地鐵礦山法隧道裝配式二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步研究

張金偉,羅富榮 ,童麗紅,楊斌斌,徐 騫

(1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300133；2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100000；3.北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100000)

0 引言

目前地鐵礦山法隧道多采用人工、鉆爆或機(jī)械開挖，二次襯砌均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的傳統(tǒng)建造方式?，F(xiàn)澆二次襯砌存在質(zhì)量一般、施工速度慢、作業(yè)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度低、施工環(huán)境惡劣、安全性差等諸多問題。如何在保證施工質(zhì)量及安全的前提下，減少隧道內(nèi)勞動(dòng)力投入，降低資源消耗和占用，改善作業(yè)環(huán)境，增大機(jī)械化投入，提高建設(shè)工效，促進(jìn)地鐵建設(shè)工業(yè)化進(jìn)步，走出一條環(huán)保、可持續(xù)化的發(fā)展道路值得深思且具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。預(yù)制裝配技術(shù)在安全、質(zhì)量、工期以及節(jié)能環(huán)保等方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)，是解決現(xiàn)澆二次襯砌諸多問題的有效途徑。在此領(lǐng)域，國(guó)外以日本和前蘇聯(lián)的研究為主，但其研究主要局限于明挖大跨隧道或暗挖隧道的部分應(yīng)用。日本某雙車道公路隧道[1]仰拱采用了預(yù)制構(gòu)件和模筑相結(jié)合的方法。前蘇聯(lián)在全環(huán)裝配式襯砌研究上，主要開發(fā)有應(yīng)用于地鐵的鑄鐵、鋼筋混凝土砌塊式和管片式襯砌。我國(guó)秦嶺Ⅰ線特長(zhǎng)鐵路隧道[1]仰拱采用預(yù)制構(gòu)件，每塊仰拱塊質(zhì)量約12.5 t，采用C40鋼筋混凝土預(yù)制。廣東省上小洞水庫輸水涵洞改建中采用了裝配式馬蹄形無壓隧洞結(jié)構(gòu)[2]。在地鐵隧道中，盾構(gòu)隧道裝配式結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用比較成熟，但對(duì)礦山法隧道裝配式襯砌方面的研究還處于起步階段。文獻(xiàn)[3]結(jié)合盾構(gòu)礦山法施工工藝及土壓平衡盾構(gòu)管片拼裝原理，闡述暗挖隧道裝配式管片拼裝在施工中需重點(diǎn)解決的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹配套的拼裝設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及功能特點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]結(jié)合某地鐵暗挖隧道工程的馬蹄形管片拼裝施工，對(duì)暗挖隧道裝配式二次襯砌結(jié)構(gòu)施工工藝進(jìn)行介紹。文獻(xiàn)[5] 對(duì)裝配式管片拼裝設(shè)備的組成、功能進(jìn)行簡(jiǎn)述,介紹新型裝配式襯砌技術(shù)在項(xiàng)目的應(yīng)用情況,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)行總結(jié)。文獻(xiàn)[6]針對(duì)部分預(yù)制技術(shù)的研究，以長(zhǎng)大鐵路隧道為對(duì)象，對(duì)其仰拱及鋪底采用干硬混凝土和鋼筋混凝土預(yù)制板組合結(jié)構(gòu)施工的力學(xué)特性和施工方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[7]對(duì)接頭力學(xué)特性和襯砌片背后填充注漿不密實(shí)情況下的幾種工況做了數(shù)值模擬力學(xué)分析。文獻(xiàn)[8]對(duì)礦山法施工的鐵路隧道裝配式襯砌進(jìn)行了計(jì)算分析，提出了隧道斷面形式和構(gòu)件劃分方案。文獻(xiàn)[9]以北京地鐵 6 號(hào)線起點(diǎn)——金安橋區(qū)間的裝配式工程為依托，進(jìn)行了裝配式暗挖區(qū)間管片接縫室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)防水試驗(yàn)研究，為管片拼裝參數(shù)提供依據(jù)。文獻(xiàn)[10]確定了適合于鐵路雙線山嶺隧道裝配式襯砌的斷面形式、全預(yù)制構(gòu)件劃分方案、結(jié)構(gòu)厚度和拼裝方式等，分析了襯砌結(jié)構(gòu)受力特性。文獻(xiàn)[11]分析了單線鐵路隧道不同圍巖條件下整體襯砌內(nèi)力特征和不同接頭剛度條件下接頭處受力和變形，提出襯砌接頭剛度應(yīng)不小于230 MN·m/rad。文獻(xiàn)[12]針對(duì)鉆爆法公路隧道的裝配式襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)、襯砌類型選擇、分塊設(shè)計(jì)以及接頭轉(zhuǎn)動(dòng)剛度等進(jìn)行了研究，提出裝配式襯砌結(jié)構(gòu)新型式，采用梁-彈簧模型對(duì)結(jié)構(gòu)的厚度、接頭剛度進(jìn)行模擬，分析了變形和內(nèi)力分布特征。文獻(xiàn)[13]介紹了公路隧道力學(xué)計(jì)算模型，提出了合理的裝配式襯砌厚度、構(gòu)件劃分方案，研究了襯砌結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力變化規(guī)律。文獻(xiàn)[14]結(jié)合拼裝機(jī)工法工藝流程，根據(jù)地鐵礦山法隧道裝配式襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)條件，研究撐靴式和機(jī)械手式拼裝機(jī)2套設(shè)備及其技術(shù)需求條件，實(shí)現(xiàn)隧道初期支護(hù)輪廓內(nèi)的襯砌片機(jī)械化拼裝，提出了相應(yīng)技術(shù)參數(shù)。以上研究大部分基于鐵路或公路隧道，針對(duì)理論和部分試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治?，個(gè)別結(jié)合了具體工程案例，已經(jīng)取得了初步的成果。本次研究將通過工程類比、數(shù)值分析等手段，結(jié)合試驗(yàn)工程，研究討論地鐵礦山法隧道二次襯砌裝配式結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算理論、接頭(接縫)構(gòu)造、預(yù)制構(gòu)件合理分塊等內(nèi)容。

