高速鐵路大跨度預制裝配式明洞分塊模式和建造方法研究*

管鴻浩,周曉軍,王春梅,徐 巍,張 潮,李 旭

(1.中鐵第四勘察設計研究院集團有限公司,湖北 武漢 400063; 2.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

0 引言

明洞是高速鐵路隧道在穿越淺埋地層時常采用的一種襯砌結構,基于便利組織施工和降低工程造價方面的考慮,明洞通常采用模筑(即立模現澆)方式進行建造。建造明洞模筑施工工藝主要優點為:①模筑后明洞襯砌整體剛度大,而且襯砌防水性能易得到保障;②建造明洞時無需大型運輸和吊裝設備,因而其建造成本相對較低。但采用模筑施工工藝建造明洞時,缺點也顯而易見,主要表現為:①采用模筑施工的工序較多,施工組織較繁雜,致使施工效率低且建設工期較長;②立模現澆時明洞拱部混凝土厚度和強度往往難以達到設計要求而極易引發諸如混凝土襯砌裂縫、滲漏水甚至拱部掉塊等質量問題,勢必影響隧道長期使用安全[1]。

為解決采用傳統模筑施工工藝建造明洞時存在的上述質量問題,國內外學者對明洞設計和建造方法、施工工藝及質量管理等方面開展了相應工程試驗與研究。王志偉等[2]對單線鐵路隧道全斷面預制裝配式明洞分塊方式進行研究,并給出明洞預制塊劃分方式,探討裝配式明洞防水措施和安全性。萬自強[3]結合單線鐵路隧道明洞結構設計特點,從明洞拱墻結構、軌下結構、隧底仰拱結構、防水及耐久性設計等方面闡述了單線鐵路拱形明洞預制裝配式結構設計方法。許興伍[4]對超高填方區明洞荷載進行分析,優化超高回填地段明洞荷載計算模式。陳方棨等[5]對采用無拱架的預制塊修建明洞拱圈的方法進行研究,并給出采用無拱架吊裝預制塊而組裝明洞的施工方法。Zhang等[6]采用數值模擬計算方法對單線鐵路隧道預制裝配式襯砌分塊方式進行分析,并利用荷載與結構模型計算和分析單線鐵路隧道預制裝配式襯砌內力分布特點。肖明清等[7]結合武漢長江隧道對大直徑盾構法隧道預制管片結構和防水等關鍵技術進行研究,并提出針對大直徑越江盾構隧道的結構形式。楊秀仁[8-9]結合明挖法修建的預制裝配式地鐵地下車站,研究和總結明挖預制裝配式隧道結構拼裝的設計方法、拼裝精度控制和施工的關鍵技術。劉彬斌等[10]分析和總結了城市下穿道路中采用明挖法修建預制裝配式隧道的分塊方式和組裝方法。林志等[11]針對鉆爆法施工的公路隧道預制裝配式襯砌的分塊與修建方法進行了研究。上述研究主要針對單線鐵路隧道、采用明挖法修建的地鐵地下車站或采用鉆爆法施工的公路隧道,尚未對大跨度單洞雙線鐵路隧道明洞的裝配式襯砌及其修建方法開展系統研究。

從國內外采用盾構法建造的預制裝配式隧道、采用明挖法修建的裝配式地鐵地下車站及長輸油氣管道越江盾構隧道等運營的狀況分析[7-9,12],因預制構件厚度和強度均能得到有效保證,因此,采用預制鋼筋混凝土構件組裝的地下結構具有良好承載力和耐久性。與傳統模筑施工工藝相比,預制裝配式結構在保證工程建設質量、提高施工效率、縮短工期及降低工程建造中的碳排放和保護環境等方面具有顯著優勢[8-9]。對于目前我國高速鐵路線路中隧道和明洞設計和建造方法而言,仍然采用模筑現澆施工工藝。而采用工業化、標準化和智能化的設計與建造方法則是實現高速鐵路隧道和明洞高質量建設的有效途徑,也是高速鐵路線路中隧道和明洞智能建造技術中的研究重點,其中采用預制裝配式結構則是實現隧道、工業化、標準化和智能化建造的前提。因此,本文以某高速鐵路大跨度山嶺隧道工程為研究對象,對采用明挖法建造的高速鐵路單洞雙線明洞預制裝配式襯砌的分塊模式、接頭類型和防水構造及建造方法開展研究。

