暗挖隧道裝配式二襯技術(shù)研究*

劉醫(yī)碩，王強(qiáng)勛，朱義嘉，張 璐，張志強(qiáng)，張棟樑

(1.中建工程產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，北京 101300； 2.中國建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施有限公司，北京 100029)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國城市軌道交通及城市地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，規(guī)劃及在建的城市隧道線路規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的暗挖施工方法帶來的地下環(huán)境破壞與污染現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。在城市隧道修建過程中，引入裝配式支護(hù)技術(shù)，其適應(yīng)性強(qiáng)且自動(dòng)化程度高，既能提高施工速度，又能有效保證施工質(zhì)量，改善現(xiàn)場施工環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 裝配式隧道發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前國內(nèi)外針對明挖地下結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)法隧道及頂管法隧道的預(yù)制裝配技術(shù)研究較為成熟，已有許多應(yīng)用實(shí)例，而對于礦山法隧道預(yù)制裝配技術(shù)的研究則處于起步階段，國內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用案例較少。

隧道預(yù)制管片裝配法起源于20世紀(jì)60年代的法國，首次使用是在位于巴黎凱旋門廣場下的地鐵快車線(RER)“Etoile-Charles de Caulle”車站的施工中，施工跨度為21m[1]，它的特點(diǎn)是采用簡易機(jī)械或機(jī)械臂安裝預(yù)制塊，其封頂塊內(nèi)嵌千斤頂，封頂塊端部可壓緊拱圈，如圖1所示。

圖1 法國裝配式隧道拱架安裝示意

1975—1995年，我國蘭州市修建了一系列人防隧道及人防地下空間，這些工程依照自穩(wěn)修建法理論[2]進(jìn)行修建，其共同特點(diǎn)是所處地質(zhì)環(huán)境為無水黃土地區(qū)，隧道截面通過拱形優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到無偏壓狀態(tài)，修建過程中充分利用圍巖自穩(wěn)能力，邊開挖邊支護(hù)，如圖2所示。

圖2 蘭州裝配式拱片人防隧道

意大利的Montedomini高速公路隧道[3]在不影響交通運(yùn)行的情況下成功擴(kuò)建，其方法是在隧道內(nèi)安裝鋼筋混凝土箱體保護(hù)罩，使隧道擴(kuò)挖區(qū)與隧道道路分離，擴(kuò)挖后采用預(yù)切槽裝備安裝預(yù)制構(gòu)件，完成襯砌施作。此后意大利還出現(xiàn)了二襯疊合裝配式隧道，其初支仍采用現(xiàn)澆方式，二襯與初支之間安裝排水盲管，達(dá)到排水目的。

近年來，我國在地鐵暗挖區(qū)間裝配式二襯結(jié)構(gòu)施工方面也積累了一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在暗挖隧道施作初期支護(hù)后，利用管片拼裝裝置進(jìn)行二襯預(yù)制管片拼裝，采用豆礫石和漿液填充二襯管片與初支間隙，完成永久性支護(hù)[4]。

隨著裝配式隧道理念的提出和實(shí)踐，相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員也進(jìn)行了研究與探索。王明年等[5]針對鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分塊研究，研究了拱部及邊墻在不同分塊形式下的力學(xué)性能和施工效果；姜俊[6]針對礦山法鐵路隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開研究，分析了考慮錯(cuò)縫拼裝空間效應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，給出了全預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)的最佳劃分方案。郇星超[7]研究了礦山法公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化和變形規(guī)律，對公路隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。計(jì)中彥等[8]、田殿軍[9]針對隧道裝配式仰拱結(jié)構(gòu)展開研究，提出了裝配式仰拱結(jié)構(gòu)形式、拼裝工藝及其裝備配套方案; 李先進(jìn)等[10]研究了隧道拱部拼裝式二次襯砌施工方法，并給出了施工臺(tái)車的設(shè)計(jì)方案。周冉[11]依托北京地鐵6號線工程，針對暗挖隧道裝配式二襯結(jié)構(gòu)展開研究，首次采用了馬蹄形全斷面預(yù)制管片,總結(jié)形成了暗挖隧道裝配式二襯施工工藝及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，預(yù)制裝配技術(shù)在暗挖隧道中的研究與應(yīng)用尚處于初級階段。在設(shè)計(jì)方面，裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論尚不完善，襯砌劃分和接頭設(shè)計(jì)方法不成熟，結(jié)構(gòu)的防水性及抗震性能仍是薄弱環(huán)節(jié)；在施工方面，缺乏相關(guān)的機(jī)械配套設(shè)備，構(gòu)件的預(yù)制化水平也有待提高。目前也沒有關(guān)于裝配式襯砌的規(guī)范，其設(shè)計(jì)與施工的標(biāo)準(zhǔn)化仍須進(jìn)一步研究和完善。

