全預制盾構隧道邊箱涵精細化施工分析

趙海濤

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司,南京 211800)

引言

為了降低城市用地成本以及控制軌道交通運行時對城市環(huán)境的干擾，城市中的軌道交通主要在隧道內(nèi)通行，同時盾構法有著環(huán)保、高效掘進、對圍巖擾動小的優(yōu)點，而在城市淺埋隧道中大量使用[1]。其中，鐵路雙線隧道界限較一般軌道交通大，因此需要額外結構保證一定行車面，因此屬于大斷面盾構隧道。在類似盾構隧道中，杭州錢江隧道采用先安裝中部口型預制構件，后現(xiàn)澆邊側(cè)牛腿及邊側(cè)行車道板的施工技術[2]；上海復興東路越江隧道，采用先進行上部預制板安裝后進行下層現(xiàn)澆的施工技術[3-4]；揚州瘦西湖隧道設計了一種雙層臺車，在不干擾隧道內(nèi)運輸?shù)那疤嵯逻M行預制行車道板的安裝及立柱現(xiàn)澆[5]；武漢地鐵8號線黃浦路站—徐家棚站越江區(qū)間的中箱涵使用預制施工，后續(xù)邊跨結構及中隔墻使用整體式現(xiàn)澆施工[6]。除以上工程外，還有南京市緯三路過江通道工程[7]、上海諸光路工程[8-9]。

由此可見，以往工程中主要使用預制中箱涵、現(xiàn)澆邊跨的施工技術方案，沒有采用全預制的隧道內(nèi)結構施工方式。在這些半預制施工的盾構工程中，姜海西[8-9]依托上海諸光路工程，對標準構件拼裝施工的難點進行分析，并研究了現(xiàn)澆和預制構件間節(jié)點的力學行為；夏鵬舉等[10]對標準預制構件在臨時施工階段的力學行為進行了分析。

隨著預制化施工的發(fā)展，越來越多的工程使用全預制施工技術[11-12]，主要用于房屋結構[13]以及橋梁的梁跨結構[14-16]，隧道工程主要應用于沉管隧道，盾構隧道的應用較少。另一方面，目前主要對預制化具體施工工藝以及拼裝機械研究較多，如劉波等[17]人依托上海S26公路工程，介紹了一種橋墩墩柱的預制化拼裝施工工藝；沈陽云[18]依托東海大橋工程，介紹了該工程墩身預制安裝的施工工藝；石帥等[19]介紹了預制化施工工藝在房屋建筑中的典型應用；楊闖等[20]詳細分析了房屋建筑中預制化施工的典型設計、施工問題。綜上所述，首先目前盾構隧道的隧道內(nèi)結構全預制施工的工程案例極少，缺乏相關研究討論。同時，目前相關研究主要集中于討論相關預制化施工工藝以及其拼裝設備，對精細化預制施工的具體研究較少。本文依托首個結構物全預制施工的盾構隧道工程—清華園隧道工程，對盾構隧道邊箱涵預制施工的優(yōu)缺點進行了分析，同時針對邊箱涵精細化施工的要求，進行了拼裝誤差施工工況有限元數(shù)值模擬并用于指導施工。

1 工程背景

1.1 隧道概況

清華園隧道是京張高鐵的控制性重點工程，位于北京市海淀區(qū)城區(qū)。其中盾構段全線并行北京地鐵13號線，穿越4處地鐵、7處主要城市道路及眾多城市重要時政管線，是目前國內(nèi)穿越重要建(構)筑物最多的鐵路單洞雙線大直徑盾構高風險隧道。

清華園隧道盾構段開挖直徑為12.64 m，隧道內(nèi)輪廓半徑5.55 m，其隧道內(nèi)凈空斷面如圖1所示。清華園隧道盾構段軌下結構創(chuàng)新性地使用預制邊箱梁施工，如圖2所示。

圖1 清華園隧道凈空斷面(單位：mm)

圖2 隧道軌下結構示意

1.2 預制邊箱梁的技術特征

清華園隧道預制變箱梁標準塊使用C40纖維混凝土澆筑，如圖3所示，預制邊箱涵高2.5 m、長3.15 m，箱梁寬度與隧道管片幅寬相同，為2 m。邊箱涵同中箱涵通過螺栓進行連接，在邊箱涵頂部具有2×2共4個吊裝孔，用于邊箱涵的安裝施工。

圖3 預制邊箱涵結構示意(單位：mm)

