鉆爆法公路隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

王永學(xué) 張強(qiáng)

一、隧道內(nèi)輪廓確定

綜合圓形隧道和矩形隧道的特點(diǎn)，在公路隧道中開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了一種新的隧道類(lèi)型-馬蹄形隧道，馬蹄形隧道穩(wěn)定性好，空間利用率高，在山嶺及大斷面公路隧道工程施工中同樣也能夠發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)，保證施工質(zhì)量。山嶺公路隧道內(nèi)輪廓的確定需要綜合考慮到行車(chē)空間、附屬設(shè)施、施工工藝及圍巖實(shí)際情況等因素，在經(jīng)過(guò)充分勘察和研究隧道工程的基礎(chǔ)上，選擇施工效果好，經(jīng)濟(jì)性高的馬蹄形隧道輪廓，內(nèi)輪廓及建筑限界參數(shù)依從現(xiàn)行公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范。

二、裝配式襯砌設(shè)計(jì)

1.襯砌結(jié)構(gòu)形式

襯砌結(jié)構(gòu)包括單層襯砌結(jié)構(gòu)和雙層襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌結(jié)構(gòu)的選擇以盾構(gòu)隧道施工實(shí)際情況為參考基準(zhǔn)。在對(duì)比多種設(shè)計(jì)理論后，選擇新奧法作為設(shè)計(jì)理論，以鉆爆法開(kāi)挖的隧道作為研究對(duì)象，分析在鉆爆法隧道開(kāi)挖作業(yè)中的圍巖荷載特征，施工工藝采用復(fù)合式襯砌。

實(shí)施鉆爆開(kāi)挖的隧道斷面一般都較為粗糙，需要進(jìn)行處理，平整洞面，可在開(kāi)展初期支護(hù)時(shí)噴射混凝土或者架設(shè)型鋼。考慮到鉆爆法隧道施工的實(shí)際情況，同時(shí)也是為了保證襯砌施工質(zhì)量，初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)技術(shù)，應(yīng)在初期支護(hù)的過(guò)程中完成二襯，優(yōu)化隧道襯砌現(xiàn)澆工藝，促使其向預(yù)制裝配工藝轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)承載和安全儲(chǔ)備目標(biāo)。

2.襯砌材料類(lèi)型

為了提升裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，保證整個(gè)地下裝配式結(jié)構(gòu)的使用壽命，應(yīng)嚴(yán)格按照隧道襯砌設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及耐久性指標(biāo)，采用性能達(dá)標(biāo)，質(zhì)量合格的預(yù)制構(gòu)件，選擇科學(xué)的襯砌類(lèi)型。

現(xiàn)階段，裝配式襯砌結(jié)構(gòu)主要4材料大類(lèi)型，不同材料類(lèi)型的襯砌結(jié)構(gòu)的施工工藝和優(yōu)缺點(diǎn)都存在巨大差異，其中全鋼和鑄鐵材料襯砌結(jié)構(gòu)具有自量小和精度高的優(yōu)點(diǎn)，但也存在需要消耗的金屬量大、施作的經(jīng)濟(jì)性不高等不足；而復(fù)合型材料襯砌結(jié)構(gòu)自量比全鋼和鑄鐵材料襯砌結(jié)構(gòu)小，具有剛度和力學(xué)性能好的優(yōu)勢(shì)，但加工工作量大，且較為復(fù)雜，需要往金屬殼中灌注混凝土材料，同時(shí)還易出現(xiàn)腐蝕病害；鋼筋混凝土材料襯砌結(jié)構(gòu)造價(jià)較為經(jīng)濟(jì)，其加工技術(shù)也較為成熟，施作好的襯砌結(jié)構(gòu)精度、剛度、耐久性及力學(xué)性能都符合施工標(biāo)準(zhǔn)，然而也存在自量重和運(yùn)輸難度大等不足。

當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)外各國(guó)的鐵路及公路等大斷面盾構(gòu)施工中，鋼筋混凝土材料襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。在分析了4種襯砌結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和施工的實(shí)際情況后，山嶺鉆爆法公路隧道裝配式襯砌類(lèi)型選擇整體性能較為穩(wěn)定，施工工藝較為成熟的鋼筋混凝土材料襯砌結(jié)構(gòu)。

3.襯砌分塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)襯砌分塊時(shí)，要以保證裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性為設(shè)計(jì)原則，既要使得襯砌分塊符合結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形標(biāo)準(zhǔn)，又要保證拼裝效率，確保施工進(jìn)度。考慮鉆爆法開(kāi)挖及山嶺公路隧道的施工特點(diǎn)，襯砌分塊設(shè)計(jì)為拼裝方便的大斷面馬蹄形裝配式襯砌分塊。結(jié)合盾構(gòu)隧道施工實(shí)際情況，借鑒其他隧道工程經(jīng)驗(yàn)，確定了5種分塊方案，相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 分塊方案參數(shù)

