礦山法鐵路隧道襯砌拱部預制拼裝現(xiàn)場試驗研究

劉保林，曠文濤，齊如見，楊 寶，楊昌宇

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031；2.中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

引言

隨著鐵路隧道累計長度增加、線路行車密度增大、行車速度加快，隧道內(nèi)行車安全要求越來越高，相應地對隧道襯砌施工質(zhì)量的控制也越來越嚴格。但目前隧道施工過程中，由于各類工藝質(zhì)量及其他因素，部分地段存在初支或襯砌背后脫空、二襯厚度不足、裂紋、滲漏水、施工縫錯臺、混凝土強度不均或不足等質(zhì)量缺陷[1-3]。其中，二襯背后脫空、厚度不夠、混凝土強度不足是隧道病害的主要問題。近幾年通過各種檢測手段發(fā)現(xiàn)，已鋪軌完成或開通運營的鐵路隧道均不同程度存在上述質(zhì)量缺陷，其中，拱部質(zhì)量問題最為突出，運營過程中存在掉塊等安全隱患，對運營安全造成很大影響，需對其缺陷進行治理。但由于部分隧道已鋪軌或運營，后期整治耗費大量人力、財力和時間，其整治工作量及難度巨大，且難以達到原設計標準和使用功能。我國高速鐵路正處于高速發(fā)展期，今后仍將建設大量的鐵路隧道，如何在鐵路隧道建設中盡可能實現(xiàn)資源的充分利用，降低工程成本，提高隧道施工工業(yè)化程度并改善隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，是我們面臨的一大難題。

針對隧道質(zhì)量缺陷病害，近年來，雖然采取了系列控制欠挖、分窗入模、集中振搗、帶模注漿等設備改裝及工藝、工法提升措施，襯砌質(zhì)量有較大改善，但隧道拱部襯砌強度不足、厚度不足、不密實、背后脫空等質(zhì)量缺陷問題依然十分突出。在竣工驗收及運營期間，參建各方及運營單位針對此類問題投入了大量人力物力進行安全隱患排查和質(zhì)量缺陷整治，在較大程度上消除了安全隱患，但由于整治措施及施工條件受限，整治效率低、對運輸影響大，甚至帶來新的安全隱患。當前質(zhì)量安全紅線高壓管理形勢十分嚴峻，襯砌厚度和混凝土強度不足等隧道拱部質(zhì)量缺陷已明確列入鐵路總公司的紅線管理規(guī)定[4]。因此，探索一種從根本上解決礦山法施工的鐵路隧道拱部質(zhì)量缺陷問題，提高隧道工程質(zhì)量，充分保證隧道內(nèi)行車安全的新工藝新技術(shù)就顯得尤為急迫。資料分析表明[5-10]，無論是部分預制技術(shù)還是全預制技術(shù)在盾構(gòu)和TBM等隧道施工方法中的應用已經(jīng)較為成熟，但在礦山法修建的隧道中采用預制技術(shù)相對較少，尤其是針對襯砌拱部局部預制實踐應用尚屬空白[11-15]。

鑒于此，中國鐵路成都局集團公司組織立項開展《礦山法施工鐵路隧道襯砌拱部預制拼裝設計及施工工藝研究》，在前期研究成果[16]基礎上，以重慶鐵路樞紐東環(huán)線胡家溝隧道為依托，開展礦山法鐵路隧道襯砌拱部預制拼裝現(xiàn)場試驗研究。

1 工程概況

重慶鐵路樞紐東環(huán)線起于重慶樞紐珞璜南站，止于磨心坡站；包括正線、支線及聯(lián)絡線工程，線路總長約260 km。該項目先期開工段于2016年底開工，其余標段2017年4月開工。

現(xiàn)場試驗段胡家溝隧道[17]位于東環(huán)線磨心坡左聯(lián)絡線上，設計時速120 km，受襄渝磨心坡站牽出線設置影響，該隧道設置為雙線隧道，洞內(nèi)線間距5.0～5.48 m。隧道進口里程LMZK3+387，出口里程LMZK3+615，全長228 m。進口段87 m位于半徑R=400 m左偏曲線上，出口段5 m位于R=1 200 m左偏曲線上，中間136 m為直線，線路為單面下坡，坡度為-3.6‰，-1‰。洞身穿越侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組泥巖夾砂巖、砂巖地層，V級圍巖。地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水，基巖裂隙水主要賦存于表層網(wǎng)狀風化裂隙中，受大氣降雨補給。全隧為淺埋隧道，最大埋深27 m，穿越淺丘斜坡，地表水體及地下水不發(fā)育，預計隧道最大涌水量為220 m3/d。

