礦山法鐵路隧道拱部預(yù)制襯砌接頭選型設(shè)計研究

楊 寶，劉保林，曹林衛(wèi)，曠文濤，楊昌宇

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

引言

隨著我國鐵路隧道運營里程的不斷累計，高速度、高密度的列車運營條件為鐵路隧道質(zhì)量安全控制提出了高要求。近些年，鐵路隧道二次襯砌質(zhì)量問題頻發(fā)，在建或已投入運營的隧道襯砌均存在不同程度的質(zhì)量缺陷，以襯砌拱部最為突出，嚴(yán)重威脅鐵路運營安全。目前，受到國內(nèi)施工隊伍水平、施工工藝等因素制約，傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工隧道襯砌拱部質(zhì)量問題仍較多。裝配式構(gòu)件具有工效高、質(zhì)量可靠等優(yōu)點，礦山法施工靈活、適用范圍廣，同時鐵路隧道襯砌質(zhì)量控制的焦點與難點都集中在拱部范圍，綜合考慮，礦山法隧道中拱部預(yù)制拼裝襯砌的應(yīng)用是值得探究的方向。

早在本世紀(jì)初，國內(nèi)部分學(xué)者就全環(huán)裝配式襯砌在礦山法施工隧道中的應(yīng)用展開了研究，如賈永剛[1]分別采用了不同的計算方法分析裝配式管片間的受力狀況；陳敬軍[2]對礦山法隧道裝配式襯砌單元劃分進(jìn)行了初步探討；嚴(yán)義招[3]分析探討了施工階段與運營階段礦山法施工隧道裝配式襯砌的力學(xué)特性，但以上研究僅停留在理論階段。隨著施工機械作業(yè)能力與水平的不斷提高，地鐵區(qū)間隧道涌現(xiàn)出鉆爆法施工隧道中采用預(yù)制拼裝襯砌的工程實例，如北京地鐵6號線西延段暗挖段采用裝配式管片拼裝工藝[4-5]。在礦山法施工隧道部分預(yù)制襯砌研究方面，西康Ⅰ線秦嶺隧道采用預(yù)制仰拱構(gòu)件[6]。

預(yù)制拼裝構(gòu)件常通過接頭連接，接頭是保證結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性、防水性的重要構(gòu)件。盾構(gòu)隧道管片接頭研究方面，何川等[7]分析了過江盾構(gòu)隧道管片接頭型式和設(shè)計參數(shù)；張高樂[8]對盾構(gòu)復(fù)合管片錨式接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了研究；黃常元等[9]采用足尺試驗確定了盾構(gòu)環(huán)向螺栓接頭型號。明挖裝配式結(jié)構(gòu)接頭研究方面，楊秀仁等[10-11]通過抗彎承載性能試驗研究揭示了注漿式單榫長、短接頭的承載機理；崔濤等[12]探究了裝配式襯砌縱向接頭受力變形規(guī)律。全環(huán)礦山法隧道裝配襯砌接頭研究方面，張勝龍[13-14]研究了鐵路隧道裝配式襯砌的分塊、各種接頭的力學(xué)行為及其敏感參數(shù)；姜俊[15]提出了不同圍巖級別下全預(yù)制結(jié)構(gòu)最佳劃分分案，分析了錯峰拼裝結(jié)構(gòu)受力特性。目前，針對拱部預(yù)制襯砌接頭的相關(guān)研究尚屬空白。

結(jié)合研究現(xiàn)狀，以重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道為工程依托，開展礦山法施工鐵路隧道拱部預(yù)制襯砌接頭選型與設(shè)計研究是迫切必要的。鑒于此，對適用于拱部預(yù)制襯砌分塊設(shè)計、拼裝工藝要求的接頭形式進(jìn)行了初步探討。

1 拱部預(yù)制襯砌分塊

1.1 工程背景

重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道位于磨心坡線路所與襄渝線磨心坡站之間襄渝磨心坡左聯(lián)絡(luò)線上，為設(shè)計時速120 km雙線隧道，受到站場影響，實際線間距為5.0～5.48 m。

