城市高速鐵路明挖隧道裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究

孫一鳴

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

1 概述

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)足發(fā)展，鐵路交通行業(yè)有了突飛猛進(jìn)的增長(zhǎng)，截止2020年底，中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)14.6萬km，其中，鐵路隧道共16 798座，全長(zhǎng)約19 630 km[1]。交通的快速發(fā)展帶動(dòng)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，以區(qū)域間城際、高速鐵路為代表的新型出行模式正在改變著人們的生活方式。為提高交通出行效率，各大城市均建立了綜合交通樞紐，將地鐵、高鐵、公交場(chǎng)站緊密聯(lián)系在一起，高鐵進(jìn)入主城區(qū)成為了必然，城市鐵路隧道應(yīng)運(yùn)而生，成為未來重要的發(fā)展方向。

高速鐵路城市隧道以盾構(gòu)法、明挖法施工為主。目前，明挖城市隧道主要采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，實(shí)施工效低、受場(chǎng)地環(huán)境影響大、現(xiàn)場(chǎng)投入大、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工期不易控制、防水等工藝質(zhì)量較差、環(huán)境友好性差[2-4]。明挖裝配式工法修建城市鐵路隧道，隧道構(gòu)件工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，待現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)拼裝，具有縮短工期、改善施工質(zhì)量、有效控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染等諸多優(yōu)勢(shì)，是建筑產(chǎn)業(yè)化升級(jí)、信息化發(fā)展的有效途徑[5-7]。

混凝土預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑、橋梁、地鐵隧道、輸水管道等領(lǐng)域廣泛使用。國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員對(duì)全預(yù)制、半預(yù)制地下工程進(jìn)行了大量研究[8-12]。隨著研究的深入，我國(guó)預(yù)制裝配式技術(shù)有了長(zhǎng)足發(fā)展，也積累了許多工程經(jīng)驗(yàn)，形成了比較成熟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[13]。2015年我國(guó)首座采用全預(yù)制拼裝工藝地鐵車站—袁家店站在長(zhǎng)春建成[14]；北京市首座預(yù)制拼裝工藝的地鐵車站金安橋站，試驗(yàn)段工期比傳統(tǒng)工藝縮短了 2/3，現(xiàn)場(chǎng)工效得到大幅提升[15]；北京朝陽動(dòng)車所試車線地面線采用預(yù)制裝配式構(gòu)件拼裝，長(zhǎng)度80 m[16]。此外，我國(guó)在裝配式矩形盾構(gòu)、綜合管廊、拼裝沉管隧道的工程實(shí)施方面也有較多成功案例[17-20]。

目前，明挖裝配式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于城市軌道交通、市政管廊等領(lǐng)域，還未在高速鐵路中運(yùn)用，以雄忻高鐵雄安隧道裝配式結(jié)構(gòu)方案研究為背景，通過對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)整體受力以及裝配式構(gòu)件局部接頭變形的分析，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)置的合理性。通過工效分析發(fā)現(xiàn)，裝配式方案可有效提高工效，減少總工期，加速一體化實(shí)施進(jìn)程，從而驗(yàn)證了裝配式方案的優(yōu)勢(shì)及合理性。

2 明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)方案

2.1 工程概況

雄忻高鐵雄安隧道位于規(guī)劃雄安新區(qū)，隧道總長(zhǎng)約20 km，周邊規(guī)劃有多項(xiàng)市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設(shè)計(jì)、施工。隧址區(qū)位于華北平原區(qū)，屬于沖洪積平原小區(qū)，地形平坦，地勢(shì)開闊，略有起伏，局部為低洼地，地表多辟為耕地。本工程范圍內(nèi)地層主要為第四系沖洪積地層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉細(xì)砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土。線位距離白洋淀較近，地下水位較高。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水類型為第四系孔隙水，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)和地下水的賦存條件，分為潛水和承壓水。其中，砂層為主要含水層，富水性和透水性較好，其他為弱透水層。