1 裝配式隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求

目前礦山法隧道設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要包括：1)斷面內(nèi)輪廓大小可基本統(tǒng)一；2)斷面結(jié)構(gòu)連續(xù)，受力分布較合理，結(jié)構(gòu)厚度較??；3)受地質(zhì)、環(huán)境因素等影響導(dǎo)致埋深變化大，曲線變化多，設(shè)計(jì)條件差異性明顯；4)從工籌角度，目前一般是隧道初期支護(hù)貫通后再進(jìn)行二次襯砌施工。

基于以上特點(diǎn)，對(duì)于礦山法隧道裝配式二次襯砌設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足以下要求：1)裝配式隧道內(nèi)輪廓大小應(yīng)根據(jù)建筑限界、凈空面積要求、牽引供電方式、軌下道床型式、附屬構(gòu)筑物設(shè)置等因素綜合擬定，并力求統(tǒng)一；2)預(yù)制襯砌環(huán)分塊需考慮質(zhì)量、尺寸、轉(zhuǎn)彎半徑、拼裝機(jī)設(shè)備要求等因素；3)各類連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)受力明確、傳力可靠，并應(yīng)滿足承載力、延性和耐久性要求；4)應(yīng)采取有效措施加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性，保證受力和抗震性能；5)應(yīng)對(duì)各類預(yù)制構(gòu)件及其連接構(gòu)造，從其生產(chǎn)、施工到使用過程中可能產(chǎn)生的各種工況進(jìn)行驗(yàn)算；6)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)能保證二次襯砌拼裝施工期間的結(jié)構(gòu)受力安全。

2 裝配式隧道結(jié)構(gòu)形式及預(yù)制方式

2.1 裝配式隧道結(jié)構(gòu)形式

研究?jī)H基于礦山法隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的拼裝，因此隧道仍選用傳統(tǒng)馬蹄形斷面的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)斷面形式。初期支護(hù)作為隧道開挖后維持圍巖穩(wěn)定和安全的支護(hù)結(jié)構(gòu)，與二次襯砌共同構(gòu)成隧道的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。目前大部分城市地鐵礦山法隧道處于Ⅴ級(jí)土質(zhì)圍巖中，開挖面積約34 m2，并在初期支護(hù)貫通后施作二次襯砌。本次研究基于區(qū)間隧道現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式和施工順序，二次襯砌裝配作業(yè)也是在初期支護(hù)貫通后進(jìn)行，初期支護(hù)承受施工期間全部荷載，同時(shí)作為拼裝式二次襯砌的施工基面，并保證拼裝機(jī)走行及襯砌片拼裝作業(yè)對(duì)空間、受力等方面的需求。

