鐵路隧道二次襯砌施工新方法及襯砌臺(tái)車方案設(shè)計(jì)

李先進(jìn)，林春剛，李 荊, *

(1. 廣州南沙經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)建設(shè)中心，廣東 廣州 511458； 2. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458； 3. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

傳統(tǒng)山嶺隧道二次襯砌通常采用襯砌模板臺(tái)車進(jìn)行整體式澆筑，并與仰拱連接封閉成環(huán)，但該工法施工的二次襯砌拱部大都存在背后空洞、厚度不足或強(qiáng)度不夠等缺陷。隨著隧道投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，二次襯砌拱部缺陷問(wèn)題日益凸顯，帶來(lái)較嚴(yán)重的襯砌縱向開(kāi)裂及掉塊等質(zhì)量問(wèn)題。查閱資料可知，拱部混凝土產(chǎn)生空洞、厚度不足的原因主要是拱部灌注混凝土施工工藝控制不到位、質(zhì)量自控不到位等；導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂的主要因素為外荷載、施工質(zhì)量與工藝、溫度和干縮等[1]。

因此，探索一種有效解決隧道拱部襯砌質(zhì)量缺陷問(wèn)題，提高隧道工程質(zhì)量的新技術(shù)、新方法已經(jīng)迫在眉睫。將缺陷比較集中和嚴(yán)重的二次襯砌拱頂部分利用先進(jìn)的預(yù)制技術(shù)進(jìn)行工廠化預(yù)制，可以從根本上消除現(xiàn)場(chǎng)澆筑作業(yè)不規(guī)范帶來(lái)的拱部缺陷。

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研可知，襯砌預(yù)制技術(shù)分為全部預(yù)制和部分預(yù)制2種形式，目前主要應(yīng)用于盾構(gòu)和TBM施工的隧道工程，而采用新奧法施工的山嶺隧道僅有少數(shù)工程采用。在部分預(yù)制技術(shù)研究與應(yīng)用方面，王明年等[2]對(duì)地下鐵道明挖區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)部分預(yù)制技術(shù)進(jìn)行了深入研究；時(shí)亞昕[3]對(duì)長(zhǎng)大隧道仰拱采用預(yù)制技術(shù)施工進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究；西康Ⅰ線鐵路秦嶺隧道的仰拱施工中曾采用了預(yù)制構(gòu)件，其長(zhǎng)度為一個(gè)TBM掘進(jìn)行程[4]。在全預(yù)制技術(shù)研究與應(yīng)用方面，嚴(yán)義招[5]、陳敬軍[6]對(duì)隧道礦山法施工條件下全預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)的構(gòu)件劃分、拼裝方式、施工動(dòng)態(tài)力學(xué)特性等進(jìn)行了深入的研究；江帥等[7]基于北京地鐵6號(hào)線西延07標(biāo)工程，對(duì)新型裝配式襯砌施工技術(shù)及其配套設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)；王德超等[8]基于新型機(jī)械設(shè)備和新材料的研發(fā)、施工工藝以及組合形式等，探討了預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景和方向；宋丹等[9]闡述了暗挖隧道裝配式管片拼裝中需解決的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了配套的拼裝設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及功能特點(diǎn)。

綜上所述，雖然二次襯砌施工全環(huán)或仰拱部分預(yù)制拼裝技術(shù)早已存在且有一些較為成功的工程案例，但在采用鉆爆法施工的鐵路山嶺隧道中，拱部采用預(yù)制拼裝、而其余襯砌仍然采用襯砌臺(tái)車現(xiàn)澆的施工理念和方法尚未有文獻(xiàn)報(bào)道且缺乏配套的專用施工設(shè)備。本文基于這種理念，研究隧道二次襯砌施工新方法，并基于該方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的模板臺(tái)車。

1 工程概況與二次襯砌施工

1.1 工程概況

胡家溝隧道工程位于重慶市北碚區(qū)東陽(yáng)鎮(zhèn)境內(nèi)，為雙線隧道，洞身為Ⅴ級(jí)圍巖，中心里程LMZK3+501，最大埋深27 m，全長(zhǎng)228 m。其中，試驗(yàn)段長(zhǎng)150 m，二次襯砌設(shè)計(jì)內(nèi)徑為6 650 mm，非試驗(yàn)段二次襯砌設(shè)計(jì)內(nèi)徑為6 290 mm。隧道右側(cè)鄰近既有鐵路線，有公路到達(dá)隧道進(jìn)口，交通較為便利。

