高速铁路大跨度预制装配式明洞分块模式和建造方法研究*

管鸿浩,周晓军,王春梅,徐 巍,张 潮,李 旭

(1.中铁第四勘察设计研究院集团有限公司,湖北 武汉 400063; 2.西南交通大学土木工程学院,四川 成都 610031)

0 引言

明洞是高速铁路隧道在穿越浅埋地层时常采用的一种衬砌结构,基于便利组织施工和降低工程造价方面的考虑,明洞通常采用模筑(即立模现浇)方式进行建造。建造明洞模筑施工工艺主要优点为:①模筑后明洞衬砌整体刚度大,而且衬砌防水性能易得到保障;②建造明洞时无需大型运输和吊装设备,因而其建造成本相对较低。但采用模筑施工工艺建造明洞时,缺点也显而易见,主要表现为:①采用模筑施工的工序较多,施工组织较繁杂,致使施工效率低且建设工期较长;②立模现浇时明洞拱部混凝土厚度和强度往往难以达到设计要求而极易引发诸如混凝土衬砌裂缝、渗漏水甚至拱部掉块等质量问题,势必影响隧道长期使用安全[1]。

为解决采用传统模筑施工工艺建造明洞时存在的上述质量问题,国内外学者对明洞设计和建造方法、施工工艺及质量管理等方面开展了相应工程试验与研究。王志伟等[2]对单线铁路隧道全断面预制装配式明洞分块方式进行研究,并给出明洞预制块划分方式,探讨装配式明洞防水措施和安全性。万自强[3]结合单线铁路隧道明洞结构设计特点,从明洞拱墙结构、轨下结构、隧底仰拱结构、防水及耐久性设计等方面阐述了单线铁路拱形明洞预制装配式结构设计方法。许兴伍[4]对超高填方区明洞荷载进行分析,优化超高回填地段明洞荷载计算模式。陈方棨等[5]对采用无拱架的预制块修建明洞拱圈的方法进行研究,并给出采用无拱架吊装预制块而组装明洞的施工方法。Zhang等[6]采用数值模拟计算方法对单线铁路隧道预制装配式衬砌分块方式进行分析,并利用荷载与结构模型计算和分析单线铁路隧道预制装配式衬砌内力分布特点。肖明清等[7]结合武汉长江隧道对大直径盾构法隧道预制管片结构和防水等关键技术进行研究,并提出针对大直径越江盾构隧道的结构形式。杨秀仁[8-9]结合明挖法修建的预制装配式地铁地下车站,研究和总结明挖预制装配式隧道结构拼装的设计方法、拼装精度控制和施工的关键技术。刘彬斌等[10]分析和总结了城市下穿道路中采用明挖法修建预制装配式隧道的分块方式和组装方法。林志等[11]针对钻爆法施工的公路隧道预制装配式衬砌的分块与修建方法进行了研究。上述研究主要针对单线铁路隧道、采用明挖法修建的地铁地下车站或采用钻爆法施工的公路隧道,尚未对大跨度单洞双线铁路隧道明洞的装配式衬砌及其修建方法开展系统研究。

从国内外采用盾构法建造的预制装配式隧道、采用明挖法修建的装配式地铁地下车站及长输油气管道越江盾构隧道等运营的状况分析[7-9,12],因预制构件厚度和强度均能得到有效保证,因此,采用预制钢筋混凝土构件组装的地下结构具有良好承载力和耐久性。与传统模筑施工工艺相比,预制装配式结构在保证工程建设质量、提高施工效率、缩短工期及降低工程建造中的碳排放和保护环境等方面具有显著优势[8-9]。对于目前我国高速铁路线路中隧道和明洞设计和建造方法而言,仍然采用模筑现浇施工工艺。而采用工业化、标准化和智能化的设计与建造方法则是实现高速铁路隧道和明洞高质量建设的有效途径,也是高速铁路线路中隧道和明洞智能建造技术中的研究重点,其中采用预制装配式结构则是实现隧道、工业化、标准化和智能化建造的前提。因此,本文以某高速铁路大跨度山岭隧道工程为研究对象,对采用明挖法建造的高速铁路单洞双线明洞预制装配式衬砌的分块模式、接头类型和防水构造及建造方法开展研究。

