超大斷面裝配式明挖隧道結(jié)構(gòu)及其施工方法研究

林 志，馮萬林，陳 相，*，海大鵬，何廷全，楊紅運(yùn)

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450003；3.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國社會(huì)老齡化的加劇和人口紅利的逐漸消失，人工施工成本陡增，工程造價(jià)提升。傳統(tǒng)施工方法因存在不可避免的諸多問題其優(yōu)先級(jí)得到挑戰(zhàn)，關(guān)于創(chuàng)新技術(shù)的討論日益增多。裝配式建筑是傳統(tǒng)施工向工業(yè)化轉(zhuǎn)變的方式，在隧道與地下工程領(lǐng)域，裝配式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用具有如下優(yōu)勢(shì)[1-3]：1)鋼筋混凝土、混凝土結(jié)構(gòu)能夠快速拼裝閉合為整體，快速受載，減少圍巖或基坑暴露時(shí)間，降低施工風(fēng)險(xiǎn)；2)襯砌管片采用標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制成型與養(yǎng)護(hù)，混凝土質(zhì)量高；3)采用機(jī)械化拼裝，無需現(xiàn)場(chǎng)支模，作業(yè)時(shí)間短，節(jié)約工期；4)能適用于高寒、軟弱圍巖等特殊地質(zhì)環(huán)境。

以上優(yōu)勢(shì)使得裝配式施工技術(shù)蓬勃發(fā)展，例如：盾構(gòu)隧道預(yù)制裝配式技術(shù)[4-5]、礦山法預(yù)制裝配式技術(shù)[6-7]、明挖地下結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)[8-9]、沉管技術(shù)等。其中，在沉管技術(shù)方面，港珠澳大橋海底隧道的建成(沉管段長(zhǎng)5.6 km)及深中通道的建設(shè)(海底沉管段達(dá)6.8 km)，標(biāo)志著我國跨海裝配式工程建設(shè)技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水準(zhǔn)[10-11]。

在此背景下，裝配式明挖公路隧道、礦山法預(yù)制襯砌、裝配式地鐵車站等預(yù)制地下結(jié)構(gòu)大量建成，見圖1，為裝配式施工技術(shù)積累了成功的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

(a)日本HK工法

在公路隧道預(yù)制裝配式領(lǐng)域，已經(jīng)對(duì)結(jié)構(gòu)斷面選型、接頭形式及剛度、荷載分擔(dān)比、破壞模式等方面展開大量研究，但由于諸多原因，公路隧道預(yù)制裝配式暗挖工程建設(shè)仍未實(shí)施[12]。在圍巖埋深淺、地質(zhì)情況簡(jiǎn)單的明挖隧道、管廊，已經(jīng)積累了裝配式地下結(jié)構(gòu)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[13]；郇星超[14]對(duì)裝配式公路隧道襯砌力學(xué)性能采用數(shù)值模擬展開研究，得出襯砌厚度建議值等；計(jì)中彥等[15]對(duì)高速公路仰拱結(jié)構(gòu)施工技術(shù)開展研究，提出了一種裝配式仰拱施工技術(shù)；譚忠[16]研究了山嶺隧道襯砌，得出山嶺公路隧道裝配式襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化方案。上述研究大多聚焦細(xì)部，未能從整體上提出公路隧道尤其是裝配式明挖公路隧道的成熟結(jié)構(gòu)體系、不同類型接頭剛度設(shè)計(jì)計(jì)算方法及與之匹配的施工工法和拼裝專用設(shè)備。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通需求量劇增，4車道及以上的大斷面隧道建設(shè)已經(jīng)成為一種新常態(tài)[17]，裝配式襯砌隧道建設(shè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，目前國內(nèi)未見超大斷面裝配式明挖公路隧道的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文重點(diǎn)參考國內(nèi)裝配式地鐵車站、國外裝配式隧道方案，研究超大斷面裝配式明挖隧道結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造厚度、裝配式施工工法優(yōu)化，并通過三維數(shù)值分析進(jìn)行驗(yàn)證。此外，基于多道防水理念提出明挖裝配式隧道迎水面接縫外貼防水層方案，建立裝配式明挖隧道“拱部預(yù)制+仰拱現(xiàn)澆”的結(jié)構(gòu)體系，以期能夠提升我國隧道與地下結(jié)構(gòu)裝配式技術(shù)水平，促進(jìn)相關(guān)工程的建設(shè)。