2.1.1 仰拱結(jié)構(gòu)形式比選

在裝配式二次襯砌設(shè)計(jì)和施工中，仰拱是二次襯砌環(huán)重要的組成部分。作為整個(gè)襯砌環(huán)的基礎(chǔ)，仰拱需要首先安裝定位，其安裝定位和就位后的穩(wěn)定性是研究重點(diǎn)。本次研究給出2種典型仰拱形式，一種為平板仰拱結(jié)構(gòu)，另一種為弧形仰拱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

從開挖難度、受力狀態(tài)、開挖面積、內(nèi)凈空、初期支護(hù)噴射混凝土體積、二次襯砌體積、空隙填充等方面進(jìn)行比較，如表1所示。

(a)平板仰拱結(jié)構(gòu)斷面

表1 仰拱結(jié)構(gòu)比較表Table 1 Comparison between invert structures

由表1可見，采用弧形仰拱結(jié)構(gòu)較為合理，且與礦山法隧道的一般設(shè)計(jì)理念吻合，推薦采用。

2.1.2 弧形仰拱結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

弧形仰拱結(jié)構(gòu)在襯砌環(huán)安裝定位和穩(wěn)定性方面存在難度，需要進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)或采取輔助措施，因此提出2種改進(jìn)方案，分別為預(yù)鋪豆礫石方案和局部設(shè)平臺(tái)方案。

1)預(yù)鋪豆礫石方案。由于隧道初次襯砌斷面凹凸不平，在初次襯砌底部預(yù)先鋪設(shè)一定厚度的豆礫石，襯砌片安裝到位后，在襯砌片底部加裝楔形墊塊，保證襯砌片定位穩(wěn)定，如圖2所示。拼裝若干環(huán)后應(yīng)對(duì)襯砌片位置進(jìn)行復(fù)測(cè)，在后續(xù)拼裝過程中應(yīng)進(jìn)行微調(diào)糾偏。

圖2 仰拱預(yù)鋪豆礫石方案示意圖Fig.2 Invert laid by pea gravel

2)局部設(shè)平臺(tái)方案。仰拱塊底部和隧道初期支護(hù)上部預(yù)先制作基準(zhǔn)混凝土平臺(tái)，便于襯砌片的安裝定位及設(shè)備行進(jìn)，如圖3所示。拱墻部位空隙采用吹填豆礫石+注漿填充。底部混凝土平臺(tái)需滿足一定的強(qiáng)度要求。

圖3 局部設(shè)平臺(tái)方案示意圖Fig.3 Local platform design

2.2 裝配式襯砌預(yù)制方式

裝配式襯砌預(yù)制方式包括部分預(yù)制和全部預(yù)制。1)部分預(yù)制一般指仰拱采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，其余采用預(yù)制襯砌片拼裝，具有平整度較好、定位和找平簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì);但也存在不同工藝相互交叉、接縫形式復(fù)雜、上部襯砌片縱向壓緊時(shí)與底板接縫匹配有一定難度等不足。2)全部預(yù)制即隧道所有襯砌片全部采用預(yù)制拼裝技術(shù)，拼裝組合成環(huán)，具有無工序交叉、施工相對(duì)簡(jiǎn)單、接縫單一、全環(huán)壓緊等優(yōu)勢(shì);但也存在拼裝錯(cuò)臺(tái)、定位難、拼裝變形等缺點(diǎn)。

結(jié)合暗挖隧道特點(diǎn)，考慮充分發(fā)揮預(yù)制結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)借鑒盾構(gòu)管片組合經(jīng)驗(yàn)，推薦采用全部預(yù)制方式。

