鉆爆法單線鐵路隧道裝配式仰拱結(jié)構(gòu)形式研究

劉建紅

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁隧道設(shè)計院,西安 710043)

引言

目前鐵路山嶺隧道施工，鉆爆法仍然是主要的施工方法，仰拱主要采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，裝配式仰拱僅在TBM法施工的隧道中有所應(yīng)用，隧道采用裝配式仰拱的比例還很低。由于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)在施工過程中易受現(xiàn)場施工條件、外部環(huán)境、施工人員及自然災(zāi)害等因素影響，部分隧道出現(xiàn)了仰拱變形、開裂、上鼓和翻漿冒泥等病害[1-4]，這些病害影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的耐久性降低，嚴(yán)重情況下甚至?xí)＜斑\(yùn)營安全。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)存在仰拱施工厚度不均、混凝土澆筑夾雜雜物、施工縫質(zhì)量缺陷等問題，嚴(yán)重影響了仰拱質(zhì)量。此外，仰拱采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，施工工序復(fù)雜，施工時間長，結(jié)構(gòu)不能及時封閉，施工安全存在風(fēng)險等，這就迫切需要一種新型結(jié)構(gòu)來消除現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的這些缺陷。

裝配式結(jié)構(gòu)因其標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方案，有利于節(jié)約資源，減少施工污染，改善作業(yè)環(huán)境，減少隧道洞內(nèi)工作量，降低現(xiàn)場施工人工成本，提高勞動生產(chǎn)率、保證施工質(zhì)量與安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，在盾構(gòu)隧道[5]、明挖隧道[6]、地鐵車站[7]、預(yù)制管廊[8]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在鉆爆法開挖的鐵路隧道中應(yīng)用幾乎為零。部分研究學(xué)者對裝配式隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析，李東等[9]對裝配式地下結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展趨勢進(jìn)行了梳理，提出地下裝配式結(jié)構(gòu)的大好發(fā)展前景。唐偉[10]以某高速鐵路單線盾構(gòu)隧道為工程依托，對隧底回填分塊預(yù)制、整塊預(yù)制、整塊預(yù)制+兩側(cè)布設(shè)縱梁 3 個方案進(jìn)行綜合比選分析，得出回填整塊預(yù)制+兩側(cè)布設(shè)縱梁結(jié)構(gòu)形式方案最優(yōu)，最能充分發(fā)揮預(yù)制件的優(yōu)越性。張宇寧等[11]以京張高鐵清華園隧道為例，介紹了大直徑鐵路盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)拼裝及附屬結(jié)構(gòu)拼裝的全預(yù)制拼裝技術(shù)。張勝龍等[12]用傳統(tǒng)荷載-結(jié)構(gòu)模型分析了不同圍巖條件下單線隧道預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征，并采用有限元軟件對預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全性驗算，分析了不同接頭剛度條件下接頭處受力和變形；武耀[13]以京沈客專星火樞紐工程鐵科試車線隧道為例，探索和研究了裝配式隧道的受力、承載情況，介紹了高速鐵路裝配式隧道施工關(guān)鍵技術(shù)。奚成[14]以成都市磨子橋隧道為例，對下穿裝配式隧道分塊拼裝的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。宋明等[15]以廣東省某公路隧道為依托，用三維實體模型分析了裝配式襯砌管片和接頭部位的力學(xué)性能，研究出襯砌受力的不利位置。沈昊等[16]闡述了裝配式襯砌施工的技術(shù)優(yōu)勢，分析了隧道裝配式襯砌施工的工序流程及施工重點(diǎn)，并探討了該項施工技術(shù)的研究進(jìn)展。金張瀾等[17]以京張高鐵清華園隧道為例，對盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆及預(yù)制設(shè)計方案從工期、施工工序、對隧道結(jié)構(gòu)的影響、結(jié)構(gòu)受力和變形特征、施工環(huán)境和環(huán)保要求、工程造價等方面對方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，并得出全預(yù)制方案最優(yōu)的結(jié)論。

本文主要針對鉆爆法單線鐵路隧道裝配式仰拱的分塊形式進(jìn)行研究，通過分析對比，提出一種適用于單線隧道的新型裝配式結(jié)構(gòu)，并利用Midas軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 裝配式仰拱結(jié)構(gòu)形式研究

以旅客列車最高行車速度為200 km/h新建單線鐵路隧道斷面為例，隧道采用馬蹄形斷面，最大跨處內(nèi)凈空跨度8.0 m，軌面至拱頂內(nèi)緣高度7.65 m，對隧道仰拱預(yù)制方案進(jìn)行研究。單線鐵路隧道斷面如圖1所示。