2 隧道裝配式二襯設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

采用裝配式襯砌是隧道建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，但當(dāng)前裝配式暗挖隧道建造技術(shù)存在諸多問題。裝配式暗挖隧道襯砌可分為初支、二襯一體式與分體式2種。一體式襯砌僅適用于無水且自穩(wěn)性能好的地層，分體式襯砌對軟土地層均適用。目前我國對一體式襯砌和分體式襯砌中的二襯全預(yù)制技術(shù)研究較多，尚無對疊合裝配式襯砌的研究。各類暗挖隧道裝配式襯砌對比分析如表1所示。

表1 暗挖隧裝配式襯砌對比

通過表1可知，為了克服隧道噴混凝土輪廓面不平整，現(xiàn)有的止?jié){板技術(shù)不能對其進(jìn)行砂漿密封，因此全預(yù)制二襯采用豆礫石回填管片壁后，水泥漿回填固結(jié)的方式[3]。該方案較為復(fù)雜，且成本較高。如果采用疊合裝配式襯砌，則可以省略豆礫石回填的步驟。

疊合裝配結(jié)構(gòu)相較于比全預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的防水性能好很多。預(yù)制構(gòu)件若采用螺栓連接，預(yù)制及安裝精度要求較高，對施工機(jī)械要求也較嚴(yán)格，會(huì)大大增加施工成本，因此疊合裝配式襯砌考慮采用灌漿套筒和鋼筋籠的形式連接，拼縫處粘貼遇水膨脹橡膠條。

2.2 設(shè)計(jì)方案

本文依托西安幸福林帶地下工程項(xiàng)目，選取一段綜合管廊出線支溝作為研究對象，進(jìn)行裝配式二襯隧道設(shè)計(jì)，以其為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

幸福路綜合管廊出線支溝采用暗挖法施工，出線支溝長約30.9m，左側(cè)出線井采用逆作法倒掛壁施工，右側(cè)綜合管廊采用明挖順作法施工，出線支溝以綜合管廊明挖基坑作為隧道開挖工作面，向出線井方向施工。管廊頂部埋深12.5m，隧道初支最外斷面尺寸為5.1m×4.05m，如圖3所示。

圖3 幸福路綜合管廊出線支溝斷面

通過分析，該管廊隧道斷面尺寸較小，且隧道一端為明挖基坑，可為裝配式施工提供管片、臺(tái)車及其他機(jī)械設(shè)備操作場地，非常有利于進(jìn)行裝配式隧道施工。

初支斷面暗挖后噴混凝土，由于噴混凝土工藝精度較低，成型后隧道輪廓面平整度低，且隧道斷面尺寸也會(huì)存在誤差。因此，隧道底部仰拱仍建議采用現(xiàn)澆方式，利用其作為導(dǎo)臺(tái)，既便于預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸、定位，又便于設(shè)備行進(jìn)。

最終，確定裝配式二襯隧道建造方案包括噴射混凝土初支、現(xiàn)澆仰拱以及二襯疊合板3大部分。

2.3 受力分析

2.3.1計(jì)算基本規(guī)定

1)結(jié)構(gòu)計(jì)算按照平面應(yīng)變假設(shè)，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，通過有限元軟件進(jìn)行內(nèi)力分析。在結(jié)構(gòu)縱向截取一基本計(jì)算單元，將三維空間結(jié)構(gòu)簡化成二維平面框架結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析模型，進(jìn)行各階段不同荷載組合內(nèi)力分析。

2)假定構(gòu)件為小變形彈性梁，離散為足夠多個(gè)等厚度直桿梁單元。

3)用布置于各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬圍巖與墻的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計(jì)圍巖墻間的黏結(jié)力；彈簧受壓時(shí)的反力即為圍巖對墻的彈性抗力。

4)全預(yù)制結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)采用小剛度單元模擬鉸接，預(yù)制疊合板結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與剛度接近于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

5)隧道網(wǎng)格尺寸為高4.3m，寬3.2m，隧道截面居中布置。

6)二襯厚度為350mm，初支采用C25早強(qiáng)混凝土，二襯采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級P8。

2.3.2預(yù)制構(gòu)件分段部位確定

1)橫斷面分段

通過對現(xiàn)澆二襯結(jié)構(gòu)、全預(yù)制分段式二襯結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，得出其內(nèi)力分布規(guī)律。對內(nèi)力云圖進(jìn)行分析，可知現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與全預(yù)制分段式二襯的軸力分布規(guī)律一致，且數(shù)值相差不大；現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與全預(yù)制分段式二襯的剪力分布規(guī)律基本一致，但全預(yù)制分段式二襯直墻段上部剪力有所增大，下部剪力有所減小；全預(yù)制分段式二襯仰拱的彎矩增大較明顯，直墻段與仰拱交接處彎矩減小明顯。

疊合裝配式結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能接近現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，因此以現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)受力結(jié)果作為分段依據(jù)。預(yù)制構(gòu)件在彎矩較小的部位分段，如圖4所示。預(yù)制構(gòu)件最終分段如圖5所示。

