暗挖隧道裝配式二襯技術研究*

劉醫(yī)碩，王強勛，朱義嘉，張 璐，張志強，張棟樑

(1.中建工程產業(yè)技術研究院有限公司，北京 101300； 2.中國建設基礎設施有限公司，北京 100029)

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程的加快，我國城市軌道交通及城市地下基礎設施建設發(fā)展迅速，規(guī)劃及在建的城市隧道線路規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)的暗挖施工方法帶來的地下環(huán)境破壞與污染現(xiàn)象越來越嚴重。在城市隧道修建過程中，引入裝配式支護技術，其適應性強且自動化程度高，既能提高施工速度，又能有效保證施工質量，改善現(xiàn)場施工環(huán)境，具有廣闊的應用前景。

1 裝配式隧道發(fā)展現(xiàn)狀

當前國內外針對明挖地下結構、盾構法隧道及頂管法隧道的預制裝配技術研究較為成熟，已有許多應用實例，而對于礦山法隧道預制裝配技術的研究則處于起步階段，國內外相關應用案例較少。

隧道預制管片裝配法起源于20世紀60年代的法國，首次使用是在位于巴黎凱旋門廣場下的地鐵快車線(RER)“Etoile-Charles de Caulle”車站的施工中，施工跨度為21m[1]，它的特點是采用簡易機械或機械臂安裝預制塊，其封頂塊內嵌千斤頂，封頂塊端部可壓緊拱圈，如圖1所示。

圖1 法國裝配式隧道拱架安裝示意

1975—1995年，我國蘭州市修建了一系列人防隧道及人防地下空間，這些工程依照自穩(wěn)修建法理論[2]進行修建，其共同特點是所處地質環(huán)境為無水黃土地區(qū)，隧道截面通過拱形優(yōu)化設計，達到無偏壓狀態(tài)，修建過程中充分利用圍巖自穩(wěn)能力，邊開挖邊支護，如圖2所示。

圖2 蘭州裝配式拱片人防隧道

意大利的Montedomini高速公路隧道[3]在不影響交通運行的情況下成功擴建，其方法是在隧道內安裝鋼筋混凝土箱體保護罩，使隧道擴挖區(qū)與隧道道路分離，擴挖后采用預切槽裝備安裝預制構件，完成襯砌施作。此后意大利還出現(xiàn)了二襯疊合裝配式隧道，其初支仍采用現(xiàn)澆方式，二襯與初支之間安裝排水盲管，達到排水目的。

近年來，我國在地鐵暗挖區(qū)間裝配式二襯結構施工方面也積累了一些實踐經(jīng)驗。在暗挖隧道施作初期支護后，利用管片拼裝裝置進行二襯預制管片拼裝，采用豆礫石和漿液填充二襯管片與初支間隙，完成永久性支護[4]。

隨著裝配式隧道理念的提出和實踐，相關學者和工程技術人員也進行了研究與探索。王明年等[5]針對鐵路隧道襯砌結構進行了分塊研究，研究了拱部及邊墻在不同分塊形式下的力學性能和施工效果；姜俊[6]針對礦山法鐵路隧道裝配式襯砌結構設計展開研究，分析了考慮錯縫拼裝空間效應的襯砌結構受力特性，給出了全預制襯砌結構的最佳劃分方案。郇星超[7]研究了礦山法公路隧道襯砌結構的內力變化和變形規(guī)律，對公路隧道裝配式襯砌結構的可靠性進行了驗證。計中彥等[8]、田殿軍[9]針對隧道裝配式仰拱結構展開研究，提出了裝配式仰拱結構形式、拼裝工藝及其裝備配套方案; 李先進等[10]研究了隧道拱部拼裝式二次襯砌施工方法，并給出了施工臺車的設計方案。周冉[11]依托北京地鐵6號線工程，針對暗挖隧道裝配式二襯結構展開研究，首次采用了馬蹄形全斷面預制管片,總結形成了暗挖隧道裝配式二襯施工工藝及質量驗收標準。

總體而言，預制裝配技術在暗挖隧道中的研究與應用尚處于初級階段。在設計方面，裝配式襯砌結構的計算理論尚不完善，襯砌劃分和接頭設計方法不成熟，結構的防水性及抗震性能仍是薄弱環(huán)節(jié)；在施工方面，缺乏相關的機械配套設備，構件的預制化水平也有待提高。目前也沒有關于裝配式襯砌的規(guī)范，其設計與施工的標準化仍須進一步研究和完善。