圖1 單線鐵路隧道襯砌斷面(單位：m)

根據(jù)隧道預(yù)制仰拱的施工工藝、運(yùn)輸?shù)跹b等因素，對裝配式仰拱+現(xiàn)澆的混凝土填充層分離結(jié)構(gòu)形式、裝配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結(jié)構(gòu)和裝配式仰拱+混凝土填充層一體化結(jié)構(gòu)3種形式進(jìn)行研究。

1.1 裝配式仰拱+現(xiàn)澆混凝土填充層分離結(jié)構(gòu)形式

鉆爆法隧道軌下結(jié)構(gòu)一般采用現(xiàn)澆仰拱和混凝土填充層，本方案考慮將仰拱進(jìn)行預(yù)制，然后再在仰拱上現(xiàn)澆混凝土填充層，預(yù)制塊與后澆二次襯砌連接處采用接茬鋼筋進(jìn)行連接。根據(jù)仰拱預(yù)制尺寸、質(zhì)量及連接形式的不同，可分為整體裝配式和局部裝配式兩種結(jié)構(gòu)形式。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 裝配式仰拱+現(xiàn)澆混凝土填充層分離結(jié)構(gòu)形式(單位：m)

整體裝配式方案如圖2(a)所示，預(yù)制范圍至水溝上部，減少了襯砌矮邊墻的施工。該方案當(dāng)采用單塊的結(jié)構(gòu)形式時，質(zhì)量將近9.7 t/m，長度超過10 m，在隧道吊裝過程中，轉(zhuǎn)向需要空間較大，隧道內(nèi)凈空一般難以滿足要求，再加上單塊質(zhì)量較大，加大了施工難度。為避免上述弊端，將整體結(jié)構(gòu)分為3塊，單塊質(zhì)量為4.8 t/m，單塊長度4.1 m，單塊環(huán)向和縱向之間均采用螺栓連接。但是由于分塊的原因，使結(jié)構(gòu)接縫增多，整體性稍差，易滲水漏水。

考慮運(yùn)輸及吊裝、施工等因素，局部單塊預(yù)制方案可分為帶平臺和不帶平臺兩種結(jié)構(gòu)形式，該方案僅預(yù)制局部仰拱，后期澆筑拱腳矮邊墻。不帶平臺的結(jié)構(gòu)形式，預(yù)制塊環(huán)向?qū)?.8 m，縱向長1.5 m，質(zhì)量為8.5 t。帶平臺的結(jié)構(gòu)形式[18]，為使施工運(yùn)輸方便，頂部設(shè)平臺，預(yù)制塊環(huán)向?qū)?.2 m，縱向長1.5 m，質(zhì)量15.8 t。該方案在仰拱拼裝后，利用平臺能夠滿足施工機(jī)具快速通行的要求，節(jié)省掌子面仰拱施工棧橋，但是混凝土用量及單塊質(zhì)量較不帶平臺的方案偏大，而裝配式仰拱的拼裝過程為運(yùn)輸、起吊、對位、下放、拼裝，質(zhì)量越大，拼裝難度越大，并且混凝土用量的增加，使得結(jié)構(gòu)不夠經(jīng)濟(jì)。

1.2 裝配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結(jié)構(gòu)

上述分離結(jié)構(gòu)形式，考慮僅預(yù)制仰拱，填充層采用現(xiàn)澆，施工工藝較復(fù)雜，本方案將填充層也進(jìn)行預(yù)制，形成裝配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結(jié)構(gòu)，預(yù)制仰拱與預(yù)制混凝土填充層間設(shè)凹凸榫進(jìn)行連接。預(yù)制填充層上面預(yù)留一定厚度的找平層，以調(diào)整預(yù)制塊拼裝時造成的微小誤差。混凝土填充層預(yù)制塊的結(jié)構(gòu)形式，可分為預(yù)留孔洞和T形結(jié)構(gòu)兩種，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 裝配式仰拱+裝配式填充層組合結(jié)構(gòu)(單位：m)

T形結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，其每延米質(zhì)量相對于預(yù)留孔洞的結(jié)構(gòu)形式輕4t左右，在混凝土用量及結(jié)構(gòu)重量方面優(yōu)勢明顯?！把b配式仰拱+裝配式混凝土填充層組合結(jié)構(gòu)”方案，在仰拱與填充層拼裝完成后，既能滿足快速通行的要求，又能通過空心結(jié)構(gòu)，節(jié)省用料，減輕重量。不足之處，仰拱與填充層是兩個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，除了考慮每個預(yù)制結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、安裝等問題外，還需考慮兩種結(jié)構(gòu)之間的連接，增加了施工步驟，尤其是對于單線鐵路隧道，內(nèi)部施工空間有限，多次拼裝、連接加大了施工難度，降低了施工效率。