胡家溝隧道LMZK3+465～LMZK3+615為拱部預(yù)制拼裝試驗段，共計150 m。試驗段縱坡為1%的下坡，平面均在直線上；洞身圍巖以侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖夾砂巖地層為主，地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水，試驗段為淺埋隧道，均為V級圍巖。

1.2 拱部預(yù)制襯砌分塊與尺寸確定

(1)拱部預(yù)制范圍

隧道襯砌結(jié)構(gòu)從受力角度出發(fā)，其多屬于壓彎構(gòu)件。當(dāng)采用拱部預(yù)制襯砌時，預(yù)制襯砌之間、預(yù)制襯砌與非預(yù)制件之間均需采用接頭連接，但無論采用何種接頭形式，其抗彎剛度始終是有限的，因此，接頭處通常為襯砌受力的薄弱環(huán)節(jié)。

為盡可能降低接頭對拱部預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)整體性與受力特性的影響，將預(yù)制襯砌分塊接頭設(shè)置于結(jié)構(gòu)彎矩較小處。對依托工程淺埋試驗段進(jìn)行理論受力分析，從荷載-結(jié)構(gòu)法計算結(jié)果來看，襯砌結(jié)構(gòu)拱部彎矩零點距隧道中線約3.3 m，如圖1所示。

圖1 典型襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布(單位：m)

由于襯砌結(jié)構(gòu)實際受力情況千變?nèi)f化，理論計算彎矩零點與實際彎矩零點不可能在同一個點。而預(yù)制襯砌接頭也并非完全不具備抗彎能力，因此，基于理論彎矩零點，在滿足最終使用功能及結(jié)構(gòu)承載力的前提下，拱部預(yù)制襯砌分塊點可在理論彎矩零點附近變動。同時，結(jié)合拱部預(yù)制襯砌應(yīng)用范圍，確定拱部預(yù)制范圍宜涵蓋整個行車空間，即隧道中線兩側(cè)各4.3 m，弦長8.6 m。

(2)拱部預(yù)制襯砌分塊

拱部預(yù)制襯砌的分塊對施工組織、拼裝設(shè)備、結(jié)構(gòu)受力、接縫防水均有較大影響。在工裝設(shè)備能夠滿足要求的前提下，預(yù)制襯砌分塊數(shù)量應(yīng)盡可能少。結(jié)合本項目拼裝設(shè)備的特點與能力，最終選擇拱部不分塊的整體預(yù)制管片方案。

(3)預(yù)制襯砌幅寬

考慮到尚無礦山法隧道中采用拱部部分預(yù)制襯砌的工程案例，且大直徑盾構(gòu)管片的拼裝工藝及拼裝設(shè)備與本工程存在較大差異，因此，在預(yù)制襯砌幅寬的確定上，應(yīng)盡可能與運輸及拼裝設(shè)備最大能力匹配，以減少環(huán)向接縫數(shù)量。通過與工裝設(shè)備研發(fā)團(tuán)隊多次商討，最終確定預(yù)制襯砌幅寬為2 m。

2 拱部預(yù)制襯砌拼裝工藝

當(dāng)隧道邊墻采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)時，拱部預(yù)制襯砌的拼裝工藝則完全不同于全環(huán)預(yù)制管片結(jié)構(gòu)。由于邊墻采用整體現(xiàn)澆，而預(yù)制襯砌無法采用徑向推入的方式，因此，預(yù)制襯砌只能從未施作邊墻的位置處頂升后縱向滑移至拼裝位置，即為全縱向滑移拼裝方案(圖2)，具體施工工序如下。

圖2 全縱向滑移拼裝工藝

(1)隧道開挖掘進(jìn)、初期支護(hù)、仰拱二襯、仰拱填充及邊墻澆筑按常規(guī)施工方法施作。

(2)預(yù)制襯砌運至仰拱及填充施作完成但尚未施作邊墻的位置，由提升設(shè)備將預(yù)制襯砌提升并放置于縱向滑移拼裝小車上，由縱向滑移拼裝小車頂升后沿縱向移動至拼裝位置，下降完成與邊墻對接。