1 超大斷面明挖裝配式結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)國際隧協(xié)(ITA)關(guān)于隧道類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，橫斷面面積大于100 m2的隧道稱為超大斷面隧道。裝配式結(jié)構(gòu)對(duì)襯砌管片澆筑質(zhì)量、吊裝技術(shù)、測(cè)繪技術(shù)等要求較高，結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)要考慮到運(yùn)輸、拼裝、結(jié)構(gòu)整體性能等因素。

1.1 接頭連接形式

接頭是裝配式結(jié)構(gòu)可靠性的重要保證，其對(duì)模具制作、拼接難易程度、結(jié)構(gòu)防水要求較高，因此結(jié)構(gòu)接頭選型是裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的重難點(diǎn)。接頭的構(gòu)造主要考慮接觸形式及連接方式2個(gè)方面：1)接觸形式通常有平面式、榫式、臺(tái)階式、弧面式和楔式[18]，各接觸形式的特點(diǎn)見表1；2)連接方式有彎螺栓、斜螺栓、直螺栓、套管注漿等。張穩(wěn)軍等[19]基于盾構(gòu)隧道對(duì)彎螺栓、斜螺栓、直螺栓3種連接形式的力學(xué)特性開展了系統(tǒng)研究，研究發(fā)現(xiàn)直螺栓連接方式優(yōu)于其他連接方式。

表1 裝配式結(jié)構(gòu)接頭接觸形式及特點(diǎn)

綜合考慮超大斷面明挖裝配式結(jié)構(gòu)工作性能及施工難易程度，建議拼裝管片間采取榫式+PC鋼棒直接連接或套管注漿連接，現(xiàn)澆部位與預(yù)制件采用套管注漿或者現(xiàn)澆接頭連接，以此降低施工拼裝難度。

1.2 斷面結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1.2.1 全預(yù)制結(jié)構(gòu)

襯砌全環(huán)采用預(yù)制結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)場(chǎng)施工速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)地基承載力、大噸位吊裝與頂推技術(shù)有較高要求。考慮到仰拱為預(yù)制件，為方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，均設(shè)置為平底形式；同時(shí)，為了減輕自重、節(jié)省材料，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在預(yù)制件內(nèi)部用輕質(zhì)材料填充，形成閉腔薄壁構(gòu)件[20]。例如：在建的長(zhǎng)春地鐵6號(hào)線裝配式車站支持采用輕質(zhì)泡沫混凝土填充，表面用聚丙烯纖維網(wǎng)包裹(單環(huán)的空腔占比達(dá)18%)。目前，全預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)斷面可分為3分割、4分割、5分割3種形式，見圖2。其中，3分割方案的預(yù)制塊體自重大，對(duì)運(yùn)輸和吊裝要求較高，適用于場(chǎng)地條件好，易于安裝大噸位龍門吊的情況，但接縫少；4分割方案拱頂正彎矩最大處沒有接縫，預(yù)制構(gòu)件單片適中，較3分割方案多了1個(gè)連接頭，但拼裝難度有所降低，適用性廣；5分割在4分割方案的基礎(chǔ)上將上部再進(jìn)行了細(xì)分，各管片自重更輕，適用于大跨度隧道。

