成都市磨子桥装配式隧道分块拼装技术研究

奚 成

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610072)

1 引言

近年来，随着我国社会经济的快速发展，城市化水平不断提高，汽车保有量迅速增加，导致城市路网建设难以满足交通量的增长，在有效的土地资源条件下，如何提高路网的交通效率就显得尤为重要。而传统的平交道路形式通行效率低下，难以满足交通量的日益增长。因此，利用立体空间对平面交通进行疏导的方式，已经成为现代道路交通中不可缺少的组成部分。城市下穿隧道作为市政工程中的一种立交道路形式[1]，是一种能有效分离过境交通，解决区域交通矛盾的地下空间结构，它能够提高道路的畅通性，并具有节约地面空间，整体效果简洁美观的优点，因此将老旧城市道路改造为下穿隧道是一种较为科学的做法，并应积极推广。

为提高隧道施工速度，国外在预制拼装隧道方面起步较早，前苏联、日本、荷兰等国均成功将预制拼装技术应用于隧道工程中。

2 国内外现状研究

2.1 国外研究现状

(1)前苏联地铁明挖施工的定型衬砌结构

前苏联在20世纪50年代中后期，地铁明挖施工时，包括车站、区间隧道以及车站附属建筑和辅助隧道工程，均采用定型拼装的统一规格钢筋混凝土结构[2]，该结构施工速度比现浇混凝土快，同时需要一些让构件整体化的现浇混凝土[3]。

(2)日本预制拼装技术

1987年日本首次在仙台地铁工程中，采用了预制双跨箱型结构，构件的箱体尺寸是11.092 m×7.440 m[4]，整个结构分成顶板、底板、侧墙及中柱等5个预制构件(M型顶板+竖墙(3片)+W型底板5块式分法)[5]，结构分块最大尺寸为11.092 m×1.5 m×1 m(未收集到具体数据，根据重量尺寸推算)，纵向分块长度为1 m。纵横向采用钢板、螺栓、销钉等连接。设计中主要解决了构件的划分、轻量化、构件的纵向和横向连接问题[6]。

(3)壳式隧道结构

此结构是在荷兰鹿特丹地铁东西线上采用过的一种装配式结构型式，其侧墙和顶板预制成一个便于搬运的整体构件，形状为直墙平顶形式，隧道底板为现浇。根据墙和顶板组件的形状，给隧道取名为“壳式隧道”。此方法施工速度非常快，每周可修建30 m长的隧道，此种装配式地下结构在交付使用数年后，仍然保持着良好的防水效果[7]。

2.2 国内研究现状

近年来，为进一步推动国家基础设施的施工标准化，国家出台了相关政策大力发展装配式建筑，隧道、地铁车站等已经开展装配式技术的示范应用，并取得了一定的社会效益。

(1)厦门疏港路预制拼装下穿隧道

疏港路下穿仙岳路通道工程位于厦门市，工程范围全长1 660 m，是厦门市出岛的主要交通要道之一，地处城市核心区，周边人口密集，车流量大、东西两侧均无其他南北向市政道路，各种材料进场困难。

为解决以上难题，加快建设进度，该工程首次在下穿隧道中采用大断面多向分块预制拼装技术，下穿隧道框架预制分单孔预制框架段和双孔预制框架段，均采用M型顶板+W型底板2块式对接分法，纵向分块长度为2 m。纵向采用临时预应力(精轧螺纹钢)并用环氧树脂粘接，并施加永久预应力。水平缝采用环氧树脂粘接以及预埋钢板焊接。

框架横断面为19.9 m×7.2 m，分成2块后，结构分块最大尺寸为19.9 m×3.6 m×2 m。考虑预制节段运输、吊装等因素，单孔框架纵向节段长3 m，双孔框架纵向节段长2 m，均在侧墙1/2处分为上下两部分预制(见图1)。拆分后基本解决了构件运输受既有桥隧净空尺寸限界的问题，基本能够在5 m净空范围内完成构件的运输。该下穿通道的建成对缓解疏港路及仙岳路两条城市主干道交通拥堵现象效果明显[8]。

图1 疏港路下穿隧道单孔和双孔预制框架节段

(2)长春地铁装配式车站

长春地铁2号线袁家店站是国内首座装配式车站试点[9]。该地铁车站高17.5 m、宽20.5 m、长188 m，建筑面积12 000 m2，纵向分88环(每环宽度2 m)，由7块预制构件组成[10]，共用了609块预制构件拼装完成。其中单片重量最大为54.3 t。预制构件环向与纵向的接触面均为榫槽连接并通过精轧螺纹钢筋施加预应力紧固，拼装完成后填充改性环氧树脂形成整体，如图2所示。