1 工程概況

2 明洞橫斷面和襯砌形式

當采用明挖法建造高速鐵路隧道明洞時,明洞襯砌可設計為全環模筑襯砌、全環預制裝配式襯砌和局部模筑襯砌與局部預制襯砌相結合的組合式襯砌3種類型。借鑒國內外采用盾構法修建山嶺隧道或越江盾構隧道的成功經驗[7,12],即采用預制鋼筋混凝土管片組裝隧道襯砌時,隧道襯砌厚度和強度均能達到設計要求,并能有效避免采用模筑工藝修建隧道時因襯砌厚度和強度不足而引發的質量缺陷問題[1]。

為提高淺埋單洞雙線鐵路隧道施工效率,確保隧道襯砌施工質量和建設工期,將該高速鐵路淺埋隧道設計為采用明挖法修建的全環預制裝配式明洞。為此,需分別對明洞襯砌橫斷面形式和預制裝配式明洞襯砌分塊方法進行研究。考慮單洞雙線高速鐵路隧道內運行速率350km/h列車的建筑限界和隧道內救援與安全疏散空間要求,并參考國內外高速鐵路和高速公路明挖隧道結構設計特點,分別確定5種明洞襯砌橫斷面設計方案,如圖3所示。其中,圖3a和圖3b均為帶仰拱的曲邊墻明洞襯砌橫斷面設計方案,圖3c為曲邊墻平底板明洞襯砌橫斷面設計方案,圖3d為矩形框架結構的明洞橫斷面設計方案,圖3e為直邊墻與圓弧拱頂的框架結構明洞橫斷面設計方案,各方案基本設計參數如表1所示。

表1 明洞襯砌橫斷面基本設計參數

圖3 明洞襯砌橫斷面設計方案

對比圖3和表1基本設計參數可知,當設計的明洞橫斷面滿足洞內行駛速率350km/h列車的建筑限界及安全疏散空間前提下,對于明洞襯砌圬工量而言,方案4,5所示的矩形框架結構具有開挖面積和襯砌圬工量均較少的優點。此外,根據矩形框架結構和曲邊墻拱形結構內力狀況分析,與方案1～3中所示曲邊墻襯砌相比,方案4,5所示矩形框架結構在受回填土體壓力作用下會產生較大彎矩,故其內部需配置較多鋼筋,而方案1～3中曲邊墻拱形襯砌中的彎矩較小,因此,曲邊墻拱形襯砌在結構承載能力方面具有優勢。為進一步對比和分析,分別對上述5個方案中明洞襯砌受回填土體壓力作用下的內力進行計算。

3 明洞襯砌內力

以圖3a所示的拱形明洞襯砌橫斷面方案2為例,當用預制鋼筋混凝土管片在明挖的U形基槽內組裝完明洞襯砌后,在明洞拱圈和邊墻預制管片外側逐層回填土體直至地面。根據該明洞所穿越地段地貌特征和圍巖條件,設計的拱形明洞襯砌和明挖基槽及基槽內回填土體后的橫斷面如圖4所示。

圖4 明洞和基槽內回填土體后的橫斷面 (單位:m)

因明洞襯砌由若干塊預制管片經組裝而成,因而預制管片數量及其分塊則是預制裝配式明洞結構設計中的主要內容。在確定預制裝配式明洞管片分塊方式及數量時,除了需要考慮高速鐵路明洞襯砌橫斷面結構設計特點外,更重要的是從預制管片承載安全性,工業化預制、運輸與組裝的便利性,明洞襯砌防水等方面綜合考慮。首先需分析預制裝配式明洞所承受的地層壓力,由圖4可知,明洞建造完成后所承擔的荷載主要為回填土體土壓力,為此,需要計算明洞襯砌所承受的回填土體土壓力。根據該明洞所穿越地層圍巖條件,當明挖U形基槽內明洞襯砌組裝完畢后,在其墻背后可用粉質黏土、粗角礫巖和強風化泥巖等混合后回填至原地面線,因此回填后的土體不再為原狀土。明洞基槽內回填土體物理力學參數如表2所示。