(a)3分割方案

1.2.2 仰拱現(xiàn)澆+上部預(yù)制拼裝

部分預(yù)制加現(xiàn)澆方案對(duì)于地基適應(yīng)性更強(qiáng)，易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，施工控制更加靈活，可提高拼裝速度，節(jié)約工期，尤其是對(duì)于市政道路非常有利。若考慮先拼裝邊墻和拱頂，再澆筑仰拱方案，將會(huì)使得拼裝過程更加靈活，適應(yīng)于長(zhǎng)度大的明挖隧道。同樣，考慮到運(yùn)輸、吊裝、拼裝過程，將仰拱現(xiàn)澆+上部預(yù)制拼裝分為3分割和4分割2種結(jié)構(gòu)方案，見圖3。其中，部分預(yù)制+現(xiàn)澆的3分割方案對(duì)應(yīng)于全預(yù)制結(jié)構(gòu)的4分割方案，拱頂處無接頭，接縫較少，結(jié)構(gòu)整體性能較好；部分預(yù)制+現(xiàn)澆的4分割方案對(duì)應(yīng)于全預(yù)制結(jié)構(gòu)的5分割方案，預(yù)制構(gòu)件的自重較輕，易于吊裝，但接頭較多，拼裝階段需要內(nèi)支撐臺(tái)車。

(a)3分割方案

1.3 明挖結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)建議值

通過調(diào)研國內(nèi)已建成的裝配式明挖結(jié)構(gòu)及日本“HK工法”的明挖結(jié)構(gòu)技術(shù)資料[21]，總結(jié)了超大斷面明挖隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)建議值，見表2。

表2 超大斷面明挖隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)建議值

在材料選擇方面，混凝土等級(jí)建議不低于C50，對(duì)性能要求高的結(jié)構(gòu)可采用纖維混凝土提高結(jié)構(gòu)韌性。纖維可選擇玄武巖纖維、鋼纖維，若考慮耐久性及耐火性，優(yōu)先推薦采用玄武巖纖維。

1.4 縱向防水構(gòu)造

綜合考慮運(yùn)輸及吊裝條件，縱向環(huán)寬可取2～3 m進(jìn)行設(shè)置。由于裝配式隧道結(jié)構(gòu)的滲水位置主要位于縱、環(huán)縫以及預(yù)留孔洞[18],根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》，本工程縱向連接按照一級(jí)防水等級(jí)進(jìn)行設(shè)防，即不允許滲水，結(jié)構(gòu)表面無濕漬。接縫防水構(gòu)造如圖4所示。于結(jié)構(gòu)接縫處設(shè)置2道橡膠密封墊，縫內(nèi)采用壓力注漿的方式灌注化學(xué)漿液，結(jié)構(gòu)外側(cè)接縫處設(shè)置密封膠形成防水層，與橡膠密封墊、注入劑等形成多道防水構(gòu)造。

圖4 接縫處防水構(gòu)造

環(huán)間縱向連接可采用接力式逐環(huán)張拉、鎖緊，連接材料可選擇PC鋼棒或精軋螺紋鋼；宜采用壓力注漿等方式保證縱向連接形成整體。

1.5 吊裝設(shè)備選擇

目前，裝配式隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)吊裝設(shè)備包含龍門吊和大噸位吊車。龍門吊需要設(shè)置專用軌道，吊裝過程不需要額外場(chǎng)地；大噸位吊車設(shè)備每次吊裝都需要對(duì)方案進(jìn)行論證，施工風(fēng)險(xiǎn)高于前者，隧道超過一定長(zhǎng)度后龍門吊更具優(yōu)勢(shì)。吊裝的關(guān)鍵構(gòu)造吊頭可采用德國哈芬(產(chǎn)品編號(hào)6102)20 t萬向吊頭(國內(nèi)裝配式車站采用方案)，吊點(diǎn)數(shù)量可根據(jù)管片自重進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 裝配式明挖隧道施工力學(xué)性能分析