隧道出口段落采用明挖裝配式結(jié)構(gòu)，該段落為直線段，長(zhǎng)250 m，設(shè)計(jì)速度250 km/h，線間距5 m。結(jié)構(gòu)形式采用拱形明洞形式，基坑采用放坡開挖形式，如圖1所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面(單位：mm)

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

裝配式隧道結(jié)構(gòu)采用拱形明洞形式，隧道寬18.6 m，高12.12 m。隧道設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)空間受力關(guān)系、預(yù)制塊吊裝、結(jié)構(gòu)運(yùn)輸，將隧道結(jié)構(gòu)橫斷面分為6塊，如圖2所示。

圖2 襯砌環(huán)橫斷面分塊構(gòu)造(單位：mm)

2.3 結(jié)構(gòu)拼裝方案

根據(jù)裝配式預(yù)制構(gòu)件的拼裝方法不用，可采用2種拼裝方法，分別為龍門吊+預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車吊拼法以及拼裝機(jī)+運(yùn)輸設(shè)備+預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車拼裝法。

2.3.1 龍門吊+預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車吊拼法

結(jié)構(gòu)拼裝采用臺(tái)車+吊裝的方式，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)主要分為門架、模板、附屬機(jī)構(gòu)、附屬平臺(tái)、行走系統(tǒng)、液壓泵站等部件，吊裝臺(tái)車構(gòu)成見圖3。

圖3 吊裝臺(tái)車示意

完成基坑開挖后架設(shè)龍門架；在初始拼裝位置安裝固定架，作為拼裝受力架和定位架；利用龍門吊吊裝預(yù)制塊A，后吊裝B、C塊，將A/C、A/B塊間定位螺栓穿入并鎖緊；利用龍門吊吊裝E塊，將C/E塊間定位螺栓穿入并鎖緊；利用龍門吊吊裝D塊，將B/D塊間定位螺栓穿入并鎖緊；利用龍門吊吊裝F塊，使用工裝上的調(diào)整油缸調(diào)整F塊位置，安裝F塊就位，將D/F、E/F塊間定位螺栓穿入并鎖緊。按以上步驟繼續(xù)安裝第N+1環(huán)，并將環(huán)與環(huán)之間通過螺栓縱向預(yù)緊，第N環(huán)與第N+1環(huán)需錯(cuò)縫安裝。

2.3.2 拼裝機(jī)+運(yùn)輸設(shè)備+預(yù)制襯砌支撐臺(tái)車拼裝法

在初始位置安裝固定架，作為初始的受力件和固定架，依次拼裝整個(gè)臺(tái)車，通過液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)管片，使管片安裝到位。回縮滑移油缸為管片提供一個(gè)預(yù)緊力，安裝軸向預(yù)緊螺栓，重復(fù)以上步驟，依次抓取其余管片，通過液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)管片，分別控制兩側(cè)的伸縮油缸，使管片調(diào)整到位，回縮滑移油缸為管片提供一個(gè)預(yù)緊力，安裝軸向預(yù)緊螺栓并安裝塊與塊之間的螺栓，直至完成整環(huán)安裝，拼裝臺(tái)車構(gòu)成見圖4。

圖4 拼裝臺(tái)車示意

2.3.3 結(jié)構(gòu)拼裝方案選擇

拼裝法臺(tái)車可適應(yīng)不同內(nèi)輪廓的隧道斷面，吊裝法臺(tái)車模板需根據(jù)隧道內(nèi)輪廓進(jìn)行定做，拼裝法臺(tái)車適用性更強(qiáng)，但成本較吊裝法高，且工效偏低。本線在隧道出口大放坡段240 m范圍內(nèi)采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，段落結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓形式單一，開挖面大場(chǎng)地開闊，龍門吊安裝方便。從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率及臺(tái)車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。

3 結(jié)構(gòu)受力模型計(jì)算

3.1 整體模型受力計(jì)算

參考盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力及變形計(jì)算，采用慣用計(jì)算法。若將管片結(jié)構(gòu)視為梁，接頭視為變形連續(xù)彈簧，分別用來模擬管片和接頭的力學(xué)特性。通過彎矩提高系數(shù)ξ(彎矩增大系數(shù)ξ取0.3[21-22])來實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)縫拼裝彎矩傳遞的評(píng)價(jià)。計(jì)算時(shí)取單環(huán)管片進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力M、N，然后考慮錯(cuò)縫拼裝后的整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩分配。