1.2 二次襯砌施工新方法

為有效避免隧道拱部缺陷帶來(lái)的運(yùn)營(yíng)安全問(wèn)題，研究人員提出了一種隧道二次襯砌新施工理念和方法，即二次襯砌拱部采用預(yù)制管片(寬2 m)，其余部位采用襯砌模板臺(tái)車現(xiàn)澆，并將預(yù)制管片與現(xiàn)澆邊墻用不同形式的接頭連接，最后通過(guò)預(yù)緊、防排水、注漿加固等手段將二者固連成一個(gè)整體。由于二次襯砌拱部為預(yù)制管片，可以在預(yù)制階段消除全環(huán)現(xiàn)澆過(guò)程中存在的空洞，振搗不密實(shí)，強(qiáng)度、厚度不足等問(wèn)題。預(yù)制管片與二次襯砌側(cè)邊墻連接方式為剛性搭接，因此對(duì)接頭的精度要求很高。接頭類型分為L(zhǎng)型榫接頭和后澆型鋼接頭，接頭位置在整體式二次襯砌彎矩接近于0的區(qū)域范圍內(nèi)，可根據(jù)線路情況進(jìn)行合理選擇。管片接縫處采用三元乙丙彈性防水密封墊進(jìn)行防水，拱部預(yù)制管片背后采用注漿堵水。

試驗(yàn)段LMZK3+603～+615與LMZK+465～+471這2段二次襯砌采用全環(huán)現(xiàn)澆，共計(jì)18 m，為中間區(qū)段管片預(yù)緊拼裝提供支撐；LMZK3+471～+603區(qū)段的二次襯砌分別采用后澆型鋼接頭和L型榫接頭2種襯砌搭接形式，長(zhǎng)度分別為24、108 m。胡家溝隧道試驗(yàn)段混凝土襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)段后澆型鋼接頭復(fù)合式襯砌和L型接頭混凝土襯砌見(jiàn)圖1。

表1 胡家溝隧道試驗(yàn)段混凝土襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)

為順利完成試驗(yàn)段二次襯砌澆筑，采取如下施工流程： 1)使用全環(huán)現(xiàn)澆用模板臺(tái)車澆筑LMZK3+465～+471和LMZK3+603～+615區(qū)段的全環(huán)二次襯砌。2)使用L型榫接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車澆筑側(cè)邊墻襯砌，并進(jìn)行L型榫接頭預(yù)制管片拼裝，每完成5～6片管片安裝后，進(jìn)行縱向預(yù)緊施工及拱部背后注漿，重復(fù)上述工序直至該區(qū)段的管片拼裝全部完成。3)使用后澆型鋼接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車進(jìn)行二次襯砌側(cè)邊墻澆筑，并在接頭位置預(yù)埋好型鋼，進(jìn)行型鋼接頭預(yù)制管片拼裝作業(yè)，將預(yù)制管片頂升推進(jìn)到對(duì)接位置后，利用型鋼與兩端鋼板對(duì)其進(jìn)行支撐，待與后4～5片管片完成縱向預(yù)緊后，對(duì)接頭處進(jìn)行混凝土澆筑。重復(fù)上述步驟直至所有管片拼裝工作完成。

(a)—后澆型鋼接頭復(fù)合式襯砌； (b)—L型接頭混凝土襯砌。

1.3 試驗(yàn)段隧道橫斷面設(shè)計(jì)

為順利完成二次襯砌拱部預(yù)制管片拼裝工作，同時(shí)考慮到后期可能進(jìn)行套襯加固及運(yùn)營(yíng)整治的需求，對(duì)隧道橫斷面進(jìn)行了一定的擴(kuò)挖設(shè)計(jì)，試驗(yàn)段擴(kuò)挖量比例為10%左右。

1.3.1 全環(huán)澆筑隧道斷面設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段全環(huán)澆筑橫斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。二次襯砌厚度有2種，分別為400、500 mm，設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸均為6 650 mm。

1.3.2 拼裝式襯砌斷面設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段后澆型鋼接頭拼裝式襯砌橫斷面如圖1(a)所示。該復(fù)合式襯砌邊墻厚度為400 mm，設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸為6 650 mm，與之對(duì)應(yīng)的拱部預(yù)制管片厚度為400 mm，設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸為6 650 mm。

