D]. 成都： 西南交通大學, 2003.

JIA Yonggang. Fabricated railway tunnel lining mechanical properties research[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2003.

[7] 陳敬軍. 礦山法施工的鐵路隧道裝配式襯砌力學特性研究[D]. 成都： 西南交通大學, 2005.

CHEN Jingjun. Mining method construction of railway tunnel assembled lining mechanical properties research[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2005.

[8] 董林偉. 裝配式地鐵車站與暗挖區間防水性能試驗研究[D]. 北京： 中國礦業大學(北京), 2018.

DONG Linwei. Study on waterproof proformance test of fabricated subway station and subsurface excavation section[D]. Beijing: China University of Mining and Technology-Beijing, 2018.

[9] 嚴義招. 高速鐵路大跨度雙線隧道礦山法施工的裝配式襯砌力學特性研究[D]. 成都： 西南交通大學, 2008.

YAN Yizhao. Research on mechanical characteristic of fabricated lining of high speed railway longspan two-line tunnel constructed with mining method[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2008.

[10] 張勝龍, 劉艷青, 王志偉, 等. 單線隧道預制裝配式襯砌結構選型及接頭參數敏感性分析[J]. 鐵道建筑, 2019, 59(12): 43.

ZHANG Shenglong, LIU Yanqing,WANG Zhiwei, et al. Selection of prefabricated assembly lining structure and sensitivity analysis of joint parameters for single track tunnel[J]. Railway Engineering, 2019, 59(12): 43.

[11] 林志, 郝理, 李玉文, 等. 鉆爆法公路隧道裝配式襯砌結構關鍵技術研究[J]. 重慶交通大學學報(自然科學版), 2020, 39(3): 107.

LIN Zhi, HAO Li, LI Yuwen, et al. Key technology of assembled lining structure in drill-blasting method of highway tunnel[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2020, 39(3): 107.

[12] 郇星超. 公路隧道裝配式襯砌結構研究[D]. 西安： 長安大學, 2013.

HUAN Xingchao. Prefabricated lining structure research of highway tunnel[D]. Xi′an: Chang′an University, 2013.