大直徑盾構隧道全預制結構拼裝技術實踐

張宇寧,岳 嶺,劉 方,呂 剛,凌云鵬

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

目前，相對于傳統暗挖隧道作業環境差、功效差、施工風險高等缺陷，盾構隧道已成為在城市密集區建設的首選方法[1-3]。隨著交通建設的不斷發展進步，盾構隧道管片結構的預制拼裝設計[4-7]、生產[8-9]與施工技術[10-11]已十分成熟。

近些年，隨著地下工程預制拼裝技術[12]的發展，大直徑盾構隧道內部結構的預制化受到了越來越多的關注。呂剛、劉建友等人以京張高鐵清華園隧道為例，研究了隧道支護結構、軌下結構和附屬結構全預制拼裝技術[13]；宋麗姝、劉念以南京緯三路過江盾構隧道工程為例，研究了公路隧道內部雙層車道板結構預制與梁板柱結構現澆組合體系拼裝技術[14]；姜海西以上海諸光路隧道工程為例，研究了預制∏形結構結合現澆基座組合體系拼裝技術[15]；禹海濤、李龍津等以上海某隧道工程為例，研究了預制、現澆兩種形式的內部結構節點力學性能，得到了二者承載力能力相當，但預制試件延性和耗能能力弱于現澆試件[16]。

以京張高鐵清華園隧道為例，介紹了大直徑鐵路盾構隧道軌下結構拼裝及附屬結構拼裝的全預制拼裝技術；針對現場施工因拼裝設備、拼裝工藝及模具精度等原因導致的結構接縫錯臺偏差，分析了病害產生的原因，并提出了采用縫隙填充注漿[17]的整改方法，確保軌下預制拼裝結構的可靠性與穩定性。

1 工程背景

清華園隧道是京張高鐵重點控制工程，全隧道位于北京市海淀區，自學院南路以南入地，于五環內出地面，隧道全長6 020 m，其中盾構段總4 590 m，采用12.2 m的大直徑泥水平衡盾構法施工，采用單洞雙線斷面，設計速度目標值為120 km/h。全隧近距離并行地鐵13號線橋梁及路基段，穿越地鐵12、10及15號線區間、多次穿越市政道路[18]及市政管線，是目前國內穿越地層復雜、重要建(構)筑物最多的鐵路大直徑盾構隧道。

隧址區地層主要為第四系全新統人工堆積層(Q4ml)雜填土和第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)，自上至下依次為粉質黏土、粉土、粉砂、中砂、卵石土。隧道洞身主要為粉質黏土和卵石土。穿越區域地下水主要為上層滯水及曾經潛水，其中潛水水位高程為23.5～27.50 m(水位埋深為22.0～24.0 m)，含水層為卵石土層、粉土層、粉砂層、細砂層、中砂層、粗砂層等。

本隧道盾構區間為施工關鍵線路，其施工工效將直接影響全線工期。采用軌下結構全預制拼裝技術，可以加快施工進度，節約工期，避免了大量植筋損壞盾構管片，提高結構耐久性和可靠性，并且能減少外界環境對施工作業的干擾，改善作業環境，降低振動對周邊環境的影響。

2 軌下結構全預制拼裝設計

盾構隧道軌下結構采用3塊獨立箱涵拼裝形式(2塊邊箱涵和1塊中箱涵)，環寬均為1.98 m(與盾構管片環寬對應)。其中預制中箱涵分A型、B型、C型三種類型，分別適用于標準段、疏散樓梯段及通風開孔段。預制邊箱涵分A型、B型兩種類型，分別適用于標準段及通風開孔段，如圖1所示。

圖1 軌下結構剖面

中箱涵頂板和側墻厚30 cm，底板厚25 cm；邊箱涵頂板厚30 cm，邊墻和底板厚25 cm。中箱涵和邊箱涵，以及各箱涵縱向采用M24螺栓機械連接。為確保軌下結構和盾構管片均勻受力，防止因拼裝誤差導致的局部應力集中結構破損，設計階段在箱涵底部設置300 mm×300 mm凸臺，高30 mm，如圖2所示，通過注漿填充的方式將軌下結構與管片間的空隙填充密實，確保箱涵與管片接觸的可靠性與穩定性。

圖2 邊箱涵及中箱涵底部凸臺結構(單位：mm)

底部空隙通過預留注漿孔采用快凝525硫鋁酸鹽水泥+40%粉煤灰(水灰比0.8)材料進行填充。為保證灌漿效果，中箱涵與邊箱涵環向均預留凹槽，使用三元乙丙密封條進行嵌縫。注漿完成后，應采用地質雷達探查有無空洞，發現空洞時再進行補充壓漿。