結合該明洞所穿越地層圍巖級別,明洞洞頂所承受的回填土體豎向荷載按式(1)進行計算[13]:

qi=γhi

(1)

式中:γ為明洞拱圈以上回填土體容重(kN/m3);hi為明洞拱圈處任意計算點至地面的土體高度(m)。

明洞左、右邊墻所承受的回填土體側向壓力可根據式(2)加以計算[13]:

ei=λγhi

(2)

式中:λ為回填土體側壓力系數。

(3)

式中:φ為明洞背后回填土體計算摩擦角(°)。

為便于計算和對比,假設明洞左、右邊墻所承受的側向土壓力相等。根據圖4和表2所示明洞周圍回填土體及其物理力學參數,利用式(1)～(3)即可計算得到明洞襯砌拱圈和左、右邊墻所承受的土壓力。以圖3中曲邊墻和矩形框架結構明洞襯砌為例,計算得到明洞襯砌所承受荷載及其承載模式如圖5所示。

圖5 明洞所承受荷載模式(單位:kPa)

利用圖5所示荷載與結構計算模型,分別對5個設計方案中明洞襯砌在回填土壓力作用下的內力進行計算并得到各設計方案中明洞襯砌內力及其分布狀況,計算結果如圖6所示。

圖6 各設計方案中明洞襯砌內力

根據圖6可得5個設計方案中明洞襯砌拱頂部位最大內力,如表3所示。

由表3可知,方案1,2,3中拱頂內彎矩和軸力均較小,而方案4,5中拱頂彎矩和軸力均較大。相比而言,曲邊墻帶仰拱的拱形明洞襯砌在基槽內回填土體壓力作用下,其拱頂正、負彎矩均小于矩形框架結構明洞拱頂正負彎矩。因此,對于明洞拱頂內力,曲邊墻帶仰拱明洞要比矩形框架結構明洞具有優勢,并且由于拱頂彎矩小,當采用相同截面拱部襯砌時,拱形明洞可減少拱頂混凝土中配置受力鋼筋數量。

此外,通過對比曲邊墻拱形明洞拱頂內力可知,方案2中明洞拱頂彎矩明顯小于方案1,3中明洞拱頂彎矩,因此,對于明洞襯砌受回填土壓力作用下的內力狀況而言,可將方案2作為該高速鐵路單洞雙線隧道明洞襯砌橫斷面推薦方案。

4 明洞襯砌預制塊劃分

明洞襯砌在回填土體壓力作用下引起的內力尤其是彎矩對其承載能力和變形產生較大影響。當明洞襯砌某一截面上彎矩較小而軸力較大時,該部位混凝土處于小偏心壓應力狀態,則明洞襯砌在此部位具有良好的抗壓安全性。若明洞襯砌某截面上彎矩較大而軸力較小時,則襯砌在該部位處于大偏心拉應力狀態,此時明洞混凝土襯砌在該截面承載安全性受到較大影響。由圖6可知,明洞襯砌橫斷面上彎矩存在正彎矩和負彎矩,因此在明洞襯砌上必定存在有彎矩值為0的部位。若將裝配式明洞預制管片分塊位置設置在彎矩值為0或彎矩值較小部位時,則組裝后的明洞襯砌在該部位不承受彎矩或承受很小彎矩,因此此部位襯砌僅承受軸向壓應力,從而可充分利用和發揮裝配式明洞在分塊部位良好抗壓承載能力。鑒于此,將該明洞預制管片分塊位置設置在明洞襯砌橫截面上彎矩值為0或較小處,并以此對5個明洞襯砌橫斷面設計方案中一環襯砌的預制管片分塊方案進行對比。

