大直徑盾構(gòu)隧道全預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝技術(shù)實(shí)踐

張宇寧,岳 嶺,劉 方,呂 剛,凌云鵬

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

目前，相對(duì)于傳統(tǒng)暗挖隧道作業(yè)環(huán)境差、功效差、施工風(fēng)險(xiǎn)高等缺陷，盾構(gòu)隧道已成為在城市密集區(qū)建設(shè)的首選方法[1-3]。隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)[4-7]、生產(chǎn)[8-9]與施工技術(shù)[10-11]已十分成熟。

近些年，隨著地下工程預(yù)制拼裝技術(shù)[12]的發(fā)展，大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的預(yù)制化受到了越來越多的關(guān)注。呂剛、劉建友等人以京張高鐵清華園隧道為例，研究了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝技術(shù)[13]；宋麗姝、劉念以南京緯三路過江盾構(gòu)隧道工程為例，研究了公路隧道內(nèi)部雙層車道板結(jié)構(gòu)預(yù)制與梁板柱結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆組合體系拼裝技術(shù)[14]；姜海西以上海諸光路隧道工程為例，研究了預(yù)制∏形結(jié)構(gòu)結(jié)合現(xiàn)澆基座組合體系拼裝技術(shù)[15]；禹海濤、李龍津等以上海某隧道工程為例，研究了預(yù)制、現(xiàn)澆兩種形式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，得到了二者承載力能力相當(dāng)，但預(yù)制試件延性和耗能能力弱于現(xiàn)澆試件[16]。

以京張高鐵清華園隧道為例，介紹了大直徑鐵路盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)拼裝及附屬結(jié)構(gòu)拼裝的全預(yù)制拼裝技術(shù)；針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工因拼裝設(shè)備、拼裝工藝及模具精度等原因?qū)е碌慕Y(jié)構(gòu)接縫錯(cuò)臺(tái)偏差，分析了病害產(chǎn)生的原因，并提出了采用縫隙填充注漿[17]的整改方法，確保軌下預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性。

1 工程背景

清華園隧道是京張高鐵重點(diǎn)控制工程，全隧道位于北京市海淀區(qū)，自學(xué)院南路以南入地，于五環(huán)內(nèi)出地面，隧道全長(zhǎng)6 020 m，其中盾構(gòu)段總4 590 m，采用12.2 m的大直徑泥水平衡盾構(gòu)法施工，采用單洞雙線斷面，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為120 km/h。全隧近距離并行地鐵13號(hào)線橋梁及路基段，穿越地鐵12、10及15號(hào)線區(qū)間、多次穿越市政道路[18]及市政管線，是目前國(guó)內(nèi)穿越地層復(fù)雜、重要建(構(gòu))筑物最多的鐵路大直徑盾構(gòu)隧道。

隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)雜填土和第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，自上至下依次為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、中砂、卵石土。隧道洞身主要為粉質(zhì)黏土和卵石土。穿越區(qū)域地下水主要為上層滯水及曾經(jīng)潛水，其中潛水水位高程為23.5～27.50 m(水位埋深為22.0～24.0 m)，含水層為卵石土層、粉土層、粉砂層、細(xì)砂層、中砂層、粗砂層等。

本隧道盾構(gòu)區(qū)間為施工關(guān)鍵線路，其施工工效將直接影響全線工期。采用軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝技術(shù)，可以加快施工進(jìn)度，節(jié)約工期，避免了大量植筋損壞盾構(gòu)管片，提高結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性，并且能減少外界環(huán)境對(duì)施工作業(yè)的干擾，改善作業(yè)環(huán)境，降低振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2 軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)采用3塊獨(dú)立箱涵拼裝形式(2塊邊箱涵和1塊中箱涵)，環(huán)寬均為1.98 m(與盾構(gòu)管片環(huán)寬對(duì)應(yīng))。其中預(yù)制中箱涵分A型、B型、C型三種類型，分別適用于標(biāo)準(zhǔn)段、疏散樓梯段及通風(fēng)開孔段。預(yù)制邊箱涵分A型、B型兩種類型，分別適用于標(biāo)準(zhǔn)段及通風(fēng)開孔段，如圖1所示。

