全預(yù)制軌下結(jié)構(gòu)拼裝綠色施工技術(shù)研究

苗孔杰

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 250014)

1 引言

近年來，地上可用空間隨著城市化發(fā)展在不斷減少，而迫于人口密度、汽車數(shù)量不斷增加的巨大壓力，地下空間開發(fā)力度也隨之增大。在此背景下，盾構(gòu)法因具有環(huán)保、掘進速度快、對圍巖擾動小的優(yōu)點，故而大直徑長距離盾構(gòu)隧道在城市快速路建設(shè)中得到了大量的應(yīng)用[1]。當(dāng)前國內(nèi)外大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部多采取雙層車道結(jié)構(gòu)形式，以現(xiàn)澆施工工藝為主。傳統(tǒng)的施工工藝效率低、能耗高、對環(huán)境污染大，同時受限于盾構(gòu)隧道有限的施工空間及現(xiàn)場工人素質(zhì)，現(xiàn)澆施工質(zhì)量難以保證。為解決這一系列問題，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始走向預(yù)制化、工業(yè)化的道路[2]。

當(dāng)前構(gòu)件預(yù)制化在很多國家都作為發(fā)展技術(shù)的一個重要指標(biāo)，同時，預(yù)制化作業(yè)也是施工工廠化技術(shù)發(fā)展的必然趨向，是提升工程質(zhì)量和修建進度、減少資源消耗的主要措施[3]。

同時，在經(jīng)濟、技術(shù)效益上，預(yù)制技術(shù)所體現(xiàn)的優(yōu)勢也相當(dāng)明顯，工期大幅度縮短及結(jié)構(gòu)的質(zhì)量指標(biāo)，如強度、耐久性以及防腐蝕、防水等性能也得到了保證和提高，現(xiàn)澆混凝土的諸多問題也得以消除。由此可見，預(yù)制施工技術(shù)水平的提高，為施工的標(biāo)準(zhǔn)化、模式化提供了條件，特別是在隧道或其它地下結(jié)構(gòu)工程中施工環(huán)境方面獲得了長足的改善；降低施工成本，契合國家對現(xiàn)代綠色環(huán)保施工的政策導(dǎo)向[4]。

目前，國內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道多以公路隧道為主，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)單、雙層皆有。上海復(fù)興東路越江隧道為雙層隧道，采用上部預(yù)制板安裝后下層現(xiàn)澆的施工技術(shù)[5]。杭州錢江隧道盾構(gòu)段采用先安裝中部口型預(yù)制構(gòu)件，后現(xiàn)澆邊側(cè)牛腿及邊側(cè)行車道板的施工技術(shù)[6]。揚州瘦西湖隧道設(shè)計了一種雙層臺車，在不干擾隧道內(nèi)運輸?shù)那疤嵯逻M行行車道板的安裝及立柱現(xiàn)澆[7]。南江緯三路過江盾構(gòu)隧道采用了大量的預(yù)制構(gòu)件，但結(jié)構(gòu)內(nèi)立柱依然為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)[8-9]。而在軌道交通方面，長春地鐵2號線袁家店車站是國內(nèi)第一座預(yù)制裝配式地鐵車站的試驗站，開拓了預(yù)制施工在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用[10]。其它地下工程施工，預(yù)制拼裝技術(shù)亦有所涉獵，如十堰市地下綜合管廊采用了墻板分離預(yù)制拼裝施工工藝[11]。

綜上所述，由于每條隧道都有各自的獨特性，隧道內(nèi)部軌下結(jié)構(gòu)施工方式也各不相同，以全部現(xiàn)澆施工或者部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆施工為主。目前在國內(nèi)軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝的施工方法尚屬空白。本文以新建京張鐵路清華園隧道盾構(gòu)段為例，介紹一種鐵路大直徑盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制的綠色快速施工技術(shù)。

2 工程概況及方案研究

2.1 工程施工環(huán)境

清華園隧道為新建京張高鐵控制性重點工程，位于北京市海淀區(qū)，正線全長6.02 km，并行地鐵13號線，穿越4處地鐵、7處主要城市道路及88條重要市政管線，是國內(nèi)目前穿越地層最復(fù)雜、穿越重要建(構(gòu))筑物最多的鐵路單洞雙線大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險隧道。

2.2 工程特點

(1)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)保要求高。地處城市核心區(qū)，周邊居民、高校密集，施工環(huán)境與郊區(qū)、野外差異很大，特別是環(huán)保要求日益提高，對施工組織、物料運輸、夜間施工、設(shè)備運轉(zhuǎn)等造成了極大制約，嚴重影響施工組織。

