全斷面預制裝配式隧道明洞設計施工關鍵技術

王志偉 馬偉斌 王子洪

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

明洞作為隧道洞口重要組成部分，可起到防御危巖落石、邊坡崩塌、泥石流等作用。實際工程中多采用鋼筋混凝土拱形明洞，具體分為對稱型、偏壓型、單壓型等，拱形明洞基本上采用現澆工藝建造。

針對現澆明洞存在的施工難題與工效較低問題，近年來發展出柔性鋼筋網［1］、剛性鋼拱架［2］等多種類型的明洞結構，用于隧道洞口防護。此類明洞結構具有施工技術成熟、技術難度小的特點，但存在造價較高、剛性較差、防護作用較弱等問題。鋼筋混凝土預制裝配式明洞可一定程度上解決這些問題，其造價低廉、洞外吊裝空間充裕，而且具有縮短工期、方便施工、提高質量、保護環境等優勢。

鋼筋混凝土預制裝配式明洞結構設計及施工與明挖裝配式隧道或地下車站有相似性，后兩者在國內外隧道與地下工程中已經有很多成功案例，如荷蘭鹿特丹地鐵殼式裝配結構、日本仙臺地鐵雙跨箱形結構、前蘇聯整體管段結構［3］，中國的秦嶺Ⅰ線隧道［4］、長春地鐵袁家店站［5］。隨著國民經濟發展與科技水平提高，當前已經具備鋼筋混凝土裝配式明洞的設計施工與推廣條件。

本文結合試驗段，系統闡述全斷面鋼筋混凝土預制裝配式隧道明洞的設計選型、結構驗算、施工拼裝過程及關鍵工序、結構外防水方案，為該類結構和該項技術的推廣提供技術支撐。

1 全斷面鋼筋混凝土預制裝配式明洞設計

1.1 試驗段概況

國家鐵道試驗中心重載鐵路試車線位于北京朝陽區，2018年利用京沈客運專線星火動車所和中國鐵道科學研究院集團有限公司環行鐵道試驗基地既有試驗線的夾心地段開始建設，現已建成，主要用于重載移動裝備和工務設備的安全性、耐久性試驗以及重載技術系統試驗。為全面驗證推廣全斷面鋼筋混凝土預制裝配式明洞結構，中國鐵道科學研究院集團有限公司在該線SIDK0+070—SIDK0+150 區段設計了面向鐵路的裝配式明洞結構試驗段，如圖1所示。

圖1 裝配式明洞區段所在位置

1.2 預制裝配式明洞分塊方法及設計選型

1.2.1 分塊方法

目前常用的方法為先對分塊前的整體結構進行受力計算，確定荷載組合。然后采用荷載-結構模型，計算結構彎矩、剪力與軸力分布，根據計算結果將彎矩為0處作為分塊的節點［6］。

長春地鐵袁家店明挖車站的設計施工中，車站拱形結構在拱頂中心彎矩最大處進行分塊并進行拼裝［7］。該種方式打破思維定勢，重視結構內力的重分布，實際上是人為主動調整結構受力模式的隧道襯砌結構分塊方法。與彎矩為0 處分塊相比，在相同受力條件下，采用該種分塊方法拱腰、拱腳和拱底安全系數略有下降，拱頂和拱肩安全系數大幅增加，安全系數包絡線沿著襯砌拱墻分布更加均勻［8］。此外，節點設在拱部中心，主要是考慮構件規格不宜太多、明挖覆土荷載較小、拱部接頭抵抗彎矩沒有問題。

上述兩種分塊方法有各自優點，最小彎矩處的分塊更適用于暗挖隧道結構受力，彎矩最大處分塊方法更有利于明挖隧道襯砌拼裝施工的開展。圖2為分塊設計的技術路線，從結構位移、應力、安全系數、評價指標四個方面評價分塊效果，評價指標綜合考慮結構受力、構件自重、拼裝機械、運輸成本、精度控制等因素確定。