圖1 軌下結(jié)構(gòu)剖面

中箱涵頂板和側(cè)墻厚30 cm，底板厚25 cm；邊箱涵頂板厚30 cm，邊墻和底板厚25 cm。中箱涵和邊箱涵，以及各箱涵縱向采用M24螺栓機(jī)械連接。為確保軌下結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)管片均勻受力，防止因拼裝誤差導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)破損，設(shè)計(jì)階段在箱涵底部設(shè)置300 mm×300 mm凸臺(tái)，高30 mm，如圖2所示，通過注漿填充的方式將軌下結(jié)構(gòu)與管片間的空隙填充密實(shí)，確保箱涵與管片接觸的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2 邊箱涵及中箱涵底部凸臺(tái)結(jié)構(gòu)(單位：mm)

底部空隙通過預(yù)留注漿孔采用快凝525硫鋁酸鹽水泥+40%粉煤灰(水灰比0.8)材料進(jìn)行填充。為保證灌漿效果，中箱涵與邊箱涵環(huán)向均預(yù)留凹槽，使用三元乙丙密封條進(jìn)行嵌縫。注漿完成后，應(yīng)采用地質(zhì)雷達(dá)探查有無空洞，發(fā)現(xiàn)空洞時(shí)再進(jìn)行補(bǔ)充壓漿。

為確保施工精度要求，設(shè)計(jì)文件對(duì)管片拼裝還做出了如下要求。

(1)拼裝精度：中箱涵頂面與圓形隧道結(jié)構(gòu)水平軸線距離、中箱涵豎直軸線與圓形隧道結(jié)構(gòu)豎直軸線距離±10 mm(必須保證箱涵之間的順利連接)。

(2)預(yù)制件縱向長(zhǎng)度為1.98 m，布置時(shí)間縱向間隔0.02 m(與管片對(duì)齊)。

(3)平、豎曲線段，中箱涵拼裝時(shí)，可通過在中箱涵縱向連接處設(shè)置橡膠墊的方式調(diào)整間隙，以實(shí)現(xiàn)中箱涵對(duì)曲線半徑的擬合。橡膠墊厚度依據(jù)拼裝處的曲線半徑通過計(jì)算確定。

(4)當(dāng)管片環(huán)縫出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)造成中箱涵連接困難時(shí)，應(yīng)通過在底部凸臺(tái)設(shè)置2.0 mm厚HDPE墊片進(jìn)行調(diào)整。

3 軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)施工

3.1 現(xiàn)場(chǎng)拼裝技術(shù)的實(shí)施

箱涵結(jié)構(gòu)在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)工藝如圖3所示。

圖3 箱涵結(jié)構(gòu)在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)工藝

現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工生產(chǎn)工藝如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)拼裝施工生產(chǎn)工藝

預(yù)制中箱涵為盾構(gòu)機(jī)配套臺(tái)車配備吊裝設(shè)備吊裝。受盾構(gòu)機(jī)后配套臺(tái)車行走輪對(duì)影響，邊箱涵構(gòu)件滯后于盾構(gòu)機(jī)后配套設(shè)備進(jìn)行拼裝，拼裝設(shè)備獨(dú)立放置，預(yù)制邊箱涵為自主開發(fā)研制拼裝機(jī)器人吊裝，如圖5所示。

圖5 中箱涵及邊箱涵吊裝現(xiàn)場(chǎng)

預(yù)制結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)管片之間的空隙采用微膨脹525快硬型硫鋁酸鹽水泥充填，在每塊側(cè)弧板和中箱涵底部預(yù)留4處注漿孔，壓漿時(shí)采用φ30 mm管徑的壓漿嘴，壓漿位置選擇中箱涵每分倉區(qū)域最低點(diǎn)處。壓漿前采用聚氨酯發(fā)泡劑對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行分倉，實(shí)現(xiàn)每5環(huán)一倉，保證注漿的密實(shí)性。

3.2 實(shí)際拼裝效果

盾構(gòu)機(jī)自帶箱涵拼裝設(shè)備拼裝中箱涵，拼裝步序：定位→起吊→移動(dòng)→就位→下放→螺栓連接→拼裝完成?，F(xiàn)場(chǎng)因箱涵預(yù)制偏差、實(shí)際施工誤差及拼裝設(shè)備精度(如無拉緊裝置)等原因，拼裝后箱涵間存在一定的間隙，如圖6所示。箱涵塊與塊之間平整度情況，經(jīng)檢查錯(cuò)臺(tái)在0～2.5 cm，未發(fā)現(xiàn)撓曲現(xiàn)象。