2.1 工程背景與設(shè)計(jì)方案

擬建隧道位于重慶市新森大道(鳳湖路至高龍大道)，道路自北向南延伸，隧道起點(diǎn)段上跨高騰大道3期隧道，出洞后與高龍大道改造立交相接。隧道全長(zhǎng)790 m，為小凈距雙向8車道隧道。隧道采用暗挖+明挖的方式施工，其中，明挖段長(zhǎng)480 m，新森大道隧道布置見圖5。按設(shè)計(jì)標(biāo)高開挖后，左側(cè)挖方形成的邊坡高4.6～17.2 m，右側(cè)挖方形成的邊坡高3.2～13.2 m，兩側(cè)均為巖土質(zhì)混合邊坡。上覆土層總體較薄，局部較厚?，F(xiàn)狀土層主要為粉質(zhì)黏土，厚度為0.5～4.8 m，下伏基巖為泥巖、砂巖。兩側(cè)邊坡巖體類型分為3類，按坡率開挖后，巖體現(xiàn)存裂縫將不存在，故開挖后邊坡穩(wěn)定性主要受巖體自身強(qiáng)度控制。新森大道隧道明挖段縱斷面見圖6。暗挖段圍巖以中風(fēng)化帶泥巖為主，夾砂巖，巖體較完整。洞身段主要為Ⅵ～Ⅴ級(jí)圍巖，隧道頂部埋深0～27.5 m，埋深淺，圍巖自穩(wěn)定能力差。

圖5 新森大道隧道布置圖

圖6 新森大道隧道明挖段縱斷面

裝配式工藝更易控制施工質(zhì)量，可避免現(xiàn)澆導(dǎo)致的環(huán)境污染，且現(xiàn)場(chǎng)施工速度快。綜合考慮施工效率、安全性、環(huán)保性等因素，在方案論證階段一致認(rèn)為，本工程明挖段極其適合裝配式技術(shù)應(yīng)用條件。

由于預(yù)制構(gòu)件體積較大，對(duì)運(yùn)輸及吊裝工藝要求較高，故斷面分割構(gòu)造極為重要。在綜合考慮施工安全、預(yù)制構(gòu)件澆筑工藝的情況下，本工程采用仰拱現(xiàn)澆+上部預(yù)制拼裝工藝。通過對(duì)比多種斷面分割方法的組合形式可知，斷面分割數(shù)量及接縫位置可改變結(jié)構(gòu)受力。分割數(shù)量的增加可降低構(gòu)件運(yùn)輸?shù)跹b風(fēng)險(xiǎn)，但過多構(gòu)件導(dǎo)致拼裝工藝要求過高，增加現(xiàn)場(chǎng)拼裝作業(yè)時(shí)間及安裝風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體性。綜合以上因素，本工程明挖段采用仰拱現(xiàn)澆+上部裝配式(4分割)施工方案。

明挖段左右洞共960 m，預(yù)制構(gòu)件可橫向切割成384環(huán)，每環(huán)寬度2.5 m，切割為4塊，共計(jì)1 536塊預(yù)制構(gòu)件。每環(huán)2塊A型邊墻預(yù)制塊，2塊B型拱部預(yù)制塊，在未考慮部分中空情況下自重最大為B塊(自重約54 t)，其斷面設(shè)計(jì)見圖7。

圖7 斷面設(shè)計(jì)圖

2.2 分析模型建立

為分析在動(dòng)態(tài)施工荷載作用下裝配式結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，需要考慮圍巖與結(jié)構(gòu)的相互作用，故采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行建模分析。材料力學(xué)性能參數(shù)源于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及地勘報(bào)告，具體取值見表3和表4。

表3 結(jié)構(gòu)材料主要物理力學(xué)參數(shù)

表4 圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)

該隧道為小凈距隧道，單側(cè)隧道凈跨17.3 m，預(yù)制構(gòu)件采用C50混凝土，預(yù)制構(gòu)件之間采用PC鋼棒連接。預(yù)制塊之間采用接觸屬性模擬相互作用，主要為法、切向作用，其中，法向采用硬接觸，切向按摩擦考慮，摩擦因數(shù)取0.3。邊界條件為：模型四周限制水平位移，底部限制豎向和水平位移。分析模型尺寸為105 m×2.5 m×48 m，回填階段按2 m每層施作，共計(jì)6層12 m，將6種填土工況按施工步序分6次逐步增加土層分析，模型及相關(guān)參數(shù)如圖8所示。

