公路隧道裝配式襯砌研究進(jìn)展及工程應(yīng)用

顏波

摘 要：文章依托河惠莞高速公路半嶂隧道工程，探索在公路隧道中實(shí)施裝配式襯砌，通過分析計(jì)算，合理劃分襯砌分塊，對比不同接頭的受力情況，并展開試驗(yàn)段研究，在保證隧道施工安全與質(zhì)量、提高機(jī)械化水平和工廠預(yù)制化等方面取得良好效果。

關(guān)鍵詞：裝配式襯砌 工廠化 接頭型式

1.傳統(tǒng)二次襯砌施工的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的隧道二襯施工采用現(xiàn)場人工綁扎鋼筋和二襯臺車現(xiàn)澆混凝土的方式進(jìn)行，由于受二襯臺車缺乏設(shè)計(jì)制作標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場施工養(yǎng)護(hù)環(huán)境差等因素影響，二襯施工多存在拱頂空洞與不密實(shí)帶、預(yù)留預(yù)埋不規(guī)范、強(qiáng)度與外觀差等質(zhì)量問題，且傳統(tǒng)二襯施工工序繁多，對熟練工人要求高，往往會造成施工速度慢、襯砌無法及時承載、材料和人工成本高昂等問題。

2.裝配式襯砌施工的優(yōu)點(diǎn)

2.1提高施工質(zhì)量，保證施工安全

傳統(tǒng)的隧道二襯施工，往往存在注漿不密實(shí)、振搗不到位、養(yǎng)護(hù)不及時和拆模過早等現(xiàn)象，導(dǎo)致二襯出現(xiàn)空洞、開裂，嚴(yán)重者甚至造成隧道塌方，嚴(yán)重影響隧道工程質(zhì)量和安全。而采用裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，二襯管片采用工廠化集中預(yù)制、運(yùn)輸和安裝，可以嚴(yán)格保證二襯的施工質(zhì)量，從而提高隧道的整體施工質(zhì)量和安全。

2.2簡化施工工序，加快施工進(jìn)度

傳統(tǒng)隧道二次襯砌施工需經(jīng)現(xiàn)場綁扎鋼筋、防水板鋪設(shè)、止水帶安裝、混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)等多道工序，嚴(yán)重制約隧道施工進(jìn)度。而采用預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)，將提前預(yù)制好的襯砌管片吊裝成環(huán)，不需要養(yǎng)生，即可承載，因此省去了諸多工序，可顯著提高隧道施工進(jìn)度。

2.3提高施工機(jī)械化，促進(jìn)施工工廠化

預(yù)制裝配式襯砌采用工廠集中批量生產(chǎn)，養(yǎng)護(hù)期滿運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行機(jī)械拼裝，可大大減少現(xiàn)場施工作業(yè)人員數(shù)量，降低對熟練工人的依賴程度，提高機(jī)械化施工水平，符合施工工廠化的技術(shù)發(fā)展趨勢。

2.4提高營運(yùn)隧道搶險(xiǎn)效率，減少人員生命財(cái)產(chǎn)損失

隧道營運(yùn)期由于自然災(zāi)害或交通事故等引起的隧道塌方往往是應(yīng)急搶險(xiǎn)的難點(diǎn)，而裝配式襯砌由于其襯砌管片質(zhì)量可靠、機(jī)械化施工效率高、一經(jīng)拼裝立即承載等優(yōu)點(diǎn)使得在搶險(xiǎn)救援中可搶占更多先機(jī)，減少生命財(cái)產(chǎn)損失，盡早恢復(fù)隧道安全暢通運(yùn)營，因此裝配式襯砌技術(shù)在營運(yùn)期隧道的應(yīng)急搶險(xiǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.裝配式襯砌研究重點(diǎn)

3.1襯砌管片的設(shè)計(jì)、制作與吊裝

襯砌管片的設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在分塊的標(biāo)準(zhǔn)化上，根據(jù)不同隧道斷面制定相應(yīng)的管片分塊標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)拼裝結(jié)構(gòu)的通用性和可復(fù)制性；襯砌管片的制作主要在于確保管片的制作精度，包括形狀、尺寸、預(yù)留預(yù)埋等，以便管片能準(zhǔn)確順利地按照設(shè)計(jì)進(jìn)行拼裝；而裝配式襯砌施工質(zhì)量的另一個關(guān)鍵在于吊裝工藝，如何把不同型號的管片準(zhǔn)確拼裝到位，關(guān)系到襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、耐久性和防排水效果。

3.2背后填充注漿

管片背后填充注漿的關(guān)鍵在于選取合適的注漿材料與注漿工藝，首先要確定初期支護(hù)與管片間空隙，進(jìn)而選定合適的注漿材料，根據(jù)管片間空隙和注漿材料設(shè)計(jì)相應(yīng)的注漿工藝、邊界封堵，從而確保注漿時少跑漿和注漿密實(shí)，不出現(xiàn)空殼現(xiàn)象。