2 隧道裝配式二襯設計

2.1 設計理念

采用裝配式襯砌是隧道建設領域的發(fā)展趨勢，但當前裝配式暗挖隧道建造技術存在諸多問題。裝配式暗挖隧道襯砌可分為初支、二襯一體式與分體式2種。一體式襯砌僅適用于無水且自穩(wěn)性能好的地層，分體式襯砌對軟土地層均適用。目前我國對一體式襯砌和分體式襯砌中的二襯全預制技術研究較多，尚無對疊合裝配式襯砌的研究。各類暗挖隧道裝配式襯砌對比分析如表1所示。

表1 暗挖隧裝配式襯砌對比

通過表1可知，為了克服隧道噴混凝土輪廓面不平整，現(xiàn)有的止?jié){板技術不能對其進行砂漿密封，因此全預制二襯采用豆礫石回填管片壁后，水泥漿回填固結的方式[3]。該方案較為復雜，且成本較高。如果采用疊合裝配式襯砌，則可以省略豆礫石回填的步驟。

疊合裝配結構相較于比全預制裝配結構的防水性能好很多。預制構件若采用螺栓連接，預制及安裝精度要求較高，對施工機械要求也較嚴格，會大大增加施工成本，因此疊合裝配式襯砌考慮采用灌漿套筒和鋼筋籠的形式連接，拼縫處粘貼遇水膨脹橡膠條。

2.2 設計方案

本文依托西安幸福林帶地下工程項目，選取一段綜合管廊出線支溝作為研究對象，進行裝配式二襯隧道設計，以其為同類工程設計提供參考。

幸福路綜合管廊出線支溝采用暗挖法施工，出線支溝長約30.9m，左側出線井采用逆作法倒掛壁施工，右側綜合管廊采用明挖順作法施工，出線支溝以綜合管廊明挖基坑作為隧道開挖工作面，向出線井方向施工。管廊頂部埋深12.5m，隧道初支最外斷面尺寸為5.1m×4.05m，如圖3所示。

圖3 幸福路綜合管廊出線支溝斷面

通過分析，該管廊隧道斷面尺寸較小，且隧道一端為明挖基坑，可為裝配式施工提供管片、臺車及其他機械設備操作場地，非常有利于進行裝配式隧道施工。

初支斷面暗挖后噴混凝土，由于噴混凝土工藝精度較低，成型后隧道輪廓面平整度低，且隧道斷面尺寸也會存在誤差。因此，隧道底部仰拱仍建議采用現(xiàn)澆方式，利用其作為導臺，既便于預制構件運輸、定位，又便于設備行進。

最終，確定裝配式二襯隧道建造方案包括噴射混凝土初支、現(xiàn)澆仰拱以及二襯疊合板3大部分。

2.3 受力分析

2.3.1計算基本規(guī)定

1)結構計算按照平面應變假設，采用荷載-結構模型，通過有限元軟件進行內力分析。在結構縱向截取一基本計算單元，將三維空間結構簡化成二維平面框架結構，按結構內力分析模型，進行各階段不同荷載組合內力分析。

2)假定構件為小變形彈性梁，離散為足夠多個等厚度直桿梁單元。

3)用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與墻的相互約束；假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖墻間的黏結力；彈簧受壓時的反力即為圍巖對墻的彈性抗力。

4)全預制結構連接節(jié)點采用小剛度單元模擬鉸接，預制疊合板結構連接節(jié)點強度與剛度接近于現(xiàn)澆結構。

5)隧道網(wǎng)格尺寸為高4.3m，寬3.2m，隧道截面居中布置。

6)二襯厚度為350mm，初支采用C25早強混凝土，二襯采用C40防水混凝土，抗?jié)B等級P8。

2.3.2預制構件分段部位確定

1)橫斷面分段

通過對現(xiàn)澆二襯結構、全預制分段式二襯結構分別進行內力計算，得出其內力分布規(guī)律。對內力云圖進行分析，可知現(xiàn)澆結構與全預制分段式二襯的軸力分布規(guī)律一致，且數(shù)值相差不大；現(xiàn)澆結構與全預制分段式二襯的剪力分布規(guī)律基本一致，但全預制分段式二襯直墻段上部剪力有所增大，下部剪力有所減??；全預制分段式二襯仰拱的彎矩增大較明顯，直墻段與仰拱交接處彎矩減小明顯。