(a)分析模型網(wǎng)格(單位：m)

2.3 計(jì)算假定

采用MIDAS/FEA對(duì)該工程主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用GTS對(duì)工程進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。在建模分析過程中，對(duì)中風(fēng)化巖、上覆填土、隧道襯砌、環(huán)向連接PC鋼棒采用實(shí)體單元。

為了簡(jiǎn)化建模與計(jì)算工作，對(duì)所建立的超大斷面明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)模型作出以下假定：

1)不考慮耐久性、流變等引起的材料性能變化，忽略橡膠密封墊的開槽和開孔；

2)不考慮箍筋、局部加強(qiáng)筋等其他鋼筋作用，僅對(duì)受力主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬；

3)忽略PC鋼棒、橡膠及防水填料等與結(jié)構(gòu)的縫隙，通過設(shè)置接觸面來考慮相互作用；

4)不考慮PC鋼棒與混凝土管壁間的相互錯(cuò)動(dòng)，認(rèn)為它們節(jié)點(diǎn)耦合；

5)PC鋼棒上套管及保護(hù)墊片并未進(jìn)行建模。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 邊坡穩(wěn)定性分析

在本工程邊坡勘察階段，根據(jù)巖體主要結(jié)構(gòu)面和坡向的關(guān)系、結(jié)構(gòu)面的傾角大小、巖體完整程度等將巖體劃分為3類邊坡巖體類型(8 m高的邊坡穩(wěn)定，15 m高的邊坡欠穩(wěn)定)。根據(jù)實(shí)際情況，按設(shè)計(jì)標(biāo)高開挖后，左側(cè)挖方形成的邊坡高4.60～17.2 m，右側(cè)挖方形成的邊坡高3.20～13.2 m，且采用坡率法放坡開挖，故初步判定邊坡穩(wěn)定性良好。

采用GTS NX對(duì)圖8(a)的模型參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定(SRM)分析。考慮是旱季施工且隧址區(qū)地下水處理得當(dāng)，采用非飽和狀態(tài)下的巖體力學(xué)參數(shù)。

采用放坡開挖將原地面開挖至設(shè)計(jì)高程后，兩側(cè)邊坡存在一定高差，如圖9所示。由圖可知，連坡雖有較明顯的滑動(dòng)面，但應(yīng)變值較小，且計(jì)算的安全系數(shù)為1.5，遠(yuǎn)大于GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的三級(jí)臨時(shí)邊坡安全系數(shù)臨界值1.15，故認(rèn)為按設(shè)計(jì)高程放坡開挖后，隧址區(qū)臨時(shí)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9 邊坡穩(wěn)定性分析等效應(yīng)變

2.4.2 填土工況下結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

依據(jù)施工階段分析回填土工況下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)，見圖10。由圖可知，在回填第1層土?xí)r拱頂豎向位移較大；回填第2—4層土?xí)r，變化較緩慢，但隨著回填土層增加豎向位移快速發(fā)展；豎向位移整體趨勢(shì)向下，仰拱未發(fā)生隆起，最終拱頂最大豎向位移為8.54 mm。在填土施作過程中橫向位移的變形發(fā)展與豎向位移有相似的規(guī)律，在回填8 m后變化速率增加較快，最終橫向位移為5.31 mm，發(fā)生在兩側(cè)拱腰位置。由此可見，結(jié)構(gòu)最大變形小于0.2%(33.04 mm)，表明結(jié)構(gòu)在彈性工作階段，故滿足穩(wěn)定性要求。

