高速公路隧道裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

計(jì)中彥，張學(xué)民，陳進(jìn)，萬正，王樹輝，冉竣元，胡濤，陽(yáng)軍生

高速公路隧道裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究

計(jì)中彥1，張學(xué)民2，陳進(jìn)1，萬正2，王樹輝1，冉竣元2，胡濤1，陽(yáng)軍生2

(1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

針對(duì)高速公路隧道仰拱現(xiàn)澆施工工藝存在的工效慢、質(zhì)量難以保障等缺點(diǎn)，提出了一種裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。以貴州省興義環(huán)城高速毛栗坪隧道為工程依托，詳細(xì)介紹了裝配式仰拱結(jié)構(gòu)型式、分塊方案及預(yù)制裝配步驟及施工工藝；通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)裝配式仰拱結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律，并與現(xiàn)澆整體式仰拱結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明： 1) 裝配式仰拱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠； 2) 后澆帶是裝配式仰拱結(jié)構(gòu)的薄弱部位，其應(yīng)力值明顯大于預(yù)制塊，且波動(dòng)較大，受力復(fù)雜，施作質(zhì)量直接影響其整體承載力； 3) 裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)提高了隧道仰拱施工工效，保證了仰拱施工質(zhì)量及防水，同時(shí)改善了洞內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

公路隧道；仰拱結(jié)構(gòu)；預(yù)制裝配式；受力監(jiān)測(cè)；安全系數(shù)

仰拱作為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，可有效提高隧道承載能力，控制圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展，約束隧道周邊位移，有利于避免軟巖隧道整體失穩(wěn)及減少后期運(yùn)營(yíng)中結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)[1]。目前我國(guó)山嶺隧道施工中，包括仰拱在內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)主要采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑方式，需在洞內(nèi)就地完成綁扎鋼筋、立模、澆筑混凝土、拆模及養(yǎng)生等多道工序，特別是對(duì)于仰拱結(jié)構(gòu)而言，存在施工工效低，不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)快速閉合成環(huán)，仰拱曲率和施作質(zhì)量難以保障等缺點(diǎn)。目前，我國(guó)迎來裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展的新階段，因預(yù)制裝配技術(shù)具有質(zhì)量好、建造效率高，環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，相應(yīng)的環(huán)境效益與社會(huì)效益日益凸顯，已大量應(yīng)用于建筑行業(yè)中[2]。因此，針對(duì)山嶺隧道仰拱結(jié)構(gòu)，發(fā)展預(yù)制裝配化施工技術(shù)具備可行性且尤為重要。在地下工程施工中，裝配式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于城市地鐵盾構(gòu)隧道[3?5]。近些年，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)逐步推廣應(yīng)用在公路、鐵路隧道等地下工程中。公路隧道方面，林志等[6]針對(duì)鉆爆法公路隧道的裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)、襯砌類型選擇、分塊設(shè)計(jì)及接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，提出裝配式襯砌結(jié)構(gòu)新型式；郇星超[7]通過數(shù)值模擬確定了公路隧道裝配式襯砌合理厚度，對(duì)5種襯砌構(gòu)件劃分方案進(jìn)行分析比選，驗(yàn)證了公路隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性。對(duì)于鐵路隧道，京張高鐵清華園隧道是國(guó)內(nèi)第一座全預(yù)制拼裝式高鐵隧道，支護(hù)結(jié)構(gòu)等均采用工廠化預(yù)制，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)全預(yù)制拼裝施工[8]。張勝龍等[9]針對(duì)單線鐵路隧道，對(duì)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行研究，分析了襯砌接頭剛度對(duì)整體襯砌結(jié)構(gòu)的影響；符亞鵬[10]以敞開式TBM隧道仰拱預(yù)制塊特殊結(jié)構(gòu)為研究背景，建立數(shù)值計(jì)算模型，分析了仰拱預(yù)制塊圓心角、中心水溝溝槽尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形、受力特性的影響。Webb[11]以英吉利海峽隧道鐵路連接線等地下工程為背景，對(duì)裝配式襯砌技術(shù)進(jìn)行了研究。目前，針對(duì)地下工程裝配式結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、裝配式施工技術(shù)已開展了大量研究，但針對(duì)高速公路隧道裝配式仰拱結(jié)構(gòu)的研究尚未見報(bào)道。本文以貴州興義環(huán)城高速公路毛栗坪隧道裝配式仰拱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段為研究背景，對(duì)公路隧道仰拱結(jié)構(gòu)裝配式施工技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹，同時(shí)通過數(shù)值模擬驗(yàn)算裝配式仰拱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析仰拱結(jié)構(gòu)受力特征，總結(jié)應(yīng)用效果，為后續(xù)隧道機(jī)械化，裝配化施工提供參考。