對明洞預制管片設計參數從一環裝配式襯砌分塊數量、接縫數量、單塊管片質量和厚度等方面進行對比與分析。對于采用鋼筋混凝土預制管片組裝而成的明洞襯砌而言,一環明洞襯砌中預制管片劃分除了考慮明洞襯砌承載能力外,還需考慮預制管片制作、運輸與組裝的便利性及組裝后襯砌防水性能。當一環襯砌管片分塊數量較多時,則單塊預制管片質量較小,且管片也便于運輸和組裝,但組裝后明洞襯砌接縫較多,勢必會增加明洞襯砌在接縫部位滲漏水的可能性。若明洞襯砌一環預制管片分塊數量較少時,則預制管片組裝后明洞襯砌接縫也較少,雖然有利于明洞襯砌防水性能,但分塊數量的減少勢必會增加預制管片幾何尺寸和質量,由此會對預制管片運輸和組裝造成困難。綜合考慮后,提出了如圖7所示的裝配式明洞襯砌預制管片的5種劃分方案。圖7中各方案預制管片基本設計參數如表4所示。

由表4可知,方案1,2中明洞襯砌預制管片劃分為7塊,方案3中明洞襯砌管片劃分為6塊,而方案4,5中管片劃分均為4塊。因此方案4,5中明洞襯砌預制管片劃分數量較少,但單塊預制管片質量大。而方案1,2,3中預制管片數量多,但預制管片質量較小,其中方案2預制管片數量為7塊,且各管片質量為最小。綜合比較,方案2較為合理,因此將方案2作為該高速鐵路隧道預制裝配式明洞襯砌管片的劃分方案,并以此方案對該明洞預制管片接縫形式、防水構造和管片組裝方式開展設計與研究。

5 裝配式明洞襯砌預制管片及其接頭設計

借鑒國內外城市地鐵、鐵路越江盾構隧道和公路隧道預制管片的結構形式及其設計參數[7-9,12],根據方案2中所提出的管片劃分方法,將該單洞雙線鐵路隧道明洞的一環襯砌劃分為7塊管片,即一環明洞襯砌由3塊A型、2塊B型和2塊C型管片組裝而成。明洞拱部為A型管片,分為結構形式相同的A1,A2,A3型;左、右邊墻為B型管片,分為結構形式相同的B1,B2型,仰拱為C型管片,由結構相同的C1,C2型組裝而成。預制管片厚度均設計為700mm,沿明洞軸線方向上管片寬度均設計為2.0m。A,B,C型管片結構設計分別如圖8,9,10所示。

圖8 A型管片結構設計

圖9 B型管片結構設計

圖10 C型管片結構設計

在A,B,C型管片左端頭和右端頭分別設置有半圓形凹、凸榫,在其正面和背面則設置有圓臺形凸臺與凹槽。此外,在A,B型管片靠近圍巖的側面設置肋板,而在C型管片靠近圍巖的側面設置底座。

與盾構法施工的圓心橫斷面隧道裝配式襯砌不同,由于高速鐵路隧道明洞襯砌橫斷面由4個同心圓弧組成,襯砌半徑不相等,因此難以實現盾構法隧道圓形橫斷面中的錯縫拼裝。故該裝配式明洞襯砌前后相鄰預制管片沿其軸線方向上均采用通縫方式進行拼裝。

經過對明洞預制管片半圓形凹凸榫接頭力學行為分析,對于半圓形榫接頭,當凹凸榫設置在管片結構中心線時接頭具有良好抗彎和抗剪能力。因此,將管片沿環向一側端頭設計為半圓形凸榫,而其另一側端頭則設計為半圓形凹槽。當2塊管片環向組裝時,一塊管片一側端頭凸榫與另一塊管片一側端頭凹槽之間形成對接,對接方式如圖11,12所示。

圖11 管片間環向對接

管片沿明洞軸線方向上組裝時,將前一環管片沿隧道軸向背面上的圓臺形凹槽與后一環管片沿隧道軸向正面上的凸臺之間形成對接。為進一步說明明洞縱向管片間對接方式,2塊A型管片沿明洞軸線方向上組裝后其正面半圓形凸臺和背面半圓形凹槽中線處的縱剖面如圖13所示,即為圖8a中I—I剖面。

圖13 隧道縱向管片間的縱剖面

與目前國內外采用盾構法修建的隧道中常用平板型預制鋼筋混凝土管片相比,為防止明洞預制管片剛度因在其背面設置圓臺形凹槽后而降低,在拱部和邊墻部位的預制管片靠近圍巖一側的側面設置肋條。即在A,B型預制管片頂面設置2道肋條,目的在于增強拱部和邊墻處預制管片因在背面一側設置凹槽后受影響的剛度,防止管片強度和剛度降低。而在仰拱部位C型管片靠近圍巖一側的底面則設計有2個底座,作為安裝仰拱預制塊時的定位。