(3)進(jìn)行縱向接頭連接，預(yù)緊，并在每5～6環(huán)完成后進(jìn)行拼裝單元縱向復(fù)緊。

(4)以5～6環(huán)為一個拼裝單元，在完成縱向復(fù)緊后，進(jìn)行拱部背后注漿。

(5)重復(fù)工序1～4。

3 環(huán)向接頭選型與設(shè)計

拱部預(yù)制襯砌環(huán)向接頭的選擇需考慮的因素包括：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠、施工可操作、安裝便利、利于防水等。從對拱部襯砌預(yù)制范圍的研究來看，理論上與實際上均表明接頭需具有一定的抗彎剛度與抗剪剛度，以滿足結(jié)構(gòu)受力要求。同時，施工工藝也是接頭形式選擇所需考慮的重要因素。結(jié)合本工程的特點，環(huán)向接頭主要探索了榫接頭與螺栓接頭2種主要形式。

3.1 榫接頭

榫接頭按照其接觸面的不同，可分為凹凸榫、弧面或球面榫、L形榫等，如圖3、圖4所示。

圖3 凹凸榫、弧面榫接頭示意

圖4 L形榫接頭示意

首先，榫接頭可通過榫頭相互咬合傳遞較大的剪力；其次，在軸力作用下，榫接頭具有一定的抗彎剛度，其抗彎剛度隨著軸力的增大而增大，隨著在不同的彎矩作用下，其抗彎剛度具有非線性的特點。另外，榫接頭具有安裝便捷、施工難度低、施工迅速、工程造價低等優(yōu)點。

但拱部預(yù)制襯砌拼裝需豎向回落完成與邊墻拼接，因此，圖3所采用的凹凸榫與弧面榫形式在豎向回落過程中存在與邊墻碰撞的情況，亦不具備適用性。

3.2 螺栓接頭

螺栓接頭廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)或TBM法隧道管片上，從目前國內(nèi)地鐵建設(shè)中管片接頭形式上看，以彎螺栓與斜螺栓為主。結(jié)合拱部預(yù)制襯砌的特點，主要考慮平接頭、弧面接頭+斜螺栓或彎螺栓共4種方案，如圖5所示。

圖5 螺栓接頭示意

螺栓接頭的特點如下。

(1)螺栓接頭通過施加預(yù)緊力，可提供較大的抗彎承載力，同時通過施加預(yù)緊力可實現(xiàn)接頭防水密封墊的壓緊，保證更好的接縫防水效果。

(2)弧面接頭相較于平接頭，更能實現(xiàn)接頭兩端結(jié)構(gòu)面的貼合，便于安裝，但現(xiàn)澆弧形面施工難度較大，混凝土硬化收縮變形對接頭精度影響較大。

(3)斜螺栓需在邊墻預(yù)埋螺栓套筒，而邊墻現(xiàn)澆所產(chǎn)生的移位偏差、預(yù)制襯砌拼裝時的拼裝偏差都會影響螺栓安裝，實現(xiàn)難度較大。

(4)彎螺栓需在邊墻內(nèi)預(yù)埋套管，同樣存在后期螺栓安裝困難問題，但其拼裝精度要求較斜螺栓稍低一些。

(5)若采用后置螺栓，則需在預(yù)制襯砌壓緊后進(jìn)行鉆孔，鉆孔易與預(yù)制襯砌、邊墻中的鋼筋發(fā)生碰撞，鉆孔困難。

3.3 拱部預(yù)制襯砌環(huán)向接頭設(shè)計

由于現(xiàn)澆邊墻與拱部預(yù)制襯砌施工精度的不匹配問題較為突出，對于采用螺栓連接的環(huán)向接頭，對其定位及拼裝等施工要求較高，實現(xiàn)難度大。同時考慮拼裝工藝，最終拱部預(yù)制襯砌環(huán)向接頭選擇L形榫接頭。

通過對不同厚度、不同二襯安全儲備的L形接頭進(jìn)行抗剪與抗壓承載能力檢算，其抗壓及抗剪驗算公式見式(1)、式(2)，榫接頭局部驗算示意如圖6所示。

圖6 榫接頭局部驗算示意

σ=Q/l≤[σc]