1 工程概况

2 明洞横断面和衬砌形式

当采用明挖法建造高速铁路隧道明洞时,明洞衬砌可设计为全环模筑衬砌、全环预制装配式衬砌和局部模筑衬砌与局部预制衬砌相结合的组合式衬砌3种类型。借鉴国内外采用盾构法修建山岭隧道或越江盾构隧道的成功经验[7,12],即采用预制钢筋混凝土管片组装隧道衬砌时,隧道衬砌厚度和强度均能达到设计要求,并能有效避免采用模筑工艺修建隧道时因衬砌厚度和强度不足而引发的质量缺陷问题[1]。

为提高浅埋单洞双线铁路隧道施工效率,确保隧道衬砌施工质量和建设工期,将该高速铁路浅埋隧道设计为采用明挖法修建的全环预制装配式明洞。为此,需分别对明洞衬砌横断面形式和预制装配式明洞衬砌分块方法进行研究。考虑单洞双线高速铁路隧道内运行速率350km/h列车的建筑限界和隧道内救援与安全疏散空间要求,并参考国内外高速铁路和高速公路明挖隧道结构设计特点,分别确定5种明洞衬砌横断面设计方案,如图3所示。其中,图3a和图3b均为带仰拱的曲边墙明洞衬砌横断面设计方案,图3c为曲边墙平底板明洞衬砌横断面设计方案,图3d为矩形框架结构的明洞横断面设计方案,图3e为直边墙与圆弧拱顶的框架结构明洞横断面设计方案,各方案基本设计参数如表1所示。

表1 明洞衬砌横断面基本设计参数

图3 明洞衬砌横断面设计方案

对比图3和表1基本设计参数可知,当设计的明洞横断面满足洞内行驶速率350km/h列车的建筑限界及安全疏散空间前提下,对于明洞衬砌圬工量而言,方案4,5所示的矩形框架结构具有开挖面积和衬砌圬工量均较少的优点。此外,根据矩形框架结构和曲边墙拱形结构内力状况分析,与方案1～3中所示曲边墙衬砌相比,方案4,5所示矩形框架结构在受回填土体压力作用下会产生较大弯矩,故其内部需配置较多钢筋,而方案1～3中曲边墙拱形衬砌中的弯矩较小,因此,曲边墙拱形衬砌在结构承载能力方面具有优势。为进一步对比和分析,分别对上述5个方案中明洞衬砌受回填土体压力作用下的内力进行计算。

3 明洞衬砌内力

以图3a所示的拱形明洞衬砌横断面方案2为例,当用预制钢筋混凝土管片在明挖的U形基槽内组装完明洞衬砌后,在明洞拱圈和边墙预制管片外侧逐层回填土体直至地面。根据该明洞所穿越地段地貌特征和围岩条件,设计的拱形明洞衬砌和明挖基槽及基槽内回填土体后的横断面如图4所示。

图4 明洞和基槽内回填土体后的横断面 (单位:m)

因明洞衬砌由若干块预制管片经组装而成,因而预制管片数量及其分块则是预制装配式明洞结构设计中的主要内容。在确定预制装配式明洞管片分块方式及数量时,除了需要考虑高速铁路明洞衬砌横断面结构设计特点外,更重要的是从预制管片承载安全性,工业化预制、运输与组装的便利性,明洞衬砌防水等方面综合考虑。首先需分析预制装配式明洞所承受的地层压力,由图4可知,明洞建造完成后所承担的荷载主要为回填土体土压力,为此,需要计算明洞衬砌所承受的回填土体土压力。根据该明洞所穿越地层围岩条件,当明挖U形基槽内明洞衬砌组装完毕后,在其墙背后可用粉质黏土、粗角砾岩和强风化泥岩等混合后回填至原地面线,因此回填后的土体不再为原状土。明洞基槽内回填土体物理力学参数如表2所示。

