鐵路隧道預(yù)制裝配式拱形明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

萬自強(qiáng)

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

0 引言

近年來，我國鐵路工程尤其是鐵路隧道工程突飛猛進(jìn)發(fā)展。截至2019年底，投入運(yùn)營鐵路隧道16 084座，總長度達(dá)18 041 km［1］。依據(jù)目前修建技術(shù)水平，鐵路隧道拱形明洞襯砌結(jié)構(gòu)通常采用現(xiàn)澆法施工，但這種施工方法存在投入大、工作效率低、施工組織安排及物料運(yùn)輸組織比較繁雜等問題，而且現(xiàn)澆后混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長。

為解決現(xiàn)澆施工中存在的問題，參照盾構(gòu)隧道預(yù)制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法［2-4］，以北京朝陽動(dòng)車運(yùn)用所試車線地面拱形明洞結(jié)構(gòu)為例，介紹一種預(yù)制裝配式鐵路隧道拱形明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，為今后類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 概況

1.1 工程概況

北京朝陽動(dòng)車所試車線建于北京朝陽動(dòng)車所和既有環(huán)線之間，包括試車Ⅰ線、試車Ⅱ線和試車聯(lián)絡(luò)線。試車線主要用于高速綜合檢測(cè)列車等檢測(cè)設(shè)備的標(biāo)定、鐵路移動(dòng)裝備綜合試驗(yàn)與重載鐵路技術(shù)系統(tǒng)試驗(yàn)。

試車Ⅰ線長度為4.150 km，按照重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軸重為350 kN。在試車Ⅰ線地面線路段落設(shè)置了全長205 m的地面明洞結(jié)構(gòu)用以模擬隧道工況，其中80 m 為預(yù)制裝配式隧道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段，采用預(yù)制裝配式拱形明洞施工工藝。

1.2 隧道建筑限界及內(nèi)輪廓

建筑限界采用GB 146.2—1983《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑限界》中的“隧限—2A”［5］；綜合隧道建筑限界和隧道檢查車的通行及標(biāo)定要求，隧道襯砌內(nèi)輪廓采用《時(shí)速250 公里高速鐵路單線隧道復(fù)合式襯砌》（通隧〔2013〕0202）隧道內(nèi)輪廓，軌面以上凈空面積60 m2。隧道內(nèi)輪廓見圖1。

圖1 隧道內(nèi)輪廓

1.3 地質(zhì)概況

1.3.1 工程地質(zhì)

北京朝陽動(dòng)車運(yùn)用所試車線隧道場(chǎng)地（簡(jiǎn)稱場(chǎng)地）勘測(cè)深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、中砂，表層為第四系人工堆積層（Q4ml）素填土、雜填土。土壤標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度為0.8 m。

1.3.2 水文地質(zhì)

場(chǎng)地地下水類型主要為第四系孔隙潛水，含水層主要為第四系粉土、砂類土。勘測(cè)期間地下水位埋深為4.50～5.30 m。主要由大氣降水補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化幅度3～5 m。

場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水在氯鹽環(huán)境并有干濕交替作用條件下對(duì)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)具氯鹽侵蝕，環(huán)境作用等級(jí)為L1；在化學(xué)侵蝕環(huán)境條件下具硫酸鹽侵蝕，環(huán)境作用等級(jí)為H1；在鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境條件下具鹽類結(jié)晶破壞，環(huán)境作用等級(jí)為Y2。

1.3.3 不良地質(zhì)

場(chǎng)地位于北京平原地區(qū)，為區(qū)域地面沉降發(fā)育區(qū)。2012、2013、2014 年年沉降量為80～110 mm，2015 年為80～100 mm，2016 年為90～110 mm，2017 年為80～100 mm，2018年為50～70 mm。地面沉降尤其是不均勻沉降對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響較大。

2 預(yù)制構(gòu)件分塊設(shè)計(jì)

在有效提高鐵路明洞穩(wěn)固性、保證鐵路明洞良好支撐性的同時(shí)，為提高施工效率、便于安裝和后期維護(hù)保養(yǎng)，將拱形明洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，具體包括：預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)、預(yù)制裝配式軌下結(jié)構(gòu)、預(yù)制裝配式隧底仰拱結(jié)構(gòu)等［6-7］，預(yù)制構(gòu)件分塊設(shè)計(jì)示意見圖2。