3 襯砌片結(jié)構(gòu)形式及襯砌環(huán)分塊

3.1 襯砌片結(jié)構(gòu)形式

研究隧道裝配式二次襯砌片的結(jié)構(gòu)形式主要需研究其材料和形狀。

1)目前通用襯砌片制作材料包括混凝土、鋼材、鑄鐵、其他復(fù)合材料等。而混凝土材料具有廣泛的通用性，具有強(qiáng)度高、制作容易、耐腐蝕、造價(jià)低等特點(diǎn)，具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2)襯砌片形狀可設(shè)計(jì)為平板形、箱形、異形等多種。箱形襯砌片具有質(zhì)量輕、材料少等優(yōu)點(diǎn)，但其抗壓和抗彎剛度比平板形襯砌片稍差，在外力作用下易發(fā)生開裂;而平板形襯砌片抗彎、抗壓性能較好，被廣泛采用，應(yīng)用狀況良好。

綜合認(rèn)為，礦山法隧道裝配式二次襯砌可采用鋼筋混凝土平板形襯砌片。

3.2 襯砌環(huán)分塊

襯砌環(huán)分塊主要受襯砌片制作、運(yùn)輸、安裝、防水等因素的影響，同時(shí)遵循“少規(guī)格、多組合”的原則。1)從盾構(gòu)隧道圓環(huán)的分塊實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，通常隧道直徑6 m左右的盾構(gòu)以6塊居多。2)從定位和拼裝難易的角度來看，考慮仰拱塊是否為一整塊，襯砌環(huán)分塊可按6塊和5塊2個(gè)方案考慮。

1)6塊方案。參照盾構(gòu)圓環(huán)分法，按照尺寸、質(zhì)量、受力基本合理的原則，將隧道二次襯砌分6塊(見圖4)，最大塊質(zhì)量約3 430 kg。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)錯(cuò)縫拼接，有效抵抗接縫處剪力；分塊整體勻稱，對(duì)運(yùn)輸、吊裝和安裝有利；但仰拱定位和安裝存在一定難度，需要研究仰拱塊的定位；接縫較多，對(duì)防水效果存在一定影響。

圖4 分6塊方案隧道斷面圖示Fig.4 Prefabricated lining with 6 blocks

2)5塊方案。若將仰拱塊按一整塊設(shè)置，其質(zhì)量約4 860 kg，共分5塊。該方案具有仰拱定位相對(duì)容易、接縫相對(duì)較少等優(yōu)勢(shì)。但仰拱上部通縫不能有效抵抗剪力，需要采用剛接，現(xiàn)澆需要現(xiàn)場(chǎng)支模，影響防水體系統(tǒng)一；同時(shí)，仰拱塊尺寸、質(zhì)量較大，對(duì)運(yùn)輸、吊裝和拼裝的要求較高。

3)方案比選。對(duì)分6塊方案和5塊方案進(jìn)行綜合比選，詳見表2。綜合考慮到襯砌片制作、運(yùn)輸、安裝及防水等多方面因素的影響，襯砌環(huán)分塊宜按6塊考慮。

表2 襯砌環(huán)分6塊方案和5塊方案比較表Table 2 Comparison of prefabricated linings with 6 and 5 blocks

4 襯砌環(huán)類型、襯砌片寬度及厚度

4.1 襯砌環(huán)類型

類比盾構(gòu)隧道，為了滿足盾構(gòu)隧道在曲線上偏轉(zhuǎn)及糾偏的需要，目前采用楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合、左右楔形襯砌環(huán)、通用型襯砌片共3種類型。1)楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合管模數(shù)量較多，模具造價(jià)較高。2)左右楔形襯砌環(huán)組合形式采用的襯砌環(huán)類型不完全確定，給襯砌片供應(yīng)帶來一定難度，另外豎曲線上要采用楔形貼片。3)通用型襯砌片只采用一種類型的楔形襯砌環(huán)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)通過盾構(gòu)內(nèi)千斤頂傳感器反饋的信息確定下一環(huán)角度，以使楔形量最大處置于千斤頂沖程最長(zhǎng)處。但要求盾構(gòu)采用長(zhǎng)沖程千斤頂，對(duì)施工要求較高。分析認(rèn)為，礦山法隧道裝配式襯砌可采用楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合或采用通用型襯砌片。