胡家溝隧道進口LMZK3+387～LMZK3+465段下穿東環(huán)正線王崗子雙線隧道(時速160 km)，交叉點處東環(huán)線DK159+157.18=襄渝磨心坡左聯(lián)絡線LMZK3+428.95；兩隧軌面高差12.34 m，線路交角約49°。胡家溝隧道右側(cè)范圍為改建襄渝左線龍家坡隧道，線路中線間距為11.1～38.4 m，軌面高程基本接近。

根據(jù)胡家溝隧道工程地質(zhì)條件及環(huán)境條件，選定LMZK3+465～LMZK3+615共計150 m為試驗段，開展礦山法鐵路隧道襯砌拱部預制拼裝現(xiàn)場試驗。試驗段胡家溝隧道平、縱斷面分別如圖1、圖2所示。

圖1 胡家溝隧道現(xiàn)場試驗段平面(單位：m)

圖2 胡家溝隧道現(xiàn)場試驗段縱斷面(單位：m)

2 試驗方案

2.1 襯砌內(nèi)輪廓及開挖輪廓調(diào)整

針對科研試驗可能出現(xiàn)的不利后果，試驗段拱墻范圍內(nèi)凈空考慮預留不小于30 cm的套拱補強空間后，內(nèi)凈空斷面接近350 km/h速度雙線隧道內(nèi)凈空，同時考慮到科研后期可能的推廣應用，試驗段內(nèi)輪廓按350 km/h高速鐵路隧道襯砌斷面考慮。

胡家溝隧道試驗段中LMZK3+471～LMZK3+603段隧道拱部采用預制襯砌拼裝，考慮預制襯砌與現(xiàn)澆邊墻的制作誤差、施工拼裝誤差及襯砌拼裝空間要求，該段隧道開挖輪廓需考慮預留拱部初期支護與襯砌之間10 cm的安裝空間。

2.2 拱部預制襯砌設計

襯砌結(jié)構(gòu)體系為拱部預制、邊墻及仰拱現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，如圖3所示。拱部采用不分塊整體預制管片方案，預制襯砌覆蓋整個列車運營區(qū)間，弦長8.6 m，縱向幅寬2 m。

圖3 拱部預制襯砌橫斷面(單位：m)

對于預制襯砌與現(xiàn)澆邊墻襯砌的接頭形式，通過多種接頭形式的對比分析，最終采用了L形榫接頭與后澆型鋼濕接頭兩種接頭形式，縱向采用斜螺栓接頭，如圖4、圖5所示。

圖4 環(huán)向L形及型鋼現(xiàn)澆接頭(單位：mm)

圖5 預制襯砌縱向斜螺栓接頭示意

襯砌防排水體系在礦山法隧道基礎上進行了微調(diào)，為便于預制襯砌拼裝，試驗段將環(huán)向盲管調(diào)整為凸殼式排水板，同時增加拱部管片防水。

拱部預制管片背后采用細石混凝土回填+注漿的處理方案，細石混凝土采用襯砌同級混凝土，注漿采用徑向和縱向注漿相結(jié)合的方式，漿液采用M20水泥砂漿。

為保證預制襯砌結(jié)構(gòu)尺寸盡量統(tǒng)一，減少變化，試驗段基于初支承擔全部圍巖荷載的理念進行初支設計，在加強初期支護條件下，優(yōu)化二次襯砌結(jié)構(gòu)，二次襯砌分別按承擔圍巖荷載的30%和60%計算，襯砌厚度D分別設計為40，50，40 cm厚預制襯砌適用于淺埋段，50 cm厚預制襯砌適用于淺埋偏壓段。將2種厚度拱部預制襯砌與2種接頭形式進行組合，確定了4種襯砌類型。同時考慮到洞口段實際地形地質(zhì)條件，對洞口段初期支護進行了加強，LMZK3+567～LMZK3+603段在ⅤIIa型襯砌基礎上加強了初期支護，采用ⅤIIIa型襯砌。各襯砌厚度及相應支護參數(shù)見表1。