(1)

τ=Q/h≤[τc]

(2)

式中，σ為榫接頭接觸面壓應(yīng)力設(shè)計值；τ為榫接頭剪應(yīng)力設(shè)計值；l為榫接頭接觸面寬度；h為榫接頭抗剪高度；Q為剪力設(shè)計值；[σc]為混凝土抗壓強度容許值；[τc]為混凝土抗剪強度容許值。

以胡家溝隧道襯砌斷面為基準(zhǔn)，考慮V級圍巖深埋、淺埋、偏壓3種工況，檢算在不同襯砌結(jié)構(gòu)厚度與安全儲備工況下，L形榫接頭所需最小接觸面寬度l及最小抗剪高度h，結(jié)果如表1所示。從表1可知，管片厚度越大、襯砌安全儲備越大，則抗剪及抗壓需求尺寸越大，其中，榫接頭所需的接觸面最大寬度為14 mm，最大結(jié)構(gòu)高度為184 mm。

表1 L形榫接頭檢算結(jié)果

胡家溝隧道拱部預(yù)制型襯砌設(shè)計時按厚度40 cm和50 cm兩種，其L形榫接頭抗壓接觸面寬15 cm，榫接頭抗剪結(jié)構(gòu)高19 cm及24 cm，均能滿足承載力要求，接頭設(shè)計大樣如圖7所示。

圖7 L形榫接頭設(shè)計大樣(單位：mm)

4 縱向接頭選型與設(shè)計

拱部預(yù)制襯砌需豎向回落與邊墻拼接后，再縱向頂推完成縱向接頭連接?？v向滑移拼裝小車區(qū)別于大型盾構(gòu)設(shè)備，其所能提供的縱向頂推力十分有限，因此，為減少縱向頂推難度，大行程插入式接頭不適用于拱部預(yù)制襯砌縱向接頭。另外，拱部預(yù)制襯砌環(huán)向接縫主要通過三元乙丙彈性密封墊的擠壓達(dá)到防水效果，為保證環(huán)縫間密封墊的防水效果，需對拱部預(yù)制襯砌施加縱向力。因此，基于縱向滑移拼裝小車能提供部分推力，配合縱向接頭施加部分縱向緊固力，可基本滿足排水型或限制排放型隧道的防水要求。

在能夠提供縱向緊固力的前提下，拱部預(yù)制襯砌縱向接頭則主要考慮采取2種方案：螺栓連接方案及分段張拉+段間螺栓連接方案。

4.1 螺栓連接方案

兩環(huán)預(yù)制襯砌上預(yù)留螺栓孔，并采用螺栓連接，以施加的螺栓緊固力和縱向滑移拼裝小車提供的推力實現(xiàn)環(huán)間接縫壓緊，常用螺栓類型有彎螺栓、直螺栓、斜螺栓等。

此方案類似于盾構(gòu)管片縱向連接方式，其施工工藝成熟可靠、安裝方便快捷。但與盾構(gòu)管片不同的是，預(yù)制襯砌缺少盾構(gòu)千斤頂巨大的縱向推力，縱向滑移拼裝小車提供的推力和螺栓預(yù)緊力是有限的，對于防水型或富水隧道，其防水效果尚待驗證。同時，拱部存在大量螺栓，需考慮運營過程中螺栓的可靠性，存在掉落威脅行車的安全隱患。

4.2 分段張拉+段間螺栓連接方案

為保證環(huán)向接縫更好的防水效果，應(yīng)用于更廣泛的隧道場景，可對拱部預(yù)制襯砌塊進(jìn)行段落劃分，分段利用預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行緊固，單元與單元間的連接需另設(shè)局部螺栓接頭，其接頭形式如圖8所示。

