高速鐵路單線盾構隧道裝配式隧底回填結構設計研究

唐 偉

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

隨著城市地下空間的開發利用，盾構法因其具有高效快速、安全可靠等特點，成為修建城市地下隧道的主要方法[1-2]。根據目前工程技術發展水平及建設現狀，為滿足運營功能需要，充分利用隧道內建筑空間，單洞雙線鐵路或軌道交通盾構隧道的軌下結構基本上分為3個洞室，多采用洞內現澆施工或部分預制+現澆施工[3-4]；京張高鐵清華園隧道盾構隧道軌下結構采用全預制拼裝連接的結構形式[5-6]。單洞單線盾構隧道的隧底回填受結構形式、洞內作業空間影響，基本上都是在洞內現澆施工，尚未有采用預制生產、拼裝連接的工程案例。

單線盾構隧道隧底回填現澆施工基本上是在盾構隧道貫通后，在隧道內澆筑施作隧底回填；在隧底回填現澆施工中，特別是長距離盾構隧道，聯絡通道與隧底回填基本上同步施工，聯絡通道附近的隧底回填與聯絡通道施工相互影響干擾比較大，需交叉作業；同時存在著洞內施工組織安排、物料運輸組織比較麻煩、作業環境差、混凝土養護周期長等技術難題[7]，致使施工效率相對較低。

隨著裝配式建造技術的發展，參照盾構隧道軌下結構或內部結構預制拼裝技術[8-12]，為解決隧底回填現澆施工中存在的技術難題，根據盾構法隧道的相關技術要求，同時借助盾構工法機械化施工的優勢[13-14]，結合具體工程項目的技術條件，對高速鐵路單線盾構隧道隧底回填裝配式技術進行研究。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某高鐵隧道設計為雙洞單線，位于北京市區范圍內，大致沿京承高速公路方向走行，隧道長8 km。根據工程地質與水文地質及周邊環境，隧道采用明挖法、暗挖法、盾構法施工；其中盾構法施工段落長6 900 m，設有3個豎井，3個豎井之間盾構段落長度分別為3 700，3 200 m；盾構管片內徑9.5 m，管片外徑10.5 m，管片厚50 cm，管片環寬2 m。采用4臺直徑10.9 m的泥水平衡盾構機相向掘進施工[15]。該隧道是整個高鐵項目的控制性工程，施工風險高、工期非常緊張。盾構隧道斷面如圖1所示。

圖1 盾構隧道斷面示意(單位：mm)

1.2 工程地質及水文地質

隧道沿線地形比較平坦，沿線地層主要為人工填土層、第四紀全新世沖洪積層、第四紀晚更新世沖洪積層。隧道穿越地層主要為粉土、粉質黏土、砂層土等。隧道沿線范圍內的地下水主要為第四紀松散沉積物孔隙水，含水層為砂土、碎石土和粉土；根據其水力性質不同可分為上層滯水、潛水、層間水和承壓水。上層滯水埋深1.00～7.20 m，主要含水層為粉土、 砂土及填土，潛水埋深16.00 m，主要含水層為砂土層。

隧道沿線不良地質主要為區域地面沉降，根據1955年至2013年間的累計地面沉降統計，隧道穿越段落58年間的地面累計沉降量800～1 000 mm，近3年年平均沉降速率為30～50 mm，地面沉降發育強烈。

1.3 隧底回填結構斷面

根據隧道建筑限界、洞內各設施及附屬構筑物的布設，隧底回填采用實體結構，結構寬5 312 mm，高812 mm，為C30混凝土結構。隧底回填結構斷面如圖2所示。

圖2 隧底回填結構斷面示意(單位：mm)

2 隧底回填裝配式結構方案研究

根據隧道所在區域的工程地質情況，隧道沿線區域沉降比較明顯。盾構隧道為條帶狀柔性結構，其抗變形能力較差[16]，故隧道結構及軌道結構的沉降變形，特別是差異沉降相對較大，進而影響高速鐵路的長期運營安全。為提高隧道沿線路方向的剛度，在隧底回填內沿線路方向通長設置具有一定剛度的縱梁與盾構管片結構連接，以減少其不均勻沉降。

結合盾構工法特點及盾構機械設備空間布設現狀，根據隧底回填結構形式及具體技術條件，對裝配式結構進行研究，即隧底回填采用預制生產、隧道內拼裝連接。

2.1 分塊預制方案

根據隧底回填結構斷面尺寸，在其中間部位通長布設應對地面區域不均勻沉降的縱梁，采用現澆法施工、通過植筋與其下面的管片連接，縱梁兩側部分采用預制生產、隧道內拼裝、螺栓連接。為保證盾構施工期間物料機具的正常運輸，在兩側預制塊上面鋪設臨時運輸軌道，單側預制塊的橫向寬度應滿足鋪設軌道的要求。