在清華園隧道軌下結構的預制施工過程中，使用全新研制的邊箱涵拼裝臺車進行施工，如圖4所示。

圖4 隧道預制邊箱涵拼裝臺車

在拼裝過程中使用橫梁提升系統(tǒng)(圖5)，每根橫梁使用2臺電動葫蘆同步控制，將控制點由4個減至2個，提升施工便捷性的同時提高了控制精度。

圖5 定位安裝系統(tǒng)

1.3 邊箱涵預制施工優(yōu)缺點

邊箱涵預制施工有以下優(yōu)點：降低施工現(xiàn)場環(huán)境污染，有效改善施工現(xiàn)場工人作業(yè)環(huán)境，有助于提高工程整體施工效率，降低施工作業(yè)風險水平，保障鋼筋混凝土構件的質(zhì)量水平。

采用預制化施工，減少隧道內(nèi)由于澆筑混凝土導致的粉塵擴散以及混凝土運輸車輛的尾氣排放，優(yōu)化了隧道內(nèi)一線施工作業(yè)人員的工作環(huán)境。同時，由于隧道施工現(xiàn)場位于北京城區(qū)核心區(qū)，減少混凝土運輸車輛的使用以及較低的粉塵擴散效應，有利于北京城區(qū)大氣污染的防治工作。大量的預制施工從源頭上降低了施工的環(huán)境成本，將原本多污染源、不規(guī)律的污染排放優(yōu)化為預制場單一污染源，便于環(huán)境防治管理。

預制化施工作業(yè)簡便，機械化程度高，減少了施工作業(yè)時間以及人員管理調(diào)度難度。在預制化施工中，可安排大型運輸車輛于夜間集中運輸預制件至施工現(xiàn)場，夜間僅需定時、少量人員進行裝卸作業(yè)即可，施工噪聲少；由于預制件多采用螺栓連接，因此施工機械化程度高，白天也僅需安排少量作業(yè)人員即可高效完成施工作業(yè)。同時，在北京等大型城市中，由于環(huán)境管控以及城市管理的限制，大型運輸車輛僅能夜間出入城區(qū)；因此，預制化施工最大化地符合城市管理，并且降低了施工人工成本。

預制件在現(xiàn)場施工作業(yè)時，構件已經(jīng)達到受力條件，可立即承受施工荷載，便于優(yōu)化施工作業(yè)規(guī)劃。在一般大直徑盾構隧道中，隧道中僅有由已拼裝完成中箱涵形成的施工作業(yè)通道用于管片、施工材料以及人員運輸，運輸通道狹窄且有安全隱患。由于清華園隧道邊箱涵采用預制施工，可快速擴展運輸作業(yè)平臺，提高施工運輸效率，并降低施工的安全隱患。

由于使用工廠化施工，構件質(zhì)量可控，從而降低了軌下結構變形、開裂的風險，提升線路平順性的同時降低后期運營管理成本。但依然存在以下缺點：提升構件制造及運輸維護費用，構件現(xiàn)場吊裝精度要求較高。

預制化施工需要將制作完成的構件從工廠安全運輸至施工現(xiàn)場，因此預知化施工將提高工程的運輸維護費用。

另一方面，后期安裝施工決定著預制化施工質(zhì)量水平。首先，在后期施工過程的拼裝誤差存在誤差積累問題，單一構件的安裝誤差在一開始可能不盡明顯且易忽視，但隨著構件的連續(xù)安裝，前序已安裝構件的誤差將逐漸在后續(xù)構件上顯現(xiàn)，最終導致拼裝失敗等施工質(zhì)量問題。另一方面，在吊裝預制構件的過程中，由于吊裝方式的不同將對預制構件產(chǎn)生多變的施工荷載，當這一施工荷載恰好以最不利形式作用于構件時，構件將產(chǎn)生一定損傷。因此，必須正視單一構件拼裝施工時，拼裝作業(yè)的施工作用效應問題，從而提升施工質(zhì)量。

總體而言，邊箱涵采用預制化施工技術效益顯著。對于類似本工程的復雜城市環(huán)境下盾構鐵路隧道，存在施工工期緊迫、周邊環(huán)境污染控制嚴格、施工安全性要求高等要求。使用全預制施工首先減少了現(xiàn)場模板制作、鋼筋捆扎、混凝土澆筑的工時，從而降低施工關鍵節(jié)點工時，壓縮整體施工時間。由于不需要現(xiàn)場混凝土澆筑，降低了粉塵排放，降低工程固體顆粒物排放，保障城市大氣環(huán)境。邊箱涵預制施工加快了盾構隧道內(nèi)車輛作業(yè)平臺的形成，方便運輸車輛錯車，降低了油脂、管片運輸?shù)挠绊憽?/p>

