鉆爆法單線鐵路隧道裝配式仰拱結構形式研究

劉建紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋梁隧道設計院,西安 710043)

引言

目前鐵路山嶺隧道施工，鉆爆法仍然是主要的施工方法，仰拱主要采用現澆結構，裝配式仰拱僅在TBM法施工的隧道中有所應用，隧道采用裝配式仰拱的比例還很低。由于現澆結構在施工過程中易受現場施工條件、外部環境、施工人員及自然災害等因素影響，部分隧道出現了仰拱變形、開裂、上鼓和翻漿冒泥等病害[1-4]，這些病害影響列車運行的穩定性和平穩性，導致隧道結構的耐久性降低，嚴重情況下甚至會危及運營安全。通過調查，發現存在仰拱施工厚度不均、混凝土澆筑夾雜雜物、施工縫質量缺陷等問題，嚴重影響了仰拱質量。此外，仰拱采用現澆混凝土結構，施工工序復雜，施工時間長，結構不能及時封閉，施工安全存在風險等，這就迫切需要一種新型結構來消除現澆結構的這些缺陷。

裝配式結構因其標準化生產方案，有利于節約資源，減少施工污染，改善作業環境，減少隧道洞內工作量，降低現場施工人工成本，提高勞動生產率、保證施工質量與安全等諸多優點，在盾構隧道[5]、明挖隧道[6]、地鐵車站[7]、預制管廊[8]等領域得到廣泛應用，但在鉆爆法開挖的鐵路隧道中應用幾乎為零。部分研究學者對裝配式隧道結構進行研究分析，李東等[9]對裝配式地下結構的整體發展趨勢進行了梳理，提出地下裝配式結構的大好發展前景。唐偉[10]以某高速鐵路單線盾構隧道為工程依托，對隧底回填分塊預制、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，得出回填整塊預制+兩側布設縱梁結構形式方案最優，最能充分發揮預制件的優越性。張宇寧等[11]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。張勝龍等[12]用傳統荷載-結構模型分析了不同圍巖條件下單線隧道預制裝配式襯砌結構內力特征，并采用有限元軟件對預制結構進行了安全性驗算，分析了不同接頭剛度條件下接頭處受力和變形；武耀[13]以京沈客專星火樞紐工程鐵科試車線隧道為例，探索和研究了裝配式隧道的受力、承載情況，介紹了高速鐵路裝配式隧道施工關鍵技術。奚成[14]以成都市磨子橋隧道為例，對下穿裝配式隧道分塊拼裝的關鍵技術進行了研究。宋明等[15]以廣東省某公路隧道為依托，用三維實體模型分析了裝配式襯砌管片和接頭部位的力學性能，研究出襯砌受力的不利位置。沈昊等[16]闡述了裝配式襯砌施工的技術優勢，分析了隧道裝配式襯砌施工的工序流程及施工重點，并探討了該項施工技術的研究進展。金張瀾等[17]以京張高鐵清華園隧道為例，對盾構隧道軌下結構現澆及預制設計方案從工期、施工工序、對隧道結構的影響、結構受力和變形特征、施工環境和環保要求、工程造價等方面對方案優缺點進行分析，并得出全預制方案最優的結論。

本文主要針對鉆爆法單線鐵路隧道裝配式仰拱的分塊形式進行研究，通過分析對比，提出一種適用于單線隧道的新型裝配式結構，并利用Midas軟件對結構進行檢算，優化結構設計。

1 裝配式仰拱結構形式研究

以旅客列車最高行車速度為200 km/h新建單線鐵路隧道斷面為例，隧道采用馬蹄形斷面，最大跨處內凈空跨度8.0 m，軌面至拱頂內緣高度7.65 m，對隧道仰拱預制方案進行研究。單線鐵路隧道斷面如圖1所示。

圖1 單線鐵路隧道襯砌斷面(單位：m)

根據隧道預制仰拱的施工工藝、運輸吊裝等因素，對裝配式仰拱+現澆的混凝土填充層分離結構形式、裝配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結構和裝配式仰拱+混凝土填充層一體化結構3種形式進行研究。

1.1 裝配式仰拱+現澆混凝土填充層分離結構形式

鉆爆法隧道軌下結構一般采用現澆仰拱和混凝土填充層，本方案考慮將仰拱進行預制，然后再在仰拱上現澆混凝土填充層，預制塊與后澆二次襯砌連接處采用接茬鋼筋進行連接。根據仰拱預制尺寸、質量及連接形式的不同，可分為整體裝配式和局部裝配式兩種結構形式。其結構形式如圖2所示。

圖2 裝配式仰拱+現澆混凝土填充層分離結構形式(單位：m)

整體裝配式方案如圖2(a)所示，預制范圍至水溝上部，減少了襯砌矮邊墻的施工。該方案當采用單塊的結構形式時，質量將近9.7 t/m，長度超過10 m，在隧道吊裝過程中，轉向需要空間較大，隧道內凈空一般難以滿足要求，再加上單塊質量較大，加大了施工難度。為避免上述弊端，將整體結構分為3塊，單塊質量為4.8 t/m，單塊長度4.1 m，單塊環向和縱向之間均采用螺栓連接。但是由于分塊的原因，使結構接縫增多，整體性稍差，易滲水漏水。