1.3 裝配式仰拱+填充層一體化結(jié)構(gòu)

考慮前述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并參考我國在西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道、南疆線中天山隧道TBM、蘭渝線西秦嶺隧道TBM采用仰拱預(yù)制構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，對結(jié)構(gòu)形式進(jìn)一步優(yōu)化，最終提出一種新型的裝配式仰拱+混凝土填充層一體化結(jié)構(gòu)。根據(jù)橫向分塊的形式，結(jié)構(gòu)形式可分為單塊方案與雙塊方案，如圖4所示，方案對比分析如表1所示。

表1 裝配式仰拱+填充層一體化結(jié)構(gòu)方案對比分析

圖4 裝配式仰拱+填充層一體化結(jié)構(gòu)(單位：m)

對比兩種方案，單塊方案能夠減少環(huán)向接縫，降低仰拱滲水的概率，省略中間仰拱現(xiàn)澆工序；仰拱上方的行車路面板，能夠快速提供行車條件，節(jié)省隧道掌子面的仰拱施工棧橋；混凝土填充層中間的空心結(jié)構(gòu)，既減少了混凝土用量，又減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低施工吊裝難度，并能提供過水空間，降低仰拱翻漿冒泥的風(fēng)險。

雙塊方案[19]，預(yù)制塊的側(cè)面可通過擠壓直接與初支構(gòu)成一個整體，使初支盡早封閉成環(huán)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；側(cè)面施工至矮邊墻，直接與拱墻襯砌連接，減少矮邊墻的現(xiàn)澆工序；主要不足是兩塊預(yù)制塊需要在仰拱中間通過現(xiàn)澆構(gòu)成一個整體后才能提供通車條件，多增加了一道現(xiàn)澆工序，并且中間空間狹小，灌注混凝土、綁扎鋼筋、焊接鋼架等工作難度比較大，同時環(huán)縫增多，防水施工難度也隨之增大。

由上述分析可知，對于單線鐵路隧道，橫向?qū)挾刃?，采用單塊的裝配式仰拱+填充層一體化結(jié)構(gòu)單塊方案施工簡單，確實能提高施工效率，達(dá)到裝配式施工的目的，推薦采用。

2 結(jié)構(gòu)受力研究

對推薦方案的裝配式仰拱進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，其受力工況主要分為施工期和運(yùn)營期兩種工況。施工期主要考慮隧道初期支護(hù)施作完畢，裝配式仰拱安裝到位，拱墻二襯還未施工時預(yù)制結(jié)構(gòu)以及二襯施工完畢后整體結(jié)構(gòu)在施工機(jī)具、拼裝機(jī)的作用下結(jié)構(gòu)的受力情況。運(yùn)營期主要考慮整個結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期間軌道、列車荷載作用下的受力情況。

2.1 計算參數(shù)

根據(jù)TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[20]，計算時按照結(jié)構(gòu)受力最不利考慮，圍巖計算參數(shù)取值如表2所示。襯砌混凝土采用C40鋼筋混凝土，彈性模量采用32.5×103MPa，重度25 kN/m3。

表2 Ⅴ級圍巖計算參數(shù)取值

2.2 計算模型

計算軟件采用MIDAS，結(jié)構(gòu)設(shè)計模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，施工期分別采用裝配式仰拱和整體結(jié)構(gòu)模型作為分析對象，運(yùn)營期取整體模型作為分析對象，結(jié)構(gòu)采用實體模型進(jìn)行三維建模。襯砌與周圍土體的相互作用通過設(shè)置僅受壓的徑向彈簧單元來體現(xiàn)，彈簧單元的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)決定。對于整體模型，預(yù)制仰拱與現(xiàn)澆二襯結(jié)構(gòu)有鋼筋連接，按剛接模擬[21]?？紤]到施工、吊裝等因素，單塊預(yù)制塊的質(zhì)量不宜太大，縱向按1.5 m一環(huán)設(shè)計，單塊質(zhì)量19.4 t，塊與塊之間縱向采用精制螺紋鋼接力拉長，計算時結(jié)構(gòu)縱向取一環(huán)作為研究對象。施工期和運(yùn)營期的結(jié)構(gòu)計算模型分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5 計算模型

2.3 計算荷載

裝配式仰拱施工期受力主要有結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載或拼裝車荷載，運(yùn)營期受力主要有結(jié)構(gòu)自重、土壓力、軌道自重和列車動載。