2 有限元分析

針對拼裝提升精度控制對構件產(chǎn)生的不利影響，使用通用有限元分析軟件ANSYS分析提升誤差對構件的影響。

2.1 計算參數(shù)設置

有限元計算采用的材料屬性如表1所示。

表1 有限元計算材料屬性

計算中使用邊箱梁尺寸如圖3所示，吊裝螺桿尺寸如圖6所示。

圖6 吊裝螺桿及其墊圈(單位：mm)

圖7是計算邊界設置，在螺桿頂端施加位移邊界模擬不同的吊裝誤差。分別在位移邊界1(B)側(cè)施加1，5，10，15，20，30，50，80，100 mm的Z向強制位移，此時位移邊界2(C)在Z向上保持固定；隨后強制位移加載側(cè)位置變換，以模擬兩側(cè)不同吊裝誤差引起的影響。

圖7 邊界設置(單位：mm)

2.2 計算分析

圖8是絕對水平吊裝時，邊箱涵等效應力云圖。從圖8可見，預制塊吊裝時主要面臨吊裝螺桿同構件間接觸局部應力集中的問題。在絕對水平吊裝時，兩側(cè)螺栓孔應力區(qū)域大小不一致，左側(cè)應力集中區(qū)域明顯大于右側(cè)應力集中區(qū)域。

圖8 局部應力示意(單位：MPa)

圖9是在不同位移邊界處產(chǎn)生不同的吊裝誤差時單元有效應力變化規(guī)律。從圖9可以看出，當誤差達到80 mm以上時，構件最大有效應力均達到40 MPa以上，可能導致構件局部應力集中而開裂。另一方面，當位移邊界2處產(chǎn)生誤差時引起的最大有效應力大于位移邊界1處產(chǎn)生誤差時引起最大有效應力。

圖9 不同位移邊界誤差下的有效應力變化規(guī)律

造成兩側(cè)吊裝孔應力集中不一致，以及兩側(cè)位移誤差形成不同增長規(guī)律的原因是吊裝孔同重心偏差過大所致。圖10是邊箱梁的受力分析圖，圖中G為重力作用，F(xiàn)1、F2分別是兩側(cè)位移邊界吊裝螺桿受力，d1、d2則是兩側(cè)的力臂。由圖10可見，d1明顯大于d2，因此顯然將導致F1將小于F2，由此導致圖8顯示的水平吊裝時吊孔應力集中程度左側(cè)大于右側(cè)。同時，位移邊界2處產(chǎn)生吊裝誤差導致的應力集中及最大有效應力將大于位移邊界1處產(chǎn)生的影響。

圖10 邊箱涵受力分析示意

考慮數(shù)值模擬規(guī)律，在現(xiàn)場吊裝預制邊箱梁塊時，應注意以下施工事項。

(1)應正視由于邊箱梁兩側(cè)吊裝孔力臂差異引起的不同應力集中程度，主要注意靠中箱梁側(cè)吊裝孔附近的應力集中情況。

(2)吊裝邊箱梁過程中，由于施工人員操作引起的吊裝誤差不得超過60 mm，同時應防止靠近中箱梁側(cè)高于靠近管片側(cè)的情形。

(3)考慮吊裝螺桿及拼裝臺車的應力疲勞，邊箱梁應左右交錯拼裝施工，盡量防止螺桿及臺車產(chǎn)生應力疲勞，降低施工安全隱患。

同時，建議未來類似工程設計過程中異形構件吊裝孔設計應考慮吊裝誤差產(chǎn)生的影響。

3 結語

依托京張高鐵清華圓隧道工程，針對該工程中軌下結構全預制施工中的邊箱梁施工問題進行了優(yōu)缺點及施工優(yōu)質(zhì)化分析，得出以下結論。

(1)邊箱梁預制化施工符合城市區(qū)域的城市管理制度，提高施工效率。

(2)邊箱梁預制化施工減少了粉塵及噪聲污染，將多處、不可控的污染源優(yōu)化為單一、可控的污染源，提升了綠色施工水平。

(3)應正視邊箱梁預制化施工過程中，由于拼裝導致的拼裝誤差及施工中吊裝誤差導致的施工影響。結合數(shù)值模擬規(guī)律及受力分析，認為應力集中主要在靠近中箱梁側(cè)吊裝孔，同時吊裝誤差不得超過60 mm，并應防止中箱梁側(cè)高于管片側(cè)的情形；在施工順序上，應采用左右交錯拼裝施工，減少吊裝螺桿及臺車的應力疲勞。

(4)建議未來類似工程設計過程中異形構件吊裝孔設計應考慮吊裝誤差產(chǎn)生的影響。