1 依托工程

毛栗坪隧道為分離式長(zhǎng)隧道，左幅起訖樁號(hào)ZK57+044～ZK58+355，全長(zhǎng)1 311 m，最大埋深約152.63 m；右幅起訖樁號(hào)YK57+020～YK58+355，全長(zhǎng)1 315 m，最大埋深約146.73 m。裝配式仰拱試驗(yàn)段YK57+891～YK57+851，共40 m。試驗(yàn)段仰拱采用裝配式和傳統(tǒng)現(xiàn)澆法2種方法施工，兩者之間互為對(duì)比。試驗(yàn)段為Ⅴ級(jí)圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用S-Ⅴb襯砌類型，仰拱為50 cm厚C40防腐蝕氣密性鋼筋混凝土。

2 裝配式仰拱結(jié)構(gòu)型式及分塊方案

2.1 結(jié)構(gòu)型式比選

裝配式仰拱結(jié)構(gòu)型式可分為全環(huán)預(yù)制與分塊預(yù)制。全環(huán)預(yù)制具有接頭少，結(jié)構(gòu)整體性及防水性好的優(yōu)點(diǎn)，但因隧道洞內(nèi)空間狹窄，預(yù)制塊尺寸較大，運(yùn)輸及存放較難，同時(shí)全環(huán)預(yù)制仰拱塊質(zhì)量較大，洞內(nèi)吊裝機(jī)械及吊裝作業(yè)環(huán)境難以滿足，因此現(xiàn)階段無專門施工裝備條件下難以適應(yīng)隧道洞內(nèi)施工場(chǎng)景。

分塊預(yù)制即將全環(huán)仰拱合理分為幾塊，模塊化預(yù)制，運(yùn)至洞內(nèi)采取有效連接方式將其連接成整體。分塊預(yù)制在城市地鐵盾構(gòu)隧道中應(yīng)用廣泛，其重點(diǎn)是合理分塊及可靠連接。目前，預(yù)制塊間連接形式主要有螺栓連接及后澆混凝土連接。螺栓連接具有操作簡(jiǎn)便，施工效率高的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于高速公路隧道，一般情況下仰拱底部平整度較差，精度較低，預(yù)制塊間螺栓孔難以精確對(duì)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)整體性及防水得不到保障。故在本次試驗(yàn)中，結(jié)合山嶺隧道施工機(jī)械設(shè)備配套使用現(xiàn)狀，借鑒結(jié)構(gòu)工程施工縫處理方法，預(yù)制塊間采用后澆帶連接，即預(yù)制塊安裝就位后先連接塊間預(yù)留鋼筋，后于后澆帶部位澆筑混凝土。后澆帶連接形式對(duì)于底部平整性欠佳的公路隧道具有較好適用性，同時(shí)預(yù)制塊間采用微膨脹混凝土澆筑連接，雖然形成了薄弱環(huán)節(jié)，但結(jié)構(gòu)整體性尚可，亦滿足新奧法施工復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的防水要求。

