全預制盾構(gòu)隧道邊箱涵精細化施工分析

趙海濤

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司,南京 211800)

引言

為了降低城市用地成本以及控制軌道交通運行時對城市環(huán)境的干擾，城市中的軌道交通主要在隧道內(nèi)通行，同時盾構(gòu)法有著環(huán)保、高效掘進、對圍巖擾動小的優(yōu)點，而在城市淺埋隧道中大量使用[1]。其中，鐵路雙線隧道界限較一般軌道交通大，因此需要額外結(jié)構(gòu)保證一定行車面，因此屬于大斷面盾構(gòu)隧道。在類似盾構(gòu)隧道中，杭州錢江隧道采用先安裝中部口型預制構(gòu)件，后現(xiàn)澆邊側(cè)牛腿及邊側(cè)行車道板的施工技術(shù)[2]；上海復興東路越江隧道，采用先進行上部預制板安裝后進行下層現(xiàn)澆的施工技術(shù)[3-4]；揚州瘦西湖隧道設(shè)計了一種雙層臺車，在不干擾隧道內(nèi)運輸?shù)那疤嵯逻M行預制行車道板的安裝及立柱現(xiàn)澆[5]；武漢地鐵8號線黃浦路站—徐家棚站越江區(qū)間的中箱涵使用預制施工，后續(xù)邊跨結(jié)構(gòu)及中隔墻使用整體式現(xiàn)澆施工[6]。除以上工程外，還有南京市緯三路過江通道工程[7]、上海諸光路工程[8-9]。

由此可見，以往工程中主要使用預制中箱涵、現(xiàn)澆邊跨的施工技術(shù)方案，沒有采用全預制的隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)施工方式。在這些半預制施工的盾構(gòu)工程中，姜海西[8-9]依托上海諸光路工程，對標準構(gòu)件拼裝施工的難點進行分析，并研究了現(xiàn)澆和預制構(gòu)件間節(jié)點的力學行為；夏鵬舉等[10]對標準預制構(gòu)件在臨時施工階段的力學行為進行了分析。

隨著預制化施工的發(fā)展，越來越多的工程使用全預制施工技術(shù)[11-12]，主要用于房屋結(jié)構(gòu)[13]以及橋梁的梁跨結(jié)構(gòu)[14-16]，隧道工程主要應(yīng)用于沉管隧道，盾構(gòu)隧道的應(yīng)用較少。另一方面，目前主要對預制化具體施工工藝以及拼裝機械研究較多，如劉波等[17]人依托上海S26公路工程，介紹了一種橋墩墩柱的預制化拼裝施工工藝；沈陽云[18]依托東海大橋工程，介紹了該工程墩身預制安裝的施工工藝；石帥等[19]介紹了預制化施工工藝在房屋建筑中的典型應(yīng)用；楊闖等[20]詳細分析了房屋建筑中預制化施工的典型設(shè)計、施工問題。綜上所述，首先目前盾構(gòu)隧道的隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)全預制施工的工程案例極少，缺乏相關(guān)研究討論。同時，目前相關(guān)研究主要集中于討論相關(guān)預制化施工工藝以及其拼裝設(shè)備，對精細化預制施工的具體研究較少。本文依托首個結(jié)構(gòu)物全預制施工的盾構(gòu)隧道工程—清華園隧道工程，對盾構(gòu)隧道邊箱涵預制施工的優(yōu)缺點進行了分析，同時針對邊箱涵精細化施工的要求，進行了拼裝誤差施工工況有限元數(shù)值模擬并用于指導施工。

1 工程背景

1.1 隧道概況

清華園隧道是京張高鐵的控制性重點工程，位于北京市海淀區(qū)城區(qū)。其中盾構(gòu)段全線并行北京地鐵13號線，穿越4處地鐵、7處主要城市道路及眾多城市重要時政管線，是目前國內(nèi)穿越重要建(構(gòu))筑物最多的鐵路單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風險隧道。

清華園隧道盾構(gòu)段開挖直徑為12.64 m，隧道內(nèi)輪廓半徑5.55 m，其隧道內(nèi)凈空斷面如圖1所示。清華園隧道盾構(gòu)段軌下結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性地使用預制邊箱梁施工，如圖2所示。

圖1 清華園隧道凈空斷面(單位：mm)

圖2 隧道軌下結(jié)構(gòu)示意

1.2 預制邊箱梁的技術(shù)特征

清華園隧道預制變箱梁標準塊使用C40纖維混凝土澆筑，如圖3所示，預制邊箱涵高2.5 m、長3.15 m，箱梁寬度與隧道管片幅寬相同，為2 m。邊箱涵同中箱涵通過螺栓進行連接，在邊箱涵頂部具有2×2共4個吊裝孔，用于邊箱涵的安裝施工。