2.3.1 圍巖荷載

為使計算具有代表性，選?、跫墖鷰r，荷載按淺埋考慮，計算覆土厚度取2.5ha(ha為深埋隧道垂直荷載計算高度)。根據(jù)TB10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，計算圍巖荷載如表3所示。

表3 圍巖荷載計算值

二次襯砌承擔(dān)70%圍巖壓力，豎向壓力取252.52 kN/m2，水平壓力分別取為92.71 kN/m2和131.52 kN/m2。

2.3.2 施工荷載

結(jié)構(gòu)上部的行車路面板在施工期間為各種設(shè)備提供行車條件，考慮斷面寬度以及車輛寬度，使用最不利車輛組合進(jìn)行計算，即在滿足斷面寬度的情況下采用重力最大的車輛或車輛組合作為控制工況進(jìn)行計算。通過分析施工機(jī)械設(shè)備荷載，得出施工期的3種控制工況，其受力圖示如圖6所示。圖6(a)為拼裝機(jī)空載時，渣土車滿載在其下穿行通過，渣土車的橫向移動范圍為3.9 m(工況1)；圖6(b)為拼裝機(jī)吊裝時，整個機(jī)械及預(yù)制塊由4個支腿受力，支腿間的橫向距離為5.35 m(工況2)；圖6(c)為二襯施工完成后，拼裝機(jī)待機(jī)，渣土車滿載在其下穿行時的工況(工況3)。

圖6 施工期結(jié)構(gòu)荷載示意(單位：m)

2.3.3 運(yùn)營期荷載

結(jié)構(gòu)上部的行車路面板在運(yùn)營期間作為永久結(jié)構(gòu)承受軌道及列車荷載，對其受力情況進(jìn)行檢算(工況4)。無砟軌道荷載分布寬度為支承層底部寬度2.8 m(這里以CRTS雙塊式無砟軌道為例)，長度沿隧道模型縱向滿布。行車板受力綜合考慮軌道、軌道板、填充層自重和ZKH列車活載，受力圖示如圖7所示。

圖7 運(yùn)營期整體模型荷載示意(工況4)

2.4 計算結(jié)果

在隧道結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的永久荷載、可變荷載和偶然荷載，應(yīng)分別按承載能力和滿足正常使用要求進(jìn)行荷載組合，并按最不利組合進(jìn)行荷載計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計[20]。圖8～圖11給出了各工況下最不利組合的應(yīng)力狀況。

圖8 工況1應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖9 工況2應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖10 工況3應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖11 工況4應(yīng)力云圖(單位：MPa)

表4 裝配式仰拱安全檢算及配筋

裝配式仰拱塊的行車板部位在工況3情況下受力最不利，在荷載的作用下，最不利位置配8根φ18 mm的鋼筋，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)2.1，大于2.0，裂縫寬度為0.12 mm，小于0.2 mm，均能滿足規(guī)范要求；裝配式仰拱塊的仰拱部位不控制，配4根φ16 mm的鋼筋安全系數(shù)及裂縫均能滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

通過對鉆爆法單線鐵路隧道裝配式仰拱的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

(1)單線鐵路隧道的內(nèi)凈空較小，施工空間有限，為了有效提高隧道仰拱質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，將隧道仰拱與混凝土填充層預(yù)制成一個單塊的整體，可減少現(xiàn)場澆筑、拼裝工序，及時為施工機(jī)械提供通行條件，減少與其他施工工序的相互干擾，提高施工效率。

(2)軌下填充層在以往TBM仰拱預(yù)制塊實心結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，并參考盾構(gòu)施工的軌下預(yù)制拼裝技術(shù)，對預(yù)制仰拱進(jìn)行優(yōu)化，改用中空設(shè)計，能節(jié)省圬工量，減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，方便吊裝；中間孔洞可與隧道排水溝、電纜槽統(tǒng)籌考慮，既能有效優(yōu)化整個隧道斷面，又可以減少道床翻漿冒泥病害的發(fā)生。

(3)預(yù)制結(jié)構(gòu)采用工廠預(yù)制，施工質(zhì)量可控，現(xiàn)場采用拼裝車進(jìn)行施工，機(jī)械化操作，減少綁扎鋼筋、混凝土澆筑、施作防水措施等工序，加快施工進(jìn)度，并且減少洞內(nèi)施工污染，改善作業(yè)環(huán)境，減少洞內(nèi)工作量，降低現(xiàn)場施工人工成本，與國家倡導(dǎo)的綠色施工的重要舉措相吻合。