為確保施工精度要求，設計文件對管片拼裝還做出了如下要求。

(1)拼裝精度：中箱涵頂面與圓形隧道結構水平軸線距離、中箱涵豎直軸線與圓形隧道結構豎直軸線距離±10 mm(必須保證箱涵之間的順利連接)。

(2)預制件縱向長度為1.98 m，布置時間縱向間隔0.02 m(與管片對齊)。

(3)平、豎曲線段，中箱涵拼裝時，可通過在中箱涵縱向連接處設置橡膠墊的方式調整間隙，以實現中箱涵對曲線半徑的擬合。橡膠墊厚度依據拼裝處的曲線半徑通過計算確定。

(4)當管片環縫出現錯臺造成中箱涵連接困難時，應通過在底部凸臺設置2.0 mm厚HDPE墊片進行調整。

3 軌下預制結構施工

3.1 現場拼裝技術的實施

箱涵結構在預制場內生產工藝如圖3所示。

圖3 箱涵結構在預制場內生產工藝

現場拼裝施工生產工藝如圖4所示。

圖4 現場拼裝施工生產工藝

預制中箱涵為盾構機配套臺車配備吊裝設備吊裝。受盾構機后配套臺車行走輪對影響，邊箱涵構件滯后于盾構機后配套設備進行拼裝，拼裝設備獨立放置，預制邊箱涵為自主開發研制拼裝機器人吊裝，如圖5所示。

圖5 中箱涵及邊箱涵吊裝現場

預制結構與盾構管片之間的空隙采用微膨脹525快硬型硫鋁酸鹽水泥充填，在每塊側弧板和中箱涵底部預留4處注漿孔，壓漿時采用φ30 mm管徑的壓漿嘴，壓漿位置選擇中箱涵每分倉區域最低點處。壓漿前采用聚氨酯發泡劑對箱涵結構進行分倉，實現每5環一倉，保證注漿的密實性。

3.2 實際拼裝效果

盾構機自帶箱涵拼裝設備拼裝中箱涵，拼裝步序：定位→起吊→移動→就位→下放→螺栓連接→拼裝完成?，F場因箱涵預制偏差、實際施工誤差及拼裝設備精度(如無拉緊裝置)等原因，拼裝后箱涵間存在一定的間隙，如圖6所示。箱涵塊與塊之間平整度情況，經檢查錯臺在0～2.5 cm，未發現撓曲現象。

圖6 中箱涵拼裝成型及錯臺示意

邊箱涵組裝設備為自主研發產品，該設備能夠利用現有管片和中箱涵實現行走，能夠靈活的吊裝邊箱涵并精確地將其放置于中箱涵兩側，實現邊箱涵和中箱涵的密貼，完成邊箱涵的快速拼裝施工。與中箱涵拼裝類似，現場邊箱涵與中箱涵緊密連接，邊箱涵整體表面平整度良好，錯臺間距在0～2.5 cm，未發現存在撓曲，如圖7所示。

圖7 邊箱涵拼裝成型及錯臺

隨著箱涵拼裝在盾構隧道內延伸，錯縫累計間隙量逐漸增大，導致箱涵與管片不能一一對應，存在錯縫，如圖8所示。

圖8 箱涵沿線路方向錯縫間隙

產生上述拼裝問題的原因如下。

(1)箱涵拼裝機無擠壓功能，無法實現盾構管片拼裝精度。

(2)箱涵底部塊與塊之間未設螺栓孔，無有效連接。

(3)拼裝工人工作責任心不足，底部未添加拉緊裝置。

(4)每塊箱涵三元乙丙密封條需壓縮至20 mm方可滿足管片與箱涵環環對應的要求，壓縮量較大，且冬季天寒材料較硬，難以擠壓。

4 拼裝錯縫問題的數值模擬

4.1 模型概況

根據現場拼裝問題，考慮3種工況進行分析，分別為箱涵底凸臺與注漿體共同受力工況(以下簡稱工況1)、凸臺懸空，全部注漿體受力工況(以下簡稱工況2)及無注漿體，僅凸臺受力工況(以下簡稱工況3)，如圖9所示，每種工況均計算單向列車荷載及雙向列車荷載作用。

圖9 拼裝錯縫工況模型

采用Midas NX軟件三維建模，模型如圖10所示(管片、箱涵、現澆軌道板、軌下注漿填充結構)，模型寬1.98 m，為一環管片及箱涵寬度，模型三維網格單元共32 660個。