4.2 襯砌片寬度

襯砌片寬度主要受隧道斷面大小和拼裝機(jī)系統(tǒng)制約，從施工進(jìn)度、節(jié)約材料和防水效果方面考慮，襯砌片寬度越大越好；從方便制作、運(yùn)輸方面考慮，則越小越好。目前盾構(gòu)管片寬度為1.0～1.5 m，多采用1.2 m的寬度。從降低造價(jià)、提高襯砌片結(jié)構(gòu)性能、提高拼裝施工速度等方面考慮，礦山法隧道裝配式二次襯砌環(huán)寬取1.2 m。

4.3 襯砌片厚度

襯砌片厚度主要取決于隧道直徑、埋深、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用壽命等控制參數(shù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，管片厚度一般有300、350 mm 2種。礦山法隧道現(xiàn)澆二次襯砌厚度一般為300 mm，因此裝配式二次襯砌襯砌片厚度可按300 mm或350 mm設(shè)計(jì)，還需根據(jù)區(qū)間所處的工程和水文地質(zhì)情況、覆土厚度和上部活載等因素綜合確定。

5 襯砌接頭、接縫構(gòu)造及受力研究

5.1 襯砌片拼裝方式

襯砌片拼裝有錯(cuò)縫和通縫拼裝2種方式。1)錯(cuò)縫拼裝有助于提高襯砌環(huán)的整體剛度和改善接縫防水性能，但錯(cuò)縫拼裝襯砌環(huán)較通縫拼裝內(nèi)力大。2)通縫拼裝施工難度稍小，襯砌環(huán)內(nèi)力較小，可適當(dāng)減少襯砌片配筋量，但襯砌空間剛度差。

礦山法隧道裝配式二次襯砌拼裝推薦采用錯(cuò)縫拼裝，如圖5所示。

圖5 管片錯(cuò)縫拼裝示意圖Fig.5 Segment connection mode

5.2 襯砌片接頭連接

襯砌片的接頭型式主要包括螺栓接頭、鉸接頭、銷插入型接頭、楔形接頭和榫接頭等。螺栓接頭結(jié)構(gòu)最為常用。常用的螺栓連接主要有斜螺栓、直螺栓、彎螺栓3種。

礦山法隧道二次襯砌的拼裝，受拼裝機(jī)設(shè)計(jì)原理不同的影響，可采用彎螺栓或者直螺栓連接形式。1)當(dāng)拼裝機(jī)能夠?qū)σr砌片提供持續(xù)且足夠的縱向擠壓力時(shí)，推薦采用彎螺栓連接，16個(gè)縱向螺栓，襯砌片間2個(gè)環(huán)向螺栓。2)當(dāng)拼裝機(jī)不能對(duì)襯砌片提供持續(xù)且足夠的縱向擠壓力，擠壓僅靠附加拉緊裝置或者襯砌片自身連接螺栓時(shí)，推薦采用直螺栓連接，16個(gè)縱向螺栓，襯砌片間2個(gè)環(huán)向螺栓。

5.3 襯砌片端面構(gòu)造

襯砌片接頭已考慮螺栓接頭結(jié)構(gòu)，為降低施工難度，襯砌片端面構(gòu)造不設(shè)置傳力榫槽，僅考慮防水構(gòu)造槽。

5.4 接縫構(gòu)造

襯砌片縱縫構(gòu)造主要包括密封墊溝槽、凹凸榫槽、縱向輔助拼裝及嵌縫槽等。襯砌片環(huán)縫構(gòu)造主要包括密封墊溝槽、凹凸榫槽、環(huán)向輔助拼裝及嵌縫槽等。襯砌片環(huán)縫的防水道數(shù)設(shè)置、嵌縫槽構(gòu)造同襯砌片縱縫。

5.5 接縫受力研究

在已經(jīng)初期支護(hù)貫通的隧道內(nèi)拼裝二次襯砌，拼裝機(jī)很難對(duì)襯砌環(huán)提供類似盾構(gòu)施工的持續(xù)擠壓力，而通過襯砌片縱向螺栓緊固來實(shí)現(xiàn)縱向壓緊可達(dá)到襯砌片安裝及防水要求。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)制作了耐水壓力裝置和擠壓裝置[9](如圖6和圖7所示)，對(duì)密封墊的耐水壓力和壓縮力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)給出了三元乙丙密封墊壓縮量、壓縮力與水壓之間的關(guān)系，如表3所示，從而得出試驗(yàn)結(jié)論。

