全斷面裝配式隧道關(guān)鍵技術(shù)及在鐵路工程中的應(yīng)用

程學(xué)武，張國然

（1. 中國鐵路北京局集團有限公司 地下直徑線工程項目管理部，北京 100045；2. 中鐵十七局集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國鐵路運營里程不斷增長，鐵路病害日益凸顯，尤其是鐵路隧道病害，對鐵路運營安全影響很大。病害的主要表現(xiàn)形式有：結(jié)構(gòu)開裂、破損掉塊、上浮及翻漿、冒泥等，病害原因不僅有地下水侵蝕、列車荷載長期作用等外在因素，還有勘察設(shè)計、結(jié)構(gòu)選型、施工質(zhì)量把控等內(nèi)在問題［1-3］。受檢測技術(shù)制約，隧道缺陷未能在建設(shè)期內(nèi)及時發(fā)現(xiàn)，造成鐵路帶病開通、帶病運營的被動局面。未來，鐵路隧道的施工建設(shè)亟須更高的標(biāo)準(zhǔn)、更智能化的建造及檢測技術(shù)［4］。

預(yù)制裝配式技術(shù)的發(fā)展和不斷完善，對于鐵路隧道建設(shè)具有重要的借鑒意義，其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、智能化管理、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工及專業(yè)化協(xié)同等特點，為從源頭解決鐵路病害提供了理論和技術(shù)的可行性［5-6］。目前，我國裝配式技術(shù)在鐵路隧道建設(shè)中的應(yīng)用，主要為盾構(gòu)施工。但是，盾構(gòu)施工存在應(yīng)用領(lǐng)域、地形地質(zhì)等因素限制，不能作為裝配式結(jié)構(gòu)在地下工程中應(yīng)用的唯一形式。綜合國外地下工程施工案例，如荷蘭鹿特丹地鐵“殼式裝配”結(jié)構(gòu)、日本仙臺地鐵“雙跨箱形”結(jié)構(gòu)、俄羅斯“整體管段”結(jié)構(gòu)，隧道預(yù)制裝配式技術(shù)應(yīng)用依然有較大探索空間［7］。

1 裝配式隧道關(guān)鍵技術(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件劃分

綜合國內(nèi)外應(yīng)用實例，裝配式隧道主要有矩形框架結(jié)構(gòu)和拱形結(jié)構(gòu)形式。首先確定隧道的結(jié)構(gòu)形式，然后進行構(gòu)件劃分。構(gòu)件劃分要在滿足受力要求前提下，考慮預(yù)制生產(chǎn)的便捷性和可行性，以便于工廠化集中生產(chǎn)。根據(jù)拼裝工藝的構(gòu)件輕量化要求，設(shè)計方案必須與預(yù)制和拼裝施工相結(jié)合。

1.2 構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化是裝配式隧道推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化才能實現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)?；?、工裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)化和效益累積轉(zhuǎn)化。構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化包括結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和工裝配備標(biāo)準(zhǔn)化。

1.3 工藝裝備

工藝裝備包括預(yù)制構(gòu)件模具和拼裝設(shè)備。為保證鐵路運營的安全性和穩(wěn)定性，裝配式隧道必須達(dá)到較高的拼裝精度。拼裝精度的實現(xiàn)首先是預(yù)制件模具必須滿足要求，并兼顧工廠化生產(chǎn)的便捷性。拼裝設(shè)備須根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，在滿足力學(xué)性能、智能化控制、拼裝工藝的前提下，選擇經(jīng)濟合理的設(shè)備組合。

1.4 防水技術(shù)

防排水是地下工程施工永恒的課題，構(gòu)件的防水處理是裝配式結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，我國建筑領(lǐng)域?qū)?gòu)件防排水材料和施工工藝均在進行不同方向的探索和試驗，較常用的防水措施有提高混凝土自身防滲等級、結(jié)構(gòu)縫間設(shè)置止水帶和遇水膨脹止水條、縫隙處預(yù)留注漿孔后期注漿加固等。京沈高鐵預(yù)制裝配式隧道采用充液條囊新型防水工藝，為地下工程防排水設(shè)計施工提供了新思路。