圖2 隧道襯砌結構分塊設計技術路線

1.2.2 設計選型

與暗挖隧道相比，試驗段明洞結構主要受到風雨雪荷載和運營期列車振動荷載。考慮今后該項技術在暗挖隧道內的推廣，將襯砌結構在最小彎矩處（彎矩為0處）進行分塊。與暗挖隧道相比，明洞結構若僅靠自重和螺栓進行連接，安全系數低于地下襯砌結構，所以將邊墻預制塊外延加粗并向下延伸至地面，在拱墻接頭處增加外接凸起部分，增加拱墻塊之間接觸面積。明洞結構分為預制拱墻結構和預制基底結構（圖3），沿著軌道方向每環寬2 m，包括11 個預制塊體，采用通縫拼裝，預制塊體厚0.3 m。明洞高11.04 m，寬11.27 m，拱墻由A1塊、A2塊、B1塊、B2塊、K塊5部分組成。預制基底結構高1.6 m，寬7.6 m，由2 塊F 形塊、2塊邊仰拱塊、1塊門形塊和1塊中仰拱塊組成。

圖3 斷面設計（單位：cm）

2 結構力學性能驗算

結構力學性能驗算包括靜力驗算和動力驗算。靜力驗算主要校核風荷載、雪荷載作用下結構的安全性，按照GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》中規定進行。動力驗算通過建立車輛-軌道-裝配式明洞耦合動力有限元模型進行計算。

2.1 模型邊界及參數

為了防止彈性波在邊界處發生反射，在邊界位置設置黏彈性邊界條件，阻尼參數采用瑞利阻尼來計算，即

式中：［C］、［M］、［K］分別為阻尼矩陣、質量矩陣和剛度矩陣；α、β為阻尼常數，當列車激振荷載頻率為4 ～200 Hz時，可計算得到α=1.4784，β=4.681×10-5。

相應地，阻尼比ξ也由兩項組成，與質量成正比的質量阻尼比ξM和與剛度成正比的剛度阻尼比ξK，即

式中：ωi為第i階振型的圓頻率，rad/s；fi為第i階振型的固有頻率，Hz。

車輛結構采用多剛體系統，其由車體、轉向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛等組成，計算參數見表1。

表1 列車計算參數

輪軌接觸力包括輪軌間法向接觸力和切向接觸力，本文主要計算垂向振動、位移和應力，故僅考慮輪軌間法向接觸力。根據Hertz 非線性彈性接觸理論［9］法向接觸力的計算公式為

式中：G為輪軌接觸常數，對于磨耗型踏面車輪G=3.86R-0.115× 10-8(m/N)23；R為車輪半徑，m；δ為輪軌間的彈性壓縮量，m。

軌道高低不平順譜密度Sv(ρ)采用較為主流的德國低干擾譜進行計算，公式為

式中：Av為粗糙度常數；ρ為空間頻率，Hz；ρc、ρr分別為空間截斷頻率和時域截斷頻率，Hz，取值參閱文獻［6］。

2.2 結果分析

在鋼軌、軌道板、F 箱涵頂部兩個位置、門形箱涵頂部拐角處布置測點1—測點5，見圖4。列車時速分別取200、250、300、350 km，獲取測點振動加速度、豎向動位移和動應力的時域波形，分析預制裝配式襯砌及軌下結構的動力響應。

圖4 測點布置

1）振動加速度

不同行車速度下各測點振動加速度變化曲線見圖5。可見：振動加速度整體呈下降趨勢，測點4最小，說明振動能量主要由道床向下方和兩側傳播；隨著行車速度增加各測點振動加速度增大，但是增幅不大；測點1 在時速350 km 時最大振動加速度為9.1 m/s2，小于限值10.2 m/s2［10］，滿足安全行車要求。

圖5 不同行車速度下各測點加速度變化曲線

2）豎向動位移

不同行車速度下各測點最大豎向動位移見圖6。可知：行車速度不變時，測點1—測點5 最大豎向動位移依次減小；同一測點行車速度越大最大豎向動位移越大，測點1 在時速350 km 時最大豎向動位移為6.4 mm，小于1/100 洞跨的2 倍值（11.27 mm），滿足安全行車要求。