圖4 彎矩較小位置標(biāo)記

圖5 預(yù)制構(gòu)件分段

2)縱向分段

單塊疊合構(gòu)件設(shè)計(jì)寬度1.6m，環(huán)向長度為1.7～3.1m，厚0.1m，單塊重小于1.2t，便于使用小型機(jī)械吊裝。隧道兩端變形縫之間長度為30.4m，是1.6m的19倍，因此將此隧道劃分為2個(gè)流水段，分別為16m和14.4m。

2.4 連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

1)頂部預(yù)制疊合板采用直接滾軋直螺紋半灌漿套筒連接，直墻段與仰拱可采用鋼筋焊接的連接方式，如圖6所示。

圖6 預(yù)制構(gòu)件環(huán)向連接

疊合板環(huán)向組裝完畢，外部混凝土一次澆筑，環(huán)向共2道施工縫，在仰拱與直墻段連接處。施工縫處放置中埋式止水帶。

2)當(dāng)現(xiàn)澆層與疊合板結(jié)合面設(shè)粗糙面時(shí)，粗糙面的面積不宜小于結(jié)合面的80%，粗糙面凹凸深度不小于6mm。

3)隧道縱向可分2個(gè)施工段，每個(gè)施工段混凝土一次性澆筑。2個(gè)施工段之間放置中埋式止水帶。疊合板縱向之間采用鋼筋籠進(jìn)行栓接，如圖7所示。

圖7 疊合板縱向連接

3 隧道裝配式二襯施工方法

隧道裝配式二襯總體施工工序如圖8所示。

圖8 隧道裝配式二襯總體施工工序

1)隧道初支可采用常規(guī)噴射混凝土加超前小導(dǎo)管支護(hù)的形式，初支施工完畢之后，安裝防水板等材料。

2)防水施工完畢之后，施工二襯仰拱，為保證隧道的防水性，仰拱采用現(xiàn)澆混凝土的形式。仰拱施工完畢之后，安裝二襯臺(tái)車的行走軌道。

3)二襯疊合板構(gòu)件在預(yù)制加工廠生產(chǎn)，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，與此同時(shí)，將二襯臺(tái)車在隧道口組裝好。然后將疊合板逐片吊裝至臺(tái)車上按先環(huán)向后縱向的順序拼裝，拼裝好一個(gè)流水段之后，綁扎疊合板上部鋼筋網(wǎng)片。

4)經(jīng)由臺(tái)車拼裝好的疊合板構(gòu)件整體運(yùn)輸進(jìn)入隧道內(nèi)部。臺(tái)車停到準(zhǔn)確位置之后，將預(yù)制疊合板預(yù)留鋼筋、現(xiàn)澆仰拱鋼筋連接成整體，最后支設(shè)端頭模板并澆筑混凝土，完成隧道二襯施工。

5)待疊合板混凝土強(qiáng)度達(dá)到拆模強(qiáng)度后，利用臺(tái)車液壓收縮裝置進(jìn)行拆模，并將臺(tái)車滑出隧道。

6)將臺(tái)車駛出隧道，重復(fù)上述步驟，施工下一流水段隧道二襯。

此外，二襯結(jié)構(gòu)拱頂及直墻段宜每隔2環(huán)開設(shè)混凝土澆筑口，優(yōu)先選用自密實(shí)混凝土。隧道端部與疊合結(jié)構(gòu)交接處可采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆寬度小于1m。疊合板結(jié)構(gòu)在二襯臺(tái)車上的拼裝如圖9,10所示。

圖9 二襯臺(tái)車橫斷面

圖10 二襯臺(tái)車縱斷面

4 結(jié)語

1)在暗挖隧道修建過程中，初支通常采用鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土或型鋼骨架+噴射混凝土的方式，也有部分隧道采用噴射纖維混凝土支護(hù)的方式。當(dāng)前的初支方式下隧道作業(yè)環(huán)境惡劣，對施工人員健康與生態(tài)環(huán)境均有較大危害。對于圍巖中無水或水量貧瘠的隧道，經(jīng)工程案例驗(yàn)證，可以采用初支、二襯一體化裝配式襯砌的形式。但對于水量豐富的環(huán)境，初支仍然建議采用常規(guī)噴射混凝土+鋼筋骨架的方式，但二襯可以采用裝配式結(jié)構(gòu)。

2)裝配式二襯與現(xiàn)澆二襯相比，在施工進(jìn)度、環(huán)境友好性方面具有顯著優(yōu)勢，而疊合裝配式二襯可以克服全預(yù)制裝配式二襯防水性差、背后回填不實(shí)等缺陷。總體來講，疊合裝配式二襯是一種較好的暗挖隧道二襯支護(hù)方案。

3)本文結(jié)合具體案例對疊合裝配式二襯的設(shè)計(jì)及施工方法進(jìn)行了詳細(xì)論述。接下來應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)裝配式襯砌配套機(jī)械以及相應(yīng)的機(jī)械化施工方法，最終實(shí)現(xiàn)隧道工業(yè)化建造的目標(biāo)。