城市高速鐵路明挖隧道裝配式結構設計方案研究

孫一鳴

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

隨著我國社會經濟的長足發展，鐵路交通行業有了突飛猛進的增長，截止2020年底，中國鐵路運營總里程達14.6萬km，其中，鐵路隧道共16 798座，全長約19 630 km[1]。交通的快速發展帶動了區域經濟協調發展，以區域間城際、高速鐵路為代表的新型出行模式正在改變著人們的生活方式。為提高交通出行效率，各大城市均建立了綜合交通樞紐，將地鐵、高鐵、公交場站緊密聯系在一起，高鐵進入主城區成為了必然，城市鐵路隧道應運而生，成為未來重要的發展方向。

高速鐵路城市隧道以盾構法、明挖法施工為主。目前，明挖城市隧道主要采用現場澆筑的傳統生產方式，實施工效低、受場地環境影響大、現場投入大、關鍵節點工期不易控制、防水等工藝質量較差、環境友好性差[2-4]。明挖裝配式工法修建城市鐵路隧道，隧道構件工廠化、標準化生產，待現場圍護結構施工完成后進行主體結構拼裝，具有縮短工期、改善施工質量、有效控制現場環境污染等諸多優勢，是建筑產業化升級、信息化發展的有效途徑[5-7]。

混凝土預制裝配式結構在工業與民用建筑、橋梁、地鐵隧道、輸水管道等領域廣泛使用。國內外工程技術人員對全預制、半預制地下工程進行了大量研究[8-12]。隨著研究的深入，我國預制裝配式技術有了長足發展，也積累了許多工程經驗，形成了比較成熟的產業結構[13]。2015年我國首座采用全預制拼裝工藝地鐵車站—袁家店站在長春建成[14]；北京市首座預制拼裝工藝的地鐵車站金安橋站，試驗段工期比傳統工藝縮短了 2/3，現場工效得到大幅提升[15]；北京朝陽動車所試車線地面線采用預制裝配式構件拼裝，長度80 m[16]。此外，我國在裝配式矩形盾構、綜合管廊、拼裝沉管隧道的工程實施方面也有較多成功案例[17-20]。

目前，明挖裝配式結構主要應用于城市軌道交通、市政管廊等領域，還未在高速鐵路中運用，以雄忻高鐵雄安隧道裝配式結構方案研究為背景，通過對裝配式結構整體受力以及裝配式構件局部接頭變形的分析，證明了結構設置的合理性。通過工效分析發現，裝配式方案可有效提高工效，減少總工期，加速一體化實施進程，從而驗證了裝配式方案的優勢及合理性。

2 明挖裝配式隧道結構方案

2.1 工程概況

雄忻高鐵雄安隧道位于規劃雄安新區，隧道總長約20 km，周邊規劃有多項市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設計、施工。隧址區位于華北平原區，屬于沖洪積平原小區，地形平坦，地勢開闊，略有起伏，局部為低洼地，地表多辟為耕地。本工程范圍內地層主要為第四系沖洪積地層，粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土、黏土、粉細砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土。線位距離白洋淀較近，地下水位較高。場區內地下水類型為第四系孔隙水，根據地層結構和地下水的賦存條件，分為潛水和承壓水。其中，砂層為主要含水層，富水性和透水性較好，其他為弱透水層。

隧道出口段落采用明挖裝配式結構，該段落為直線段，長250 m，設計速度250 km/h，線間距5 m。結構形式采用拱形明洞形式，基坑采用放坡開挖形式，如圖1所示。

圖1 基坑圍護結構橫剖面(單位：mm)

2.2 結構設計方案

裝配式隧道結構采用拱形明洞形式，隧道寬18.6 m，高12.12 m。隧道設計考慮結構空間受力關系、預制塊吊裝、結構運輸，將隧道結構橫斷面分為6塊，如圖2所示。

圖2 襯砌環橫斷面分塊構造(單位：mm)

