高速鐵路單線(xiàn)盾構(gòu)隧道裝配式隧底回填結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

唐 偉

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

引言

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用，盾構(gòu)法因其具有高效快速、安全可靠等特點(diǎn)，成為修建城市地下隧道的主要方法[1-2]。根據(jù)目前工程技術(shù)發(fā)展水平及建設(shè)現(xiàn)狀，為滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)功能需要，充分利用隧道內(nèi)建筑空間，單洞雙線(xiàn)鐵路或軌道交通盾構(gòu)隧道的軌下結(jié)構(gòu)基本上分為3個(gè)洞室，多采用洞內(nèi)現(xiàn)澆施工或部分預(yù)制+現(xiàn)澆施工[3-4]；京張高鐵清華園隧道盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)采用全預(yù)制拼裝連接的結(jié)構(gòu)形式[5-6]。單洞單線(xiàn)盾構(gòu)隧道的隧底回填受結(jié)構(gòu)形式、洞內(nèi)作業(yè)空間影響，基本上都是在洞內(nèi)現(xiàn)澆施工，尚未有采用預(yù)制生產(chǎn)、拼裝連接的工程案例。

單線(xiàn)盾構(gòu)隧道隧底回填現(xiàn)澆施工基本上是在盾構(gòu)隧道貫通后，在隧道內(nèi)澆筑施作隧底回填；在隧底回填現(xiàn)澆施工中，特別是長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧道，聯(lián)絡(luò)通道與隧底回填基本上同步施工，聯(lián)絡(luò)通道附近的隧底回填與聯(lián)絡(luò)通道施工相互影響干擾比較大，需交叉作業(yè)；同時(shí)存在著洞內(nèi)施工組織安排、物料運(yùn)輸組織比較麻煩、作業(yè)環(huán)境差、混凝土養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)等技術(shù)難題[7]，致使施工效率相對(duì)較低。

隨著裝配式建造技術(shù)的發(fā)展，參照盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)[8-12]，為解決隧底回填現(xiàn)澆施工中存在的技術(shù)難題，根據(jù)盾構(gòu)法隧道的相關(guān)技術(shù)要求，同時(shí)借助盾構(gòu)工法機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)[13-14]，結(jié)合具體工程項(xiàng)目的技術(shù)條件，對(duì)高速鐵路單線(xiàn)盾構(gòu)隧道隧底回填裝配式技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某高鐵隧道設(shè)計(jì)為雙洞單線(xiàn)，位于北京市區(qū)范圍內(nèi)，大致沿京承高速公路方向走行，隧道長(zhǎng)8 km。根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)及周邊環(huán)境，隧道采用明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法施工；其中盾構(gòu)法施工段落長(zhǎng)6 900 m，設(shè)有3個(gè)豎井，3個(gè)豎井之間盾構(gòu)段落長(zhǎng)度分別為3 700，3 200 m；盾構(gòu)管片內(nèi)徑9.5 m，管片外徑10.5 m，管片厚50 cm，管片環(huán)寬2 m。采用4臺(tái)直徑10.9 m的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)相向掘進(jìn)施工[15]。該隧道是整個(gè)高鐵項(xiàng)目的控制性工程，施工風(fēng)險(xiǎn)高、工期非常緊張。盾構(gòu)隧道斷面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道斷面示意(單位：mm)

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

隧道沿線(xiàn)地形比較平坦，沿線(xiàn)地層主要為人工填土層、第四紀(jì)全新世沖洪積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層。隧道穿越地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土、砂層土等。隧道沿線(xiàn)范圍內(nèi)的地下水主要為第四紀(jì)松散沉積物孔隙水，含水層為砂土、碎石土和粉土；根據(jù)其水力性質(zhì)不同可分為上層滯水、潛水、層間水和承壓水。上層滯水埋深1.00～7.20 m，主要含水層為粉土、 砂土及填土，潛水埋深16.00 m，主要含水層為砂土層。