隧底回填預制塊沿線路方向的長度與管片環寬一致，以便于與盾構管片協調布設，隧底回填預制塊之間采用螺栓連接[17-18]。縱梁兩側的預制塊及縱梁采用可調節的鋼質絲杠連接起來，以提高隧底回填結構的整體性。如圖3所示。

圖3 分塊預制方案示意(單位：mm)

管片環寬范圍內的縱梁與兩側預制塊采用6根鋼質絲杠連接，在地面將左、右兩預制塊及絲杠組裝好后整體吊裝至隧道內，運至預定位置，利用盾構機后配套上配置的隧底回填預制塊吊裝系統進行拼裝，并采用螺栓連接好。然后施作縱梁植筋、綁扎縱梁鋼筋、澆筑縱梁混凝土，連同連接絲杠一并埋入縱梁混凝土中；再通過預制塊上預留的灌漿孔向預制塊之間、預制塊底部與管片內弧面之間的空隙內壓注灌漿料，以確保各孔隙填筑密實。

2.2 整塊預制方案

隧底回填采用整塊預制，應對地面區域不均勻沉降的縱梁布設在預制塊上面的中間位置，不與管片結構連接；考慮到區域不均勻沉降及后續軌道施工的需要，在預制塊上面、軌道結構下面預留150 mm厚找平層，找平層內布設鋼筋網片，穿過中間部位的縱梁，與兩側管片結構通過植筋連接。具體如圖4所示。

圖4 整體預制方案示意(單位：mm)

隧底回填預制塊沿線路方向的長度與盾構管片環寬一致，其拼裝接縫與管片環縫對齊；預制塊之間的接縫處設置5組凹凸榫槽、采用5根斜螺栓連接，以提高隧底回填預制塊連接的整體性；預制塊之間、隧底回填預制塊與管片內表面之間的空隙采用灌漿料填筑。

利用盾構機后配套上配置的吊裝系統拼裝隧底回填預制塊，并用螺栓連接好；然后在預制塊上面、中間縱梁的兩側鋪設臨時運輸軌道，以滿足盾構機正常掘進施工；待盾構隧道貫通后，在預制塊上面澆筑施工150 mm厚找平層及中間縱梁。

2.3 整塊預制+兩側布設縱梁方案

綜上所述,DR檢查對隱匿性肋骨骨折的確診有著較高的準確率,幫助患者減少漏診情況發生,保證患者的身體健康,是值得臨床上進行推廣和使用的有效檢查方法。

為便于隧底回填預制塊預制生產、洞內運輸及拼裝施工，根據其結構形狀及軌下空間布設，在不調整軌道結構及兩側溝槽結構尺寸的情況下，充分利用兩側溝槽下面的空間，將應對區域不均勻沉降的縱梁布設在隧底回填的兩側，即兩側溝槽的下面，根據等剛度原則確定縱梁斷面形式及結構尺寸。如圖5所示。

圖5 整塊預制+兩側布設縱梁方案示意(單位：mm)

隧底回填采用整塊預制，在預制塊上面預留150 mm厚找平層。找平層及兩側縱梁采用現澆施工，找平層內布設鋼筋網片，鋼筋錨入兩側的縱梁內，并通過植筋與管片結構連接[19]。

隧底回填預制塊沿線路方向的長度與盾構管片環寬一致，預制塊之間設置4組凹凸榫槽，并通過3根斜螺栓連接。預制塊與預制塊之間、預制塊與管片內表面之間的空隙采用灌漿料填筑。其施工工藝與整塊預制方案一致。

2.4 方案對比分析

為合理確定隧底回填裝配式結構形式，對上述3個方案進行綜合比選分析。具體如表1所示。

表1 隧底回填方案比較分析

通過比選分析，綜合考慮隧底回填裝配式施工工藝、技術經濟、盾構機配置及施工現場實際情況，為確保施工安全、施工質量及施工工期，推薦選用整塊預制+兩側布設縱梁方案。

3 隧底回填裝配式結構設計研究

隧底回填預制塊同盾構管片一樣，采用高精度模具提前預制生產、在隧道內拼裝連接；然后向隧底回填預制塊之間的拼裝接縫、隧底回填預制塊與管片內表面之間的空隙內壓注灌漿料；待盾構隧道貫通后，在洞內澆筑施工上面找平層及位于隧底回填預制塊兩側的應對區域沉降縱梁。隧底回填預制塊的結構設計是核心，拼裝施工是關鍵，預制塊上面的找平層及兩側縱梁混凝土的澆筑施工是重點。

3.1 隧底回填預制塊結構

根據隧底回填結構形式，隧底回填預制塊結構斷面呈月牙形，上表面與軌面平行，下表面呈圓弧形，與盾構管片為同心圓，為便于預制塊的拼裝固定，下表面設置4個支座；為滿足盾構機正常掘進施工需要，預制塊寬4.29 m，高0.61 m[20-21]。