2.2 裝配式仰拱結(jié)構(gòu)分塊方案

預(yù)制塊間拼裝有通縫和錯(cuò)縫2種形式。在盾構(gòu)隧道中，管片錯(cuò)縫拼裝可以使螺栓發(fā)揮縱向加強(qiáng)作用，使得管片間接頭處的薄弱部位得到加強(qiáng)從而增加了管片環(huán)整體的剛度[12]。與盾構(gòu)隧道相似，后澆帶為裝配式仰拱結(jié)構(gòu)薄弱部位，相比于通縫拼裝，采用錯(cuò)縫拼裝可以避免后澆帶在縱向連續(xù)，避免應(yīng)力產(chǎn)生集中，防止裝配式仰拱沿縱向后澆帶開裂，有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性。

裝配式仰拱分塊受隧道斷面尺寸及吊裝機(jī)械設(shè)備配套條件影響。當(dāng)?shù)跹b機(jī)械條件較好時(shí)，可盡量減少環(huán)向分塊數(shù)量，提高裝配式施工效率，但為保證預(yù)制塊間錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)仰拱分塊數(shù)量不應(yīng)少于3塊。由于本次試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)高速公路隧道裝配式仰拱的第1次嘗試，為安全起見，縮小了預(yù)制塊尺寸，增加了預(yù)制分塊數(shù)量，分塊方案如圖1(a)所示。由圖可知，初始試驗(yàn)裝配式仰拱結(jié)構(gòu)由3種預(yù)制塊組成(預(yù)制塊A，B，C)，其中斷面1含4塊預(yù)制塊，斷面2含為3塊預(yù)制塊，依次排布，縱向循環(huán)拼裝。后經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出圖1(b)所示優(yōu)化方案，當(dāng)增加一個(gè)車道時(shí)，每環(huán)可增加一個(gè)預(yù)制塊。優(yōu)化后方案相比于原方案，分塊數(shù)量減少，同時(shí)相鄰兩環(huán)裝配式仰拱呈對(duì)稱分布，尺寸和結(jié)構(gòu)更加合理，便于施工。

2.3 裝配式仰拱結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算

為研究后澆帶對(duì)仰拱結(jié)構(gòu)安全性的影響度，對(duì)本試驗(yàn)裝配式仰拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力及安全系數(shù)計(jì)算，并與現(xiàn)澆仰拱計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)法，考慮超淺埋、一般淺埋及深埋3種工況，根據(jù)規(guī)范計(jì)算3種埋深工況下最不利荷載，將其施加在襯砌結(jié)構(gòu)上。同時(shí)采用修正慣用法，考慮彎矩提高率，不考慮后澆帶具體位置，僅對(duì)襯砌剛度進(jìn)行折減，計(jì)算安全系數(shù)。由于2種斷面形式襯砌內(nèi)力分布規(guī)律基本一致，僅內(nèi)力值大小有區(qū)別，因此驗(yàn)算以后澆帶數(shù)量較多的斷面1為例說明。襯砌最不利位置處內(nèi)力及安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1，裝配式仰拱與現(xiàn)澆仰拱計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表2，其中約定彎矩以靠近凈空側(cè)襯砌受拉為正，軸力以受壓為正。由計(jì)算結(jié)果可知：

1) 采用裝配化仰拱時(shí)，3種埋深條件下拱頂處安全系數(shù)最小，但均大于2.4，滿足規(guī)范承載能力要求，說明裝配式仰拱可保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全。同時(shí)，深埋條件下襯砌安全系數(shù)最高，其次為超淺埋，最低為一般淺埋。

2) 裝配式仰拱與現(xiàn)澆仰拱相比，因采用修正慣用法，提高了彎矩，而對(duì)剛度進(jìn)行了折減，使得關(guān)鍵位置內(nèi)力增大，安全系數(shù)降低，其中拱頂處變化最大，仰拱處變化最小。