结合该明洞所穿越地层围岩级别,明洞洞顶所承受的回填土体竖向荷载按式(1)进行计算[13]:

qi=γhi

(1)

式中:γ为明洞拱圈以上回填土体容重(kN/m3);hi为明洞拱圈处任意计算点至地面的土体高度(m)。

明洞左、右边墙所承受的回填土体侧向压力可根据式(2)加以计算[13]:

ei=λγhi

(2)

式中:λ为回填土体侧压力系数。

(3)

式中:φ为明洞背后回填土体计算摩擦角(°)。

为便于计算和对比,假设明洞左、右边墙所承受的侧向土压力相等。根据图4和表2所示明洞周围回填土体及其物理力学参数,利用式(1)～(3)即可计算得到明洞衬砌拱圈和左、右边墙所承受的土压力。以图3中曲边墙和矩形框架结构明洞衬砌为例,计算得到明洞衬砌所承受荷载及其承载模式如图5所示。

图5 明洞所承受荷载模式(单位:kPa)

利用图5所示荷载与结构计算模型,分别对5个设计方案中明洞衬砌在回填土压力作用下的内力进行计算并得到各设计方案中明洞衬砌内力及其分布状况,计算结果如图6所示。

图6 各设计方案中明洞衬砌内力

根据图6可得5个设计方案中明洞衬砌拱顶部位最大内力,如表3所示。

由表3可知,方案1,2,3中拱顶内弯矩和轴力均较小,而方案4,5中拱顶弯矩和轴力均较大。相比而言,曲边墙带仰拱的拱形明洞衬砌在基槽内回填土体压力作用下,其拱顶正、负弯矩均小于矩形框架结构明洞拱顶正负弯矩。因此,对于明洞拱顶内力,曲边墙带仰拱明洞要比矩形框架结构明洞具有优势,并且由于拱顶弯矩小,当采用相同截面拱部衬砌时,拱形明洞可减少拱顶混凝土中配置受力钢筋数量。

此外,通过对比曲边墙拱形明洞拱顶内力可知,方案2中明洞拱顶弯矩明显小于方案1,3中明洞拱顶弯矩,因此,对于明洞衬砌受回填土压力作用下的内力状况而言,可将方案2作为该高速铁路单洞双线隧道明洞衬砌横断面推荐方案。

4 明洞衬砌预制块划分

明洞衬砌在回填土体压力作用下引起的内力尤其是弯矩对其承载能力和变形产生较大影响。当明洞衬砌某一截面上弯矩较小而轴力较大时,该部位混凝土处于小偏心压应力状态,则明洞衬砌在此部位具有良好的抗压安全性。若明洞衬砌某截面上弯矩较大而轴力较小时,则衬砌在该部位处于大偏心拉应力状态,此时明洞混凝土衬砌在该截面承载安全性受到较大影响。由图6可知,明洞衬砌横断面上弯矩存在正弯矩和负弯矩,因此在明洞衬砌上必定存在有弯矩值为0的部位。若将装配式明洞预制管片分块位置设置在弯矩值为0或弯矩值较小部位时,则组装后的明洞衬砌在该部位不承受弯矩或承受很小弯矩,因此此部位衬砌仅承受轴向压应力,从而可充分利用和发挥装配式明洞在分块部位良好抗压承载能力。鉴于此,将该明洞预制管片分块位置设置在明洞衬砌横截面上弯矩值为0或较小处,并以此对5个明洞衬砌横断面设计方案中一环衬砌的预制管片分块方案进行对比。