（1）考慮到結(jié)構(gòu)的安全性，應(yīng)減少襯砌環(huán)接縫數(shù)量，從而提升拼裝效率，保障結(jié)構(gòu)性能，降低隧道變形病害的出現(xiàn)概率。

（2）考慮到施工實(shí)際情況，針對(duì)鉆爆法公路隧道洞內(nèi)施工特點(diǎn)，發(fā)揮出仰拱和仰拱棧橋的作用，相較于其他方案，方案3對(duì)機(jī)械設(shè)備要求較低，施工難度小，仰拱拱圈分離式襯砌效果好，滿足仰拱先行的需要，同時(shí)還能夠快速承載，施工效率高。

（3）考慮到管片質(zhì)量和制作效率，應(yīng)控制構(gòu)件類(lèi)型，減少模板數(shù)量。就山嶺公路隧道中這種非圓形非矩形的馬蹄形隧道輪廓，構(gòu)件類(lèi)型較為復(fù)雜，模板數(shù)量較多，方案3可以將仰拱和邊墻三分塊、規(guī)則半圓形的拱圈五分塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件和模板的控制。

（4）考慮到施工的綜合效益，應(yīng)恰當(dāng)劃分管片，提升施工效率和施工的經(jīng)濟(jì)性。科學(xué)的管片劃分能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，控制接縫數(shù)量和隧道變形量，本文選擇厚度為50cm，寬度為1m的裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，對(duì)5種分塊方案的裝配式襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)展對(duì)比可知：襯砌分塊設(shè)計(jì)工作是鉆爆法公路隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)施工中的重點(diǎn)工作，需要全面分析結(jié)構(gòu)受力情況、性能及施工效率等綜合效益，因此經(jīng)過(guò)測(cè)算發(fā)現(xiàn)，方案3最適宜鉆爆法隧道施工。

同時(shí)，升級(jí)拱腳結(jié)構(gòu)形式，提升拱腳安全性，改善配筋率，降低弧形構(gòu)件對(duì)施工的影響；采取擴(kuò)大基礎(chǔ)、設(shè)置行車(chē)路面板及提高結(jié)構(gòu)受力等手段優(yōu)化仰拱結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)快速承載，仰拱回填層設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化施工工序較差，提升過(guò)水空間利用率，在保證襯砌施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，控制混凝土用量，合理控制施工成本。

4.襯砌結(jié)構(gòu)模型

襯砌結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)方法較多，如修正慣用法、梁-彈簧模型法等。其中，梁-彈簧模型能夠模擬裝配式襯砌的受力情況，在圓形隧道和馬蹄形隧道輪廓襯砌結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。梁-彈簧模型是指將預(yù)制襯砌簡(jiǎn)化成梁，分別通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)剪切彈簧和地基彈簧來(lái)模擬接頭、管片作用。

三、襯砌厚度研究

以公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范為指導(dǎo)原則，立足山嶺公路隧道實(shí)際情況，考慮到結(jié)構(gòu)受力變形和經(jīng)濟(jì)效益，并同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道研究成果和工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，最終確定二襯厚度為350～650mm。

1.計(jì)算參數(shù)

襯砌結(jié)構(gòu)模型為梁-彈簧模型、厚度為350～650mm、計(jì)算模型選擇荷載-結(jié)構(gòu)模型。裝配式襯砌結(jié)構(gòu)預(yù)制材料選擇標(biāo)號(hào)為C50的鋼筋混凝土材料，計(jì)算出在深埋V級(jí)圍巖下，350、400、450、500、550mm這5種不同襯砌厚度的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和受力變形情況。

2.計(jì)算結(jié)果與分析

經(jīng)測(cè)算，得到350、400、450、500、550mm這5種不同襯砌厚度的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和受力變形數(shù)據(jù)，并同時(shí)計(jì)算出隧道各部位的最小安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同厚度襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形結(jié)果

由上表可知：（1）襯砌厚度與彎矩值呈正相關(guān)，增加襯砌結(jié)構(gòu)的厚度可有效改善結(jié)構(gòu)受力情況；（2）襯砌厚度與最大變形量呈負(fù)相關(guān)，且在襯砌厚度增加到一定程度后，最大變形量變動(dòng)會(huì)趨于平緩，增加襯砌結(jié)構(gòu)的厚度是控制結(jié)構(gòu)變形的手段之一；（3）襯砌厚度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)呈正相關(guān)，可通過(guò)擴(kuò)大拱腳基礎(chǔ)和提高配筋率等手段改善結(jié)構(gòu)的受力情況，增加襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在國(guó)內(nèi)鉆爆法公路隧道中預(yù)制裝配技術(shù)的應(yīng)用是一個(gè)新的熱點(diǎn)，相關(guān)研究不多，本文對(duì)裝配式襯砌結(jié)構(gòu)施工技術(shù)中隧道輪廓的確定、襯砌模型的設(shè)計(jì)、襯砌厚度的確定等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，提出了適合鉆爆法公路隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)仰拱拱圈分離分塊方案，該方案具有較高的科學(xué)性，值得向同類(lèi)型工程推廣。