3 裝配式仰拱結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工

裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)總體可劃分為場(chǎng)外模塊化澆筑預(yù)制塊、預(yù)制塊現(xiàn)場(chǎng)就位拼裝及后澆帶施工等工序。場(chǎng)外模塊化澆筑預(yù)制塊主要包括預(yù)制場(chǎng)建造、加工模塊化定型模板、鋼筋加工及綁扎、預(yù)埋件埋設(shè)、混凝土澆筑、模板拆除及預(yù)制塊養(yǎng)護(hù)和鑿毛等。預(yù)制塊現(xiàn)場(chǎng)就位拼裝是該技術(shù)中的重要一環(huán)，現(xiàn)場(chǎng)拼裝不到位將導(dǎo)致預(yù)制塊間產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)，后澆帶鋼筋連接不到位等問題，直接影響后期隧道受力安全，增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度。該工藝主要包括預(yù)制塊運(yùn)輸、吊裝就位、后澆帶鋼筋連接、混凝土澆筑及補(bǔ)強(qiáng)注漿等。

3.1 場(chǎng)外預(yù)制塊的模塊化預(yù)制

3.1.1 預(yù)制塊模板

預(yù)制塊常用模板主要有木模板和鋼模板2種。木模板具有質(zhì)量輕，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但制作精度低且安裝拆除耗時(shí)久。與之對(duì)比，鋼模板具有周轉(zhuǎn)次數(shù)多，強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)成型規(guī)則，安裝拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。故在本試驗(yàn)中采用鋼模板，其四周為型鋼，并預(yù)留鋼筋孔洞，底部為鋼臺(tái)座，保證了模板穩(wěn)定。

3.1.2 鋼筋及預(yù)埋件安裝

仰拱預(yù)制塊間通過后澆帶連接，故在預(yù)制塊側(cè)面預(yù)留出規(guī)定搭接長(zhǎng)度的鋼筋，同時(shí)仰拱為具有一定弧度的拱形結(jié)構(gòu)，安裝鋼筋前需對(duì)其進(jìn)行彎曲加工。安裝鋼筋時(shí)，將預(yù)埋吊環(huán)及預(yù)埋注漿管綁扎固定在鋼筋上，吊環(huán)對(duì)稱布置，保證吊裝過程安全。

鋼筋安裝完成并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，澆筑混凝土并搗固密實(shí)。待預(yù)制塊混凝土滿足拆模強(qiáng)度后，拆除模板，對(duì)側(cè)面進(jìn)行鑿毛處理以增大后澆帶新老混凝土界面黏結(jié)。預(yù)制塊模塊化預(yù)制過程見 圖2。

3.1.3 工序重點(diǎn)

預(yù)制塊預(yù)制施工工序基本與盾構(gòu)隧道管片預(yù)制及其他工程預(yù)制塊施工相同，在施工時(shí)需重點(diǎn)注意以下幾個(gè)方面：1) 預(yù)留鋼筋長(zhǎng)度及弧度要符合設(shè)計(jì)要求；2) 預(yù)留吊環(huán)安裝位置需對(duì)稱分布，防止吊裝時(shí)預(yù)制塊傾斜，造成預(yù)制塊磕碰或其他安全事故；3) 預(yù)制塊鑿毛時(shí)需避開角周位置，保證預(yù)制塊尺寸準(zhǔn)確及整體完整。

表1 裝配式仰拱內(nèi)力及安全系數(shù)

表2 裝配式仰拱與現(xiàn)澆仰拱計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(a) 預(yù)制塊模板；(b) 鋼筋綁扎；(c) 拆模后界面鑿毛

3.2 預(yù)制塊裝配施工

3.2.1 預(yù)制塊吊裝

預(yù)制塊運(yùn)至洞內(nèi)，按分塊型式分類擺放。吊裝前，先對(duì)仰拱底部進(jìn)行整平處理，確保仰拱預(yù)制塊頂標(biāo)高齊平且曲率符合設(shè)計(jì)要求；后于仰拱底部按圖3(a)所示在底部標(biāo)繪分塊裝配位置，以保證預(yù)制塊吊裝就位精度。

預(yù)制塊吊裝采用人工配合隨車吊方式。過程中嚴(yán)格按劃定區(qū)塊逐環(huán)依次進(jìn)行預(yù)制塊吊裝就位。

3.2.2 后澆帶施工

預(yù)制塊吊裝就位后，焊接塊間預(yù)留搭接鋼筋。受限于施焊操作空間，焊接采用單面焊，焊接長(zhǎng)度不小于10倍鋼筋直徑。焊接完成后，清理并噴水潤(rùn)濕后澆帶兩側(cè)預(yù)制塊鑿毛面，再澆筑C45自密實(shí)微膨脹混凝土。