疊合裝配式結構的力學性能接近現(xiàn)澆結構，因此以現(xiàn)澆結構受力結果作為分段依據(jù)。預制構件在彎矩較小的部位分段，如圖4所示。預制構件最終分段如圖5所示。

圖4 彎矩較小位置標記

圖5 預制構件分段

2)縱向分段

單塊疊合構件設計寬度1.6m，環(huán)向長度為1.7～3.1m，厚0.1m，單塊重小于1.2t，便于使用小型機械吊裝。隧道兩端變形縫之間長度為30.4m，是1.6m的19倍，因此將此隧道劃分為2個流水段，分別為16m和14.4m。

2.4 連接節(jié)點構造

1)頂部預制疊合板采用直接滾軋直螺紋半灌漿套筒連接，直墻段與仰拱可采用鋼筋焊接的連接方式，如圖6所示。

圖6 預制構件環(huán)向連接

疊合板環(huán)向組裝完畢，外部混凝土一次澆筑，環(huán)向共2道施工縫，在仰拱與直墻段連接處。施工縫處放置中埋式止水帶。

2)當現(xiàn)澆層與疊合板結合面設粗糙面時，粗糙面的面積不宜小于結合面的80%，粗糙面凹凸深度不小于6mm。

3)隧道縱向可分2個施工段，每個施工段混凝土一次性澆筑。2個施工段之間放置中埋式止水帶。疊合板縱向之間采用鋼筋籠進行栓接，如圖7所示。

圖7 疊合板縱向連接

3 隧道裝配式二襯施工方法

隧道裝配式二襯總體施工工序如圖8所示。

圖8 隧道裝配式二襯總體施工工序

1)隧道初支可采用常規(guī)噴射混凝土加超前小導管支護的形式，初支施工完畢之后，安裝防水板等材料。

2)防水施工完畢之后，施工二襯仰拱，為保證隧道的防水性，仰拱采用現(xiàn)澆混凝土的形式。仰拱施工完畢之后，安裝二襯臺車的行走軌道。

3)二襯疊合板構件在預制加工廠生產，運輸至施工現(xiàn)場，與此同時，將二襯臺車在隧道口組裝好。然后將疊合板逐片吊裝至臺車上按先環(huán)向后縱向的順序拼裝，拼裝好一個流水段之后，綁扎疊合板上部鋼筋網(wǎng)片。

4)經(jīng)由臺車拼裝好的疊合板構件整體運輸進入隧道內部。臺車停到準確位置之后，將預制疊合板預留鋼筋、現(xiàn)澆仰拱鋼筋連接成整體，最后支設端頭模板并澆筑混凝土，完成隧道二襯施工。

5)待疊合板混凝土強度達到拆模強度后，利用臺車液壓收縮裝置進行拆模，并將臺車滑出隧道。

6)將臺車駛出隧道，重復上述步驟，施工下一流水段隧道二襯。

此外，二襯結構拱頂及直墻段宜每隔2環(huán)開設混凝土澆筑口，優(yōu)先選用自密實混凝土。隧道端部與疊合結構交接處可采用現(xiàn)澆結構，現(xiàn)澆寬度小于1m。疊合板結構在二襯臺車上的拼裝如圖9,10所示。

圖9 二襯臺車橫斷面

圖10 二襯臺車縱斷面

4 結語

1)在暗挖隧道修建過程中，初支通常采用鋼筋網(wǎng)片+噴射混凝土或型鋼骨架+噴射混凝土的方式，也有部分隧道采用噴射纖維混凝土支護的方式。當前的初支方式下隧道作業(yè)環(huán)境惡劣，對施工人員健康與生態(tài)環(huán)境均有較大危害。對于圍巖中無水或水量貧瘠的隧道，經(jīng)工程案例驗證，可以采用初支、二襯一體化裝配式襯砌的形式。但對于水量豐富的環(huán)境，初支仍然建議采用常規(guī)噴射混凝土+鋼筋骨架的方式，但二襯可以采用裝配式結構。

2)裝配式二襯與現(xiàn)澆二襯相比，在施工進度、環(huán)境友好性方面具有顯著優(yōu)勢，而疊合裝配式二襯可以克服全預制裝配式二襯防水性差、背后回填不實等缺陷。總體來講，疊合裝配式二襯是一種較好的暗挖隧道二襯支護方案。

3)本文結合具體案例對疊合裝配式二襯的設計及施工方法進行了詳細論述。接下來應重點研發(fā)裝配式襯砌配套機械以及相應的機械化施工方法，最終實現(xiàn)隧道工業(yè)化建造的目標。