隧道沿線(xiàn)不良地質(zhì)主要為區(qū)域地面沉降，根據(jù)1955年至2013年間的累計(jì)地面沉降統(tǒng)計(jì)，隧道穿越段落58年間的地面累計(jì)沉降量800～1 000 mm，近3年年平均沉降速率為30～50 mm，地面沉降發(fā)育強(qiáng)烈。

1.3 隧底回填結(jié)構(gòu)斷面

根據(jù)隧道建筑限界、洞內(nèi)各設(shè)施及附屬構(gòu)筑物的布設(shè)，隧底回填采用實(shí)體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)寬5 312 mm，高812 mm，為C30混凝土結(jié)構(gòu)。隧底回填結(jié)構(gòu)斷面如圖2所示。

圖2 隧底回填結(jié)構(gòu)斷面示意(單位：mm)

2 隧底回填裝配式結(jié)構(gòu)方案研究

根據(jù)隧道所在區(qū)域的工程地質(zhì)情況，隧道沿線(xiàn)區(qū)域沉降比較明顯。盾構(gòu)隧道為條帶狀柔性結(jié)構(gòu)，其抗變形能力較差[16]，故隧道結(jié)構(gòu)及軌道結(jié)構(gòu)的沉降變形，特別是差異沉降相對(duì)較大，進(jìn)而影響高速鐵路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全。為提高隧道沿線(xiàn)路方向的剛度，在隧底回填內(nèi)沿線(xiàn)路方向通長(zhǎng)設(shè)置具有一定剛度的縱梁與盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)連接，以減少其不均勻沉降。

結(jié)合盾構(gòu)工法特點(diǎn)及盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備空間布設(shè)現(xiàn)狀，根據(jù)隧底回填結(jié)構(gòu)形式及具體技術(shù)條件，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，即隧底回填采用預(yù)制生產(chǎn)、隧道內(nèi)拼裝連接。

2.1 分塊預(yù)制方案

根據(jù)隧底回填結(jié)構(gòu)斷面尺寸，在其中間部位通長(zhǎng)布設(shè)應(yīng)對(duì)地面區(qū)域不均勻沉降的縱梁，采用現(xiàn)澆法施工、通過(guò)植筋與其下面的管片連接，縱梁兩側(cè)部分采用預(yù)制生產(chǎn)、隧道內(nèi)拼裝、螺栓連接。為保證盾構(gòu)施工期間物料機(jī)具的正常運(yùn)輸，在兩側(cè)預(yù)制塊上面鋪設(shè)臨時(shí)運(yùn)輸軌道，單側(cè)預(yù)制塊的橫向?qū)挾葢?yīng)滿(mǎn)足鋪設(shè)軌道的要求。

隧底回填預(yù)制塊沿線(xiàn)路方向的長(zhǎng)度與管片環(huán)寬一致，以便于與盾構(gòu)管片協(xié)調(diào)布設(shè)，隧底回填預(yù)制塊之間采用螺栓連接[17-18]?？v梁兩側(cè)的預(yù)制塊及縱梁采用可調(diào)節(jié)的鋼質(zhì)絲杠連接起來(lái)，以提高隧底回填結(jié)構(gòu)的整體性。如圖3所示。

圖3 分塊預(yù)制方案示意(單位：mm)

管片環(huán)寬范圍內(nèi)的縱梁與兩側(cè)預(yù)制塊采用6根鋼質(zhì)絲杠連接，在地面將左、右兩預(yù)制塊及絲杠組裝好后整體吊裝至隧道內(nèi)，運(yùn)至預(yù)定位置，利用盾構(gòu)機(jī)后配套上配置的隧底回填預(yù)制塊吊裝系統(tǒng)進(jìn)行拼裝，并采用螺栓連接好。然后施作縱梁植筋、綁扎縱梁鋼筋、澆筑縱梁混凝土，連同連接絲杠一并埋入縱梁混凝土中；再通過(guò)預(yù)制塊上預(yù)留的灌漿孔向預(yù)制塊之間、預(yù)制塊底部與管片內(nèi)弧面之間的空隙內(nèi)壓注灌漿料，以確保各孔隙填筑密實(shí)。

