成都市磨子橋裝配式隧道分塊拼裝技術(shù)研究

奚 成

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，汽車保有量迅速增加，導(dǎo)致城市路網(wǎng)建設(shè)難以滿足交通量的增長，在有效的土地資源條件下，如何提高路網(wǎng)的交通效率就顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的平交道路形式通行效率低下，難以滿足交通量的日益增長。因此，利用立體空間對平面交通進行疏導(dǎo)的方式，已經(jīng)成為現(xiàn)代道路交通中不可缺少的組成部分。城市下穿隧道作為市政工程中的一種立交道路形式[1]，是一種能有效分離過境交通，解決區(qū)域交通矛盾的地下空間結(jié)構(gòu)，它能夠提高道路的暢通性，并具有節(jié)約地面空間，整體效果簡潔美觀的優(yōu)點，因此將老舊城市道路改造為下穿隧道是一種較為科學(xué)的做法，并應(yīng)積極推廣。

為提高隧道施工速度，國外在預(yù)制拼裝隧道方面起步較早，前蘇聯(lián)、日本、荷蘭等國均成功將預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用于隧道工程中。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀研究

2.1 國外研究現(xiàn)狀

(1)前蘇聯(lián)地鐵明挖施工的定型襯砌結(jié)構(gòu)

前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代中后期，地鐵明挖施工時，包括車站、區(qū)間隧道以及車站附屬建筑和輔助隧道工程，均采用定型拼裝的統(tǒng)一規(guī)格鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]，該結(jié)構(gòu)施工速度比現(xiàn)澆混凝土快，同時需要一些讓構(gòu)件整體化的現(xiàn)澆混凝土[3]。

(2)日本預(yù)制拼裝技術(shù)

1987年日本首次在仙臺地鐵工程中，采用了預(yù)制雙跨箱型結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的箱體尺寸是11.092 m×7.440 m[4]，整個結(jié)構(gòu)分成頂板、底板、側(cè)墻及中柱等5個預(yù)制構(gòu)件(M型頂板+豎墻(3片)+W型底板5塊式分法)[5]，結(jié)構(gòu)分塊最大尺寸為11.092 m×1.5 m×1 m(未收集到具體數(shù)據(jù)，根據(jù)重量尺寸推算)，縱向分塊長度為1 m?？v橫向采用鋼板、螺栓、銷釘?shù)冗B接。設(shè)計中主要解決了構(gòu)件的劃分、輕量化、構(gòu)件的縱向和橫向連接問題[6]。

(3)殼式隧道結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)是在荷蘭鹿特丹地鐵東西線上采用過的一種裝配式結(jié)構(gòu)型式，其側(cè)墻和頂板預(yù)制成一個便于搬運的整體構(gòu)件，形狀為直墻平頂形式，隧道底板為現(xiàn)澆。根據(jù)墻和頂板組件的形狀，給隧道取名為“殼式隧道”。此方法施工速度非?？欤恐芸尚藿?0 m長的隧道，此種裝配式地下結(jié)構(gòu)在交付使用數(shù)年后，仍然保持著良好的防水效果[7]。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，為進一步推動國家基礎(chǔ)設(shè)施的施工標(biāo)準(zhǔn)化，國家出臺了相關(guān)政策大力發(fā)展裝配式建筑，隧道、地鐵車站等已經(jīng)開展裝配式技術(shù)的示范應(yīng)用，并取得了一定的社會效益。

(1)廈門疏港路預(yù)制拼裝下穿隧道

疏港路下穿仙岳路通道工程位于廈門市，工程范圍全長1 660 m，是廈門市出島的主要交通要道之一，地處城市核心區(qū)，周邊人口密集，車流量大、東西兩側(cè)均無其他南北向市政道路，各種材料進場困難。

為解決以上難題，加快建設(shè)進度，該工程首次在下穿隧道中采用大斷面多向分塊預(yù)制拼裝技術(shù)，下穿隧道框架預(yù)制分單孔預(yù)制框架段和雙孔預(yù)制框架段，均采用M型頂板+W型底板2塊式對接分法，縱向分塊長度為2 m?？v向采用臨時預(yù)應(yīng)力(精軋螺紋鋼)并用環(huán)氧樹脂粘接，并施加永久預(yù)應(yīng)力。水平縫采用環(huán)氧樹脂粘接以及預(yù)埋鋼板焊接。

