單線鐵路隧道預制裝配式仰拱方案探討

趙曉勇

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

工程建設中環保越來越得到重視，綠色施工是未來工程的重要發展方向。裝配式結構采用工廠化生產，現場安裝，有效控制施工過程中對環境的污染，作業影響更加可控。裝配式結構可提升標準化制造水平，減少現場施工人員，加快進度，施工質量更有保證[1-2]。我國已提出要大力發展裝配式建筑的要求，許多國家也把預制化程度作為衡量建造技術發展的一個重要標志。

在隧道建設領域，我國也在積極探索和發展預制裝配式結構。目前，圓形盾構法施工隧道基本上采用預制管片結構，異形盾構隧道也大多采用預制結構，如蒙華鐵路白城隧道采用馬蹄形盾構施工，襯砌采用全環管片拼裝結構，仰拱填充采用了部分拼裝結構，已于2018年順利貫通。一些大直徑盾構隧道對內部軌下結構也開展了全預制拼裝結構研究和工程應用，取得了預期效果，如京張高鐵清華園隧道等[3]。采用TBM法施工山嶺隧道，全環預制和仰拱預制結構均有應用，主要以局部仰拱預制為主。如我國20世紀90年代修建的西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道，后來修建的西南線磨溝嶺、桃花鋪隧道，南疆線中天山隧道，蘭渝線西秦嶺隧道等TBM法施工的隧道均采用預制仰拱結構，主要為配套TBM法掘進技術同步使用[4]。北京地鐵6號線某區間施工時，采用了二次襯砌拼裝施工。日本是裝配式結構技術水平較高的國家，在某公路隧道修建時，為加快進度，采用預制仰拱+現澆拱墻的結構形式。日本和法國聯合開發了一種大型拱形結構預制技術，并在公路隧道的擴建中得到應用，最大跨度達到12 m左右。荷蘭鹿特丹地鐵隧道曾采用過一種取名為“殼式隧道”結構形式，其側墻和頂板預制成一個便于移動的箱形框架整體結構，隧道底板現澆，這種現澆+預制的結構形式使用多年后效果良好。

王明年等[5]對暗挖隧道仰拱、襯砌采用預制化技術進行了分塊研究和計算，但其主要是對現澆結構進行了代換，未對仰拱結構形式進行深入研究。宋丹等[6]針對暗挖隧道采用裝配式管片拼裝技術進行研究，提供了一種拼裝實施方案。金張瀾等[7]對大直徑盾構軌下結構預制方案進行研究，裝配式結構節省工期，取得了良好效果。閆禹[8]研究跨海交通工程采用裝配式結構，其具有建造模式的優勢，是技術發展的趨勢。

在隧道及地下工程中，一般在埋深較淺明挖法、盾構法或TBM法施工時，采用預制構件拼裝的案例比較多。而在傳統礦山法(鉆爆法)施工山嶺隧道中，尚未見到采用預制裝配式結構的報道，有待盡快開展研究。針對目前這種情況，對單線鐵路隧道預制裝配式仰拱設計方案進行探討，分析隧道采用裝配式仰拱的結構方案，具有重要的工程實際應用意義。

1 裝配式仰拱結構分塊方案研究

現澆鐵路隧道仰拱一般為板式結構形式，上方設現澆仰拱填充，與拱墻結構形成整體共同受力。列車荷載通過道床作用到仰拱填充上，再傳遞到仰拱上。當仰拱采用工廠化生產時，將仰拱與仰拱填充一體化考慮，形成整體魚腹式結構。根據隧道結構受力及預制結構的分塊經驗，裝配式仰拱的分塊原則如下：(1)仰拱與拱墻連接處及仰拱中點處一般為彎矩最不利位置，連接接頭應避開，設置在兩者之間彎矩零點附近[9]；(2)考慮運輸、吊裝方便，應盡量對稱布置；(3)仰拱預制塊在隧底放置，安裝相對容易，單塊質量可適當增大；(4)斷面形式兼顧防排水需要。預制裝配式仰拱與拱墻考慮預留鋼筋進行剛性連接，同時，不再考慮仰拱預制塊上部，如填充、水溝等局部構件預制。基于以上因素，設計了3個方案，分別為板式實體仰拱結構、縱向分塊魚腹式結構和橫向分塊魚腹式結構。下文選取時速160 km通用圖隧道斷面進行詳細分析。

1.1 方案1：板式仰拱結構

該方案為仰拱預制塊橫向分為一塊，兩側仰拱分縫位置設在結構受力較小處，見圖1。為便于施工車輛走行，中間設置平臺，同時考慮施工期間襯砌臺車軌道走行，靠兩側設置施工期間軌道平臺。上方仰拱填充、兩側溝槽及軌道結構采用現澆施工。仰拱預制塊結構可采用通縫拼裝，減少模板結構和便于現場施工，也可采用不對稱結構，進行錯縫拼裝。