2.2 整塊預(yù)制方案

隧底回填采用整塊預(yù)制，應(yīng)對(duì)地面區(qū)域不均勻沉降的縱梁布設(shè)在預(yù)制塊上面的中間位置，不與管片結(jié)構(gòu)連接；考慮到區(qū)域不均勻沉降及后續(xù)軌道施工的需要，在預(yù)制塊上面、軌道結(jié)構(gòu)下面預(yù)留150 mm厚找平層，找平層內(nèi)布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，穿過(guò)中間部位的縱梁，與兩側(cè)管片結(jié)構(gòu)通過(guò)植筋連接。具體如圖4所示。

圖4 整體預(yù)制方案示意(單位：mm)

隧底回填預(yù)制塊沿線(xiàn)路方向的長(zhǎng)度與盾構(gòu)管片環(huán)寬一致，其拼裝接縫與管片環(huán)縫對(duì)齊；預(yù)制塊之間的接縫處設(shè)置5組凹凸榫槽、采用5根斜螺栓連接，以提高隧底回填預(yù)制塊連接的整體性；預(yù)制塊之間、隧底回填預(yù)制塊與管片內(nèi)表面之間的空隙采用灌漿料填筑。

利用盾構(gòu)機(jī)后配套上配置的吊裝系統(tǒng)拼裝隧底回填預(yù)制塊，并用螺栓連接好；然后在預(yù)制塊上面、中間縱梁的兩側(cè)鋪設(shè)臨時(shí)運(yùn)輸軌道，以滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)施工；待盾構(gòu)隧道貫通后，在預(yù)制塊上面澆筑施工150 mm厚找平層及中間縱梁。

2.3 整塊預(yù)制+兩側(cè)布設(shè)縱梁方案

綜上所述,DR檢查對(duì)隱匿性肋骨骨折的確診有著較高的準(zhǔn)確率,幫助患者減少漏診情況發(fā)生,保證患者的身體健康,是值得臨床上進(jìn)行推廣和使用的有效檢查方法。

為便于隧底回填預(yù)制塊預(yù)制生產(chǎn)、洞內(nèi)運(yùn)輸及拼裝施工，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形狀及軌下空間布設(shè)，在不調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)及兩側(cè)溝槽結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，充分利用兩側(cè)溝槽下面的空間，將應(yīng)對(duì)區(qū)域不均勻沉降的縱梁布設(shè)在隧底回填的兩側(cè)，即兩側(cè)溝槽的下面，根據(jù)等剛度原則確定縱梁斷面形式及結(jié)構(gòu)尺寸。如圖5所示。

圖5 整塊預(yù)制+兩側(cè)布設(shè)縱梁方案示意(單位：mm)

隧底回填采用整塊預(yù)制，在預(yù)制塊上面預(yù)留150 mm厚找平層。找平層及兩側(cè)縱梁采用現(xiàn)澆施工，找平層內(nèi)布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋錨入兩側(cè)的縱梁內(nèi)，并通過(guò)植筋與管片結(jié)構(gòu)連接[19]。

隧底回填預(yù)制塊沿線(xiàn)路方向的長(zhǎng)度與盾構(gòu)管片環(huán)寬一致，預(yù)制塊之間設(shè)置4組凹凸榫槽，并通過(guò)3根斜螺栓連接。預(yù)制塊與預(yù)制塊之間、預(yù)制塊與管片內(nèi)表面之間的空隙采用灌漿料填筑。其施工工藝與整塊預(yù)制方案一致。

2.4 方案對(duì)比分析

為合理確定隧底回填裝配式結(jié)構(gòu)形式，對(duì)上述3個(gè)方案進(jìn)行綜合比選分析。具體如表1所示。

表1 隧底回填方案比較分析

通過(guò)比選分析，綜合考慮隧底回填裝配式施工工藝、技術(shù)經(jīng)濟(jì)、盾構(gòu)機(jī)配置及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為確保施工安全、施工質(zhì)量及施工工期，推薦選用整塊預(yù)制+兩側(cè)布設(shè)縱梁方案。