2.3 隧道縱向分段設計

試驗段起點與相鄰的襯砌內(nèi)輪廓存在差異?，F(xiàn)場拱部預制襯砌拼裝方向為從進口到出口，為提供初始拼裝條件，于LMZK3+465～LMZK3+471段襯砌設置ⅤIc型全環(huán)現(xiàn)澆復合式襯砌。同時出口段考慮到提供頂緊力及消除縱向安裝誤差等因素，LMZK3+603～LMZK3+615段設置12 m全環(huán)現(xiàn)澆

ⅤIIIc型現(xiàn)澆復合式襯砌，支護參數(shù)見表1。

表1 試驗段襯砌支護參數(shù)

2.4 拼裝工藝

根據(jù)前期研究成果，隧道拱部預制襯砌拼裝施工工藝如下：

(1)掌子面開挖、初期支護、仰拱、填充及邊墻澆筑按正常工序施作；

(2)管片運輸至仰拱及填充施作完成但尚未施作邊墻的位置，將管片頂升至比安裝位置高5 cm左右，然后沿縱向移動至拼裝位置后與邊墻完成拼接；

(3)每片安裝后立即頂緊，并施擰縱向螺栓；

(4)每完成5～6片安裝后，進行拱部背后回填及注漿；

(5)重復上述工序繼續(xù)施工。

隧道拱部預制襯砌拼裝工藝如圖6所示。

圖6 預制襯砌全縱向滑移拼裝工藝示意

2.5 監(jiān)控量測

為確保胡家溝隧道試驗段施工及運營安全，收集、驗證采用拱部預制襯砌的新型襯砌結(jié)構(gòu)受力特性、內(nèi)力響應、圍巖穩(wěn)定性等技術(shù)指標。同時，便于指導設計與施工，為采用拱部預制襯砌的新型襯砌結(jié)構(gòu)設計與修建提供后續(xù)支持。胡家溝隧道在常規(guī)監(jiān)測基礎上，增加布置監(jiān)測斷面13個，其中，5個斷面需進行運營期間自動監(jiān)測。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗準備

(1)設備研發(fā)

根據(jù)預制襯砌現(xiàn)場拼裝要求，中鐵隧道局完成了拱部預制襯砌洞內(nèi)拼裝模板臺車的制作，中鐵四局及中鐵十一局完成了預制管片洞內(nèi)運輸車、預制管片洞內(nèi)起吊設備、預制管片拼裝臺車及預制管片拼裝車的研發(fā)制造。

(2)管片制作

2019年10月31日，拱部預制襯砌模板安裝完成、首片管片鋼筋骨架綁扎完成。

2019年11月5日，預制管片鋼筋骨架吊裝、安裝完成，并通過驗收，當日順利澆筑完成。預制管片成型效果如圖7所示。

圖7 預制管片成型效果

(3)設備調(diào)試及工藝試驗

襯砌運輸設備、吊裝設備及拼裝車等拼裝設備全部現(xiàn)場就位并組裝調(diào)試完成。

2019年10月5日，針對現(xiàn)澆襯砌頂部端頭L形榫接頭，開展縮小版工藝試驗，為正式施工提供參考依據(jù)，L形榫接頭現(xiàn)場工藝試驗如圖8所示。

圖8 現(xiàn)澆邊墻L形榫接頭工藝試驗

3.2 試拼裝

2020年6～7月在試驗點進行了第1組預制襯砌塊試拼裝試驗，試驗現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 首組管片現(xiàn)場預拼試驗

在首組拼裝試驗過程中，出現(xiàn)現(xiàn)澆邊墻與預制襯砌精度不匹配、現(xiàn)澆邊墻鋼筋回彈、現(xiàn)澆邊墻蓋膜拆模困難、管片定位困難等問題，其中，最突出問題是邊墻接頭施工精度不能達到要求，導致邊墻與拱部預制襯砌拼裝后接頭存在空隙的情況，這直接影響接頭受力及結(jié)構(gòu)安全。

3.3 試驗改進

根據(jù)首組拼裝試驗暴露出來的問題，同時考慮型鋼現(xiàn)澆接頭的現(xiàn)場操作難度及精度，課題組經(jīng)過多次分析討論，對試驗方案改進如下。