圖8 分段張拉+段間螺栓連接接頭示意

4.3 拱部預(yù)制襯砌縱向接頭設(shè)計

分段張拉+段間螺栓連接的接頭方式需對預(yù)應(yīng)筋進(jìn)行張拉，存在施工工藝復(fù)雜、工序耗時、預(yù)制件就位過程中預(yù)應(yīng)力筋與預(yù)留孔對位困難等問題。綜合考慮，推薦縱向采用螺栓進(jìn)行連接。在螺栓連接方案中，參考目前大直徑盾構(gòu)管片常采用的斜螺栓方式，考慮斜螺栓對預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)削弱影響程度小、施工方便、所能提供的預(yù)緊可觀，因此，最終推薦縱向接頭采用斜螺栓進(jìn)行連接。

胡家溝隧道全隧地層均為泥巖夾砂巖，縱向不均勻沉降較小，預(yù)制襯砌的縱向剛度并非主要控制因素。故預(yù)制襯砌縱向連接螺栓設(shè)計應(yīng)以達(dá)到環(huán)縫彈性密封墊接觸應(yīng)力為主要目的。

縱向斜螺栓所施加的預(yù)緊力與拼裝臺車提供的縱向頂推力共同作用，使預(yù)制管片移動并壓縮防水密封墊至正常工作狀態(tài)，即螺栓預(yù)緊力需考慮的因素有縱向推移過程中構(gòu)件接觸面間摩擦力、密封墊工作接觸應(yīng)力及拼裝臺車縱向定推力。

Rs=K(σeAe+kGcosθ)-F

(3)

(4)

式中，Rs為整環(huán)預(yù)制件所需施加的螺栓預(yù)緊力；F為拼裝臺車提供的縱向推力；K為富余系數(shù)，按1.3考慮；σe為密封墊正常工作接觸應(yīng)力；Ae為整環(huán)預(yù)制件密封墊的總面積；k為端面摩擦系數(shù)，取0.6；G為單個拱部預(yù)制塊的重力；θ為預(yù)制襯砌的端面傾角，本工程按53°計；σb為縱向斜螺栓應(yīng)力設(shè)計值；Kb為螺栓安全系數(shù)，取值1.2；n為整環(huán)螺栓數(shù)量；Ab為斜螺栓截面積；[σb]為斜螺栓應(yīng)力容許值。

通過對不同密封墊接觸應(yīng)力(0.5，1.0，1.5，2 MPa)、不同襯砌厚度(40，50 cm)的工況進(jìn)行縱向螺栓受力檢算，并結(jié)合斷面預(yù)制襯砌環(huán)向尺寸，確定每環(huán)共需配置4套縱向斜螺栓，其環(huán)向布置如圖9所示。

圖9 縱向斜螺栓位置及尺寸(單位：mm)

5 結(jié)論

礦山法施工具有靈活、適用范圍廣泛的優(yōu)點，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)具有工效高、質(zhì)量可控等優(yōu)點，通過對兩者的結(jié)合，以徹底消除鐵路隧道拱部襯砌病害為目的，積極探索了礦山法鐵路隧道拱部預(yù)制襯砌設(shè)計問題。針對礦山法鐵路隧道拱部預(yù)制襯砌的接頭選型與設(shè)計進(jìn)行了初步研究，主要結(jié)論如下。

(1)通過榫接頭、螺栓接頭在拱部預(yù)制襯砌環(huán)向接頭中的適用性分析，考慮現(xiàn)澆邊墻與預(yù)制拱部結(jié)構(gòu)之間的施工精度差異大，推薦拱部預(yù)制襯砌環(huán)向接頭采用L形榫接頭。

(2)考慮襯砌結(jié)構(gòu)不同受力模式、不同襯砌結(jié)構(gòu)厚度、不同安全儲備，對L形榫接頭進(jìn)行局部抗壓及抗剪承載力檢算，并據(jù)此進(jìn)行環(huán)向L形榫接頭詳細(xì)設(shè)計。

(3)拱部預(yù)制襯砌縱向接頭需滿足縱向頂推行程小、能為環(huán)縫彈性密封墊提供一定的縱向緊固力。

(4)結(jié)合拱部預(yù)制襯砌拼裝工藝特點，從施工可行性及防水密封性出發(fā)，推薦采用縱向斜螺栓接頭，并以預(yù)緊力要求和構(gòu)件環(huán)向尺寸確定共需配置4套縱向斜螺栓。