对明洞预制管片设计参数从一环装配式衬砌分块数量、接缝数量、单块管片质量和厚度等方面进行对比与分析。对于采用钢筋混凝土预制管片组装而成的明洞衬砌而言,一环明洞衬砌中预制管片划分除了考虑明洞衬砌承载能力外,还需考虑预制管片制作、运输与组装的便利性及组装后衬砌防水性能。当一环衬砌管片分块数量较多时,则单块预制管片质量较小,且管片也便于运输和组装,但组装后明洞衬砌接缝较多,势必会增加明洞衬砌在接缝部位渗漏水的可能性。若明洞衬砌一环预制管片分块数量较少时,则预制管片组装后明洞衬砌接缝也较少,虽然有利于明洞衬砌防水性能,但分块数量的减少势必会增加预制管片几何尺寸和质量,由此会对预制管片运输和组装造成困难。综合考虑后,提出了如图7所示的装配式明洞衬砌预制管片的5种划分方案。图7中各方案预制管片基本设计参数如表4所示。

由表4可知,方案1,2中明洞衬砌预制管片划分为7块,方案3中明洞衬砌管片划分为6块,而方案4,5中管片划分均为4块。因此方案4,5中明洞衬砌预制管片划分数量较少,但单块预制管片质量大。而方案1,2,3中预制管片数量多,但预制管片质量较小,其中方案2预制管片数量为7块,且各管片质量为最小。综合比较,方案2较为合理,因此将方案2作为该高速铁路隧道预制装配式明洞衬砌管片的划分方案,并以此方案对该明洞预制管片接缝形式、防水构造和管片组装方式开展设计与研究。

5 装配式明洞衬砌预制管片及其接头设计

借鉴国内外城市地铁、铁路越江盾构隧道和公路隧道预制管片的结构形式及其设计参数[7-9,12],根据方案2中所提出的管片划分方法,将该单洞双线铁路隧道明洞的一环衬砌划分为7块管片,即一环明洞衬砌由3块A型、2块B型和2块C型管片组装而成。明洞拱部为A型管片,分为结构形式相同的A1,A2,A3型;左、右边墙为B型管片,分为结构形式相同的B1,B2型,仰拱为C型管片,由结构相同的C1,C2型组装而成。预制管片厚度均设计为700mm,沿明洞轴线方向上管片宽度均设计为2.0m。A,B,C型管片结构设计分别如图8,9,10所示。

图8 A型管片结构设计

图9 B型管片结构设计

图10 C型管片结构设计

在A,B,C型管片左端头和右端头分别设置有半圆形凹、凸榫,在其正面和背面则设置有圆台形凸台与凹槽。此外,在A,B型管片靠近围岩的侧面设置肋板,而在C型管片靠近围岩的侧面设置底座。

与盾构法施工的圆心横断面隧道装配式衬砌不同,由于高速铁路隧道明洞衬砌横断面由4个同心圆弧组成,衬砌半径不相等,因此难以实现盾构法隧道圆形横断面中的错缝拼装。故该装配式明洞衬砌前后相邻预制管片沿其轴线方向上均采用通缝方式进行拼装。

经过对明洞预制管片半圆形凹凸榫接头力学行为分析,对于半圆形榫接头,当凹凸榫设置在管片结构中心线时接头具有良好抗弯和抗剪能力。因此,将管片沿环向一侧端头设计为半圆形凸榫,而其另一侧端头则设计为半圆形凹槽。当2块管片环向组装时,一块管片一侧端头凸榫与另一块管片一侧端头凹槽之间形成对接,对接方式如图11,12所示。

图11 管片间环向对接

管片沿明洞轴线方向上组装时,将前一环管片沿隧道轴向背面上的圆台形凹槽与后一环管片沿隧道轴向正面上的凸台之间形成对接。为进一步说明明洞纵向管片间对接方式,2块A型管片沿明洞轴线方向上组装后其正面半圆形凸台和背面半圆形凹槽中线处的纵剖面如图13所示,即为图8a中I—I剖面。

图13 隧道纵向管片间的纵剖面

与目前国内外采用盾构法修建的隧道中常用平板型预制钢筋混凝土管片相比,为防止明洞预制管片刚度因在其背面设置圆台形凹槽后而降低,在拱部和边墙部位的预制管片靠近围岩一侧的侧面设置肋条。即在A,B型预制管片顶面设置2道肋条,目的在于增强拱部和边墙处预制管片因在背面一侧设置凹槽后受影响的刚度,防止管片强度和刚度降低。而在仰拱部位C型管片靠近围岩一侧的底面则设计有2个底座,作为安装仰拱预制块时的定位。