2.3 結構拼裝方案

根據裝配式預制構件的拼裝方法不用，可采用2種拼裝方法，分別為龍門吊+預制襯砌支撐臺車吊拼法以及拼裝機+運輸設備+預制襯砌支撐臺車拼裝法。

2.3.1 龍門吊+預制襯砌支撐臺車吊拼法

結構拼裝采用臺車+吊裝的方式，設備整體結構主要分為門架、模板、附屬機構、附屬平臺、行走系統、液壓泵站等部件，吊裝臺車構成見圖3。

圖3 吊裝臺車示意

完成基坑開挖后架設龍門架；在初始拼裝位置安裝固定架，作為拼裝受力架和定位架；利用龍門吊吊裝預制塊A，后吊裝B、C塊，將A/C、A/B塊間定位螺栓穿入并鎖緊；利用龍門吊吊裝E塊，將C/E塊間定位螺栓穿入并鎖緊；利用龍門吊吊裝D塊，將B/D塊間定位螺栓穿入并鎖緊；利用龍門吊吊裝F塊，使用工裝上的調整油缸調整F塊位置，安裝F塊就位，將D/F、E/F塊間定位螺栓穿入并鎖緊。按以上步驟繼續安裝第N+1環，并將環與環之間通過螺栓縱向預緊，第N環與第N+1環需錯縫安裝。

2.3.2 拼裝機+運輸設備+預制襯砌支撐臺車拼裝法

在初始位置安裝固定架，作為初始的受力件和固定架，依次拼裝整個臺車，通過液壓馬達旋轉管片，使管片安裝到位。回縮滑移油缸為管片提供一個預緊力，安裝軸向預緊螺栓，重復以上步驟，依次抓取其余管片，通過液壓馬達旋轉管片，分別控制兩側的伸縮油缸，使管片調整到位，回縮滑移油缸為管片提供一個預緊力，安裝軸向預緊螺栓并安裝塊與塊之間的螺栓，直至完成整環安裝，拼裝臺車構成見圖4。

圖4 拼裝臺車示意

2.3.3 結構拼裝方案選擇

拼裝法臺車可適應不同內輪廓的隧道斷面，吊裝法臺車模板需根據隧道內輪廓進行定做，拼裝法臺車適用性更強，但成本較吊裝法高，且工效偏低。本線在隧道出口大放坡段240 m范圍內采用預制裝配式結構，段落結構內輪廓形式單一，開挖面大場地開闊，龍門吊安裝方便。從工期、經濟性、拼裝效率及臺車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。

3 結構受力模型計算

3.1 整體模型受力計算

參考盾構隧道管片結構進行裝配式結構截面內力及變形計算，采用慣用計算法。若將管片結構視為梁，接頭視為變形連續彈簧，分別用來模擬管片和接頭的力學特性。通過彎矩提高系數ξ(彎矩增大系數ξ取0.3[21-22])來實現對錯縫拼裝彎矩傳遞的評價。計算時取單環管片進行計算，計算結構內力M、N，然后考慮錯縫拼裝后的整體補強效果，進行彎矩分配。

本工程范圍內地層主要為第四系沖洪積地層，粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土、黏土、粉細砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土，地層參數見表1。

表1 土層物理性質參數

采用SAP84有限元計算軟件，對整體結構建模計算，考慮到截面剛度分配，側墻使用變截面，使拱腳處截面適當加大。分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬坑底地層對結構水平位移和底板垂直位移的約束作用，結構底部豎向彈簧僅能承受壓力。結構簡化計算荷載如圖5所示。

圖5 結構計算荷載

此裝配式截面設置在隧道出口段，上部填土高度最高為3 m。地下水位按2種工況考慮。工況1：地下水位按照抗浮設計水位計算；工況2：按低水位進行考慮，設計水位在結構底板以下。采用水土分算方式進行結構計算，荷載組合分項系數見表2。

表2 荷載組合分項系數

3.2 接口計算

雄忻鐵路明挖裝配式預制構件接頭型式為榫槽式接頭，接頭采用預應力鋼絞線加強，預制構件厚700 mm。對于拱墻型明挖隧道來說，結構頂拱、側墻和底板受力工況均為軸力和彎矩組合工況，即：結構構件同時承受軸力和彎矩的作用。因此，主要研究軸力和彎矩組合工況作用下接頭抗彎剛度的影響因素，計算模型一端固定，另一端施加軸力N，來模擬接口處所受軸力，施加向上的集中力F，使接口位置達到設計彎矩，計算受力示意見圖6。

圖6 計算模型受力示意

采用有限元分析軟件Midas FEA，建立三維有限元模型進行分析，模型的接頭主體部分混凝土結構采用實體單元模擬，接觸部分使用接觸單元模擬。在模型中建立了混凝土-混凝土接觸面單元。模擬的接縫模型弦長約4 m，環寬1.5 m，厚0.7 m。混凝土采用實體單元，預應力筋采用鋼筋單元，混凝土界面采用三維界面單元，預制構件間混凝土-混凝土接觸面，接觸面摩擦因數取0.4[23]。三維有限元模型見圖7。