圖10 模型示意圖

清華園隧道管片結構采用C50鋼筋混凝土、箱涵結構及現澆軌道板采用C40鋼筋混凝土、軌下填充結構采用微膨脹525快硬型硫鋁酸鹽水泥漿，水灰比為1∶0.8。

模型采用彈性-各向同性本構模型，如表1所示。

表1 模型結構力學參數

模型計算時假定管片單元不產生位移，將管片最外側單元固定約束。

4.2 計算荷載

模型計算荷載如表2所示，活載采用高速鐵路ZK活載荷載。

模型計算受力考慮結構自重及軌道板上方荷載均布于軌道板底2.8 m范圍內，均布荷載=(列車荷載×2+鋼軌自重荷載×2+軌道板自重)/軌道板寬度=83 kN/m。

表2 高速鐵路ZK活載荷載

計算考慮雙向列車荷載作用及單向列車荷載作用，如圖11所示。

4.3 工況分析及結論

模型各典型部位如圖12所示，根據計算結果，各工況下模型計算位移均很小，可忽略不計。模型在雙向列車荷載作用下結構受力及位移均較單向列車荷載更為不利，因此僅取雙向列車荷載模型結果，各工況軌下注漿結構或箱涵凸臺(工況3)節點反力及豎向應力云圖如圖13～圖15所示，計算結果如表3所示。

圖11 列車荷載作用模型

圖12 模型節點示意

圖13 工況一雙向列車荷載模型計算結果

根據計算數據，工況2考慮凸臺懸空，注漿體取代凸臺結構受力，SZZ、SXX計算結果表明注漿體受力較工況1顯著增大，但遠未達到微膨脹525快硬型硫鋁酸鹽水泥漿極限抗壓強度4.6～5.1 MPa，表明此時軌下結構整體依然穩定。

圖14 工況二雙向列車荷載模型計算結果

圖15 工況三雙向列車荷載模型計算結果

根據工況3計算分析，當軌下結構未考慮注漿時，僅由箱涵底部凸臺承受上部荷載，凸臺SXX、SZZ最大壓應力達到6.9 MPa，較C40混凝土抗壓強度小，但已在同一數量級內。考慮到長期列車運營所產生的振動荷載及結構疲勞應力影響，結構安全度顯著降低。

根據計算結果，設計采用箱涵底帶凸臺及軌下縫隙注漿填充的方案是合理可行的，也是能滿足拼裝錯縫情況下箱涵與管片受力要求的。

表3 各工況模型計算結果匯總

5 全預制拼裝技術優化建議

清華園隧道軌下采用全預制拼裝技術，極大提高了傳統方法的施工功效，節約工期，避免了軌下結構與管片間的大量植筋，提高了結構耐久性，而且還大幅度改善了施工作業環境，該方案受到了各方的高度評價。但由于該工法的創新性，此前并無相關工程經驗借鑒，施工過程中不可避免地出現了拼裝精度較低的現象。本文根據現場施工情況，提出如下后續優化建議。

(1)根據現場施工情況，后續設計過程中應將軌下預制結構縱向壓緊受力與管片千斤頂受力相結合，保證箱涵與管片接縫對應，并將預制件千斤頂裝置提前安裝在盾構機尾部，可提高預制結構施工精度。

(2)應提高預制結構拼裝精度要求，并應在預制接口部位設置凹凸榫槽或連接螺栓等[19]措施，限制預制結構之間的位移，從而保證拼裝精度。

(3)盾構機在掘進過程中不可避免地會產生管片拼裝誤差(如轉彎、變坡等)[20]，軌下預制結構設計必須要考慮結構具備自調整能力。清華園隧道采用的箱涵底帶凸臺及軌下縫隙注漿填充的方案是可行的，其結構自調節能力設計及注漿材料的性能，壓漿工藝及工程造價仍有待進一步研究優化。

6 結論

(1)針對現階段大直徑盾構隧道內部結構較傳統現澆模式向預制化模式轉變的趨勢，介紹了京張高鐵清華園隧道采用軌下結構全預制拼裝的設計及施工概況，采用3種形式的中箱涵結構及2種形式的邊箱涵結構，分別解決了軌下疏散救援及通風的需求。箱涵拼裝采用專門研制的拼裝機器人施工，后期采用壓漿方式填充箱涵與管片之間的空隙，保證了管片、軌下箱涵結構的整體，確保結構安全可靠。

(2)清華園盾構隧道全預制拼裝技術作為國內首創，在實施過程中不可避免地產生了拼裝錯縫的問題。采用Midas軟件對拼裝錯縫問題進行數值分析，采用箱涵底帶凸臺及軌下縫隙注漿填充調節施工誤差的方法是可行的，注漿填充也是必要的。表明全預制拼裝結構在當前階段對結構的穩定性是有保證的。

(3)針對錯縫問題的產生，提出了全預制拼裝技術的后續優化建議，高精度箱涵拼裝設備的研發，合理的軌下凸臺布置形式以及注漿材料性能，壓漿工藝、注漿分倉工藝的實施等方面均有待進一步研究優化。