圖10 填土工況下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

接頭張開角的大小可判定接頭抗彎工作狀態(tài)。張開角過大，會(huì)導(dǎo)致接頭混凝土局部壓壞，影響接頭防水、受力等正常工作性能。填土工況下拱頂接頭張開角如圖11所示。由圖11可知，在填土施作過程中，拱頂縱向連接雙榫接頭張開量較小，表明雙榫接頭工作性能良好。隨著填土厚度增加，接頭張開角增長(zhǎng)速率陡增，最終張開量達(dá)到6.64×10-3rad，故施工階段需對(duì)接頭張開量保持監(jiān)控，以確保接頭處部署構(gòu)造正常工作。

圖11 填土工況下拱頂接頭張開角

根據(jù)施工階段，分析填土工況下襯砌結(jié)構(gòu)最大、最小主應(yīng)力p1、p3的變化過程，見圖12。由圖12可知，在回填6 m后，結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)速度加快，在施工中要加強(qiáng)該階段的監(jiān)控量測(cè)，確保結(jié)構(gòu)安全。最小主應(yīng)力主要發(fā)生位置由墻腳向拱頂連接界面及PC鋼棒連接孔壁處轉(zhuǎn)變，特別是后期孔壁附近的最大拉應(yīng)力快接近材料設(shè)計(jì)允許值，安全儲(chǔ)備較低。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)PC鋼棒預(yù)留孔周圍構(gòu)造配筋設(shè)置，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行局部抗裂驗(yàn)算確保施工與運(yùn)營安全。最終結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為14.91 MPa，拉應(yīng)力為1.81 MPa。結(jié)果表明，整個(gè)施工階段襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均未超過C50混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷，處于安全階段。

圖12 填土工況下結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

2.4.3 連接部位力學(xué)性能分析

PC鋼棒連接件力學(xué)性能分析見圖13。由圖13可知，連接體整體呈現(xiàn)向下彎曲的趨勢(shì)，靠近管片底部一排PC鋼棒彎曲變形更大，表明采用接觸屬性能夠正確模擬PC鋼棒與襯砌相互作用狀態(tài)；完成6層填土后連接構(gòu)件的最大撓度為8.74 mm，水平位移為4.16 mm，同襯砌變形基本一致；從螺帽的受力情況來看，最大壓應(yīng)力為15.04 MPa，最小拉應(yīng)力為-16.61 MPa，遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

豎向位移向下為正，橫向位移向兩側(cè)擴(kuò)展為正。

3 超大斷面明挖隧道施工方法

目前，建造最多的超大斷面裝配式地下結(jié)構(gòu)是地鐵車站，但地鐵車站比市政隧道、公路隧道結(jié)構(gòu)跨度更大，斷面更高，單環(huán)管片數(shù)量更多，施工難度相對(duì)較大。因此，本文在調(diào)研我國已建成及在建的明挖地鐵車站的大跨度裝配式地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)其施工工法進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)依托工程施工工法，提出一種新的施工流程，如圖14所示，施工關(guān)鍵步驟見圖15。

圖14 施工流程圖

(a)L型邊墻安裝 (b)仰拱現(xiàn)澆

具體施工步驟如下：

1)場(chǎng)地平整。若為全預(yù)制拼裝，需要現(xiàn)澆10～20 cm厚的C20混凝土并滿足地基承載力不低于150 kPa的要求。

2)仰拱或邊墻側(cè)壁安裝。首先，在墊層上進(jìn)行打磨平整，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高；然后，安裝仰拱底板(全預(yù)制方案)或者在兩側(cè)安裝拱形邊墻構(gòu)件(仰拱現(xiàn)澆+上部預(yù)制)，安裝10環(huán)。

3)安裝定位支架及內(nèi)部移動(dòng)支架。定位支架安裝在邊墻的外側(cè)，內(nèi)部安裝有導(dǎo)線。內(nèi)部移動(dòng)支架由3層組成，包括上層拼裝臺(tái)車、中承工作平臺(tái)以及下層拼裝臺(tái)車(見圖16)，其主要用于維持安裝階段襯砌穩(wěn)定性，同時(shí)為施工人員提供工作平臺(tái)。