圖1 板式仰拱結構方案

一般單線隧道Ⅴ級圍巖采用初支全環封閉，此時在仰拱預制塊兩側可預留鋼架，后期通過連接板與拱墻鋼架進行連接，將拱墻鋼架與仰拱預制塊形成封閉結構，增強整體穩定性。圍巖條件較好時，拱墻鋼架也可根據需要不與仰拱預制塊封閉。

因預制仰拱塊上方填充部分的預制結構施工期間很難與預制仰拱形成整體共同受力，故不作考慮。施工步驟可分為4個階段。第一階段：仰拱開挖，鋪設仰拱下墊層，安裝仰拱預制塊，縱向接縫面可預留凹凸榫，便于施工拼裝定位。第二階段：仰拱預制塊安裝到位后，將兩側預留鋼架與初支鋼架進行連接固定。第三階段：澆筑仰拱填充現澆層、溝槽及道床。第四階段，根據需要對仰拱預制塊下方進行注漿，保證仰拱預制結構使用期間的穩定。

1.2 方案2：縱向分塊魚腹式結構

該方案結構采用仰拱及填充一體化箱形結構形式，中部預留孔洞，上方水平，便于施工期間車輛走行。縱向接縫面設凹凸榫保證縱向連接的精度。可在頂板兩側和底板中心位置預留3個縱向連接孔洞，圍巖條件較差時設置3根體外縱向連接筋，保證縱向連接整體性。仰拱預制塊兩側預留鋼架，后期通過連接板與拱墻鋼架進行連接，形成封閉結構。結構方案見圖2。

圖2 縱向分塊魚腹式結構方案

施工步驟與方案1類似，但第三階段現澆施工工作量大大降低，從而可加快施工進度。

1.3 方案3：橫向分塊魚腹式結構

該方案同樣將仰拱和填充一體化考慮，預制塊和仰拱橫向分為對稱的2塊，采用箱形結構形式，以減少每塊結構質量，方便運輸。2塊箱形結構中間通過鋼架連接，以保證安裝后短期的穩定性，然后在兩預制塊間現澆混凝土，從而形成整個仰拱結構。結構方案見圖3。

圖3 橫向分塊魚腹式結構方案

施工步驟主要分為5個階段。第一階段：仰拱開挖，鋪設仰拱下墊層，安裝仰拱預制塊。第二階段：將2塊仰拱預制塊通過預留鋼架連接，并將兩側預留鋼架與初支鋼架連接固定。第三階段：澆筑預制塊中間混凝土，連接為整體。第四階段：澆筑仰拱填充現澆層、溝槽及道床。第五階段，根據需要對仰拱預制塊下方進行注漿。

1.4 3種結構方案比較

預制結構可以減少現場人員，改善施工環境，降低洞內作業強度。同時，可降低因現澆施工導致的粉塵和廢氣，從而減少施工通風量[10]。

預制結構需增加縱向連接措施，分縫導致嵌縫及防水材料增加。為保證預制結構在運營期間的穩定性，需在仰拱下方注漿。其可將傳統的仰拱結構及填充綜合考慮，通過優化斷面形式，標準化設計、生產、制造，進行成本控制。從結構受力、分塊形式、洞內作業量、施工影響、造價等因素進行綜合比較，總體來說方案2優勢明顯。3種結構方案對比見表1。

表1 3種結構方案對比

2 仰拱預制塊結構受力分析

仰拱預制塊橫向寬6.6～6.7 m，縱向取單位長度1.0 m，仰拱厚度最小處40 cm進行計算，方案2、3中線位置結構高1.4 m。針對3種結構方案，分別建立二維有限元模型，進行數值模擬計算[13-14]。施工期間仰拱預制塊結構未與拱墻形成全環結構，其單獨承受施工期間車輛荷載，須考慮該工況。與拱墻形成整體結構后，承受圍巖壓力，按全環結構建模，分析結構受力。

2.1 模型概述

模型采用平面應變線彈性單元，仰拱預制塊與拱墻現澆結構考慮預留鋼筋連接，按剛接計算[15-17]。考慮列車荷載對仰拱預制塊頂板和中隔墻的不利作用，按客貨共線鐵路普通荷載(ZKH)考慮。共分施工和運營2種情況，其中，施工期間又分未施作拱墻二襯及二襯結構封閉成環后，詳見表2。

表2 計算工況

運營工況下考慮因設置仰拱填充的荷載擴散有利作用，仰拱填充本身的有利作用在各工況計算時均不再考慮。方案3計算時按中間連接段已填充混凝土進行計算。圍巖荷載按TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》規定的Ⅴ級圍巖參數取平均值，按深埋隧道進行計算。各荷載作用下計算結果見表3。