(2)風(fēng)險密集，控制要求高。隧道全線側(cè)穿地鐵13號線，穿越10號線、15號線、12號線(在建)，下穿學(xué)院南路、北三環(huán)、知春路、北四環(huán)、成府路、清華東路等，并下穿73條主要管線，風(fēng)險源密集，對施工控制提出了極為苛刻的要求。

(3)工期緊張，場地不滿足。為保證節(jié)點工期，在如此復(fù)雜的條件下，盾構(gòu)每個月平均掘進進度指標(biāo)為280 m，在同類工程中前所未有。

2.3 方案研究

在清華園隧道施工過程中，首次采用機械化程度高、施工速度快的軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝的施工方法進行施工。

采用構(gòu)件全預(yù)制的施工方案，機械化程度高，現(xiàn)場施工無需周轉(zhuǎn)材料，減少了施工占地，成功解決了因施工環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致的對施工組織、物料運輸?shù)鹊臉O大制約。同時，因采用構(gòu)件全預(yù)制的方案，避免了洞內(nèi)交叉施工，減少了施工對交通及環(huán)境的影響，實現(xiàn)了綠色、低碳、環(huán)保的施工目標(biāo)。

預(yù)制構(gòu)件采用工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場拼裝，因此避免了商品混凝土發(fā)運、環(huán)保政策及天氣情況等因素導(dǎo)致無法施工的問題，在很大程度上解決了施工工期緊張、場地不滿足的施工難題。

3 施工技術(shù)

(1)軌下結(jié)構(gòu)

清華園隧道盾構(gòu)段為單洞雙線隧道，全長4 448.5 m，隧道管片外徑12.2 m、內(nèi)徑11.1 m，管片環(huán)寬2 m，壁厚0.55 m，按6+2+1模式進行拼裝。為加快施工進度，清華園隧道軌下架構(gòu)采取中間預(yù)制“口”字件(中箱涵)+兩側(cè)預(yù)制邊箱涵的結(jié)構(gòu)形式，實現(xiàn)軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝施工。中箱涵之間、中箱涵與邊箱涵之間均采用螺栓連接，每隔100 m設(shè)置一個緊急疏散樓梯，同時設(shè)置通風(fēng)口。疏散樓梯及通風(fēng)口處均為異型箱涵。

清華園隧道全預(yù)制軌下結(jié)構(gòu)為全國首創(chuàng)，即采用3塊獨立箱涵拼裝形式(2塊邊箱涵和1塊中箱涵，見圖1)，中箱涵隨盾構(gòu)機掘進利用盾構(gòu)機自帶箱涵拼裝機施工，邊箱涵由特制邊箱涵拼裝機進行拼裝，滯后于中箱涵，位于盾構(gòu)機四號臺車尾部。

中箱涵用作救援通道，邊箱涵用作通風(fēng)風(fēng)道及設(shè)備管廊。箱涵均采用C40混凝土預(yù)制，縱向長度均為1 980 mm。預(yù)制箱涵使用M24螺栓機械連接，箱涵同管片襯砌間具有30 mm空隙，待安裝完畢后用水泥基灌漿料填充。

圖1 隧道內(nèi)部軌下結(jié)構(gòu)(單位：mm)

(2)施工步驟

大直徑盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制施工技術(shù)主要包括三個階段，分別為中箱涵的運輸及拼裝、邊箱涵的運輸及拼裝、水泥基灌漿料填充空隙。

中箱涵的運輸及拼裝與以往的盾構(gòu)隧道施工技術(shù)相近。首先，利用已拼裝完成的中箱涵形成的運輸通道，將中箱涵運輸至盾構(gòu)機尾部，再利用盾構(gòu)后配套設(shè)施中的起吊安裝一體化設(shè)備(見圖2)將中箱涵拼裝到位。

圖2 隧道預(yù)制中箱涵拼裝

邊箱涵的運輸及拼裝主要步驟：首先，利用中箱涵形成的運輸通道，將待安裝的邊箱涵運至拼裝臺車處；然后，利用拼裝臺車的起吊機構(gòu)(見圖3)，將邊箱涵從運輸車進行垂直起吊，待起吊完畢后，開啟橫向移動裝置將邊箱涵平移至所要安裝的邊箱涵側(cè)，隨后將邊箱涵降至安裝位置(見圖4)。此時，邊箱涵可進行同中箱涵及管片間的螺栓連接工作，而拼裝臺車同步進行另一側(cè)邊箱涵的吊裝工作。

圖3 邊箱涵拼裝臺車

圖4 軌下預(yù)制邊箱涵拼裝

在各預(yù)制構(gòu)件與盾構(gòu)管片之間以螺栓形式完成連接后，方可進行注漿，遵從“先底部、再中部、最后上部”的注漿順序，嚴格控制注漿壓力，防止箱涵上浮，使隧道軌下結(jié)構(gòu)成為一個整體。