6 明洞衬砌预制管片接缝部位防水构造

对于采用钢筋混凝土预制管片组装的高速铁路隧道明洞衬砌而言,管片纵向和环向间的接缝则是明洞衬砌结构防水的薄弱部位。参考国内外盾构法隧道预制管片在接缝部位防水构造和做法[7-9,12],该明洞衬砌防水仍采用盾构法隧道在管片接缝部位粘贴三元乙丙(EPDM)橡胶密封条的做法,即为确保明洞预制管片内外侧防水性能,在每块管片内外侧沿其周边均设置2道“︺”形凹槽,并在其内粘贴缓膨胀止水条即三元乙丙(EPDM)橡胶密封条。当预制管片组装后即可在明洞衬砌管片环向和纵向接缝处形成2道防水措施,以实现装配式明洞衬砌防水。明洞预制管片组装后,管片环向和纵向接缝处防水构造如图14所示。通过在预制管片内外侧设置2道防水措施,增强明洞衬砌防水性能。

图14 管片接缝处防水构造

7 明洞衬砌预制管片组装方法设计

根据明洞预制管片接缝处设计形式,将管片环向间接缝设计为半圆形凹、凸榫,而将管片纵向间接缝设计为圆台形凹、凸榫。按照凹、凸榫对接方式,即可确定该明洞A,B,C型管片组装顺序为:在已开挖的明洞U形基槽内先吊放和组装仰拱部位C型管片,之后吊放和组装边墙部位B型管片,最后再吊放和组装拱部A型管片。当明洞一环7块管片组装完毕后,沿明洞轴线方向继续组装另一环管片,组装时使纵向管片相互对位并通过其正面圆台形凸台与背面圆台形凹槽相对接,由此沿明洞轴线方向逐环吊放和组装完成明洞衬砌,并在组装好明洞衬砌的基槽内回填土体至地面,恢复地貌。

明洞预制管片在一环上的具体组装方法设计为:首先在已开挖好的明洞U形基槽内设置门架式起重机,起重量应≥30t。同时在基槽内搭设采用I18a加工好的钢架。吊装管片前,在每块管片 “︺” 形凹槽内粘贴三元乙丙(EPDM)橡胶密封条。按照设计的仰拱部位C型管片底座平整场地,便于仰拱部位管片就位。通过门架式起重机首先吊放仰拱部位2块C型管片,使仰拱部位C1型管片一侧端头半圆形凸榫与C2型管片一侧端头半圆形凹槽相互对接,使C1,C2型管片就位。然后再分别吊放左边墙B1型和右边墙B2型预制管片,使左边墙B1型管片一侧端头半圆形凸榫与仰拱部位C1型管片一侧端头半圆形凹槽相互对接,同时使右边墙B2型管片一侧端头半圆形凹槽与仰拱部位C2型管片一侧端头半圆形凸榫相互对接,使左边墙B1型管片和右边墙B2型管片就位。

由于管片是在明挖基槽内进行吊放和组装,而在吊放B1,B2型管片时,由于该2块管片仅有一侧端头与C型管片端头相对接,而其两侧无内外支撑,因此B型管片容易发生朝向基槽外侧的倾倒。为此,在吊放左边墙B1型和右边墙B2型管片时需将2块管片分别用∟10×8固定至I18a钢架上,以确保吊放后管片稳定,然后通过门架式起重机再吊放拱部A1,A3型管片。首先吊放A1型管片,使A1型管片一侧端头凸榫与左边墙B1型管片一侧端头凹槽相对接,同时在钢架上采用φ18钢筋作为拉杆,将拱部A1型管片固定至拱架上,防止其朝向明洞内侧倾倒。其次吊放A3型管片,使A3型管片一侧端头凹槽与右边墙B2型管片一侧端头凸榫相对接,并在钢架上设置φ18钢筋作业拉杆,将拱部A3型管片加以固定,防止其向明洞内侧倾倒。在明洞基槽内吊装预制管片期间,拱部A型管片和边墙B型管片与钢架间的固定方式如图15所示。