3.3襯砌管片連接

管片的連接方式是否合理直接關(guān)系到襯砌管片的防水效果。管片連接結(jié)構(gòu)形式主要有螺栓連接結(jié)構(gòu)、鉸接結(jié)構(gòu)、銷接結(jié)構(gòu)、楔接結(jié)構(gòu)和榫接結(jié)構(gòu)等形式，可根據(jù)管片的連接要求和各種連接結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)進(jìn)行合理選擇。

3.4襯砌管片防水

裝配式襯砌結(jié)構(gòu)的出水點(diǎn)主要有管片自身細(xì)微裂縫、管片接縫、注漿孔和管片連接孔道等，因此襯砌結(jié)構(gòu)防水任務(wù)繁重，應(yīng)綜合考慮管片自身縫隙防水和管片背后注漿以及防水層等方法進(jìn)行綜合處置。管片接縫防水是襯砌結(jié)構(gòu)防水的重中之重，通常采用的方法是在管片接頭密封槽中粘密封材料，一般以水膨脹性材料為主。

結(jié)合以上特點(diǎn)，裝配式襯砌具有施工效率高，襯砌質(zhì)量好，承載及時和施工環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，并且裝配式襯砌自身的各種接頭天然的增加了隧道柔性。同時，裝配式襯砌可以更好的適應(yīng)施工機(jī)械化及預(yù)制工廠化的要求，應(yīng)用前景非?？捎^。因此，很有必要結(jié)合新的施工理念對公路隧道裝配式襯砌進(jìn)行一定的研究，解決目前工程建設(shè)中的速度、質(zhì)量、效益的問題。

4.裝配式襯砌研究進(jìn)展

4.1襯砌力學(xué)性能研究

管片的接縫是襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度短板，其承載能力直接影響著隧道整體的承載能力。通過數(shù)值模擬方法研究不同分塊及接頭型式下襯砌的力學(xué)性能，包括襯砌內(nèi)力、結(jié)構(gòu)縱向剛度、圍巖差異變形適應(yīng)能力。

在精細(xì)化模型研究基礎(chǔ)上，優(yōu)選出3種接頭設(shè)計(jì)型式（見圖1～圖3），開展室內(nèi)接縫抗彎試驗(yàn)，對模型進(jìn)行驗(yàn)證，最終確定接縫接頭型式。

通過研究對比不同襯砌接頭結(jié)構(gòu)形式的受力性能及施工特點(diǎn)，選定了采用彎螺栓連接方式進(jìn)行襯砌接縫連接，襯砌環(huán)設(shè)13個環(huán)縫連接螺栓，沿圓均勻布置，相鄰管片塊及管片與底座環(huán)向用2個螺栓連接，共16個縱縫連接螺栓。

4.2管片壁后填充

初襯與二襯管片之間預(yù)留10cm的空隙，在管片拼裝成環(huán)后及時進(jìn)行壁后吹填豆礫石并灌注水泥漿進(jìn)行壁后充填。豆礫石經(jīng)皮帶機(jī)運(yùn)送至豆礫石泵，由壓縮空氣填充至管片背后。因管片與初襯斷面間隙較大，在管片背后及時充填豆礫石，可有效避免管片沉降及側(cè)向錯動現(xiàn)象，如圖4所示為豆礫石填充工作原理圖。

4.3襯砌管片防水

襯砌管片外弧側(cè)面，沿管片四周設(shè)置一道封閉的防水彈性密封墊；襯砌管片內(nèi)弧側(cè)，在預(yù)留的嵌縫槽內(nèi)進(jìn)行嵌縫密封。管片防水膠條的擠壓力由管片螺栓提供，管片螺栓預(yù)緊后，可保證管片防水膠條滿足隧道防水要求。

4.4現(xiàn)場施工模式

由于公路隧道斷面較大，直接采用同步開挖襯砌的施工方式難度較大，故選取TJ16合同段半嶂隧道YK142+900～YK143+200的300m試驗(yàn)段，開挖初支完成后再進(jìn)行二次襯砌拼裝。設(shè)備始發(fā)時需在洞口做圈梁，作為初環(huán)管片安裝定位基準(zhǔn)。設(shè)備出洞后，最后一段需進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆。

4.5管片拼裝整機(jī)

管片襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性和防排水效果的優(yōu)劣關(guān)鍵在于拼裝設(shè)備，現(xiàn)階段本研究項(xiàng)目的重點(diǎn)在于研發(fā)一種適用性廣、拼裝精度高和工作高效的裝配式襯砌拼裝設(shè)備。

管片拼裝整機(jī)主要由牽引車、管片拼裝機(jī)、管片吊運(yùn)系統(tǒng)、空壓機(jī)組件、水系統(tǒng)、后配套拖車、液壓泵站、注漿系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、注豆粒石系統(tǒng)組成。

5.結(jié)束語

綜上所述，近些年我國公路隧道在大發(fā)展期間暴露出了很多技術(shù)和質(zhì)量問題，發(fā)展公路隧道裝配式襯砌結(jié)構(gòu)、提高襯砌預(yù)制化程度，對于公路隧道提高機(jī)械化程度、提升工程品質(zhì)和施工安全性等極具現(xiàn)實(shí)的研究意義，有著非常廣闊的研究前景。

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