本工程范圍內(nèi)地層主要為第四系沖洪積地層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉細(xì)砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土，地層參數(shù)見表1。

表1 土層物理性質(zhì)參數(shù)

采用SAP84有限元計(jì)算軟件，對(duì)整體結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，考慮到截面剛度分配，側(cè)墻使用變截面，使拱腳處截面適當(dāng)加大。分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬坑底地層對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移和底板垂直位移的約束作用，結(jié)構(gòu)底部豎向彈簧僅能承受壓力。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算荷載如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載

此裝配式截面設(shè)置在隧道出口段，上部填土高度最高為3 m。地下水位按2種工況考慮。工況1：地下水位按照抗浮設(shè)計(jì)水位計(jì)算；工況2：按低水位進(jìn)行考慮，設(shè)計(jì)水位在結(jié)構(gòu)底板以下。采用水土分算方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，荷載組合分項(xiàng)系數(shù)見表2。

表2 荷載組合分項(xiàng)系數(shù)

3.2 接口計(jì)算

雄忻鐵路明挖裝配式預(yù)制構(gòu)件接頭型式為榫槽式接頭，接頭采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線加強(qiáng)，預(yù)制構(gòu)件厚700 mm。對(duì)于拱墻型明挖隧道來說，結(jié)構(gòu)頂拱、側(cè)墻和底板受力工況均為軸力和彎矩組合工況，即：結(jié)構(gòu)構(gòu)件同時(shí)承受軸力和彎矩的作用。因此，主要研究軸力和彎矩組合工況作用下接頭抗彎剛度的影響因素，計(jì)算模型一端固定，另一端施加軸力N，來模擬接口處所受軸力，施加向上的集中力F，使接口位置達(dá)到設(shè)計(jì)彎矩，計(jì)算受力示意見圖6。

圖6 計(jì)算模型受力示意

采用有限元分析軟件Midas FEA，建立三維有限元模型進(jìn)行分析，模型的接頭主體部分混凝土結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬，接觸部分使用接觸單元模擬。在模型中建立了混凝土-混凝土接觸面單元。模擬的接縫模型弦長(zhǎng)約4 m，環(huán)寬1.5 m，厚0.7 m?；炷敛捎脤?shí)體單元，預(yù)應(yīng)力筋采用鋼筋單元，混凝土界面采用三維界面單元，預(yù)制構(gòu)件間混凝土-混凝土接觸面，接觸面摩擦因數(shù)取0.4[23]。三維有限元模型見圖7。

模型結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，采用彈性模型，彈性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用φ15.2 mm高強(qiáng)度鋼絞線，每孔12束；鋼絞線截面面積2.18×10-4m2；抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa；彈性模量2.05×105MPa，泊松比0.25，容重78.5 kN/m3。

4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段的整體受力和接頭處局部變形進(jìn)行分析，從而判斷裝配式隧道結(jié)構(gòu)在使用階段的整體強(qiáng)度和接頭使用性能。

4.1 整體受力分析

從各荷載組合計(jì)算結(jié)果分析，本項(xiàng)目工況按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行配筋，結(jié)構(gòu)承載能力極限均滿足要求，圖8、圖9分別為高、低水位工況的彎矩分布，表3、表4分別為高、底水位工況的最大效應(yīng)值。

圖8 高水位工況彎矩圖(單位：kN·m)

圖9 低水位工況彎矩圖(單位：kN·m)

表3 高水位工況

表4 低水位工況

通過上述兩種工況的效應(yīng)值進(jìn)行包絡(luò)配筋，拱墻采用φ20 mm@100 mm，仰拱采用φ20 mm@ 100 mm+φ20 mm@100 mm，拱腳采用φ25 mm@ 100 mm+φ25 mm@100 mm配筋模式，均可將結(jié)構(gòu)裂縫控制在0.2 mm以內(nèi)，整體受力滿足要求。