6 明洞襯砌預制管片接縫部位防水構造

對于采用鋼筋混凝土預制管片組裝的高速鐵路隧道明洞襯砌而言,管片縱向和環向間的接縫則是明洞襯砌結構防水的薄弱部位。參考國內外盾構法隧道預制管片在接縫部位防水構造和做法[7-9,12],該明洞襯砌防水仍采用盾構法隧道在管片接縫部位粘貼三元乙丙(EPDM)橡膠密封條的做法,即為確保明洞預制管片內外側防水性能,在每塊管片內外側沿其周邊均設置2道“︺”形凹槽,并在其內粘貼緩膨脹止水條即三元乙丙(EPDM)橡膠密封條。當預制管片組裝后即可在明洞襯砌管片環向和縱向接縫處形成2道防水措施,以實現裝配式明洞襯砌防水。明洞預制管片組裝后,管片環向和縱向接縫處防水構造如圖14所示。通過在預制管片內外側設置2道防水措施,增強明洞襯砌防水性能。

圖14 管片接縫處防水構造

7 明洞襯砌預制管片組裝方法設計

根據明洞預制管片接縫處設計形式,將管片環向間接縫設計為半圓形凹、凸榫,而將管片縱向間接縫設計為圓臺形凹、凸榫。按照凹、凸榫對接方式,即可確定該明洞A,B,C型管片組裝順序為:在已開挖的明洞U形基槽內先吊放和組裝仰拱部位C型管片,之后吊放和組裝邊墻部位B型管片,最后再吊放和組裝拱部A型管片。當明洞一環7塊管片組裝完畢后,沿明洞軸線方向繼續組裝另一環管片,組裝時使縱向管片相互對位并通過其正面圓臺形凸臺與背面圓臺形凹槽相對接,由此沿明洞軸線方向逐環吊放和組裝完成明洞襯砌,并在組裝好明洞襯砌的基槽內回填土體至地面,恢復地貌。

明洞預制管片在一環上的具體組裝方法設計為:首先在已開挖好的明洞U形基槽內設置門架式起重機,起重量應≥30t。同時在基槽內搭設采用I18a加工好的鋼架。吊裝管片前,在每塊管片 “︺” 形凹槽內粘貼三元乙丙(EPDM)橡膠密封條。按照設計的仰拱部位C型管片底座平整場地,便于仰拱部位管片就位。通過門架式起重機首先吊放仰拱部位2塊C型管片,使仰拱部位C1型管片一側端頭半圓形凸榫與C2型管片一側端頭半圓形凹槽相互對接,使C1,C2型管片就位。然后再分別吊放左邊墻B1型和右邊墻B2型預制管片,使左邊墻B1型管片一側端頭半圓形凸榫與仰拱部位C1型管片一側端頭半圓形凹槽相互對接,同時使右邊墻B2型管片一側端頭半圓形凹槽與仰拱部位C2型管片一側端頭半圓形凸榫相互對接,使左邊墻B1型管片和右邊墻B2型管片就位。

由于管片是在明挖基槽內進行吊放和組裝,而在吊放B1,B2型管片時,由于該2塊管片僅有一側端頭與C型管片端頭相對接,而其兩側無內外支撐,因此B型管片容易發生朝向基槽外側的傾倒。為此,在吊放左邊墻B1型和右邊墻B2型管片時需將2塊管片分別用∟10×8固定至I18a鋼架上,以確保吊放后管片穩定,然后通過門架式起重機再吊放拱部A1,A3型管片。首先吊放A1型管片,使A1型管片一側端頭凸榫與左邊墻B1型管片一側端頭凹槽相對接,同時在鋼架上采用φ18鋼筋作為拉桿,將拱部A1型管片固定至拱架上,防止其朝向明洞內側傾倒。其次吊放A3型管片,使A3型管片一側端頭凹槽與右邊墻B2型管片一側端頭凸榫相對接,并在鋼架上設置φ18鋼筋作業拉桿,將拱部A3型管片加以固定,防止其向明洞內側傾倒。在明洞基槽內吊裝預制管片期間,拱部A型管片和邊墻B型管片與鋼架間的固定方式如圖15所示。