框架橫斷面為19.9 m×7.2 m，分成2塊后，結(jié)構(gòu)分塊最大尺寸為19.9 m×3.6 m×2 m?？紤]預(yù)制節(jié)段運輸、吊裝等因素，單孔框架縱向節(jié)段長3 m，雙孔框架縱向節(jié)段長2 m，均在側(cè)墻1/2處分為上下兩部分預(yù)制(見圖1)。拆分后基本解決了構(gòu)件運輸受既有橋隧凈空尺寸限界的問題，基本能夠在5 m凈空范圍內(nèi)完成構(gòu)件的運輸。該下穿通道的建成對緩解疏港路及仙岳路兩條城市主干道交通擁堵現(xiàn)象效果明顯[8]。

圖1 疏港路下穿隧道單孔和雙孔預(yù)制框架節(jié)段

(2)長春地鐵裝配式車站

長春地鐵2號線袁家店站是國內(nèi)首座裝配式車站試點[9]。該地鐵車站高17.5 m、寬20.5 m、長188 m，建筑面積12 000 m2，縱向分88環(huán)(每環(huán)寬度2 m)，由7塊預(yù)制構(gòu)件組成[10]，共用了609塊預(yù)制構(gòu)件拼裝完成。其中單片重量最大為54.3 t。預(yù)制構(gòu)件環(huán)向與縱向的接觸面均為榫槽連接并通過精軋螺紋鋼筋施加預(yù)應(yīng)力緊固，拼裝完成后填充改性環(huán)氧樹脂形成整體，如圖2所示。

圖2 長春地鐵袁家店車站裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)形式

2.3 國內(nèi)外研究評價

綜上所述，預(yù)制拼裝技術(shù)在國外隧道與地下工程中的應(yīng)用已較為成熟，在基礎(chǔ)理論、研究方法及工程實踐上積累了較為豐富的經(jīng)驗。和國外相比，國內(nèi)地下工程裝配式結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計理論和設(shè)計、施工規(guī)范就顯得十分欠缺[11]。作為西部地區(qū)首個裝配式下穿隧道工程，這就迫使我們必須進行裝配式隧道分塊拼裝技術(shù)研究。

3 磨子橋裝配式隧道分塊拼裝技術(shù)

3.1 工程概況

成都市一環(huán)路磨子橋裝配式下穿隧道起于科華北路西側(cè)，終于紅瓦寺街東側(cè)，全長1 280 m，框架段920 m，其他為船槽擋墻段。隧道包括西部地區(qū)首次嘗試的130 m建筑工業(yè)化預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。預(yù)制段頂面埋深2.81～3.96 m，最大覆土厚度為4.08 m。

3.2 結(jié)構(gòu)拆分方式以及接口聯(lián)結(jié)方式

結(jié)構(gòu)拆分，在施工條件允許情況下，結(jié)構(gòu)分塊越少施工速度越快；接縫越少，漏水的概率越小，結(jié)構(gòu)可靠性越強。因此，本工程擬采用2塊法拆分，即M型頂板+W型底板方式。

3.3 拼裝結(jié)構(gòu)分塊方式、大小對運輸?shù)挠绊?/h3>

本工程結(jié)構(gòu)外尺寸為22.3 m×8.2 m。運輸過程中最大尺寸為22.3 m，同預(yù)制橋梁25 m以下簡支箱梁運輸方式相同。即使變寬段橫斷面結(jié)構(gòu)最大尺寸也為28.5 m(匝道分岔段)，也在30 m以內(nèi)。

本工程采用的M型頂板+W型底板分塊方式，滿足構(gòu)件運輸在5 m限高情況下也可以通過的基本需求。擬拆分高度為4.2 m(M型頂板)+4.2 m(W型頂板)，根據(jù)吊裝條件，環(huán)向尺寸取1.2～2 m。若再解決輕量化的問題，可以把頂、底板再一分為二，在大跨頂、底板彎矩零點附件設(shè)置牛腿搭接方式。

3.4 本項目分塊拼裝技術(shù)研究

通過對廈門疏港路下穿工程的相關(guān)設(shè)計、施工資料進行分析調(diào)研，結(jié)合本項目工期緊、斷面大、質(zhì)量要求高等特點，我單位從以下方面對分塊拼裝技術(shù)進行了研究。