考慮運輸及吊裝、施工等因素，局部單塊預制方案可分為帶平臺和不帶平臺兩種結構形式，該方案僅預制局部仰拱，后期澆筑拱腳矮邊墻。不帶平臺的結構形式，預制塊環向寬5.8 m，縱向長1.5 m，質量為8.5 t。帶平臺的結構形式[18]，為使施工運輸方便，頂部設平臺，預制塊環向寬7.2 m，縱向長1.5 m，質量15.8 t。該方案在仰拱拼裝后，利用平臺能夠滿足施工機具快速通行的要求，節省掌子面仰拱施工棧橋，但是混凝土用量及單塊質量較不帶平臺的方案偏大，而裝配式仰拱的拼裝過程為運輸、起吊、對位、下放、拼裝，質量越大，拼裝難度越大，并且混凝土用量的增加，使得結構不夠經濟。

1.2 裝配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結構

上述分離結構形式，考慮僅預制仰拱，填充層采用現澆，施工工藝較復雜，本方案將填充層也進行預制，形成裝配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結構，預制仰拱與預制混凝土填充層間設凹凸榫進行連接。預制填充層上面預留一定厚度的找平層，以調整預制塊拼裝時造成的微小誤差。混凝土填充層預制塊的結構形式，可分為預留孔洞和T形結構兩種，其結構形式如圖3所示。

圖3 裝配式仰拱+裝配式填充層組合結構(單位：m)

T形結構構造簡單，其每延米質量相對于預留孔洞的結構形式輕4t左右，在混凝土用量及結構重量方面優勢明顯。“裝配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結構”方案，在仰拱與填充層拼裝完成后，既能滿足快速通行的要求，又能通過空心結構，節省用料，減輕重量。不足之處，仰拱與填充層是兩個獨立的結構，除了考慮每個預制結構的質量、安裝等問題外，還需考慮兩種結構之間的連接，增加了施工步驟，尤其是對于單線鐵路隧道，內部施工空間有限，多次拼裝、連接加大了施工難度，降低了施工效率。

1.3 裝配式仰拱+填充層一體化結構

考慮前述兩種方案的優缺點，并參考我國在西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道、南疆線中天山隧道TBM、蘭渝線西秦嶺隧道TBM采用仰拱預制構件的結構形式，對結構形式進一步優化，最終提出一種新型的裝配式仰拱+混凝土填充層一體化結構。根據橫向分塊的形式，結構形式可分為單塊方案與雙塊方案，如圖4所示，方案對比分析如表1所示。

表1 裝配式仰拱+填充層一體化結構方案對比分析

圖4 裝配式仰拱+填充層一體化結構(單位：m)

對比兩種方案，單塊方案能夠減少環向接縫，降低仰拱滲水的概率，省略中間仰拱現澆工序；仰拱上方的行車路面板，能夠快速提供行車條件，節省隧道掌子面的仰拱施工棧橋；混凝土填充層中間的空心結構，既減少了混凝土用量，又減小結構質量，降低施工吊裝難度，并能提供過水空間，降低仰拱翻漿冒泥的風險。

雙塊方案[19]，預制塊的側面可通過擠壓直接與初支構成一個整體，使初支盡早封閉成環，結構更加穩定；側面施工至矮邊墻，直接與拱墻襯砌連接，減少矮邊墻的現澆工序；主要不足是兩塊預制塊需要在仰拱中間通過現澆構成一個整體后才能提供通車條件，多增加了一道現澆工序，并且中間空間狹小，灌注混凝土、綁扎鋼筋、焊接鋼架等工作難度比較大，同時環縫增多，防水施工難度也隨之增大。

由上述分析可知，對于單線鐵路隧道，橫向寬度小，采用單塊的裝配式仰拱+填充層一體化結構單塊方案施工簡單，確實能提高施工效率，達到裝配式施工的目的，推薦采用。

2 結構受力研究

對推薦方案的裝配式仰拱進行結構受力分析，其受力工況主要分為施工期和運營期兩種工況。施工期主要考慮隧道初期支護施作完畢，裝配式仰拱安裝到位，拱墻二襯還未施工時預制結構以及二襯施工完畢后整體結構在施工機具、拼裝機的作用下結構的受力情況。運營期主要考慮整個結構在運營期間軌道、列車荷載作用下的受力情況。

2.1 計算參數

根據TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》[20]，計算時按照結構受力最不利考慮，圍巖計算參數取值如表2所示。襯砌混凝土采用C40鋼筋混凝土，彈性模量采用32.5×103MPa，重度25 kN/m3。