圖6 不同行車速度下各測點最大豎向動位移

3）豎向動應力

不同行車速度下各測點最大豎向動應力見圖7。可知：行車速度不變時，最大豎向動應力依次減小，同一測點行車速度越大最大豎向動應力越大，時速350 km時測點1 最大豎向動應力為278 kPa，遠小于混凝土結構的極限拉、壓應力，滿足安全行車要求。

圖7 不同行車速度下各測點最大豎向動應力

3 施工過程及關鍵拼裝工序

施工過程主要包括五個方面，見圖8。其中預制基底結構施工是重點和難點。

圖8 主要施工工序

工程實施過程中底部采用龍門吊進行吊裝。拱墻部分的拼裝采用新研制的大型拼裝機械，見圖9。

圖9 裝配式明洞結構大型拼裝機械

拱墻拼裝過程如圖10所示。具體步驟為：①底部精平，吊裝拼裝式仰拱與箱涵；②拱墻拼裝臺車鋪軌并前行至拼裝位置，將臺車縱向兩端的鎖軌器鎖緊在鋼軌上；③吊裝預制襯砌A 塊至指定位置，全站儀定位；④將B 塊放置于A 塊上，A 塊頂部設置保護墊層，精準調控B 塊位置，對齊螺栓孔；⑤調整臺車絲杠將K塊放置于定位基準面上，將B塊與K塊連接起來；⑥下降拼裝模板，落在A 塊上，通過拼裝模板的縱向、徑向移動調整對正；⑦臺車移動，將牽引油缸與后面拼裝好的管片連接起來提供反力，松開鎖軌器，在油缸的作用下開始下一個工作循環。

圖10 拱墻拼裝過程示意

4 拼裝結構接縫外防水方案

由于裝配式車站預制塊間的接觸壓力遠小于盾構機環向推力及縱向的接觸壓力，且由于預制塊尺寸較管片大許多，其加工尺寸偏差也遠大于管片制作精度。這就要求密封墊在構件間較小的接觸壓力下，甚至預制構件之間存在一定張開量時依然能夠起到很好的防水效果。常規的盾構隧道管片用三元乙丙橡膠類壓縮型密封條帶不滿足要求。因此，提出適用于裝配式明洞的新型結構外防水方案，即在結構拼裝完成后將新型條囊充液式止水帶+丁基橡膠膩子墊片嵌入結構外側接縫處，止水帶內填充的液體為固化低硬度聚氨酯彈性體，通過自膨脹作用，充填縱縫和環縫處縫隙，并實現防水效果，如圖11所示。

圖11 接縫位置示意

新型條囊充液式止水帶在拼裝期間泵入空氣，待全部拼裝完成后邊放氣邊充注液體，待液體凝固后變成具有一定彈性和壓力的條囊狀止水結構，如圖12所示。充氣時將充氣區域內進料口通過氣管串聯，統一充氣至0.4 MPa，如不具備統一充氣條件也可錯位充氣。充氣完成后拔出充氣頭，進料口的氣門嘴會自動回彈進行保壓，擰緊氣門帽即可。以錯位方式充注液體時，充注壓力0.2 MPa，充注液體為聚氨酯雙液漿，A、B 兩組分的混合溫度為20～30 ℃，混合時間為2 min，固化溫度大于5 ℃。

圖12 新型條囊充液式止水帶注漿處斷面（單位：mm）

5 結論

1）闡述了襯砌結構分塊方法，給出了彎矩最小處分塊的設計方法，提出了隧道襯砌結構分塊設計應遵循的技術路線和設計選型。

2）通過建立車輛-軌道-裝配式明洞耦合動力有限元模型模擬，最大振動加速度、最大豎向動位移、最大豎向動應力分別為9.1 m/s2、6.4 mm、278 kPa，證明了列車荷載作用下所設計結構的安全性滿足列車安全運營要求。

3）介紹了裝配式明洞結構大型拼裝機械及主要施工工序和關鍵拼裝步驟，提出了一種具備推廣價值的新型條囊充液式結構外防水方案。

4）目前全斷面預制裝配式明洞結構在工程中應用不多，缺少不同斷面條件下參考圖紙和標準規范，因此標準化通用型的設計方案和施工方案需要推廣。一方面可重復利用模具與工裝，另一方面有利于管理和工藝的標準化，從而顯著提高工效和有效降低造價。