試驗(yàn)段L型榫接頭拼裝式襯砌橫斷面設(shè)計(jì)如圖1(b)所示，共有2種不同的襯砌參數(shù)。其共同點(diǎn)是設(shè)計(jì)內(nèi)徑尺寸均為6 650 mm，不同點(diǎn)在于襯砌厚度不一致，其中一個(gè)襯砌邊墻厚度為400 mm，與之對(duì)應(yīng)的拱部預(yù)制管片厚度為400 mm；另一個(gè)襯砌邊墻厚度為500 mm，與之對(duì)應(yīng)的拱部預(yù)制管片厚度為500 mm。

圖2 全環(huán)澆筑隧道斷面(單位: cm)

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 功能需求分析

鐵路隧道的斷面尺寸并非一成不變的，因此襯砌模板臺(tái)車需要隨時(shí)適應(yīng)隧道斷面尺寸的變化，實(shí)現(xiàn)基本的變截面功能[10]；隨著二次襯砌澆筑工藝的不斷完善，帶模注漿功能[11-13]已經(jīng)逐步發(fā)展為鐵路隧道二次襯砌施工臺(tái)車的主流配置；近年來(lái)，將自動(dòng)化與控制技術(shù)引入到隧道二次襯砌施工領(lǐng)域后，又涌現(xiàn)出了許多功能多樣、作業(yè)智能的襯砌模板臺(tái)車[14-18]；此外，為滿足試驗(yàn)段全環(huán)澆筑和拼裝式襯砌側(cè)墻澆筑以及非試驗(yàn)段常規(guī)全環(huán)澆筑的要求，還需要具備可轉(zhuǎn)化的功能。綜上所述，本次模板臺(tái)車的設(shè)計(jì)方案需要體現(xiàn)變截面、帶模注漿、智能化和可轉(zhuǎn)換功能。

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 方案設(shè)計(jì)的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

由2.1節(jié)所述功能需求分析可知，本次模板臺(tái)車設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于一臺(tái)設(shè)備要完成不同二次襯砌結(jié)構(gòu)的澆筑作業(yè)，涉及臺(tái)車本體結(jié)構(gòu)、臺(tái)車模板系統(tǒng)及臺(tái)車側(cè)邊墻澆筑縱向封堵3大關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2.2 臺(tái)車本體結(jié)構(gòu)方案

臺(tái)車本體結(jié)構(gòu)主要包括承載結(jié)構(gòu)、行走部件、液壓系統(tǒng)、澆注系統(tǒng)及其附屬結(jié)構(gòu)，如圖3所示。為了顯示臺(tái)車本體結(jié)構(gòu)與模板系統(tǒng)的相對(duì)關(guān)系，圖中也體現(xiàn)了全環(huán)澆筑用模板系統(tǒng)。

2.2.3 臺(tái)車模板系統(tǒng)方案

臺(tái)車模板系統(tǒng)一共有3種形式： 第1種為全環(huán)澆筑模板系統(tǒng)，適用于試驗(yàn)段和非試驗(yàn)段常規(guī)全環(huán)整體式二次襯砌澆筑，其方案如圖4(a)所示；另外2種適用于試驗(yàn)段拼裝式襯砌結(jié)構(gòu)側(cè)邊墻襯砌澆筑，如圖4(b)所示。由于2種模板結(jié)構(gòu)為包含與被包含的關(guān)系，即其中一種結(jié)構(gòu)形式為只包含邊模板和長(zhǎng)頂邊模板，適用于側(cè)墻與拱部預(yù)制管片搭接方式為后澆型鋼接頭的場(chǎng)合；另一種結(jié)構(gòu)形式則是在上一種結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上又增加了一套短頂邊模板系統(tǒng)，適用于側(cè)墻與拱部預(yù)制管片搭接方式為L(zhǎng)型接頭的場(chǎng)合。

圖3 臺(tái)車本體結(jié)構(gòu)

(a) 全環(huán)澆筑模板系統(tǒng)

(b) 側(cè)墻澆筑模板[19](單位： mm)

2.2.4 臺(tái)車側(cè)邊墻澆筑縱向封堵方案

由于試驗(yàn)段拼裝式二次襯砌的拱部襯砌使用的是預(yù)制結(jié)構(gòu)，施工過(guò)程中僅用混凝土施作二次襯砌的側(cè)邊墻，因此混凝土澆筑前除了需要對(duì)臺(tái)車模板與隧道初期支護(hù)形成的環(huán)向縫隙進(jìn)行封堵外，還需要對(duì)縱向縫隙進(jìn)行封堵?？紤]到縱向縫隙封堵澆筑后形成的接頭結(jié)構(gòu)將與預(yù)制的拱部管片兩端接頭進(jìn)行搭接安裝，因此，縱向縫隙封堵澆筑后形成的接頭結(jié)構(gòu)的尺寸精度為影響二次襯砌施工新方法實(shí)施的關(guān)鍵因素。