3 隧底回填裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

隧底回填預(yù)制塊同盾構(gòu)管片一樣，采用高精度模具提前預(yù)制生產(chǎn)、在隧道內(nèi)拼裝連接；然后向隧底回填預(yù)制塊之間的拼裝接縫、隧底回填預(yù)制塊與管片內(nèi)表面之間的空隙內(nèi)壓注灌漿料；待盾構(gòu)隧道貫通后，在洞內(nèi)澆筑施工上面找平層及位于隧底回填預(yù)制塊兩側(cè)的應(yīng)對(duì)區(qū)域沉降縱梁。隧底回填預(yù)制塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是核心，拼裝施工是關(guān)鍵，預(yù)制塊上面的找平層及兩側(cè)縱梁混凝土的澆筑施工是重點(diǎn)。

3.1 隧底回填預(yù)制塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)隧底回填結(jié)構(gòu)形式，隧底回填預(yù)制塊結(jié)構(gòu)斷面呈月牙形，上表面與軌面平行，下表面呈圓弧形，與盾構(gòu)管片為同心圓，為便于預(yù)制塊的拼裝固定，下表面設(shè)置4個(gè)支座；為滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)施工需要，預(yù)制塊寬4.29 m，高0.61 m[20-21]。

在隧底回填預(yù)制塊上表面的中間部位預(yù)留2個(gè)φ150 mm上下中空的灌漿孔，用于預(yù)制塊拼裝后的壓注灌漿料；在4個(gè)角部各預(yù)留1個(gè)吊裝孔，吊裝孔同時(shí)兼作壓注灌漿料時(shí)的排氣孔。隧底回填預(yù)制塊結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示。

圖6 隧底回填預(yù)制塊結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：mm)

圖7 隧底回填預(yù)制塊結(jié)構(gòu)平面(單位：mm)

3.2 隧底回填預(yù)制塊拼裝

借助盾構(gòu)工法機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)，利用盾構(gòu)機(jī)后配套臺(tái)車(chē)上配備的專(zhuān)用吊裝系統(tǒng)拼裝隧底回填預(yù)制塊，不影響前方盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)、管片拼裝，其拼裝接縫與盾構(gòu)管片環(huán)縫對(duì)齊。隧底回填預(yù)制塊在拼裝接縫處設(shè)置4組凸凹榫槽，以提高接縫處的連接剛度；并采用3根斜螺栓連接，以提高預(yù)制塊拼裝后的整體性。預(yù)制塊接縫處連接見(jiàn)圖8。

圖8 隧底回填預(yù)制塊接縫處連接示意

為保證隧底回填預(yù)制塊的拼裝精度，其橫向定位中線(xiàn)偏差≯5 mm，縱向定位偏差≯5 mm，相鄰塊間頂面高差≯10 mm；隧底回填在曲線(xiàn)段拼裝時(shí)，在預(yù)制塊的曲線(xiàn)外側(cè)部位粘貼丁晴軟木橡膠墊薄片，以調(diào)整預(yù)制塊之間的間隙，實(shí)現(xiàn)對(duì)曲線(xiàn)半徑的擬合，薄板厚度根據(jù)曲線(xiàn)半徑計(jì)算確定。

3.3 壓注灌漿料

隧底回填預(yù)制塊拼裝完成后，通過(guò)預(yù)制塊上預(yù)留的灌漿孔向預(yù)制塊之間、預(yù)制塊與盾構(gòu)管片內(nèi)表面之間的空隙壓注灌漿料，灌漿料采用水泥基灌漿料。以10塊預(yù)制塊為一組，完成一組預(yù)制塊拼裝后，在盾構(gòu)掘進(jìn)方向第10塊預(yù)制塊與管片底部間隙內(nèi)，施作膨脹橡膠條以實(shí)現(xiàn)止?jié){；灌漿施工應(yīng)連續(xù)作業(yè)，待吊裝孔(兼做排氣孔)及拼裝接縫頂部冒漿后方可停止，以確保填充密實(shí)。