圖6 中箱涵拼裝成型及錯(cuò)臺(tái)示意

邊箱涵組裝設(shè)備為自主研發(fā)產(chǎn)品，該設(shè)備能夠利用現(xiàn)有管片和中箱涵實(shí)現(xiàn)行走，能夠靈活的吊裝邊箱涵并精確地將其放置于中箱涵兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)邊箱涵和中箱涵的密貼，完成邊箱涵的快速拼裝施工。與中箱涵拼裝類似，現(xiàn)場(chǎng)邊箱涵與中箱涵緊密連接，邊箱涵整體表面平整度良好，錯(cuò)臺(tái)間距在0～2.5 cm，未發(fā)現(xiàn)存在撓曲，如圖7所示。

圖7 邊箱涵拼裝成型及錯(cuò)臺(tái)

隨著箱涵拼裝在盾構(gòu)隧道內(nèi)延伸，錯(cuò)縫累計(jì)間隙量逐漸增大，導(dǎo)致箱涵與管片不能一一對(duì)應(yīng)，存在錯(cuò)縫，如圖8所示。

圖8 箱涵沿線路方向錯(cuò)縫間隙

產(chǎn)生上述拼裝問題的原因如下。

(1)箱涵拼裝機(jī)無擠壓功能，無法實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)管片拼裝精度。

(2)箱涵底部塊與塊之間未設(shè)螺栓孔，無有效連接。

(3)拼裝工人工作責(zé)任心不足，底部未添加拉緊裝置。

(4)每塊箱涵三元乙丙密封條需壓縮至20 mm方可滿足管片與箱涵環(huán)環(huán)對(duì)應(yīng)的要求，壓縮量較大，且冬季天寒材料較硬，難以擠壓。

4 拼裝錯(cuò)縫問題的數(shù)值模擬

4.1 模型概況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拼裝問題，考慮3種工況進(jìn)行分析，分別為箱涵底凸臺(tái)與注漿體共同受力工況(以下簡(jiǎn)稱工況1)、凸臺(tái)懸空，全部注漿體受力工況(以下簡(jiǎn)稱工況2)及無注漿體，僅凸臺(tái)受力工況(以下簡(jiǎn)稱工況3)，如圖9所示，每種工況均計(jì)算單向列車荷載及雙向列車荷載作用。

圖9 拼裝錯(cuò)縫工況模型

采用Midas NX軟件三維建模，模型如圖10所示(管片、箱涵、現(xiàn)澆軌道板、軌下注漿填充結(jié)構(gòu))，模型寬1.98 m，為一環(huán)管片及箱涵寬度，模型三維網(wǎng)格單元共32 660個(gè)。

圖10 模型示意圖

清華園隧道管片結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土、箱涵結(jié)構(gòu)及現(xiàn)澆軌道板采用C40鋼筋混凝土、軌下填充結(jié)構(gòu)采用微膨脹525快硬型硫鋁酸鹽水泥漿，水灰比為1∶0.8。

模型采用彈性-各向同性本構(gòu)模型，如表1所示。

表1 模型結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

模型計(jì)算時(shí)假定管片單元不產(chǎn)生位移，將管片最外側(cè)單元固定約束。

4.2 計(jì)算荷載

模型計(jì)算荷載如表2所示，活載采用高速鐵路ZK活載荷載。

模型計(jì)算受力考慮結(jié)構(gòu)自重及軌道板上方荷載均布于軌道板底2.8 m范圍內(nèi)，均布荷載=(列車荷載×2+鋼軌自重荷載×2+軌道板自重)/軌道板寬度=83 kN/m。

表2 高速鐵路ZK活載荷載

計(jì)算考慮雙向列車荷載作用及單向列車荷載作用，如圖11所示。

4.3 工況分析及結(jié)論

模型各典型部位如圖12所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各工況下模型計(jì)算位移均很小，可忽略不計(jì)。模型在雙向列車荷載作用下結(jié)構(gòu)受力及位移均較單向列車荷載更為不利，因此僅取雙向列車荷載模型結(jié)果，各工況軌下注漿結(jié)構(gòu)或箱涵凸臺(tái)(工況3)節(jié)點(diǎn)反力及豎向應(yīng)力云圖如圖13～圖15所示，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖11 列車荷載作用模型