2 工程應(yīng)用

京沈高鐵裝配式隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓根據(jù)《時速350 公里高速鐵路單線隧道復(fù)合式襯砌》（通隧（2013）0303）中，適用于旅客列車速度目標(biāo)值250 km/h 新建高速鐵路單線隧道內(nèi)輪廓，設(shè)計速度目標(biāo)值120 km/h，建筑限界為“隧限-2A”，隧道內(nèi)凈空面積（軌頂面以上）60 m2。預(yù)制裝配式混凝土隧道結(jié)構(gòu)由拱墻結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)和仰拱結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)全高11.04 m，軌面以上凈寬7.6 m，每環(huán)縱向長度2.0 m。預(yù)制裝配式混凝土隧道結(jié)構(gòu)采用錯縫拼裝形式，分塊間采用榫槽以及高強螺栓連接。京沈高鐵裝配式隧道結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 京沈高鐵裝配式隧道結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 仰拱結(jié)構(gòu)

仰拱結(jié)構(gòu)為：邊仰拱塊×2、中仰拱塊×1，共3 塊；仰拱厚度40 cm。邊仰拱塊質(zhì)量7.8 t/塊、中仰拱塊質(zhì)量6.9 t/塊。

2.2 軌下結(jié)構(gòu)

軌下結(jié)構(gòu)為：門型塊×1、F 塊×2，共3 塊；軌下結(jié)構(gòu)厚度30 cm。F塊質(zhì)量6.6 t/塊、門型塊質(zhì)量4.3 t/塊。

2.3 拱墻結(jié)構(gòu)

拱墻結(jié)構(gòu)為：拱墻塊A1、A2，鄰接塊B1、B2，封頂塊K，共5 塊。A 塊質(zhì)量23.0 t，B 塊質(zhì)量8.5 t，K 塊質(zhì)量6.0 t。

2.4 連接方式

縱縫及環(huán)縫均采用M24 螺栓連接，接觸面設(shè)置凹凸榫槽，其中仰拱結(jié)構(gòu)每拼裝5環(huán)后采用千斤頂進行縱向拉緊，縱向張拉采用3-7φ5 鋼絞線。拱墻結(jié)構(gòu)每5環(huán)采用［16槽鋼壓緊連接。

2.5 防水體系

（1）接縫防水采用“充液橡膠密封止水條囊+丁腈軟木橡膠墊”進行防水，囊體材料為三元乙丙橡膠，囊腔固化體為低硬度聚氨酯彈性體；

（2）吊裝孔防水采用微膨脹輕質(zhì)混凝土回填；

（3）預(yù)制結(jié)構(gòu)外側(cè)防水層采用水泥基滲透結(jié)晶防水涂料。

3 施工工藝

施工工藝流程為：基坑防護結(jié)構(gòu)→基礎(chǔ)土方開挖→C25混凝土換填→基面打磨→仰拱結(jié)構(gòu)拼裝→軌下結(jié)構(gòu)拼裝→拱墻結(jié)構(gòu)拼裝→找平層施工→壓頂梁施工→電纜溝及防水施工→回填及附屬施工。其中，預(yù)制件采用工廠集中預(yù)制，集鋼筋胎膜綁扎、混凝土澆筑振搗、脫模翻轉(zhuǎn)、預(yù)制件蒸養(yǎng)存放于一體。軌下和仰拱結(jié)構(gòu)采用40 t跨隧龍門吊拼裝，拱墻結(jié)構(gòu)采用40 t跨隧龍門吊配合專用拼裝臺車安裝。基坑防護和基礎(chǔ)施工技術(shù)較成熟，不再贅述，著重介紹隧道拼裝施工。

3.1 基面打磨

為減小現(xiàn)場打磨工作量，基礎(chǔ)施工時采用預(yù)設(shè)精平帶方案。將基礎(chǔ)混凝土分2次澆筑，二次澆筑前通過精調(diào)模板，設(shè)置精平帶，利用水準(zhǔn)儀精確控制條帶高程和平整度，條帶間二次澆筑低于精平帶表面1～2 mm。精平帶施工示意見圖2。