图2 长春地铁袁家店车站装配式预制结构形式

2.3 国内外研究评价

综上所述，预制拼装技术在国外隧道与地下工程中的应用已较为成熟，在基础理论、研究方法及工程实践上积累了较为丰富的经验。和国外相比，国内地下工程装配式结构的相关设计理论和设计、施工规范就显得十分欠缺[11]。作为西部地区首个装配式下穿隧道工程，这就迫使我们必须进行装配式隧道分块拼装技术研究。

3 磨子桥装配式隧道分块拼装技术

3.1 工程概况

成都市一环路磨子桥装配式下穿隧道起于科华北路西侧，终于红瓦寺街东侧，全长1 280 m，框架段920 m，其他为船槽挡墙段。隧道包括西部地区首次尝试的130 m建筑工业化预制装配式结构。预制段顶面埋深2.81～3.96 m，最大覆土厚度为4.08 m。

3.2 结构拆分方式以及接口联结方式

结构拆分，在施工条件允许情况下，结构分块越少施工速度越快；接缝越少，漏水的概率越小，结构可靠性越强。因此，本工程拟采用2块法拆分，即M型顶板+W型底板方式。

3.3 拼装结构分块方式、大小对运输的影响

本工程结构外尺寸为22.3 m×8.2 m。运输过程中最大尺寸为22.3 m，同预制桥梁25 m以下简支箱梁运输方式相同。即使变宽段横断面结构最大尺寸也为28.5 m(匝道分岔段)，也在30 m以内。

本工程采用的M型顶板+W型底板分块方式，满足构件运输在5 m限高情况下也可以通过的基本需求。拟拆分高度为4.2 m(M型顶板)+4.2 m(W型顶板)，根据吊装条件，环向尺寸取1.2～2 m。若再解决轻量化的问题，可以把顶、底板再一分为二，在大跨顶、底板弯矩零点附件设置牛腿搭接方式。

3.4 本项目分块拼装技术研究

通过对厦门疏港路下穿工程的相关设计、施工资料进行分析调研，结合本项目工期紧、断面大、质量要求高等特点，我单位从以下方面对分块拼装技术进行了研究。

3.4.1 降低预制构件的运输难度

厦门疏港路构件尺寸偏大偏高，双孔框架即便分上下两部分的“M”、“倒M”形断面来预制，从预制场拖运到工地，会受道路净空等条件制约，按工作状态装车运输，超长超高，顶板重心较高，易倾覆及意外受损，同时重载运输车辆还易对沿线道路桥梁等设施造成损坏。

本工程采用钢丝绳“八”字型纵向斜拉于挂车边梁的绑扎点上，并制作专用支撑架加固顶板构件，保证货物重量的均衡性，确保全程运输安全。牵引动力采用367.5 kW以上牵引车，W型构件载货车板采用动力鹅颈+3轴线+11 m连接框架+5轴线双纵列液压平板，M型构件载货车板采用动力鹅颈+3轴线+7 m连接框架+7轴线双纵列液压平板，车板宽3 m，装车后车货总高约5 m。该平板挂车具有轴间串联式独立平衡液压悬挂系统，货台高度可调，轮轴负荷均匀，转弯半径小，在上下坡道及横向斜坡上行驶可调整车身保持水平位置，适应路况变化，保证货物的稳定性，满足预制场至施工现场桥涵限界需求。

3.4.2 降低起重吊装及推移的施工难度

本工程受运输线路的桥梁限载因素制约，实施难度很大，工地吊装时对吊装机具要求太高，安全风险增大。综合考虑实际情况，要求在卸车、转运及拼装作业中全部按结构安装就位后的受力状态进行吊装，保证构件不受碰撞损坏及变形破裂；结构拼装时确保顶板顶面竖墙顶的位置三点严格水平，误差控制在2 mm内，确保顶板安装就位后的受力状态，保证拼装质量安全，以有效降低现场吊装的施工难度。

3.4.3 优化预制件的拼接构造方案

厦门疏港路上、下两个块件的竖墙拼装接缝采用“涂抹环氧树脂+预埋钢板焊接”的方案在受力可靠性上值得斟酌，后焊钢板对构件混凝土可能造成灼伤(将构件混凝土烧伤炸裂)，在7、8度地震区并不适用(地震烈度较高地区，对构件的整体性要求越高)；同时工地焊接质量对结构整体性也有一定影响。若采用灌浆钢筋套筒连接或精轧螺纹钢筋预应力连接会更有效，并在预应力连接的基础上再增加栓接钢夹板的方式，确保接头联结的可靠。