2.2.4.1 縱向封堵方案1

方案1中的隧道拱頂管片拼裝側(cè)邊墻縱槽縫澆筑用端模裝置由縱縫端模板、端模支撐導(dǎo)座、脫模油缸、翻轉(zhuǎn)油缸以及翻轉(zhuǎn)油缸支座組成，如圖5所示?？v縫端模中部與脫模油缸相連，底部搭放在端模支撐導(dǎo)座上，底部?jī)蓚?cè)分別加焊了限位塊；端模支撐導(dǎo)座左端與臺(tái)車頂邊模板耳板鉸接，右端上部面板固定有脫模油缸，右端下部與翻轉(zhuǎn)油缸或支撐絲桿相連接；翻轉(zhuǎn)油缸或支撐絲桿的另一端與固定在臺(tái)車中部縱向主梁上的支座相連接。立模時(shí)，支撐導(dǎo)座上的頂伸油缸對(duì)端模板進(jìn)行頂伸，直至端模板限位塊與支撐導(dǎo)座限位塊相互壓緊為止，隨后翻轉(zhuǎn)油缸開(kāi)始工作，將整個(gè)縱縫端模裝置進(jìn)行翻轉(zhuǎn)頂伸，直到端模板內(nèi)表面與臺(tái)車頂邊模板端面壓緊為止，最后用絲杠支撐整個(gè)裝置；脫模時(shí)，先頂伸油缸收縮帶動(dòng)端模板收回，接著拆除支撐絲杠，然后連接翻轉(zhuǎn)油缸，進(jìn)行脫模作業(yè)。

(a) 縱向封堵方案1位置圖

(b) 縱向封堵方案1結(jié)構(gòu)形式

2.2.4.2 縱向封堵方案2

方案2中的隧道拱頂管片拼裝側(cè)邊墻縱槽縫澆筑用端模裝置由腹板、油缸耳板及鉸接耳板組成，如圖6所示。腹板底部鉸接耳板與臺(tái)車短頂邊模板進(jìn)行鉸接，油缸耳板與脫模油缸相連。臺(tái)車一側(cè)縱縫端模由4組可拆卸式固定連接的槽模單元組成，其中的槽模單元包括1組腹板、油缸耳板、油缸耳板加強(qiáng)筋。立模時(shí)，升降油缸通過(guò)油缸耳板對(duì)端模板進(jìn)行頂伸，直至端模板面板與臺(tái)車短頂邊模板端板相互壓緊為止，最后用絲杠支撐整個(gè)裝置；脫模時(shí)，拆除支撐絲杠，然后連接升降油缸，進(jìn)行脫模作業(yè)。

圖6 縱向封堵方案2

2.2.4.3 方案比選

從理論角度分析，方案1和方案2均能實(shí)現(xiàn)正常的澆筑封堵和脫模工作，但二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。

表2 2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

由表2分析可知，考慮綜合加工成本和施工便捷性，方案2整體優(yōu)勢(shì)較為明顯。因此，隧道拱頂管片拼裝側(cè)邊墻縱槽縫澆筑用端模裝置最終選擇方案2。

2.2.5 適用于3類二次襯砌結(jié)構(gòu)的模板臺(tái)車設(shè)計(jì)方案

2.2.5.1 混凝土襯砌全環(huán)現(xiàn)澆用模板臺(tái)車

全環(huán)現(xiàn)澆段隧道斷面設(shè)計(jì)如圖2所示。由圖可知，隧道混凝土襯砌部分內(nèi)徑r=6 650 mm，二次襯砌厚度d=500 mm。由工程概況可知，全環(huán)現(xiàn)澆段一共有2個(gè)區(qū)間，雖然2個(gè)區(qū)間混凝土襯砌厚度不一致，但混凝土襯砌部分的內(nèi)徑一致，因此襯砌臺(tái)車可通用。如圖3所示，全環(huán)現(xiàn)澆混凝土襯砌模板臺(tái)車整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的無(wú)骨架臺(tái)車相似，主要由支撐系統(tǒng)、模板總成、行走系統(tǒng)、澆筑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。支撐系統(tǒng)包含兩端門(mén)架、橫梁及縱向主梁、模板支撐底梁；模板系統(tǒng)包含邊模和頂模。其中，頂模與主架采取固定連接，邊模與頂模采用鉸接形式，以便翻轉(zhuǎn)脫模；液壓系統(tǒng)為模板定位及脫模提供動(dòng)力。