圖2 精平帶施工示意圖

3.2 仰拱及軌下結(jié)構(gòu)拼裝

仰拱和軌下結(jié)構(gòu)水平及垂直運輸均采用40 t跨隧龍門吊。仰拱預(yù)制塊設(shè)置對中標(biāo)識，人工調(diào)整與基礎(chǔ)表面測放的隧道中線重合，就位后通過支墊不同厚度鋼板進行四角找平，利用水平尺、自動安平水準(zhǔn)儀進行測量控制。調(diào)平后緊固連接螺栓，螺栓緊固分初擰和復(fù)擰2 級，初擰力矩390 N·m，復(fù)擰力矩720 N·m。仰拱結(jié)構(gòu)拼裝5環(huán)后，穿設(shè)鋼絞線，采用單束張拉千斤頂張拉，張拉完成后進行孔道壓漿。利用構(gòu)件預(yù)留吊裝孔對基礎(chǔ)與構(gòu)件底面空隙進行重力式灌漿，灌漿采用普通水泥砂漿。軌下結(jié)構(gòu)拼裝通過仰拱預(yù)制塊榫槽和螺栓孔對位進行精度控制。仰拱及軌下結(jié)構(gòu)拼裝示意見圖3。

3.3 拱墻結(jié)構(gòu)拼裝

（1）拼裝臺車。軌下結(jié)構(gòu)拼裝5環(huán)后，在軌下結(jié)構(gòu)頂面組裝拼裝臺車。拼裝臺車采用鋼架結(jié)構(gòu)和集成液壓控制系統(tǒng)，具備自動走行、水平和垂直方向微調(diào)、液壓升降、反力系統(tǒng)等功能。拱墻結(jié)構(gòu)水平和垂直運輸采用跨隧龍門吊，構(gòu)件姿態(tài)調(diào)整、精確對位和縱向壓緊采用拼裝臺車。

（2）拼裝施工。拱墻構(gòu)件到達(dá)現(xiàn)場后，利用龍門吊配合翻轉(zhuǎn)支架進行翻轉(zhuǎn)調(diào)整，首先將A塊運輸至拼裝位置，利用拼裝臺車側(cè)向液壓油缸進行臨時固定，然后將B 塊臨時放置于A 塊頂面，利用側(cè)向油缸進行臨時固定，臺車頂部拼裝平臺升起，跨隧龍門吊將K塊放置于拼裝平臺上，人工配合進行精確定位并鎖定。利用拼裝臺車兩側(cè)側(cè)向油缸，將B塊向上頂升，與K塊對位，通過臺車的水平和垂直方向微調(diào)功能，實現(xiàn)與A塊螺栓孔精確對位，連接螺栓緊固后，拼裝平臺下降，K 塊與B塊整體與A 塊調(diào)整對位，緊固A、B 塊螺栓，臺車將全環(huán)頂升移動與前1 環(huán)對位，并利用反力系統(tǒng)進行壓緊。拱墻結(jié)構(gòu)拼裝示意見圖4。

圖3 仰拱及軌下結(jié)構(gòu)拼裝示意圖

圖4 拱墻結(jié)構(gòu)拼裝示意圖

3.4 防水施工

（1）結(jié)構(gòu)縫防水。隧道全部拼裝完成后進行結(jié)構(gòu)縫防水施工，條囊為三元乙丙橡膠封閉式中空結(jié)構(gòu)，兩端分別設(shè)置進排氣孔，采用注漿泵進行壓力注漿，注漿壓力不小于0.6 MPa。結(jié)構(gòu)縫防水條囊示意見圖5。

（2）表面防水。隧道表面防水采用水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，施工前清理結(jié)構(gòu)表面異物并充分濕潤，采用空壓機進行機械噴涂施工。

圖5 結(jié)構(gòu)縫防水條囊示意圖

4 結(jié)束語

全斷面裝配式隧道工程的建設(shè)實施是鐵路隧道邁向裝配式建造的一次重大實踐，結(jié)合不斷發(fā)展的5G 技術(shù)，裝配式施工將更深層次地融合智能管理手段，未來的應(yīng)用場景必將拓展至山嶺隧道。隧道智能建造技術(shù)作為我國“智能鐵路”的重要組成部分，代表未來隧道修建技術(shù)的發(fā)展方向。預(yù)制裝配式建造方法可在建造理念、設(shè)計方法、施工設(shè)備及施工管理水平等方面與現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)及人工智能技術(shù)深度融合，其綠色、智能、標(biāo)準(zhǔn)化管理、智能化施工等優(yōu)勢對于促進鐵路隧道智能建造技術(shù)發(fā)展大有裨益。作為新形勢下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢，如何適應(yīng)新形勢下的鐵路隧道建設(shè)需求，將研究成果推廣應(yīng)用，從技術(shù)應(yīng)用層面和管理層面提升隧道建設(shè)工程品質(zhì)，促進隧道工程項目管理水平，已成為鐵路隧道工程建設(shè)領(lǐng)域的重要課題。