圖16 內(nèi)部移動(dòng)支架示意圖

4)現(xiàn)澆仰拱底板(全預(yù)制無該步驟)。通過鋼筋接頭(FD夾具)與邊墻預(yù)留主鋼筋完成機(jī)械連接(見圖17)，綁扎鋼筋結(jié)束后，進(jìn)行混凝土澆筑，完成主體結(jié)構(gòu)施工。

圖17 邊墻-仰拱鋼筋連接圖

5)完成主體結(jié)構(gòu)施工后，將滿足強(qiáng)度要求的拱頂構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)并完成吊裝。安裝側(cè)壁外側(cè)及頂部臨時(shí)固定夾具及支架，用于外側(cè)防水施工。

6)環(huán)向連接。拱頂構(gòu)件可采用榫型接頭，預(yù)先用無收縮砂漿填平接縫，待無收縮砂漿固化后，用PC鋼棒連接，間隙用水泥砂漿填充并固定(見圖18)；邊墻預(yù)留外露鋼筋，與拱頂構(gòu)件預(yù)留接口對(duì)接，采用壓力注漿的方式填充間隙并固定；安裝10環(huán)(或10～30 m)時(shí)，擰緊環(huán)向連接螺栓，形成環(huán)向整體，并回填肥槽。

圖18 拱頂接頭細(xì)部圖

7)縱向連接與注漿?？v向可采用榫型接頭，預(yù)留孔洞，通過PC鋼棒或其他高強(qiáng)度材料進(jìn)行連接，用壓力注漿等方法填充間隙?？v向擰緊后，在邊墻機(jī)械接頭(接頭套管)和拱頂?shù)慕宇^中高壓注射高強(qiáng)度無收縮灌漿，形成整體。

8)接縫防水作業(yè)。接縫迎水面環(huán)縫設(shè)置外貼防水層+管片間貼柔性止水帶+高壓注漿的多道防水體系；內(nèi)部防水采用密封填充材料+防水油布組合方式。

9)回填表層土。采用分層回填，每層厚度建議不超過2 m。

4 結(jié)論與建議

超大斷面明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)在工程領(lǐng)域有極大的發(fā)展前景。本文以新森大道隧道為依托工程，對(duì)國內(nèi)裝配式地鐵車站、國外裝配式隧道方案展開調(diào)研，得出以下結(jié)論：

1)因公路、市政超大斷面明挖裝配式隧道工程施工體量大、質(zhì)量要求高且工期短，可采用全預(yù)制式或仰拱現(xiàn)澆+上部預(yù)制的結(jié)構(gòu)體系。

2)斷面結(jié)構(gòu)分割數(shù)量的增加可降低運(yùn)輸、吊裝難度，卻增加了施工質(zhì)量、工程質(zhì)量控制難度。超大斷面明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)在施工時(shí)應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地基適應(yīng)性、施工控制條件、運(yùn)輸及吊裝條件、施工工期等限制條件，選取適合的斷面結(jié)構(gòu)分割方案。

3)后期環(huán)向連接PC鋼棒孔壁附近出現(xiàn)部分應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力快接近材料設(shè)計(jì)允許值，安全儲(chǔ)備較低。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)PC鋼棒預(yù)留孔周圍構(gòu)造配筋設(shè)置，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行局部抗裂驗(yàn)算，確保施工與運(yùn)營安全。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該充分考慮構(gòu)件自重與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備條件，或者采取減少分塊，增加吊裝能力的方案。

4)裝配式結(jié)構(gòu)防水工藝對(duì)結(jié)構(gòu)壽命影響較大，因此對(duì)接縫的防水處理有較高要求。建議采用迎水面環(huán)縫設(shè)置外貼防水層+管片間貼柔性止水帶+高壓注漿的多道防水體系。

裝配式工程的施工難點(diǎn)在于預(yù)制構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)精確定位及拼裝控制技術(shù)，為確保拼裝進(jìn)度和提高施工效率，建議設(shè)置精平墊層，如采用預(yù)埋角鋼定位+后期打磨調(diào)平措施。