(a) (b)圖6 耐水壓力裝置示意圖Fig.6 Photograph of water pressure resistant device

圖7 三元乙丙密封墊擠壓裝置示意圖(單位：mm)Fig.7 Schematic of EPDM gasket extrusion device (unit:mm)

地鐵隧道埋深一般不超過50 m，約需抵抗0.5 MPa水壓力。根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果，0.5 MPa水壓力下密封墊的最小壓縮力為3.47 kN，而密封墊長(zhǎng)度為20 cm，換算單位長(zhǎng)度的擠壓力為17.3 kN/m。可見，當(dāng)二次襯砌厚度為300 mm時(shí)，環(huán)間接觸面上任意一點(diǎn)的擠壓力達(dá)到57.67 kN/m2，可滿足防水要求。

表3 三元乙丙密封墊最小壓縮量、壓縮力與水壓力關(guān)系表Table 3 Relationship among minimum compression and compression of EPDM gasket and water pressure

建立有限元分析模型，通過在螺栓上施加軸力模擬螺栓緊固狀態(tài)，計(jì)算襯砌片接觸面上的擠壓力分布，并驗(yàn)證螺栓孔局部和整體的混凝土受力是否滿足抗壓、抗拉強(qiáng)度限值。

計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。當(dāng)螺栓軸力達(dá)到25 kN時(shí)，襯砌片接觸面間形成1圈58.3～116.7 kN/m2的壓應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域滿足前述57.67 kN/m2限值要求，環(huán)間已達(dá)到壓緊和防水要求。當(dāng)螺栓軸力達(dá)到43 kN時(shí),襯砌片受拉區(qū)最大拉應(yīng)力超過C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖8 管片接觸面應(yīng)力狀態(tài)(單位：kN/m2)Fig.8 Stress state on segment interface (unit：kN/m2)

圖9 縱向連接手孔剖切面應(yīng)力狀態(tài)(單位：kN/m2)Fig.9 Profile section of stress state of longitudinal connecting hand holes (unit：kN/m2)

6 襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)計(jì)算及抗震分析

6.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算理論

裝配式隧道的二次襯砌是由螺栓將預(yù)制管片拼裝而成的，自然形成環(huán)、縱向接縫，接縫的剛度小于預(yù)制襯砌剛度，因此其結(jié)構(gòu)計(jì)算需重點(diǎn)關(guān)注襯砌主體、接縫等的應(yīng)力和變形等特征。類似盾構(gòu)管片計(jì)算方法，裝配式隧道結(jié)構(gòu)襯砌的計(jì)算方法主要包括日本(修正)慣用設(shè)計(jì)法、彈性地基梁法和有限元法等，使用階段拼裝二次襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部水土荷載。裝配式二次襯砌斷面如圖10所示。

圖10 裝配式二次襯砌斷面圖(單位：mm)Fig.10 Cross-section of prefabricated tunnel lining (unit:mm)

其計(jì)算模型應(yīng)根據(jù)地層特性、襯砌構(gòu)造特點(diǎn)及施工工藝等確定，應(yīng)按使用期間全部荷載的承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，襯砌片結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)同時(shí)計(jì)入裝配式襯砌接頭的影響，可采用等效勻質(zhì)馬蹄形模型和梁-彈簧模型。當(dāng)采用勻質(zhì)馬蹄形模型計(jì)算時(shí)，根據(jù)襯砌片接頭數(shù)量及構(gòu)造的不同，襯砌環(huán)整體剛度折減系數(shù)和接頭彎矩傳遞系數(shù)可分別取0.8～1.0和0.2～0.4。采用梁-彈簧模型時(shí)，環(huán)向接頭可采用回轉(zhuǎn)彈簧模擬，環(huán)間接頭可采用剪切彈簧模擬,如圖11所示。