2.2.5.2 L型榫接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車

如圖7所示，L型榫接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車主要由行走系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、布料系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、縱縫端模裝置及頂升裝置等組成。該臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)與全環(huán)澆筑臺(tái)車相同，并共用支撐系統(tǒng)、部分液壓系統(tǒng)和布料系統(tǒng)、邊模、行走系統(tǒng)及其他相關(guān)附屬系統(tǒng)。

由前述工程概況可知，襯砌L型榫接頭搭接段分為3個(gè)區(qū)間，其中2個(gè)區(qū)間的混凝土襯砌厚度均為500 mm，另一個(gè)區(qū)間襯砌厚度為400 mm，3個(gè)區(qū)間的襯砌內(nèi)徑均為6 650 mm，與全環(huán)澆筑混凝土襯砌內(nèi)徑一致。故此處將2個(gè)不同的隧道斷面圖共同展示在圖7上，每個(gè)斷面圖僅展示中軸線一側(cè)的結(jié)構(gòu)形式。中軸線右側(cè)為襯砌厚度d=500 mm的隧道斷面和臺(tái)車設(shè)計(jì)方案；左側(cè)為襯砌厚度d=400 mm的隧道斷面和臺(tái)車設(shè)計(jì)方案。根據(jù)不同的混凝土襯砌厚度設(shè)計(jì)了2套L型端頭模板，臺(tái)車其余零部件均一致。

圖7 L型榫接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車設(shè)計(jì)圖[19](單位： mm)

2.2.5.3 后澆型鋼接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車

后澆型鋼接頭混凝土襯砌現(xiàn)澆段隧道斷面如圖1(a)所示。由工程概況可知，混凝土襯砌后澆型鋼接頭段也分為2個(gè)試驗(yàn)區(qū)間。鑒于2個(gè)試驗(yàn)區(qū)間混凝土襯砌內(nèi)徑均為6 650 mm，且不同的混凝土襯砌厚度對(duì)后澆型鋼接頭襯砌段的模板臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并無(wú)影響，故此處僅展示其中一個(gè)區(qū)間的隧道斷面。

后澆型鋼接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車如圖8所示。該臺(tái)車與L型榫接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車及混凝土襯砌全環(huán)現(xiàn)澆用模板臺(tái)車共用兩端門(mén)架與桿件等支撐系統(tǒng)、邊模及長(zhǎng)頂邊模、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)。施工時(shí)，只需將L型榫接頭側(cè)墻混凝土襯砌用模板臺(tái)車的短頂邊模板拆除，裝上縱向、環(huán)向平面端頭模板即可進(jìn)行混凝土襯砌施工。

(a) 模板臺(tái)車設(shè)計(jì)圖

(b) 后澆型鋼接頭縱向堵頭板

3 結(jié)論與建議

本文以重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道為依托，提出了一種全新的混凝土襯砌施工方法，并基于該方法研制了對(duì)應(yīng)的襯砌臺(tái)車，得到結(jié)論如下：

1)2.2.5節(jié)所述3類二次襯砌臺(tái)車主體結(jié)構(gòu)相通，共用支撐系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、邊模及其他附屬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了3種不同混凝土襯砌模板臺(tái)車的低成本改裝。

2)混凝土襯砌拱部局部采用預(yù)制管片、其余部位采用襯砌模板臺(tái)車現(xiàn)澆的施工方式是一種全新的施工理念和方法，創(chuàng)新性地提出鐵路山嶺隧道混凝土襯砌施工方式。隨著該方法的正式投入使用，未來(lái)的混凝土襯砌拱部缺陷問(wèn)題有望得到較好的解決。

目前，該施工方法已經(jīng)開(kāi)始在重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以消除現(xiàn)澆二次襯砌存在的拱部缺陷問(wèn)題；缺點(diǎn)在于施工工序增加，對(duì)應(yīng)的施工成本也隨之增加。襯砌臺(tái)車樣機(jī)現(xiàn)已投入使用，下一步將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)，使襯砌臺(tái)車成品具備更好的工況適應(yīng)性，高效、高質(zhì)量地完成混凝土襯砌側(cè)邊墻的施工以及拱部管片的轉(zhuǎn)送工作。此外，加強(qiáng)鐵路山嶺隧道中拼裝式襯砌的理論研究及應(yīng)用，優(yōu)化拼裝式襯砌技術(shù)和施工工藝、降低施工成本將是未來(lái)的主要研究方向。