各預(yù)制構(gòu)件在高精度鋼模內(nèi)預(yù)制成型，再運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。并同時(shí)對(duì)預(yù)制裝配式拱形明洞的基底進(jìn)行處理，以滿足預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)對(duì)基底平整性的要求。

2.1 預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拱墻結(jié)構(gòu)由1 塊封頂塊（K 塊）、2 塊鄰接塊（B 塊）和2 塊拱墻塊（A 塊）組成［8］。預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意見圖3。

（1）拱墻塊對(duì)應(yīng)設(shè)于明洞基底頂面的兩側(cè)，且下端與基底固定連接；2個(gè)鄰接塊分別對(duì)應(yīng)設(shè)于拱墻塊上端且其中一端與拱墻塊固定連接；封頂塊兩端與2個(gè)鄰接塊固定連接，形成封閉的拱形結(jié)構(gòu)。

（2）在拱墻塊、鄰接塊以及封頂塊的外側(cè)面設(shè)置外接凸耳及螺栓孔，固定彎螺栓穿過外接凸耳上的螺栓孔使拱墻塊與明洞基底、拱墻塊與鄰接塊以及鄰接塊與封頂塊連接。

（3）預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)環(huán)縫及縱縫接觸面均設(shè)置榫槽，用以加強(qiáng)不同分塊之間的連接。

（4）預(yù)制拱墻結(jié)構(gòu)采用通縫拼裝型式，襯砌厚度300 mm，環(huán)寬2 000 mm。

2.2 預(yù)制裝配式軌下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)制裝配式軌下結(jié)構(gòu)設(shè)置在隧底仰拱結(jié)構(gòu)上方，由2 個(gè)分別與拱墻塊連接的且呈鏡像布置的F 型預(yù)制塊，以及固定連接在2個(gè)F型預(yù)制塊之間的門型預(yù)制塊組成。

圖2 預(yù)制構(gòu)件分塊設(shè)計(jì)示意圖

圖3 預(yù)制裝配式拱墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

（1）F型預(yù)制塊與門型預(yù)制塊間縱縫采用4根M24直螺栓連接，相鄰預(yù)制塊環(huán)縫之間采用2根M24螺栓連接。

（2）預(yù)制裝配式軌下結(jié)構(gòu)縱縫接觸面不設(shè)置凹凸榫，但與預(yù)制裝配式隧底仰拱結(jié)構(gòu)之間采用M24 斜螺栓加點(diǎn)狀凹凸榫連接。

（3）軌下結(jié)構(gòu)采用通縫拼裝型式，環(huán)寬2 000 mm。

2.3 預(yù)制裝配式隧底仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)制裝配式隧底仰拱結(jié)構(gòu)設(shè)置在基底上方，由2個(gè)分別與F型預(yù)制塊連接且呈鏡像布置的邊仰拱塊以及固定連接在2個(gè)邊仰拱塊之間的中仰拱塊組成。

（1）邊仰拱塊與中仰拱塊間縱縫采用2組M24斜螺栓及凹凸榫連接，相鄰仰拱塊環(huán)縫之間采用凹凸榫連接。

（2）預(yù)制裝配式隧底仰拱結(jié)構(gòu)環(huán)縫及縱縫接觸面均設(shè)置榫槽，用以加強(qiáng)仰拱塊的整體性。

（3）隧底仰拱結(jié)構(gòu)采用通縫拼裝型式，環(huán)寬2 000mm。

2.4 連接螺栓設(shè)計(jì)

（1）螺栓產(chǎn)品等級(jí)為B級(jí)，機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)，預(yù)埋鋼螺栓套管采用Q345 鋼材，螺紋采用粗螺紋，墊圈硬度最低為300 HV。

（2）為保證螺栓連接的可靠性與安全性，螺栓拉拔強(qiáng)度指標(biāo)需滿足最小拉力荷載≥466 kN；螺栓套管拉拔強(qiáng)度指標(biāo)需滿足保證荷載≥516 kN，保證應(yīng)力≥920 N/mm2。

2.5 其余部分設(shè)計(jì)