(1)接頭方案調(diào)整

優(yōu)化L形榫接頭，取消型鋼接頭新增大球形接頭，對試驗段縱斷面分段進行了重新調(diào)整，方案調(diào)整情況見表2。

(2)L形接頭優(yōu)化

原接頭方案需內(nèi)、外側(cè)凹凸接觸面平整度達到要求，同時兩面高差達到設計要求，才能使接縫嚴密，這對現(xiàn)澆施工精度要求高，但現(xiàn)場裝置和工藝難以達到。

在滿足接頭受力條件下，對接頭構(gòu)造進行一定優(yōu)化，提高其對施工誤差的容錯度。為充分保證接觸面軸力的傳遞，拼裝后需確保沿襯砌徑向的內(nèi)側(cè)接觸面能充分接觸，為消除外側(cè)接觸面施工誤差而導致內(nèi)側(cè)接縫不嚴密，將外側(cè)接觸面預留一定空間，后期采用注漿填充，優(yōu)化后接頭如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后L形榫接頭(單位：mm)

(3)大球形接頭及其優(yōu)化

通過對小球形、大球形、折線形球型接頭3種方案，進行受力及現(xiàn)場可實施性分析，初步確定大球形接頭，如圖11所示。

圖11 初擬大球形接頭(單位：mm)

現(xiàn)場實施過程中，同樣由于邊墻精度問題，導致大球形接頭預留的2 cm凈空不能滿足安裝要求，調(diào)整后如圖12所示。

圖12 調(diào)整后大球形接頭(單位：mm)

(4)環(huán)向主筋回彈問題

針對環(huán)向主筋切割后回彈問題，按1 m間距設置環(huán)向定位筋，同時對環(huán)向鋼筋進行冷彎，以此控制主筋回彈，鋼筋綁扎效果如圖13所示。

圖13 邊墻鋼筋綁扎效果

3.4 試驗效果

試驗改進后，拱部預制拼裝過程基本正常進行，現(xiàn)場拼裝效果如圖14所示。

圖14 拱部預制襯砌拼裝效果

受制于管片制作進度等多種因素，2020年6月～2021年7月，通過1年時間的現(xiàn)場試驗，胡家溝隧道完成了礦山法鐵路隧道襯砌拱部預制拼裝現(xiàn)場試驗研究工作，最終試驗效果如圖15所示。

圖15 現(xiàn)場試驗效果

4 結(jié)論

本研究針對礦山法施工鐵路隧道襯砌拱部質(zhì)量問題帶來的巨大運營安全隱患，研究嘗試通過拱部預制襯砌的方式，探索一種從根本上解決礦山法施工的鐵路隧道拱部質(zhì)量缺陷問題，提高隧道工程質(zhì)量，充分保證隧道內(nèi)行車安全的新工藝新技術(shù)。依托重慶樞紐東環(huán)線胡家溝隧道，采用高速鐵路隧道襯砌斷面，成功開展礦山法施工鐵路隧道襯砌拱部預制拼裝現(xiàn)場試驗研究，主要結(jié)論如下。

(1)通過全縱向滑移拼裝工藝，現(xiàn)場試驗完成了試驗段66片拱部預制襯砌的拼裝施工，表明礦山法施工鐵路隧道通過拱部預制解決拱部襯砌質(zhì)量問題的思路，從理論到實踐均是可行的。

(2)針對現(xiàn)澆邊墻與拱部預制襯砌精度不匹配問題，進行了接頭優(yōu)化研究，提出了優(yōu)化L形接頭和大球形接頭。現(xiàn)場試驗表明，大球形接頭在邊墻接頭質(zhì)量控制及施工操作性方面，較L形接頭更具優(yōu)勢。

(3)根據(jù)現(xiàn)場試驗監(jiān)測，襯砌拱頂沉降小于2 cm，凈空收斂小于3 cm，遠小于預留變形量，可見初期支護能夠為預制襯砌拼裝提供穩(wěn)定可靠的支護條件。

(4)現(xiàn)場試驗耗時近1年，施工效率較低。該技術(shù)大規(guī)模推廣應用，還有較多問題如施工效率、工程經(jīng)濟性、設備智能化等需要解決。

為確保運營安全，本試驗研究將礦山法隧道拱部預制襯砌付諸實踐，充分證明了隧道襯砌拱部預制拼裝從理論到實踐的可行性，為礦山法隧道預制拼裝技術(shù)的推廣具有一定借鑒意義。