3.4 找平層及縱梁施工

隧道貫通后，根據(jù)貫通測(cè)量結(jié)果及隧底回填預(yù)制塊拼裝施工情況，在隧道內(nèi)澆筑隧底回填預(yù)制塊上面150 mm厚的找平層及兩側(cè)的縱梁，找平層內(nèi)布設(shè)鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片伸入兩側(cè)的縱梁內(nèi)，并穿過(guò)縱梁與隧道管片結(jié)構(gòu)采用植筋連接，以提高隧底回填結(jié)構(gòu)的整體性。

4 預(yù)制塊施工及實(shí)施效果

為確保隧底回填拼裝施工質(zhì)量，嚴(yán)格按照上述技術(shù)方案、施工工藝及施工流程開(kāi)展隧底回填施工。隧底回填與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)、管片拼裝同步進(jìn)行，利用兩者間歇時(shí)間，運(yùn)輸各工序施工需要的物料設(shè)備，以滿(mǎn)足正常施工。盾構(gòu)掘進(jìn)貫通后，隧道回填預(yù)制塊也同步實(shí)施完成，盾構(gòu)機(jī)拆機(jī)后再實(shí)施上面的找平層及兩側(cè)的縱梁，比隧道回填現(xiàn)澆施工節(jié)省工期至少4個(gè)月；隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境得到明顯改善，避免了現(xiàn)澆施工需要的大量的人力物力投入，有利于洞內(nèi)施工組織，大大提高了施工效率，隧底回填實(shí)施效果良好?，F(xiàn)場(chǎng)施工見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 隧道回填施工現(xiàn)場(chǎng)

圖10 隧道回填施工完成

5 結(jié)論與建議

對(duì)裝配式隧底回填，通過(guò)對(duì)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(gè)方案進(jìn)行綜合比選分析，結(jié)合隧底回填具體實(shí)施情況，得出以下結(jié)論。

(1)高速鐵路單線(xiàn)盾構(gòu)隧道隧底回填采用預(yù)制生產(chǎn)、在隧道內(nèi)拼裝連接的裝配式實(shí)施方案可行，可以實(shí)現(xiàn)隧道回填與盾構(gòu)掘進(jìn)及管片拼裝同步實(shí)施，能夠提高隧底回填施工質(zhì)量和施工效率，改善隧底回填施工環(huán)境，加快盾構(gòu)隧道的綜合施工進(jìn)度；很好的解決現(xiàn)澆施工存在的問(wèn)題。

(2)根據(jù)隧底回填和軌下空間的設(shè)置情況，隧底回填選用整體預(yù)制+兩側(cè)布設(shè)縱梁的裝配式結(jié)構(gòu)形式，既能借助盾構(gòu)設(shè)備機(jī)械化施工的便利條件，又能充分發(fā)揮縱梁應(yīng)對(duì)區(qū)域不均勻沉降的作用。

(3)預(yù)制塊之間采用螺栓連接，預(yù)制塊之間、預(yù)制塊與管片內(nèi)表面的空隙內(nèi)采用灌漿料壓注密實(shí)；預(yù)制塊上面的找平層及兩側(cè)的縱梁采用現(xiàn)澆施工，并與管片結(jié)構(gòu)通過(guò)植筋連接，能夠提高隧底回填的整體性和抗變形能力。

(4)在后續(xù)類(lèi)似盾構(gòu)隧道工程中，可結(jié)合具體工程技術(shù)條件，進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)制塊接縫處的連接構(gòu)造；將預(yù)制塊結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造進(jìn)一步結(jié)合，提高隧底回填預(yù)制塊拼裝的便捷性及施工質(zhì)量。