（1）明洞隧底仰拱結(jié)構(gòu)及明洞拱墻塊（A塊）部分位于現(xiàn)狀地面以下，為保證結(jié)構(gòu)地面平順性、應(yīng)對(duì)不均勻沉降等不良地質(zhì)作用，隧道結(jié)構(gòu)底部采用C25混凝土進(jìn)行換填處理，換填深度為2 m。

（2）為保證預(yù)制結(jié)構(gòu)的抗傾覆與抗滑移穩(wěn)定性，在預(yù)制拱墻結(jié)構(gòu)拱墻塊（A 塊）上方設(shè)置壓頂梁并與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相連，并在隧底仰拱結(jié)構(gòu)下方加設(shè)抗傾覆樁。

（3）預(yù)制塊拼裝施工過程優(yōu)先進(jìn)行底部仰拱結(jié)構(gòu)和軌下結(jié)構(gòu)拼裝，待下部結(jié)構(gòu)全部拼裝完成后，方可進(jìn)行拱墻結(jié)構(gòu)拼裝施工。

（4）隧底仰拱結(jié)構(gòu)拼裝完成后，利用隧底仰拱結(jié)構(gòu)預(yù)埋的灌漿孔對(duì)底部間隙密實(shí)回填，灌漿材料采用M10水泥砂漿。灌漿作業(yè)面與拼裝位置保持5環(huán)以上的距離，并確保相鄰灌漿孔接縫冒漿后方可停止。

（5）在隧底仰拱結(jié)構(gòu)、拱墻結(jié)構(gòu)等預(yù)制裝配式構(gòu)件設(shè)置縱向拉緊聯(lián)系條，待每拼裝5環(huán)后，利用預(yù)留的張拉孔進(jìn)行縱向拉緊，確保結(jié)構(gòu)拼裝的精度與質(zhì)量。

3 防水設(shè)計(jì)及耐久性設(shè)計(jì)

3.1 防水設(shè)計(jì)

（1）因預(yù)制拱形結(jié)構(gòu)位于地面，防水等級(jí)為二級(jí)，并采用防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)不小于P8。混凝土外側(cè)防水層采用2.5 mm厚水泥基滲透結(jié)晶防水涂料防水。

（2）預(yù)制結(jié)構(gòu)的縱縫及環(huán)縫均采用彈性橡膠密封墊+遇水膨脹止水條進(jìn)行防水，彈性橡膠密封墊采用EPDM（三元乙丙）為主、輔以高密度遇水膨脹橡膠的復(fù)合密封墊。

（3）螺栓孔部位設(shè)置O 型密封圈，材質(zhì)為遇水膨脹橡膠。

（4）預(yù)制構(gòu)件吊裝孔采用微膨脹輕質(zhì)混凝土回填的方式進(jìn)行防水。

3.2 耐久性設(shè)計(jì)

（1）隧道結(jié)構(gòu)及主要不可更換部件的設(shè)計(jì)使用年限級(jí)別為1級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為100年。

（2）參照《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》要求和國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，降低混凝土碳化速率、提高結(jié)構(gòu)耐久性，預(yù)制構(gòu)件采用C40鋼筋混凝土［9］。

（3）為保證結(jié)構(gòu)安全和鋼筋抗侵蝕能力，預(yù)制構(gòu)件的最大裂縫寬度允許值為0.2 mm，且不得有貫穿裂縫，主筋凈保護(hù)層厚度為40 mm。

（4）預(yù)制構(gòu)件外側(cè)螺栓采用塑料保護(hù)罩進(jìn)行封閉保護(hù)，螺栓與預(yù)制結(jié)構(gòu)之間的空隙采用水泥砂漿填充密實(shí)。所有連接件均需進(jìn)行納米復(fù)合粉末滲鋅防腐處理，防腐層厚度不小于50 μm，并應(yīng)避免磨損，以防止銹蝕。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)介紹鐵路隧道預(yù)制裝配式拱形明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足規(guī)范的要求下，選擇合理的分塊設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)形式。并從拱墻結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)、隧底仰拱結(jié)構(gòu)、防水設(shè)計(jì)及耐久性設(shè)計(jì)等方面闡述了拱形明洞的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)方案預(yù)制結(jié)構(gòu)質(zhì)量可控、施工快捷便利且綠色環(huán)保，能夠?qū)崿F(xiàn)明洞的快速施工，對(duì)同類工程具備一定的參考價(jià)值。