模型結構采用C50混凝土，采用彈性模型，彈性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。

預應力鋼絞線采用φ15.2 mm高強度鋼絞線，每孔12束；鋼絞線截面面積2.18×10-4m2；抗拉標準強度1 860 MPa；彈性模量2.05×105MPa，泊松比0.25，容重78.5 kN/m3。

4 計算結果分析

對結構使用階段的整體受力和接頭處局部變形進行分析，從而判斷裝配式隧道結構在使用階段的整體強度和接頭使用性能。

4.1 整體受力分析

從各荷載組合計算結果分析，本項目工況按正常使用極限狀態進行配筋，結構承載能力極限均滿足要求，圖8、圖9分別為高、低水位工況的彎矩分布，表3、表4分別為高、底水位工況的最大效應值。

圖8 高水位工況彎矩圖(單位：kN·m)

圖9 低水位工況彎矩圖(單位：kN·m)

表3 高水位工況

表4 低水位工況

通過上述兩種工況的效應值進行包絡配筋，拱墻采用φ20 mm@100 mm，仰拱采用φ20 mm@ 100 mm+φ20 mm@100 mm，拱腳采用φ25 mm@ 100 mm+φ25 mm@100 mm配筋模式，均可將結構裂縫控制在0.2 mm以內，整體受力滿足要求。

4.2 接頭受力分析

根據總體荷載結構模型計算結果，選取最不利位置接頭軸力和彎矩進行計算。接頭位置軸力為1 000 kN，彎矩為2 000 kN·m進行模擬，計算結果見圖10、圖11。

圖10 未施加預應力水平方向位移云圖

圖11 施加預應力水平方向位移云圖

未對接頭施加預應力時接縫張開量為0.139 mm，對接頭施加2 000 kN預應力時接縫張開量為0.115 mm。由此可見，在對預應力鋼絞線施加預應力后，接縫張開量減小，說明預應力對接縫張開量有一定的抑制作用，可減小接縫處變形。在最不利彎矩和軸力作用下，接縫張開量小于0.2 mm，接頭變形量小，完全可以保證接縫位置的防水可靠性，說明該方案接頭連接具備有效性。

5 施工工效分析

雄忻高鐵雄安隧道位于雄安新區起步區，周邊規劃有多項市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設計、施工，建設期與周邊多項市政工程同步實施，總體工期短，交叉工程多，鐵路隧道位于各項工程的最下層，完成時間決定著上方及周邊市政工程的開工建設，制約著總體建設工期。

明挖裝配式隧道結構可大幅提高現場施工作業效率，縮短施工期。由于裝配式隧道管片預處理、接縫注漿、拱頂覆土、仰拱填充等工序可與管片拼裝平行作業，因此，計算單環管片安裝時間從吊裝到最后管片成環預緊即可。仰拱底部填充及調平處理約0.5 h，吊裝、移動設備、螺栓預緊及緊固合計耗時約1 h，預制構件平均單環有效作業時間約為1.5 h，預計作業效率可達8 m/d。傳統明挖鐵路隧道按12 m臺車計算，仰拱施工需4 d，側墻施工需5 d，拱頂施工需7 d，考慮流水作業，襯砌作業效率約為12 m/7d，可推算出此段落可比現澆工藝節省約110 d，從工效方面裝配式襯砌有明顯優勢。此外，裝配式構件均在廠內加工，運至現場拼裝即可，能夠解決寒冷或嚴寒地區冬季無法施工的問題。由此，裝配式結構可大幅度提高工效，為一體化實施項目中的其他工程，爭取施工時間，緩解總體工期壓力。

6 結論

依托雄忻高鐵雄安隧道方案研究，開展裝配式高鐵隧道設計，對裝配式結構的拼裝方式及施工效率進行了分析。并通過有限元計算軟件，對隧道結構的整體受力及局部接頭變形情況進行計算分析，得到如下結論。

(1)結合本次裝配式實施段落的工程條件，從工期、經濟性、拼裝效率以及臺車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。

(2)經整體受力分析，預制結構的強度及耐久性均滿足要求。

(3)對裝配式結構接頭施加預應力后，接縫張開量減小，預應力筋對接縫張開量有一定的抑制作用，可減小接縫處的變形。在最不利彎矩和軸力作用下，接縫張開量小于0.2 mm，接頭變形量小，可保證接縫位置的防水可靠性，該方案接頭連接具備有效性。

(4)裝配式襯砌在提高工效方面有明顯優勢，同時能解決寒冷或嚴寒地區冬季無法施工問題。由此，裝配式結構可大幅度提高工效，為一體化實施項目中的其他工程，爭取施工時間，緩解總體工期壓力。