3.4.4 优化框架拼装过程中的临时支撑方案

整孔框架的各预制节段进行纵向拼接时，需设置卸荷垫块做临时支撑，纵向接缝通过预应力钢束施加预应力时，支撑摩阻力大，传递到框架接缝断面的预应力有效性不佳。考虑将框架节段底板临时支撑在钢轨或工字钢上，在底板下三道竖墙下方位置，开挖三排条形混凝土基础，上面设置预埋板，安装三组钢轨，用于承载预制框架。

3.4.5 解决基坑内框架侧墙下条形枕梁基础的预制方案

基坑开挖后，侧墙卸荷块下需设置钢筋混凝土枕梁，同时兼作纵向张拉每环框架的滑道基础，本工程应着重解决枕梁的预制方案，尽可能缩短每节段的施工工期。

3.4.6 精确定位节段，完成结构在坑底的姿态精调

厦门疏港路框架采用卸荷块，仅能解决框架结构竖向位移，无法控制横向位移，且精度难以控制。本工程利用放置在基坑两侧的千斤顶调整左右，使节段对正中线，并在方钢与轨头侧面之间的缝隙中楔入垫片，防止节段横向移动；用千斤顶通过前端支座张拉或顶推调整轴向位置；通过检测底板顶面高度，在底面用薄型千斤顶调整，找正标高及水平度。定位准确后，用钢板垫片将底面与钢轨之间的空隙垫实。

3.4.7 降低基坑内垫层厚度，缩短工期，降低造价

厦门疏港路下穿隧道在预制框架段基底设36 cm厚C20混凝土垫层和50 cm厚C30混凝土垫层，总厚度达到86 cm。本工程采用在每组钢轨之间的范围留出薄型千斤顶高度，靠近钢轨的部位留出钢轨上开设的孔洞高度，以便留出注浆通道，其余部位顶面比轨面低2 cm，浇筑C25混凝土垫层，大范围减薄垫层厚度，降低工程成本。

3.4.8 优化变形缝布置

现浇段解决了可能的伸缩变形及基础不均匀沉降变形，但增加了施工工期。此处考虑借用海底隧道成熟的沉降缝管节防水、变形技术，满足框架结构的不均匀沉降以及结构变形要求。

4 本项目总体设计及拆分形式

4.1 总体设计

我单位的总体设计方案为：下穿隧道全长1 280 m(里程K0+040～K1+320)，框架段全长920 m，其中建筑工业化装配式设计范围为130.6 m，其余为船槽挡墙段。预制段分为6个标准大段，大段之间为2 cm沉降缝，每个大段分为14或15个标准环组成，每个标准环由上下两块组成，总预制87环(即174块)，预制段全段均位于直线上，为0.6%的单向纵坡，向大里程方向爬升[12]。

4.2 预制框架环标准横断面

下穿隧道预制段宽度22.3 m，设直线五车道，如图3所示。横断面左侧3车道、右侧2车道对称布置，左侧断面包括：侧墙(0.75 m)、检修道和车行道(11.85 m)、中墙(0.6 m)。

图3 预制框架结构标准横断面示意

4.3 预制框架环结构拆分

本工程采用顶、底板M+W方式完成结构拆分并进行预制。如图4所示，下穿隧道横断面竖向拆分为上、下两部分，框架结构断面总尺寸为22.3 m×8.4 m，分块后最大尺寸为22.3 m×4.2 m×1.5 m。

图4 拆分方式及吊环设置示意

4.4 预制框架环节段构造

下穿隧道横断面竖向拆分为上、下两部分，横断面尺寸为22.3 m×8.4 m×1.5 m。分块后尺寸为22.3 m×4.2 m×1.5 m。由M型顶板+W型底板组成，采用钢筋砼结构，砼强度等级C45。端面设置有止水条预留槽，以及便于节段间对正的阴阳榫齿。通过在接缝处设置抗剪钢箱、竖向精轧螺纹钢以及钢夹板等措施，保证接缝的联结刚度。

5 总结

通过国内外工程调研分析，并结合磨子桥下穿隧道工程现场条件，提出了预制构件合理的拼装和拆分方法，并成功应用于该工程。成都磨子桥下穿隧道于2019年4月3日正式通车，标志着我国西部城市首次下穿隧道预制装配工艺的成功实施，为城市下穿隧道建设提供了成功的借鉴和验证。