4 實施效果分析

(1)綜合對比

武漢地鐵八號線黃埔路站-徐家棚站越江區(qū)間[12]與清華園隧道同屬于單洞雙線盾構(gòu)隧道，但其使用的是部分預(yù)制的施工方法，與清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間相比，箱涵采用預(yù)制施工，但后續(xù)的邊跨結(jié)構(gòu)及中隔墻采用整體式現(xiàn)澆施工。清華園盾構(gòu)區(qū)間則采用邊箱涵拼裝機進行軌下邊跨結(jié)構(gòu)的預(yù)制施工，平均3人5 min可拼裝完成一塊邊箱涵，極大提高了盾構(gòu)隧道內(nèi)軌下結(jié)構(gòu)施工速度，縮短了工期。同時與黃浦路-徐家棚盾構(gòu)區(qū)間的現(xiàn)澆邊跨結(jié)構(gòu)相比，構(gòu)件質(zhì)量更高、價格更低。

(2)全預(yù)制施工技術(shù)優(yōu)勢

該施工方法機械化程度高、施工速度快，預(yù)制構(gòu)件運至現(xiàn)場即可利用機械進行拼裝，大大提高了工人的工作效率和機械使用效率。

預(yù)制件工廠化生產(chǎn)可實現(xiàn)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化，且對其做好防護措施后不受自然環(huán)境影響，可以充分保證預(yù)制件質(zhì)量，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。統(tǒng)一生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性確保了預(yù)制構(gòu)件幾何形狀精度，大大提高了混凝土結(jié)構(gòu)的美觀性，同時也確保了現(xiàn)場施工的質(zhì)量和效率，降低了損耗，達到節(jié)約工期及材料的目的；構(gòu)件生產(chǎn)采用定型鋼模板，可多次重復(fù)使用，節(jié)約了模板材料投入。

現(xiàn)場施工無需周轉(zhuǎn)材料，不需占用大量材料堆場，減少施工占地，節(jié)約土地，有效降低了盾構(gòu)隧道的建設(shè)成本。

廠制構(gòu)件，養(yǎng)護水循環(huán)利用，減少了現(xiàn)澆混凝土養(yǎng)護時水資源浪費，節(jié)約用水，且養(yǎng)護質(zhì)量容易控制。

全預(yù)制施工不僅避免了洞內(nèi)交叉施工影響，還減小了施工對交通及環(huán)境的影響，節(jié)能環(huán)保，實現(xiàn)了綠色、低碳、環(huán)保的施工目標(biāo)。

工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場拼裝，除后續(xù)砂漿灌封外，無現(xiàn)場混凝土澆筑，避免了受商品混凝土發(fā)運、環(huán)保政策及天氣情況等因素影響無法施工的問題。

(3)臺車優(yōu)點

邊箱涵拼裝臺車由于采用橡膠大直徑輪胎行走輪系，承載能力大、運行平穩(wěn)、環(huán)境適應(yīng)性強；拼裝機行走輪系具有轉(zhuǎn)向功能，能夠適用于隧道彎曲施工環(huán)境；拼裝機前輪設(shè)計有側(cè)向定位裝置，能夠確保拼裝機位置保持在隧道中心。

拼裝機配備四套由變頻+PLC控制的電動葫蘆，采用四點起吊三點平衡原理，能夠確保邊箱涵在吊運過程中保持平穩(wěn)精準(zhǔn)。

車架由型鋼構(gòu)成，具有良好的強度和抗扭性能。邊箱涵吊具采用專用的U型吊具，且設(shè)置有距離檢測裝置、定位和夾緊裝置及彈性緩沖材料，能夠確保U型吊具在吊裝時安全穩(wěn)定不被破壞；吊具具有±90°的回轉(zhuǎn)功能，可實現(xiàn)箱涵件安裝定位時的角度位置精調(diào)。

拼裝機設(shè)置有安全限位系統(tǒng)和超載保護系統(tǒng)，能夠確保在安全、可靠、方便、快速的情況下實現(xiàn)隧道邊箱涵件的拼裝(見圖5～圖6)。

圖5 邊箱涵拼裝臺車正面結(jié)構(gòu)

圖6 邊箱涵拼裝臺車側(cè)面結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

通過對軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝施工方法的分析，并與部分預(yù)制工法對比得出結(jié)論：該施工方法在工期、經(jīng)濟性等方面具有明顯優(yōu)勢，施工靈活性高、適應(yīng)性強、工序循環(huán)時間短、可避免多次物資倒運，使用效果良好，相比現(xiàn)澆施工能大大縮短施工工期。本方法施工進度快、占用井下空間小、節(jié)省人工及材料成本，保證了施工進度及安全要求，環(huán)保效果顯著，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，建議推廣應(yīng)用。