在隧底回填預制塊上表面的中間部位預留2個φ150 mm上下中空的灌漿孔，用于預制塊拼裝后的壓注灌漿料；在4個角部各預留1個吊裝孔，吊裝孔同時兼作壓注灌漿料時的排氣孔。隧底回填預制塊結構如圖6、圖7所示。

圖6 隧底回填預制塊結構橫斷面(單位：mm)

圖7 隧底回填預制塊結構平面(單位：mm)

3.2 隧底回填預制塊拼裝

借助盾構工法機械化施工的優勢，利用盾構機后配套臺車上配備的專用吊裝系統拼裝隧底回填預制塊，不影響前方盾構機正常掘進、管片拼裝，其拼裝接縫與盾構管片環縫對齊。隧底回填預制塊在拼裝接縫處設置4組凸凹榫槽，以提高接縫處的連接剛度；并采用3根斜螺栓連接，以提高預制塊拼裝后的整體性。預制塊接縫處連接見圖8。

圖8 隧底回填預制塊接縫處連接示意

為保證隧底回填預制塊的拼裝精度，其橫向定位中線偏差≯5 mm，縱向定位偏差≯5 mm，相鄰塊間頂面高差≯10 mm；隧底回填在曲線段拼裝時，在預制塊的曲線外側部位粘貼丁晴軟木橡膠墊薄片，以調整預制塊之間的間隙，實現對曲線半徑的擬合，薄板厚度根據曲線半徑計算確定。

3.3 壓注灌漿料

隧底回填預制塊拼裝完成后，通過預制塊上預留的灌漿孔向預制塊之間、預制塊與盾構管片內表面之間的空隙壓注灌漿料，灌漿料采用水泥基灌漿料。以10塊預制塊為一組，完成一組預制塊拼裝后，在盾構掘進方向第10塊預制塊與管片底部間隙內，施作膨脹橡膠條以實現止漿；灌漿施工應連續作業，待吊裝孔(兼做排氣孔)及拼裝接縫頂部冒漿后方可停止，以確保填充密實。

3.4 找平層及縱梁施工

隧道貫通后，根據貫通測量結果及隧底回填預制塊拼裝施工情況，在隧道內澆筑隧底回填預制塊上面150 mm厚的找平層及兩側的縱梁，找平層內布設鋼筋網片，鋼筋網片伸入兩側的縱梁內，并穿過縱梁與隧道管片結構采用植筋連接，以提高隧底回填結構的整體性。

4 預制塊施工及實施效果

為確保隧底回填拼裝施工質量，嚴格按照上述技術方案、施工工藝及施工流程開展隧底回填施工。隧底回填與盾構機掘進、管片拼裝同步進行，利用兩者間歇時間，運輸各工序施工需要的物料設備，以滿足正常施工。盾構掘進貫通后，隧道回填預制塊也同步實施完成，盾構機拆機后再實施上面的找平層及兩側的縱梁，比隧道回填現澆施工節省工期至少4個月；隧道內作業環境得到明顯改善，避免了現澆施工需要的大量的人力物力投入，有利于洞內施工組織，大大提高了施工效率，隧底回填實施效果良好。現場施工見圖9、圖10。

圖9 隧道回填施工現場

圖10 隧道回填施工完成

5 結論與建議

對裝配式隧底回填，通過對分塊預制、整塊預制、整塊預制+兩側布設縱梁3個方案進行綜合比選分析，結合隧底回填具體實施情況，得出以下結論。

(1)高速鐵路單線盾構隧道隧底回填采用預制生產、在隧道內拼裝連接的裝配式實施方案可行，可以實現隧道回填與盾構掘進及管片拼裝同步實施，能夠提高隧底回填施工質量和施工效率，改善隧底回填施工環境，加快盾構隧道的綜合施工進度；很好的解決現澆施工存在的問題。

(2)根據隧底回填和軌下空間的設置情況，隧底回填選用整體預制+兩側布設縱梁的裝配式結構形式，既能借助盾構設備機械化施工的便利條件，又能充分發揮縱梁應對區域不均勻沉降的作用。

(3)預制塊之間采用螺栓連接，預制塊之間、預制塊與管片內表面的空隙內采用灌漿料壓注密實；預制塊上面的找平層及兩側的縱梁采用現澆施工，并與管片結構通過植筋連接，能夠提高隧底回填的整體性和抗變形能力。

(4)在后續類似盾構隧道工程中，可結合具體工程技術條件，進一步優化預制塊接縫處的連接構造；將預制塊結構與盾構機設計制造進一步結合，提高隧底回填預制塊拼裝的便捷性及施工質量。