4.2 接頭受力分析

根據(jù)總體荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果，選取最不利位置接頭軸力和彎矩進(jìn)行計(jì)算。接頭位置軸力為1 000 kN，彎矩為2 000 kN·m進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果見圖10、圖11。

圖10 未施加預(yù)應(yīng)力水平方向位移云圖

圖11 施加預(yù)應(yīng)力水平方向位移云圖

未對(duì)接頭施加預(yù)應(yīng)力時(shí)接縫張開量為0.139 mm，對(duì)接頭施加2 000 kN預(yù)應(yīng)力時(shí)接縫張開量為0.115 mm。由此可見，在對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力后，接縫張開量減小，說明預(yù)應(yīng)力對(duì)接縫張開量有一定的抑制作用，可減小接縫處變形。在最不利彎矩和軸力作用下，接縫張開量小于0.2 mm，接頭變形量小，完全可以保證接縫位置的防水可靠性，說明該方案接頭連接具備有效性。

5 施工工效分析

雄忻高鐵雄安隧道位于雄安新區(qū)起步區(qū)，周邊規(guī)劃有多項(xiàng)市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設(shè)計(jì)、施工，建設(shè)期與周邊多項(xiàng)市政工程同步實(shí)施，總體工期短，交叉工程多，鐵路隧道位于各項(xiàng)工程的最下層，完成時(shí)間決定著上方及周邊市政工程的開工建設(shè)，制約著總體建設(shè)工期。

明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)可大幅提高現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)效率，縮短施工期。由于裝配式隧道管片預(yù)處理、接縫注漿、拱頂覆土、仰拱填充等工序可與管片拼裝平行作業(yè)，因此，計(jì)算單環(huán)管片安裝時(shí)間從吊裝到最后管片成環(huán)預(yù)緊即可。仰拱底部填充及調(diào)平處理約0.5 h，吊裝、移動(dòng)設(shè)備、螺栓預(yù)緊及緊固合計(jì)耗時(shí)約1 h，預(yù)制構(gòu)件平均單環(huán)有效作業(yè)時(shí)間約為1.5 h，預(yù)計(jì)作業(yè)效率可達(dá)8 m/d。傳統(tǒng)明挖鐵路隧道按12 m臺(tái)車計(jì)算，仰拱施工需4 d，側(cè)墻施工需5 d，拱頂施工需7 d，考慮流水作業(yè)，襯砌作業(yè)效率約為12 m/7d，可推算出此段落可比現(xiàn)澆工藝節(jié)省約110 d，從工效方面裝配式襯砌有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，裝配式構(gòu)件均在廠內(nèi)加工，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝即可，能夠解決寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)冬季無法施工的問題。由此，裝配式結(jié)構(gòu)可大幅度提高工效，為一體化實(shí)施項(xiàng)目中的其他工程，爭(zhēng)取施工時(shí)間，緩解總體工期壓力。

6 結(jié)論

依托雄忻高鐵雄安隧道方案研究，開展裝配式高鐵隧道設(shè)計(jì)，對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)的拼裝方式及施工效率進(jìn)行了分析。并通過有限元計(jì)算軟件，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的整體受力及局部接頭變形情況進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論。

(1)結(jié)合本次裝配式實(shí)施段落的工程條件，從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率以及臺(tái)車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。

(2)經(jīng)整體受力分析，預(yù)制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及耐久性均滿足要求。

(3)對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)接頭施加預(yù)應(yīng)力后，接縫張開量減小，預(yù)應(yīng)力筋對(duì)接縫張開量有一定的抑制作用，可減小接縫處的變形。在最不利彎矩和軸力作用下，接縫張開量小于0.2 mm，接頭變形量小，可保證接縫位置的防水可靠性，該方案接頭連接具備有效性。

(4)裝配式襯砌在提高工效方面有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能解決寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)冬季無法施工問題。由此，裝配式結(jié)構(gòu)可大幅度提高工效，為一體化實(shí)施項(xiàng)目中的其他工程，爭(zhēng)取施工時(shí)間，緩解總體工期壓力。