3.2.3 補(bǔ)強(qiáng)注漿

通過預(yù)制塊預(yù)留注漿孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿，以填充裝配式仰拱與仰拱底部間空隙，保證裝配式仰拱結(jié)構(gòu)整體密貼圍巖。補(bǔ)強(qiáng)注漿選用自流平無收縮單液漿并采用水泥水玻璃雙液型漿液進(jìn)行二次封口。注漿壓力控制在0.2 MPa以內(nèi)，當(dāng)有濃漿溢出2～3 min后，即結(jié)束注漿。預(yù)制塊裝配施工過程如圖3所示。

3.2.4 工序重點(diǎn)

預(yù)制塊吊裝施工工序重點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：1) 場(chǎng)地平整，隧道底部開挖完成后，若有初支仰拱結(jié)構(gòu)，則在施工噴射混凝土?xí)r，需嚴(yán)格控制初支仰拱表面平整，弧度符合設(shè)計(jì)弧度，若無初支仰拱結(jié)構(gòu)，則需噴射2～3 cm噴射混凝土，一方面能起到封閉地下水的作用，另一方面可以作為裝配式仰拱結(jié)構(gòu)安裝基座。2) 繪制預(yù)制塊定位輪廓，該步驟對(duì)預(yù)制塊安裝精度的控制十分重要，在施工時(shí)，需嚴(yán)格按照預(yù)制塊尺寸、后澆帶尺寸來劃分區(qū)域，可以采用激光等電子設(shè)備輔助定位，提高精確度。3) 吊裝，該步驟精確與否決定了裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，在本次試驗(yàn)中，由于經(jīng)費(fèi)等限制，吊裝機(jī)械為隨車吊，在吊裝時(shí)預(yù)制塊易擺動(dòng)導(dǎo)致精度較差，后期推廣時(shí)可研發(fā)適用于隧道洞內(nèi)的吊裝機(jī)械。4) 補(bǔ)強(qiáng)注漿，相應(yīng)施工及標(biāo)準(zhǔn)同3.2節(jié)所述，在澆筑后澆帶混凝土?xí)r需注意對(duì)注漿孔進(jìn)行保護(hù)，防止堵孔。5) 回填施工，裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工完成后，覆蓋土工布等形成隔離，在土工布上施工仰拱回填，無需等待仰拱硬化。

(a) 預(yù)制塊位置標(biāo)繪；(b) 預(yù)制塊吊裝就位；(c) 補(bǔ)強(qiáng)注漿

4 仰拱結(jié)構(gòu)受力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

為評(píng)價(jià)裝配式仰拱結(jié)構(gòu)安全性，同時(shí)研究其受力變化規(guī)律，開展了針對(duì)性內(nèi)力監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括預(yù)制塊內(nèi)力、后澆帶內(nèi)力，并與常規(guī)現(xiàn)澆整體式仰拱進(jìn)行了對(duì)比分析。監(jiān)測(cè)斷面選為斷面1(4塊預(yù)制塊)、斷面2(3塊預(yù)制塊)、斷面3(現(xiàn)澆整體式仰拱)。為減少邊界等因素影響，各測(cè)試斷面均位于裝配式或現(xiàn)澆整體式仰拱試驗(yàn)段中間部位。測(cè)試元件采用混凝土應(yīng)變計(jì)，在混凝土澆筑前，將其綁扎在仰拱內(nèi)外側(cè)主筋上，斷面1布置7對(duì)應(yīng)變計(jì)，斷面2布置5對(duì)應(yīng)變計(jì)，斷面3布置5對(duì)應(yīng)變計(jì)，詳見圖4。

圖4 斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

4.2 斷面1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

斷面1仰拱預(yù)制塊及后澆帶應(yīng)力時(shí)程曲線見圖5，其中靠近圍巖側(cè)為內(nèi)側(cè)，靠近凈空側(cè)為外側(cè)。正值表示受拉，負(fù)值表示受壓(下同)。由圖5可知：