3.4.1 降低預(yù)制構(gòu)件的運輸難度

廈門疏港路構(gòu)件尺寸偏大偏高，雙孔框架即便分上下兩部分的“M”、“倒M”形斷面來預(yù)制，從預(yù)制場拖運到工地，會受道路凈空等條件制約，按工作狀態(tài)裝車運輸，超長超高，頂板重心較高，易傾覆及意外受損，同時重載運輸車輛還易對沿線道路橋梁等設(shè)施造成損壞。

本工程采用鋼絲繩“八”字型縱向斜拉于掛車邊梁的綁扎點上，并制作專用支撐架加固頂板構(gòu)件，保證貨物重量的均衡性，確保全程運輸安全。牽引動力采用367.5 kW以上牽引車，W型構(gòu)件載貨車板采用動力鵝頸+3軸線+11 m連接框架+5軸線雙縱列液壓平板，M型構(gòu)件載貨車板采用動力鵝頸+3軸線+7 m連接框架+7軸線雙縱列液壓平板，車板寬3 m，裝車后車貨總高約5 m。該平板掛車具有軸間串聯(lián)式獨立平衡液壓懸掛系統(tǒng)，貨臺高度可調(diào)，輪軸負(fù)荷均勻，轉(zhuǎn)彎半徑小，在上下坡道及橫向斜坡上行駛可調(diào)整車身保持水平位置，適應(yīng)路況變化，保證貨物的穩(wěn)定性，滿足預(yù)制場至施工現(xiàn)場橋涵限界需求。

3.4.2 降低起重吊裝及推移的施工難度

本工程受運輸線路的橋梁限載因素制約，實施難度很大，工地吊裝時對吊裝機具要求太高，安全風(fēng)險增大。綜合考慮實際情況，要求在卸車、轉(zhuǎn)運及拼裝作業(yè)中全部按結(jié)構(gòu)安裝就位后的受力狀態(tài)進行吊裝，保證構(gòu)件不受碰撞損壞及變形破裂；結(jié)構(gòu)拼裝時確保頂板頂面豎墻頂?shù)奈恢萌c嚴(yán)格水平，誤差控制在2 mm內(nèi)，確保頂板安裝就位后的受力狀態(tài)，保證拼裝質(zhì)量安全，以有效降低現(xiàn)場吊裝的施工難度。

3.4.3 優(yōu)化預(yù)制件的拼接構(gòu)造方案

廈門疏港路上、下兩個塊件的豎墻拼裝接縫采用“涂抹環(huán)氧樹脂+預(yù)埋鋼板焊接”的方案在受力可靠性上值得斟酌，后焊鋼板對構(gòu)件混凝土可能造成灼傷(將構(gòu)件混凝土燒傷炸裂)，在7、8度地震區(qū)并不適用(地震烈度較高地區(qū)，對構(gòu)件的整體性要求越高)；同時工地焊接質(zhì)量對結(jié)構(gòu)整體性也有一定影響。若采用灌漿鋼筋套筒連接或精軋螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力連接會更有效，并在預(yù)應(yīng)力連接的基礎(chǔ)上再增加栓接鋼夾板的方式，確保接頭聯(lián)結(jié)的可靠。

3.4.4 優(yōu)化框架拼裝過程中的臨時支撐方案

整孔框架的各預(yù)制節(jié)段進行縱向拼接時，需設(shè)置卸荷墊塊做臨時支撐，縱向接縫通過預(yù)應(yīng)力鋼束施加預(yù)應(yīng)力時，支撐摩阻力大，傳遞到框架接縫斷面的預(yù)應(yīng)力有效性不佳?？紤]將框架節(jié)段底板臨時支撐在鋼軌或工字鋼上，在底板下三道豎墻下方位置，開挖三排條形混凝土基礎(chǔ)，上面設(shè)置預(yù)埋板，安裝三組鋼軌，用于承載預(yù)制框架。

3.4.5 解決基坑內(nèi)框架側(cè)墻下條形枕梁基礎(chǔ)的預(yù)制方案

基坑開挖后，側(cè)墻卸荷塊下需設(shè)置鋼筋混凝土枕梁，同時兼作縱向張拉每環(huán)框架的滑道基礎(chǔ)，本工程應(yīng)著重解決枕梁的預(yù)制方案，盡可能縮短每節(jié)段的施工工期。

3.4.6 精確定位節(jié)段，完成結(jié)構(gòu)在坑底的姿態(tài)精調(diào)