6.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

采用有限元計(jì)算分析軟件建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算模型長(zhǎng)32.4 m，寬3.6 m，高34.6 m，隧道覆土厚度取2.5倍的結(jié)構(gòu)高度，地層以卵石、粉質(zhì)黏土為主。同時(shí)建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，施加荷載包括水、土壓力和地面超載等，荷載組合為永久荷載+可變荷載，分析驗(yàn)算襯砌分塊、接縫應(yīng)力和正常使用階段的襯砌構(gòu)件強(qiáng)度、裂縫寬度及變形等，并給出襯砌片的構(gòu)造加強(qiáng)措施建議。部分計(jì)算結(jié)果如圖12—15所示。

圖11 梁-彈簧模型圖Fig.11 Beam-spring model

圖12 襯砌片應(yīng)力狀態(tài)S-XX(單位：kN/m2)Fig.12 Lining stress state S-XX (unit:kN/m2)

圖13 襯砌片應(yīng)力狀態(tài)S-YY(單位：kN/m2)Fig.13 Lining stress state S-YY (unit:kN/m2)

圖14 基本組合彎矩圖(單位：kN·m )Fig.14 Moment diagram of basic composition (unit:kN·m)

拱部軸力反向?yàn)檐浖敵鲲@示需要，軸力方向均為“-”。圖15 基本組合軸力圖(單位：kN)Fig.15 Axial force diagram of basic composition (unit:kN)

經(jīng)計(jì)算，礦山法區(qū)間隧道裝配式二次襯砌均處壓彎狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)形式和襯砌片分塊能夠滿足隧道使用狀態(tài)下的受力要求。而手孔邊緣的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，符合孔洞應(yīng)力集中的一般規(guī)律，集中系數(shù)為2～3。后期在具體設(shè)計(jì)分塊時(shí)，接縫應(yīng)盡量規(guī)避彎矩較大區(qū)域，這么做可以有效避免出現(xiàn)過大應(yīng)力。在環(huán)向拉應(yīng)力區(qū)，手孔延隧道縱向的2個(gè)邊緣是防裂重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造配筋;在環(huán)向壓應(yīng)力區(qū)，手孔延隧道環(huán)向的2個(gè)邊緣是防裂重點(diǎn)區(qū)域，應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造配筋。

6.3 抗震分析

本區(qū)間隧道抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，其抗震性能在E2和E3地震作用下應(yīng)具有足夠的安全性。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。隧道結(jié)構(gòu)位于地下13.5～19.52 m的圓礫、卵石地層中，綜合土層厚度和剪切波速等因素，場(chǎng)地計(jì)算深度取67.3 m。按GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用反應(yīng)位移法和反應(yīng)加速度法進(jìn)行抗震驗(yàn)算。地震作用下洞徑的變化限值取洞徑的4‰～6‰。

1)反應(yīng)位移法計(jì)算結(jié)果顯示，在E2、E3地震作用下，隧道頂?shù)姿较鄬?duì)位移分別為3.35、7.77 mm，頂?shù)棕Q向相對(duì)位移分別為1.36、1.59 mm，隧道洞徑相對(duì)變形分別為0.78、0.97 mm。2)反應(yīng)加速度法計(jì)算結(jié)果顯示，在E2、E3地震作用下，隧道頂?shù)姿较鄬?duì)位移分別為1.14、2.07 mm，頂?shù)棕Q向相對(duì)位移分別為0.78、0.82 mm，隧道洞徑相對(duì)變形分別為0.55、0.54 mm。

另外，為比較現(xiàn)澆隧道和裝配隧道抗震性能的差異，采用時(shí)程分析法計(jì)算E2地震作用下水平地震作用?，F(xiàn)澆隧道和裝配隧道頂?shù)姿较鄬?duì)位移分別為1.14、1.15 mm，頂?shù)棕Q向相對(duì)位移分別為1.52、1.58 mm，隧道洞徑相對(duì)變形分別為0.37、0.35 mm?？梢?，裝配式二次襯砌隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)略大于現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)變形仍滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

7 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

根據(jù)試驗(yàn)工程測(cè)算，裝配式二次襯砌方案較之常規(guī)現(xiàn)澆方案，施工工期、勞動(dòng)力需求分別可降低35%、52%，并且無需周轉(zhuǎn)材料。試驗(yàn)采用的馬蹄形隧道裝配襯砌片制造模板和拼裝機(jī)也為全新制造，攤銷大，預(yù)制二次襯砌概算約3.59萬元/延米，相比現(xiàn)澆二次襯砌概算(約3.64萬元/延米)差異不大。隨拼裝試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拼裝進(jìn)度逐步提升，成本可適當(dāng)下降。