1) 預(yù)制塊裝配后，大部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值先增大后逐漸減小，隨時(shí)間推移，變化趨勢(shì)逐漸變緩，部分測(cè)點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定。除B和C點(diǎn)內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)均由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌骸?/p>

2) 后澆帶測(cè)點(diǎn)內(nèi)力受圍巖應(yīng)力重分布及其與支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形影響而在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)波動(dòng)，相比于預(yù)制塊，后澆帶測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值較大，且受力更復(fù)雜，說明其為仰拱結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

3) 最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在預(yù)制塊B點(diǎn)內(nèi)側(cè)，為0.87 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在后澆帶H3內(nèi)側(cè)，為6.8 MPa，但均未超過混凝土容許應(yīng)力值，說明裝配式仰拱結(jié)構(gòu)在受力上是安全可靠的。

4.3 斷面2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

斷面2仰拱預(yù)制塊及后澆帶內(nèi)力時(shí)程曲線見圖6。由圖6可知：

1) 同斷面1監(jiān)測(cè)結(jié)果類似，斷面2預(yù)制塊測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值發(fā)生較大變化。具體表現(xiàn)為先增大后減小，而后逐漸趨于穩(wěn)定，其中A和C點(diǎn)內(nèi)側(cè)、B點(diǎn)外側(cè)應(yīng)力值在裝配后4 d開始逐步增大，但增幅較小。

2) 斷面2后澆帶(部分測(cè)點(diǎn)破壞)H2內(nèi)側(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力持續(xù)增大，前期增長(zhǎng)速率較快，后期趨于穩(wěn)定；H1外側(cè)測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力初期較大，后逐步減小，但5 d后又開始逐漸增大，至42 d后又減小。斷面2呈現(xiàn)與斷面1類似的復(fù)雜受力特性。

3) 近期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，裝配式仰拱結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在B點(diǎn)外側(cè)，為0.71 MPa；最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在后澆帶H1點(diǎn)外側(cè)，達(dá)到-3.43 MPa；仰拱最大拉壓應(yīng)力均未超出C40混凝土容許應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

(a) 內(nèi)側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線；(b) 外側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

4.4 斷面3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

斷面3現(xiàn)澆整體式仰拱內(nèi)力時(shí)程曲線見圖7。由圖7可知：

1) 現(xiàn)澆整體式仰拱應(yīng)力值在初期較大，隨混凝土水化熱消散，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值逐漸減小，并趨于穩(wěn)定，除B和D點(diǎn)外側(cè)測(cè)點(diǎn)外，其余測(cè)點(diǎn)均受壓。

2) 同斷面1和斷面2相比，斷面3各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力總體變化規(guī)律一致，無明顯波動(dòng)，其應(yīng)力值與斷面1，2測(cè)試數(shù)據(jù)接近。

3) 斷面3仰拱內(nèi)力趨于穩(wěn)定后，最大拉應(yīng)力位于B點(diǎn)外側(cè)，為1.52 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在E點(diǎn)內(nèi)側(cè)，為4.85 MPa，均未超出C40混凝土容許應(yīng)力值。

(a) 內(nèi)側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線；(b) 外側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

(a) 內(nèi)側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線；(b) 外側(cè)應(yīng)力時(shí)程曲線

4.5 結(jié)構(gòu)安全系數(shù)對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算各斷面仰拱關(guān)鍵點(diǎn)安全系數(shù)，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：

圖8 各斷面仰拱安全系數(shù)對(duì)比圖

1) 3個(gè)測(cè)試斷面仰拱最小安全系數(shù)位于斷面3測(cè)點(diǎn)B，數(shù)值為4.6，大于規(guī)范規(guī)定最小安全系數(shù)(2.4)要求。

2) 裝配式仰拱斷面1和斷面2預(yù)制塊安全系數(shù)大于現(xiàn)澆整體式斷面3對(duì)應(yīng)位置處的安全系數(shù)；斷面1后澆帶處安全系數(shù)除個(gè)別測(cè)點(diǎn)略小于斷面3外，其余測(cè)點(diǎn)均與斷面3接近。