表2 Ⅴ級圍巖計算參數取值

2.2 計算模型

計算軟件采用MIDAS，結構設計模型采用荷載-結構模型，施工期分別采用裝配式仰拱和整體結構模型作為分析對象，運營期取整體模型作為分析對象，結構采用實體模型進行三維建模。襯砌與周圍土體的相互作用通過設置僅受壓的徑向彈簧單元來體現，彈簧單元的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數決定。對于整體模型，預制仰拱與現澆二襯結構有鋼筋連接，按剛接模擬[21]。考慮到施工、吊裝等因素，單塊預制塊的質量不宜太大，縱向按1.5 m一環設計，單塊質量19.4 t，塊與塊之間縱向采用精制螺紋鋼接力拉長，計算時結構縱向取一環作為研究對象。施工期和運營期的結構計算模型分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5 計算模型

2.3 計算荷載

裝配式仰拱施工期受力主要有結構自重、車輛荷載或拼裝車荷載，運營期受力主要有結構自重、土壓力、軌道自重和列車動載。

2.3.1 圍巖荷載

為使計算具有代表性，選取Ⅴ級圍巖，荷載按淺埋考慮，計算覆土厚度取2.5ha(ha為深埋隧道垂直荷載計算高度)。根據TB10003—2016《鐵路隧道設計規范》相關規定，計算圍巖荷載如表3所示。

表3 圍巖荷載計算值

二次襯砌承擔70%圍巖壓力，豎向壓力取252.52 kN/m2，水平壓力分別取為92.71 kN/m2和131.52 kN/m2。

2.3.2 施工荷載

結構上部的行車路面板在施工期間為各種設備提供行車條件，考慮斷面寬度以及車輛寬度，使用最不利車輛組合進行計算，即在滿足斷面寬度的情況下采用重力最大的車輛或車輛組合作為控制工況進行計算。通過分析施工機械設備荷載，得出施工期的3種控制工況，其受力圖示如圖6所示。圖6(a)為拼裝機空載時，渣土車滿載在其下穿行通過，渣土車的橫向移動范圍為3.9 m(工況1)；圖6(b)為拼裝機吊裝時，整個機械及預制塊由4個支腿受力，支腿間的橫向距離為5.35 m(工況2)；圖6(c)為二襯施工完成后，拼裝機待機，渣土車滿載在其下穿行時的工況(工況3)。

圖6 施工期結構荷載示意(單位：m)

2.3.3 運營期荷載

結構上部的行車路面板在運營期間作為永久結構承受軌道及列車荷載，對其受力情況進行檢算(工況4)。無砟軌道荷載分布寬度為支承層底部寬度2.8 m(這里以CRTS雙塊式無砟軌道為例)，長度沿隧道模型縱向滿布。行車板受力綜合考慮軌道、軌道板、填充層自重和ZKH列車活載，受力圖示如圖7所示。

圖7 運營期整體模型荷載示意(工況4)

2.4 計算結果

在隧道結構上可能同時出現的永久荷載、可變荷載和偶然荷載，應分別按承載能力和滿足正常使用要求進行荷載組合，并按最不利組合進行荷載計算與結構設計[20]。圖8～圖11給出了各工況下最不利組合的應力狀況。

圖8 工況1應力云圖(單位：MPa)

圖9 工況2應力云圖(單位：MPa)

圖10 工況3應力云圖(單位：MPa)

圖11 工況4應力云圖(單位：MPa)

表4 裝配式仰拱安全檢算及配筋

裝配式仰拱塊的行車板部位在工況3情況下受力最不利，在荷載的作用下，最不利位置配8根φ18 mm的鋼筋，結構的安全系數2.1，大于2.0，裂縫寬度為0.12 mm，小于0.2 mm，均能滿足規范要求；裝配式仰拱塊的仰拱部位不控制，配4根φ16 mm的鋼筋安全系數及裂縫均能滿足規范要求。

3 結語

通過對鉆爆法單線鐵路隧道裝配式仰拱的結構形式進行研究，得到以下結論。

(1)單線鐵路隧道的內凈空較小，施工空間有限，為了有效提高隧道仰拱質量，加快施工進度，將隧道仰拱與混凝土填充層預制成一個單塊的整體，可減少現場澆筑、拼裝工序，及時為施工機械提供通行條件，減少與其他施工工序的相互干擾，提高施工效率。

(2)軌下填充層在以往TBM仰拱預制塊實心結構的基礎上，并參考盾構施工的軌下預制拼裝技術，對預制仰拱進行優化，改用中空設計，能節省圬工量，減小結構質量，方便吊裝；中間孔洞可與隧道排水溝、電纜槽統籌考慮，既能有效優化整個隧道斷面，又可以減少道床翻漿冒泥病害的發生。

(3)預制結構采用工廠預制，施工質量可控，現場采用拼裝車進行施工，機械化操作，減少綁扎鋼筋、混凝土澆筑、施作防水措施等工序，加快施工進度，并且減少洞內施工污染，改善作業環境，減少洞內工作量，降低現場施工人工成本，與國家倡導的綠色施工的重要舉措相吻合。