廈門疏港路框架采用卸荷塊，僅能解決框架結(jié)構(gòu)豎向位移，無法控制橫向位移，且精度難以控制。本工程利用放置在基坑兩側(cè)的千斤頂調(diào)整左右，使節(jié)段對正中線，并在方鋼與軌頭側(cè)面之間的縫隙中楔入墊片，防止節(jié)段橫向移動；用千斤頂通過前端支座張拉或頂推調(diào)整軸向位置；通過檢測底板頂面高度，在底面用薄型千斤頂調(diào)整，找正標(biāo)高及水平度。定位準(zhǔn)確后，用鋼板墊片將底面與鋼軌之間的空隙墊實。

3.4.7 降低基坑內(nèi)墊層厚度，縮短工期，降低造價

廈門疏港路下穿隧道在預(yù)制框架段基底設(shè)36 cm厚C20混凝土墊層和50 cm厚C30混凝土墊層，總厚度達到86 cm。本工程采用在每組鋼軌之間的范圍留出薄型千斤頂高度，靠近鋼軌的部位留出鋼軌上開設(shè)的孔洞高度，以便留出注漿通道，其余部位頂面比軌面低2 cm，澆筑C25混凝土墊層，大范圍減薄墊層厚度，降低工程成本。

3.4.8 優(yōu)化變形縫布置

現(xiàn)澆段解決了可能的伸縮變形及基礎(chǔ)不均勻沉降變形，但增加了施工工期。此處考慮借用海底隧道成熟的沉降縫管節(jié)防水、變形技術(shù)，滿足框架結(jié)構(gòu)的不均勻沉降以及結(jié)構(gòu)變形要求。

4 本項目總體設(shè)計及拆分形式

4.1 總體設(shè)計

我單位的總體設(shè)計方案為：下穿隧道全長1 280 m(里程K0+040～K1+320)，框架段全長920 m，其中建筑工業(yè)化裝配式設(shè)計范圍為130.6 m，其余為船槽擋墻段。預(yù)制段分為6個標(biāo)準(zhǔn)大段，大段之間為2 cm沉降縫，每個大段分為14或15個標(biāo)準(zhǔn)環(huán)組成，每個標(biāo)準(zhǔn)環(huán)由上下兩塊組成，總預(yù)制87環(huán)(即174塊)，預(yù)制段全段均位于直線上，為0.6%的單向縱坡，向大里程方向爬升[12]。

4.2 預(yù)制框架環(huán)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

下穿隧道預(yù)制段寬度22.3 m，設(shè)直線五車道，如圖3所示。橫斷面左側(cè)3車道、右側(cè)2車道對稱布置，左側(cè)斷面包括：側(cè)墻(0.75 m)、檢修道和車行道(11.85 m)、中墻(0.6 m)。

圖3 預(yù)制框架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意

4.3 預(yù)制框架環(huán)結(jié)構(gòu)拆分

本工程采用頂、底板M+W方式完成結(jié)構(gòu)拆分并進行預(yù)制。如圖4所示，下穿隧道橫斷面豎向拆分為上、下兩部分，框架結(jié)構(gòu)斷面總尺寸為22.3 m×8.4 m，分塊后最大尺寸為22.3 m×4.2 m×1.5 m。

圖4 拆分方式及吊環(huán)設(shè)置示意

4.4 預(yù)制框架環(huán)節(jié)段構(gòu)造

下穿隧道橫斷面豎向拆分為上、下兩部分，橫斷面尺寸為22.3 m×8.4 m×1.5 m。分塊后尺寸為22.3 m×4.2 m×1.5 m。由M型頂板+W型底板組成，采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，砼強度等級C45。端面設(shè)置有止水條預(yù)留槽，以及便于節(jié)段間對正的陰陽榫齒。通過在接縫處設(shè)置抗剪鋼箱、豎向精軋螺紋鋼以及鋼夾板等措施，保證接縫的聯(lián)結(jié)剛度。

5 總結(jié)

通過國內(nèi)外工程調(diào)研分析，并結(jié)合磨子橋下穿隧道工程現(xiàn)場條件，提出了預(yù)制構(gòu)件合理的拼裝和拆分方法，并成功應(yīng)用于該工程。成都磨子橋下穿隧道于2019年4月3日正式通車，標(biāo)志著我國西部城市首次下穿隧道預(yù)制裝配工藝的成功實施，為城市下穿隧道建設(shè)提供了成功的借鑒和驗證。