圖3 預制邊箱涵結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

在清華園隧道軌下結(jié)構(gòu)的預制施工過程中，使用全新研制的邊箱涵拼裝臺車進行施工，如圖4所示。

圖4 隧道預制邊箱涵拼裝臺車

在拼裝過程中使用橫梁提升系統(tǒng)(圖5)，每根橫梁使用2臺電動葫蘆同步控制，將控制點由4個減至2個，提升施工便捷性的同時提高了控制精度。

圖5 定位安裝系統(tǒng)

1.3 邊箱涵預制施工優(yōu)缺點

邊箱涵預制施工有以下優(yōu)點：降低施工現(xiàn)場環(huán)境污染，有效改善施工現(xiàn)場工人作業(yè)環(huán)境，有助于提高工程整體施工效率，降低施工作業(yè)風險水平，保障鋼筋混凝土構(gòu)件的質(zhì)量水平。

采用預制化施工，減少隧道內(nèi)由于澆筑混凝土導致的粉塵擴散以及混凝土運輸車輛的尾氣排放，優(yōu)化了隧道內(nèi)一線施工作業(yè)人員的工作環(huán)境。同時，由于隧道施工現(xiàn)場位于北京城區(qū)核心區(qū)，減少混凝土運輸車輛的使用以及較低的粉塵擴散效應(yīng)，有利于北京城區(qū)大氣污染的防治工作。大量的預制施工從源頭上降低了施工的環(huán)境成本，將原本多污染源、不規(guī)律的污染排放優(yōu)化為預制場單一污染源，便于環(huán)境防治管理。

預制化施工作業(yè)簡便，機械化程度高，減少了施工作業(yè)時間以及人員管理調(diào)度難度。在預制化施工中，可安排大型運輸車輛于夜間集中運輸預制件至施工現(xiàn)場，夜間僅需定時、少量人員進行裝卸作業(yè)即可，施工噪聲少；由于預制件多采用螺栓連接，因此施工機械化程度高，白天也僅需安排少量作業(yè)人員即可高效完成施工作業(yè)。同時，在北京等大型城市中，由于環(huán)境管控以及城市管理的限制，大型運輸車輛僅能夜間出入城區(qū)；因此，預制化施工最大化地符合城市管理，并且降低了施工人工成本。

預制件在現(xiàn)場施工作業(yè)時，構(gòu)件已經(jīng)達到受力條件，可立即承受施工荷載，便于優(yōu)化施工作業(yè)規(guī)劃。在一般大直徑盾構(gòu)隧道中，隧道中僅有由已拼裝完成中箱涵形成的施工作業(yè)通道用于管片、施工材料以及人員運輸，運輸通道狹窄且有安全隱患。由于清華園隧道邊箱涵采用預制施工，可快速擴展運輸作業(yè)平臺，提高施工運輸效率，并降低施工的安全隱患。

由于使用工廠化施工，構(gòu)件質(zhì)量可控，從而降低了軌下結(jié)構(gòu)變形、開裂的風險，提升線路平順性的同時降低后期運營管理成本。但依然存在以下缺點：提升構(gòu)件制造及運輸維護費用，構(gòu)件現(xiàn)場吊裝精度要求較高。

預制化施工需要將制作完成的構(gòu)件從工廠安全運輸至施工現(xiàn)場，因此預知化施工將提高工程的運輸維護費用。

另一方面，后期安裝施工決定著預制化施工質(zhì)量水平。首先，在后期施工過程的拼裝誤差存在誤差積累問題，單一構(gòu)件的安裝誤差在一開始可能不盡明顯且易忽視，但隨著構(gòu)件的連續(xù)安裝，前序已安裝構(gòu)件的誤差將逐漸在后續(xù)構(gòu)件上顯現(xiàn)，最終導致拼裝失敗等施工質(zhì)量問題。另一方面，在吊裝預制構(gòu)件的過程中，由于吊裝方式的不同將對預制構(gòu)件產(chǎn)生多變的施工荷載，當這一施工荷載恰好以最不利形式作用于構(gòu)件時，構(gòu)件將產(chǎn)生一定損傷。因此，必須正視單一構(gòu)件拼裝施工時，拼裝作業(yè)的施工作用效應(yīng)問題，從而提升施工質(zhì)量。

總體而言，邊箱涵采用預制化施工技術(shù)效益顯著。對于類似本工程的復雜城市環(huán)境下盾構(gòu)鐵路隧道，存在施工工期緊迫、周邊環(huán)境污染控制嚴格、施工安全性要求高等要求。使用全預制施工首先減少了現(xiàn)場模板制作、鋼筋捆扎、混凝土澆筑的工時，從而降低施工關(guān)鍵節(jié)點工時，壓縮整體施工時間。由于不需要現(xiàn)場混凝土澆筑，降低了粉塵排放，降低工程固體顆粒物排放，保障城市大氣環(huán)境。邊箱涵預制施工加快了盾構(gòu)隧道內(nèi)車輛作業(yè)平臺的形成，方便運輸車輛錯車，降低了油脂、管片運輸?shù)挠绊憽?/p>