圖15 邊墻和拱部管片吊裝與支撐

當拱部A1,A3型管片組裝就位后,再吊放和組裝拱部A2型管片,吊裝時將A2型管片一側端頭凸榫與拱部A1型管片一側端頭凹槽對接,同時將A2型管片另一側端頭凹槽與拱部A3型管片一側端頭凸榫相對接,至此完成明洞一環上共7塊預制管片組裝。此后可將拉桿和橫撐拆除,將其用于下一環管片的組裝。下一環預制管片環向組裝方法同上所述,在吊放各預制管片時使后吊放的管片與前一環已組裝的管片位置逐一對應,并且使后一環各管片一側面圓臺形凸臺與后一環各管片一側面圓臺形凹槽相對接,實現管片縱向對接與組裝。同時,為加強明洞管片軸線方向剛度,在A,B型管片靠近圍巖一側面的肋板上設置螺栓孔,必要時可用專用螺栓和螺母將前后相鄰管片連接,螺栓和螺母采用M30,機械性能等級≥8.8級,以增強管片縱向間的連接和明洞襯砌整體剛度。由此可逐步完成環向和縱向明洞預制管片組裝。明洞預制管片環向組裝后橫斷面如圖16所示。

圖16 組裝完成的明洞襯砌橫斷面

當基槽內明洞逐環組裝完畢后,向基槽內分層回填土體。回填土體時應在明洞軸線兩側對稱進行,分層回填時每層土體厚度≤30cm,回填土體中粗顆粒粒徑≤5cm,兩側回填土體高差≤50cm,邊回填邊逐層壓實,基槽內回填土體壓實度≥90%。回填后恢復地面植被和地表截排水系統。

8 結語

采用傳統模筑混凝土施工工藝建造高速鐵路隧道明洞具有施工效率低、施工組織和工序繁雜及工期長等缺點,尤其是明洞拱部混凝土厚度和強度往往難以達到設計要求,進而影響明洞長期安全使用。而采用工業化和標準化及智能化的預制裝配式襯砌技術則可為解決明洞建造中存在的上述問題提供有效途徑。本文結合某高速鐵路大跨度單洞雙線隧道穿越淺埋丘陵區圍巖地質狀況,對預制裝配式明洞襯砌管片劃分模式、管片間的接縫形式和防水構造及管片組裝方法進行了分析和研究,得到結論如下。

1)在滿足列車行駛速度為350km/h的高速鐵路隧道建筑限界和隧道內救援與疏散安全空間的前提下,通過對5種明洞襯砌在回填土體土壓力作用下的內力對比與分析可知,曲邊墻帶仰拱的襯砌具有明顯優勢。

2)根據曲邊墻帶仰拱的明洞襯砌受回填土體土壓力作用下的內力狀況,并考慮預制管片制作、運輸和組裝的便利性,將明洞襯砌的一環預制管片設計為3塊A型管片、2塊B型管片和2塊C型管片,管片厚度為0.7m、幅寬為2.0m。

3)裝配式明洞預制管片在環向接縫間接頭可設計為半圓形凹、凸榫,而縱向接縫間接頭可設計為圓臺形凹凸榫,并且凹凸榫應設置在管片結構壓力中線上。

4)在預制管片內外側設置2道“︺”形凹槽,并在其內粘貼2道三元乙丙(EPDM)橡膠密封條,作為明洞管片縱、環向接縫部位的防水措施。

5)根據明洞預制管片縱、環向接縫對接方式,由A,B,C型鋼筋混凝土預制管片組裝明洞襯砌時,其沿徑向1圈的組裝順序為:先組裝仰拱部位C型管片,然后組裝邊墻部位B型管片,最后再組裝拱部A型管片。明洞襯砌一環管片組裝完成后可沿明洞縱向按同樣順序組裝下一環管片,且使后組裝的管片與先組裝的管片部位相互對應,便于縱向管片間的對接,完成縱向管片間的組裝。