綜合以上分析，當(dāng)?shù)罔F礦山法隧道裝配式二次襯砌大量推廣后，能控制單價(jià)為(2.3～2.5)萬元/延米，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)二次襯砌現(xiàn)澆工藝，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益明顯。以1 km的地鐵雙線礦山法區(qū)間計(jì)算，傳統(tǒng)現(xiàn)澆工藝二次襯砌造價(jià)約7 280萬元，而采用預(yù)制馬蹄形裝配式二次襯砌造價(jià)約4 600萬元，節(jié)省造價(jià)可達(dá)2 680萬元，節(jié)省比例達(dá)37%，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯。

目前，中國(guó)已成為世界上地鐵發(fā)展最迅速的國(guó)家，已發(fā)展和規(guī)劃發(fā)展城市軌道交通的城市總數(shù)超過50個(gè)，全部規(guī)劃線路超過400條，總里程超過14 000 km。國(guó)內(nèi)地鐵發(fā)展正在如火如荼進(jìn)行中，建設(shè)節(jié)能、環(huán)保地鐵工程，走可持續(xù)發(fā)展道路勢(shì)在必行，該研究成果可應(yīng)用于國(guó)內(nèi)絕大部分城市地鐵建設(shè)中，將產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

8 結(jié)論與討論

1)本次討論的地鐵礦山法隧道裝配式二次襯砌施工是在初期支護(hù)施工完成后進(jìn)行，隧道仍采用初期支護(hù)+二次襯砌的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，不改變?cè)惺┕た傮w工序。后續(xù)研究可針對(duì)初期支護(hù)和二次襯砌全部采用預(yù)制裝配技術(shù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

2)地鐵礦山法隧道裝配式二次襯砌可采用馬蹄形斷面形式(帶弧形仰拱)，鋼筋混凝土平板形管片，管片厚度為300 mm或350 mm，分6塊，全部預(yù)制，錯(cuò)縫拼接，環(huán)寬1 200 mm，管片連接采用螺栓連接，根據(jù)拼裝機(jī)設(shè)計(jì)原理(是否能夠提供對(duì)管片的持續(xù)縱向擠壓力)的不同可采用彎螺栓或者直螺栓。

3)當(dāng)采用勻質(zhì)馬蹄形模型進(jìn)行管片襯砌計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮管片接頭影響對(duì)襯砌環(huán)整體剛度進(jìn)行適當(dāng)折減；錯(cuò)縫拼裝襯砌環(huán)應(yīng)考慮管片接頭彎矩向兩側(cè)管片的傳遞效應(yīng)。根據(jù)管片接頭數(shù)量及構(gòu)造的不同，襯砌環(huán)整體剛度折減系數(shù)和接頭彎矩傳遞系數(shù)可分別取0.8～1.0和0.2～0.4。

4)與全現(xiàn)澆二次襯砌建造方法相比，裝配式二次襯砌方法既能降低現(xiàn)場(chǎng)原材料耗費(fèi)，減少隧道內(nèi)勞動(dòng)力需求，提高生產(chǎn)工業(yè)化，又能通過預(yù)制構(gòu)件保證混凝土澆筑質(zhì)量，減少混凝土及生產(chǎn)材料運(yùn)輸對(duì)城市交通資源占用，降低對(duì)周邊環(huán)境及噪聲污染，從安全、質(zhì)量、工期以及節(jié)能環(huán)保上都具有較大的優(yōu)勢(shì)。試驗(yàn)工程初步應(yīng)用時(shí)每延米二次襯砌概算約3.59萬元，下一步還應(yīng)結(jié)合隧道開挖、初期支護(hù)、拼裝機(jī)研制、襯砌片模具制造、定位構(gòu)件、豆礫石回填、襯砌片制作、運(yùn)輸與吊裝等工程費(fèi)用進(jìn)行綜合分析研判，爭(zhēng)取顯著提升其經(jīng)濟(jì)效益。