图15 边墙和拱部管片吊装与支撑

当拱部A1,A3型管片组装就位后,再吊放和组装拱部A2型管片,吊装时将A2型管片一侧端头凸榫与拱部A1型管片一侧端头凹槽对接,同时将A2型管片另一侧端头凹槽与拱部A3型管片一侧端头凸榫相对接,至此完成明洞一环上共7块预制管片组装。此后可将拉杆和横撑拆除,将其用于下一环管片的组装。下一环预制管片环向组装方法同上所述,在吊放各预制管片时使后吊放的管片与前一环已组装的管片位置逐一对应,并且使后一环各管片一侧面圆台形凸台与后一环各管片一侧面圆台形凹槽相对接,实现管片纵向对接与组装。同时,为加强明洞管片轴线方向刚度,在A,B型管片靠近围岩一侧面的肋板上设置螺栓孔,必要时可用专用螺栓和螺母将前后相邻管片连接,螺栓和螺母采用M30,机械性能等级≥8.8级,以增强管片纵向间的连接和明洞衬砌整体刚度。由此可逐步完成环向和纵向明洞预制管片组装。明洞预制管片环向组装后横断面如图16所示。

图16 组装完成的明洞衬砌横断面

当基槽内明洞逐环组装完毕后,向基槽内分层回填土体。回填土体时应在明洞轴线两侧对称进行,分层回填时每层土体厚度≤30cm,回填土体中粗颗粒粒径≤5cm,两侧回填土体高差≤50cm,边回填边逐层压实,基槽内回填土体压实度≥90%。回填后恢复地面植被和地表截排水系统。

8 结语

采用传统模筑混凝土施工工艺建造高速铁路隧道明洞具有施工效率低、施工组织和工序繁杂及工期长等缺点,尤其是明洞拱部混凝土厚度和强度往往难以达到设计要求,进而影响明洞长期安全使用。而采用工业化和标准化及智能化的预制装配式衬砌技术则可为解决明洞建造中存在的上述问题提供有效途径。本文结合某高速铁路大跨度单洞双线隧道穿越浅埋丘陵区围岩地质状况,对预制装配式明洞衬砌管片划分模式、管片间的接缝形式和防水构造及管片组装方法进行了分析和研究,得到结论如下。

1)在满足列车行驶速度为350km/h的高速铁路隧道建筑限界和隧道内救援与疏散安全空间的前提下,通过对5种明洞衬砌在回填土体土压力作用下的内力对比与分析可知,曲边墙带仰拱的衬砌具有明显优势。

2)根据曲边墙带仰拱的明洞衬砌受回填土体土压力作用下的内力状况,并考虑预制管片制作、运输和组装的便利性,将明洞衬砌的一环预制管片设计为3块A型管片、2块B型管片和2块C型管片,管片厚度为0.7m、幅宽为2.0m。

3)装配式明洞预制管片在环向接缝间接头可设计为半圆形凹、凸榫,而纵向接缝间接头可设计为圆台形凹凸榫,并且凹凸榫应设置在管片结构压力中线上。

4)在预制管片内外侧设置2道“︺”形凹槽,并在其内粘贴2道三元乙丙(EPDM)橡胶密封条,作为明洞管片纵、环向接缝部位的防水措施。

5)根据明洞预制管片纵、环向接缝对接方式,由A,B,C型钢筋混凝土预制管片组装明洞衬砌时,其沿径向1圈的组装顺序为:先组装仰拱部位C型管片,然后组装边墙部位B型管片,最后再组装拱部A型管片。明洞衬砌一环管片组装完成后可沿明洞纵向按同样顺序组装下一环管片,且使后组装的管片与先组装的管片部位相互对应,便于纵向管片间的对接,完成纵向管片间的组装。