圖12 模型節(jié)點(diǎn)示意

圖13 工況一雙向列車荷載模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，工況2考慮凸臺(tái)懸空，注漿體取代凸臺(tái)結(jié)構(gòu)受力，SZZ、SXX計(jì)算結(jié)果表明注漿體受力較工況1顯著增大，但遠(yuǎn)未達(dá)到微膨脹525快硬型硫鋁酸鹽水泥漿極限抗壓強(qiáng)度4.6～5.1 MPa，表明此時(shí)軌下結(jié)構(gòu)整體依然穩(wěn)定。

圖14 工況二雙向列車荷載模型計(jì)算結(jié)果

圖15 工況三雙向列車荷載模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工況3計(jì)算分析，當(dāng)軌下結(jié)構(gòu)未考慮注漿時(shí)，僅由箱涵底部凸臺(tái)承受上部荷載，凸臺(tái)SXX、SZZ最大壓應(yīng)力達(dá)到6.9 MPa，較C40混凝土抗壓強(qiáng)度小，但已在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)?？紤]到長(zhǎng)期列車運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的振動(dòng)荷載及結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力影響，結(jié)構(gòu)安全度顯著降低。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)采用箱涵底帶凸臺(tái)及軌下縫隙注漿填充的方案是合理可行的，也是能滿足拼裝錯(cuò)縫情況下箱涵與管片受力要求的。

表3 各工況模型計(jì)算結(jié)果匯總

5 全預(yù)制拼裝技術(shù)優(yōu)化建議

清華園隧道軌下采用全預(yù)制拼裝技術(shù)，極大提高了傳統(tǒng)方法的施工功效，節(jié)約工期，避免了軌下結(jié)構(gòu)與管片間的大量植筋，提高了結(jié)構(gòu)耐久性，而且還大幅度改善了施工作業(yè)環(huán)境，該方案受到了各方的高度評(píng)價(jià)。但由于該工法的創(chuàng)新性，此前并無相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，施工過程中不可避免地出現(xiàn)了拼裝精度較低的現(xiàn)象。本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，提出如下后續(xù)優(yōu)化建議。

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，后續(xù)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)將軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)縱向壓緊受力與管片千斤頂受力相結(jié)合，保證箱涵與管片接縫對(duì)應(yīng)，并將預(yù)制件千斤頂裝置提前安裝在盾構(gòu)機(jī)尾部，可提高預(yù)制結(jié)構(gòu)施工精度。

(2)應(yīng)提高預(yù)制結(jié)構(gòu)拼裝精度要求，并應(yīng)在預(yù)制接口部位設(shè)置凹凸榫槽或連接螺栓等[19]措施，限制預(yù)制結(jié)構(gòu)之間的位移，從而保證拼裝精度。

(3)盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生管片拼裝誤差(如轉(zhuǎn)彎、變坡等)[20]，軌下預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要考慮結(jié)構(gòu)具備自調(diào)整能力。清華園隧道采用的箱涵底帶凸臺(tái)及軌下縫隙注漿填充的方案是可行的，其結(jié)構(gòu)自調(diào)節(jié)能力設(shè)計(jì)及注漿材料的性能，壓漿工藝及工程造價(jià)仍有待進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)階段大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式向預(yù)制化模式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，介紹了京張高鐵清華園隧道采用軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝的設(shè)計(jì)及施工概況，采用3種形式的中箱涵結(jié)構(gòu)及2種形式的邊箱涵結(jié)構(gòu)，分別解決了軌下疏散救援及通風(fēng)的需求。箱涵拼裝采用專門研制的拼裝機(jī)器人施工，后期采用壓漿方式填充箱涵與管片之間的空隙，保證了管片、軌下箱涵結(jié)構(gòu)的整體，確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

(2)清華園盾構(gòu)隧道全預(yù)制拼裝技術(shù)作為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，在實(shí)施過程中不可避免地產(chǎn)生了拼裝錯(cuò)縫的問題。采用Midas軟件對(duì)拼裝錯(cuò)縫問題進(jìn)行數(shù)值分析，采用箱涵底帶凸臺(tái)及軌下縫隙注漿填充調(diào)節(jié)施工誤差的方法是可行的，注漿填充也是必要的。表明全預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)在當(dāng)前階段對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是有保證的。

(3)針對(duì)錯(cuò)縫問題的產(chǎn)生，提出了全預(yù)制拼裝技術(shù)的后續(xù)優(yōu)化建議，高精度箱涵拼裝設(shè)備的研發(fā)，合理的軌下凸臺(tái)布置形式以及注漿材料性能，壓漿工藝、注漿分倉工藝的實(shí)施等方面均有待進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。