表3 荷載計算結果

2.2 內力及變形計算結果分析

分別對施工及運營工況荷載進行計算，根據計算結果初步分析，施工期間由施工工況2起控制作用，提取模型計算最大主應力進行分析。施工、運營工況下應力云圖分別見圖4、圖5。

圖4 施工工況最大主應力云圖(單位：Pa)

圖5 運營工況最大主應力云圖(單位：Pa)

從圖4、圖5可以看出，方案1施工期間仰拱內側受壓，最大壓應力500 kPa，仰拱外側受拉，最大拉應力3 400 kPa；運營期間仰拱內側最大拉應力2 760 kPa，外側最大壓應力250 kPa。方案2施工期間仰拱跨中外側受壓，內側受拉；中隔墻處外側受拉，內側受壓；頂板處跨中下側受拉，上側受壓。施工期間最大拉應力1 830 kPa，最大壓應力520 kPa；運營期間最大拉應力2 620 kPa，最大壓應力460 kPa。方案3仰拱整體受力形式與方案2較為類似，但由于預留孔洞跨度減小，整體受力有所減小。施工期間最大拉應力1 350 kPa，最大壓應力360 kPa；運營期間最大拉應力2 650 kPa，最大壓應力420 kPa。3個方案壓應力值相對較小，拉應力相差較大。

提取2種施工工況和運營工況關鍵位置內力和位移結果，如表4所示。

表4 內力和位移計算結果

預制仰拱在施工期間及封閉成環前單獨承擔荷載，施工期間封閉成環后及運營期間預制仰拱與現澆襯砌共同承載。從彎矩結果可知，方案1彎矩最大，方案2、方案3結構采用魚腹式箱形結構，彎矩由結構頂板和仰拱共同分擔，彎矩明顯減小，而軸力有所增加，受力更加有利。

3種方案施工期間結構的最大豎向變形位于仰拱中部，方案2變形最大(11.2 mm)，其次為方案3，方案1最小(7.6 mm)。運營期間結構最大變形發生在仰拱預制塊兩側，方案2變形值最大(21.5 mm)，3個方案相差在17.5%以內。拱頂與仰拱相對變形及邊墻收斂方案3均為最小，分別為4.9，4.8 mm，方案2與方案3相比，相差均在4%以內，方案1最大。分析可得，方案2、方案3采用魚腹式箱形結構，高度大幅增加，整體剛度更大[18]。

應力不利位置一般發生在仰拱跨中及支座位置，結構壓應力相對較小，拉應力較大。方案2、方案3最大拉應力較方案1均有大幅度減小，其中，方案2較方案1最大拉應力減小約23%，方案3減小約22%，從應力計算結果看，魚腹式箱形結構承受的內力有所減小，受力更加有利。

3 預制仰拱結構防排水方案

板式仰拱結構方案為滿足施工期間行車需要，對預制內輪廓進行了調整，上方填充結構、兩側水溝、電纜槽可正常現澆施工，排水形式與現澆結構基本相同。

縱向分塊魚腹式結構方案與橫向分塊魚腹式結構方案均在仰拱內設置了孔洞，可利用兩側孔洞作為排水通道，頂板間隔設置檢修孔，滿足運營期間檢修需要。考慮到后期電纜檢修更換方便，兩側電纜槽仍設在原位置，采用明溝設蓋板方式。以方案2為例進行說明，排水系統結構見圖6。

圖6 方案2排水系統示意(單位：cm)

利用仰拱預制塊內部預留孔作為排水側溝，分別與襯砌背后盲管、道床兩側相連通，襯砌背后水和道床積水通過預留管道引入側溝。拱墻現澆時，將橫向排水管與仰拱預制塊預留孔連接進行排水。根據單線鐵路隧道斷面寬度，襯砌兩側僅需保留電纜溝，預留檢修孔可避開道床結構和側溝，不影響結構布置。仰拱預制塊環與環之間預留凹槽，設置1道或2道遇水緩膨脹止水條進行防水。

4 裝配式仰拱結構運輸拼裝施工方案

4.1 拼裝工序

拼裝施工采用洞外預制、養護，運輸到洞內，進行拼裝施工等工序[19-20]。以方案2縱向分塊魚腹式結構方案為例，可分為：仰拱開挖→仰拱預制塊運輸→準備→起吊→縱向運輸→旋轉定位→拼裝→安裝縱向連接裝置等工序。具體詳見圖7。仰拱拼裝設備凈空尺寸見圖8。

圖7 仰拱拼裝方案

圖8 仰拱拼裝設備凈空尺寸示意(單位：cm)