2 有限元分析

針對拼裝提升精度控制對構(gòu)件產(chǎn)生的不利影響，使用通用有限元分析軟件ANSYS分析提升誤差對構(gòu)件的影響。

2.1 計算參數(shù)設(shè)置

有限元計算采用的材料屬性如表1所示。

表1 有限元計算材料屬性

計算中使用邊箱梁尺寸如圖3所示，吊裝螺桿尺寸如圖6所示。

圖6 吊裝螺桿及其墊圈(單位：mm)

圖7是計算邊界設(shè)置，在螺桿頂端施加位移邊界模擬不同的吊裝誤差。分別在位移邊界1(B)側(cè)施加1，5，10，15，20，30，50，80，100 mm的Z向強制位移，此時位移邊界2(C)在Z向上保持固定；隨后強制位移加載側(cè)位置變換，以模擬兩側(cè)不同吊裝誤差引起的影響。

圖7 邊界設(shè)置(單位：mm)

2.2 計算分析

圖8是絕對水平吊裝時，邊箱涵等效應(yīng)力云圖。從圖8可見，預制塊吊裝時主要面臨吊裝螺桿同構(gòu)件間接觸局部應(yīng)力集中的問題。在絕對水平吊裝時，兩側(cè)螺栓孔應(yīng)力區(qū)域大小不一致，左側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域明顯大于右側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域。

圖8 局部應(yīng)力示意(單位：MPa)

圖9是在不同位移邊界處產(chǎn)生不同的吊裝誤差時單元有效應(yīng)力變化規(guī)律。從圖9可以看出，當誤差達到80 mm以上時，構(gòu)件最大有效應(yīng)力均達到40 MPa以上，可能導致構(gòu)件局部應(yīng)力集中而開裂。另一方面，當位移邊界2處產(chǎn)生誤差時引起的最大有效應(yīng)力大于位移邊界1處產(chǎn)生誤差時引起最大有效應(yīng)力。

圖9 不同位移邊界誤差下的有效應(yīng)力變化規(guī)律

造成兩側(cè)吊裝孔應(yīng)力集中不一致，以及兩側(cè)位移誤差形成不同增長規(guī)律的原因是吊裝孔同重心偏差過大所致。圖10是邊箱梁的受力分析圖，圖中G為重力作用，F(xiàn)1、F2分別是兩側(cè)位移邊界吊裝螺桿受力，d1、d2則是兩側(cè)的力臂。由圖10可見，d1明顯大于d2，因此顯然將導致F1將小于F2，由此導致圖8顯示的水平吊裝時吊孔應(yīng)力集中程度左側(cè)大于右側(cè)。同時，位移邊界2處產(chǎn)生吊裝誤差導致的應(yīng)力集中及最大有效應(yīng)力將大于位移邊界1處產(chǎn)生的影響。

圖10 邊箱涵受力分析示意

考慮數(shù)值模擬規(guī)律，在現(xiàn)場吊裝預制邊箱梁塊時，應(yīng)注意以下施工事項。

(1)應(yīng)正視由于邊箱梁兩側(cè)吊裝孔力臂差異引起的不同應(yīng)力集中程度，主要注意靠中箱梁側(cè)吊裝孔附近的應(yīng)力集中情況。

(2)吊裝邊箱梁過程中，由于施工人員操作引起的吊裝誤差不得超過60 mm，同時應(yīng)防止靠近中箱梁側(cè)高于靠近管片側(cè)的情形。

(3)考慮吊裝螺桿及拼裝臺車的應(yīng)力疲勞，邊箱梁應(yīng)左右交錯拼裝施工，盡量防止螺桿及臺車產(chǎn)生應(yīng)力疲勞，降低施工安全隱患。

同時，建議未來類似工程設(shè)計過程中異形構(gòu)件吊裝孔設(shè)計應(yīng)考慮吊裝誤差產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)語

依托京張高鐵清華圓隧道工程，針對該工程中軌下結(jié)構(gòu)全預制施工中的邊箱梁施工問題進行了優(yōu)缺點及施工優(yōu)質(zhì)化分析，得出以下結(jié)論。

(1)邊箱梁預制化施工符合城市區(qū)域的城市管理制度，提高施工效率。

(2)邊箱梁預制化施工減少了粉塵及噪聲污染，將多處、不可控的污染源優(yōu)化為單一、可控的污染源，提升了綠色施工水平。

(3)應(yīng)正視邊箱梁預制化施工過程中，由于拼裝導致的拼裝誤差及施工中吊裝誤差導致的施工影響。結(jié)合數(shù)值模擬規(guī)律及受力分析，認為應(yīng)力集中主要在靠近中箱梁側(cè)吊裝孔，同時吊裝誤差不得超過60 mm，并應(yīng)防止中箱梁側(cè)高于管片側(cè)的情形；在施工順序上，應(yīng)采用左右交錯拼裝施工，減少吊裝螺桿及臺車的應(yīng)力疲勞。

(4)建議未來類似工程設(shè)計過程中異形構(gòu)件吊裝孔設(shè)計應(yīng)考慮吊裝誤差產(chǎn)生的影響。