5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

與常規(guī)現(xiàn)澆整體式仰拱施工技術(shù)相比，裝配式仰拱具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 預(yù)制塊在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，在洞內(nèi)僅需進(jìn)行吊裝及連接，可采用機(jī)械輔助進(jìn)行施工，減少了洞內(nèi)施工作業(yè)人數(shù)以及勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了仰拱施工效率。同時(shí)，裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工完成后，可立即進(jìn)行上部仰拱回填施工，大幅減少隧道整體底部結(jié)構(gòu)施工時(shí)間。

2) 預(yù)制塊在預(yù)制場(chǎng)生產(chǎn)，采用固定模具，工廠化施工，并得到充分養(yǎng)護(hù)，其質(zhì)量控制好。

3) 隧道底部施工耗時(shí)短，將減少棧橋的使用時(shí)間，有利于洞內(nèi)施工車輛通行，降低了作業(yè)人員施工風(fēng)險(xiǎn)，改善了洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境。同時(shí)裝配式仰拱結(jié)構(gòu)洞內(nèi)混凝土用量減少，粉塵污染降低，有利于安全文明施工及保障作業(yè)人員身體健康。

2種工法工效指標(biāo)對(duì)比如表3所示。

(5 m)

表3 2種工法施工工效對(duì)比(5 m)

6 結(jié)論

1) 針對(duì)仰拱現(xiàn)澆施工存在的工效慢，質(zhì)量無保障的缺點(diǎn)，提出了一種裝配式仰拱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)。該工法將仰拱結(jié)構(gòu)分成若干塊，塊間采用后澆帶形式連接。該工法提高了洞內(nèi)仰拱施工工效，保證了仰拱施工質(zhì)量及防水，同時(shí)改善了洞內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2) 數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明裝配式仰拱結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3) 內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示后澆帶在施工完成后，應(yīng)力值波動(dòng)較大，受力復(fù)雜，應(yīng)力值相比于預(yù)制塊較大，表明其是裝配式仰拱結(jié)構(gòu)中的薄弱部位，需重點(diǎn)關(guān)注。

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Research on construction technology of highway tunnel fabricated invert structure

JI Zhongyan1, ZHANG Xuemin2, CHEN Jin1, WAN Zheng2, WANG Shuhui1, RAN Junyuan2,HU Tao1, YANG Junsheng2

(1. Guizhou Highway Engineering Group Co., Ltd., Guiyang 550008, China;2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to solve the problems of slow efficiency, quality assurance and other shortcomings of in-situ invert construction of highway tunnel, this paper presented a construction technique of fabricated invert structure. Based on the Maolipiing tunnel, the structural form of fabricated invert, block scheme and prefabrication procedure were introduced in detail. Through field tests, the stress variation rules of the assembled invert structure were monitored and compared with the stress characteristics of the cast-in-place invert structure. The results show that: 1) the safety coefficient of fabricated invert structure meets the requirements of the specification, and the structure is safe and reliable. 2) The post-cast belt is the weak part of the fabricated invert structure, its stress value is obviously larger than that of the prefabricated block, and the fluctuation is large and the force is complex, the quality of operation directly affects its overall bearing capacity. 3) The construction technology of fabricated invert structure improves the construction efficiency of invert, guarantees the construction quality and waterproofing of invert, and improves the construction environment in the tunnel, which has good promotion value.

highway tunnel; invert structure; fabricated; stress monitoring; safety coefficient

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200509

U455.4

A

1672 ? 7029(2021)04 ? 0983 ? 08

2020?06?10

貴州省交通運(yùn)輸廳2018年度科技立項(xiàng)項(xiàng)目(2018-123-016)

張學(xué)民(1973?)，男，山東濰坊人，教授，博士，從事隧道與地下工程方面的研究；E?mail：zhangxm@csu.edu.cn

(編輯 陽(yáng)麗霞)