仰拱開挖整平到位后，鋪設仰拱下墊層，可采用混凝土墊層或吹填豆粒石。將洞外仰拱預制塊運輸至拼裝位置，為避免洞內掉頭，運輸平板車可采用雙頭運輸車。根據仰拱施工長度，一次可運輸1～3塊，并嚴格限制車輛高度，保證洞內運輸安全。運輸到位后，仰拱拼裝機就位，整體調平，自動掃描測量相對位置，確保混凝土墊層或豆粒石上表面的平整。起吊仰拱預制塊，旋轉90°，沿隧道縱移定位。控制下放速度至設計位置，進行拼裝。仰拱拼裝機可集成輔助拼裝系統，通過激光測距定位，以線路中線為基準，并綜合考慮已拼裝的仰拱預制塊，進行輔助施工。必要時，可將仰拱兩側與拱墻支護鋼架進行可靠連接，形成整體受力結構，如圖9所示。

圖9 仰拱預制塊與拱墻初支鋼架連接

根據以往工程經驗，采用現澆仰拱施工，現澆12 m左右仰拱一般需要3～5 d時間，仰拱施工及養護期間采用仰拱棧橋，保證車輛通行。采用裝配式仰拱結構，可減少仰拱一次施工長度，拼裝3 m仰拱一般僅需要2～3 h，拼裝后無需養護，也可根據需要增加一次拼裝長度，可取消仰拱棧橋，仰拱施工可避開出渣等有影響的工序，更加靈活。洞內仰拱拼裝所需的施工人員數量也可大幅度減少，降低洞內作業強度。

4.2 拼裝過程中關鍵技術探討4.2.1 仰拱墊層整平技術

如何使仰拱墊層表面平整，從而保證仰拱預制塊的拼裝精度，是該技術的一個關鍵環節。通過在仰拱拼裝機上設置機械臂，并配備智能掃描裝置，對仰拱開挖和鋪設墊層后的輪廓進行掃描，利用已拼裝的仰拱預制塊輪廓提前定位，通過機械臂端部的工作機構做弧形運動刮平，反復幾次操作，形成圓順的仰拱外輪廓弧形面，從而保證拼裝精度。如圖10所示。同時在仰拱預制塊的環形接縫面上預留凹凸榫，可輔助增加拼裝精度。

圖10 墊層整平方案

4.2.2 仰拱預制塊防水技術

在仰拱預制塊環向接縫面設止水條的凹槽，拼裝前將遇水膨脹止水條粘接固定在凹槽上。然后將仰拱預制塊擠緊，從而保證防水效果。擠緊可采用兩種方式，一種是通過施加內力的方式，仰拱預制塊上預留縱向連接孔，拼裝好后插入預應力連接筋，將仰拱預制塊沿縱向拉緊固定，從而擠緊，保證防水效果[21]，如圖11所示。這種方法可應用在圍巖水含量高的地段，擠緊效果更加可靠，且縱向連接筋能增強仰拱預制塊的整體性。另一種是通過外力進行擠緊，在仰拱拼裝機上配置液壓千斤頂，對仰拱預制塊進行擠緊，保證止水效果。考慮到工程實施的復雜性，單一的方式難以保證效果時，也可根據需要，兩種方式相結合，保證防水效果。

圖11 縱向連接方案設計

5 結論與討論

隨著我國鐵路建設的發展，隧道數量較多，受洞內施工環境、場地條件及人工等多種因素影響，現澆仰拱夾雜土石、振搗不密實等導致仰拱自身存在缺陷，運營過程中出現翻漿冒泥、突水突泥等病害情況并不鮮見。

基于隧道仰拱施工現狀，探討了單線鐵路隧道仰拱預制結構方案，并進行了預制仰拱結構受力計算，得出如下結論。

(1)采用裝配式仰拱結構方案，可以滿足結構受力要求。特別是魚腹式結構形式，相比板式預制仰拱結構方案，結構內力有效降低，且工廠化生產、標準養護，現場安裝，質量更加可控，可以有效解決仰拱質量問題。

(2)采用魚腹式預制仰拱結構方案，將仰拱與填充一體化考慮，大大減少了洞內現澆作業，降低洞內工作量，減少對圍巖的影響，施工更加綠色、環保。通過設置孔洞減少混凝土用量，降低造價。

(3)提出預制仰拱塊拼裝的施工工序，對于裝配式仰拱施工具有一定的實際意義，可為工程應用提供參考。

后續還需要通過工程實踐，對裝配式仰拱施工工序進行優化、調整，提高采用裝配式仰拱的工效。道床兩側水溝取消后，可節省斷面空間，優化斷面結構，從而減少隧道開挖及材料用量。仰拱上方現澆層設置的必要性和厚度也有必要進一步深入研究，選擇最優的布置方式，減少現澆施工。