京张高铁清华园隧道轨下结构预制拼装技术

吕 刚， 刘建友， *， 赵 勇， 刘 方， 王志伟

(1. 中铁工程设计咨询集团有限公司， 北京 100055； 2. 中国铁路经济规划研究院， 北京 100844；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司， 北京 100081)

0 引言

隧道及地下工程施工通常面临作业空间狭小、环境差、速度慢、质量不易控制等问题，而预制拼装结构采用工厂化预制、现场拼装的施工方式，具有机械化程度高、施工速度快、施工质量高、作业环境好等特点，逐渐成为地下工程技术的发展方向。构件预制化的程度越高，技术水平也越高。盾构隧道实现了隧道支护结构的预制拼装施工，这也使得盾构隧道在城市地铁建设中得到广泛的应用[1-3]。近些年，我国制造业迅猛发展，各种预制装配式结构也实现了快速发展，并开展了大量的研究工作，夏鹏举等[4]研究了盾构隧道双层预制结构及其稳定性控制； 张中勇等[5]研究了预制拼装技术在地铁工程中的应用； 刘建文等[6]提出了综合管廊预制拼装结构； 王德超等[7]研究了地下工程预制装配式结构的应用前景。

盾构隧道管片安装后内部弧面起伏小，为实现隧道全预制拼装提供了良好的安装条件。王善高等[8]以南京纬三路过江盾构隧道工程为例，研究了公路盾构隧道内部结构预制施工技术，实现了公路隧道内部结构的预制拼装施工； 刘培硕[9]、符亚鹏[10]、周佳媚等[11]以秦岭特长铁路隧道为例，研究了敞开式TBM铁路单线隧道仰拱预制技术，采用仰拱预制块实现了单线铁路隧道轨下结构预制拼装施工。

目前许多国家都把预制拼装结构作为技术发展的重要标志之一，日本在仙台市地下铁道工程中采用5块式预制箱型结构，解决了构建分块的轻量化和相互连接问题； 俄罗斯在马蹄形矿山法隧道采用装配式衬砌，而且在竖井和横通道连接处也采用装配式衬砌，解决了严寒地区隧道冻害问题。本文以京张高铁清华园隧道为例，提出大直径双线铁路盾构隧道轨下结构及水沟电缆槽等附属结构的预制拼装技术，实现了隧道支护结构、轨下结构和附属结构的全预制拼装施工。

1 工程背景

清华园隧道是新建北京至张家口高速铁路重点控制性工程之一，位于北京城市核心区，隧道全长6 020 m，采用12.2 m的大直径盾构，设计速度目标值为120 km/h，采用单洞双线断面。隧道纵向采用V型纵坡，进口360 m采用-30‰的纵坡入地，之后1 140 m为-3.3‰的缓坡段，下穿地铁10号线DK14+900～DK15+640段采用-18.53‰的纵坡，出口段采用3‰～20‰的纵坡出隧道。隧道拱顶最大埋深为28.6 m，平均埋深为15～25 m。

全线近距离侧向下穿城铁13号线，于学院南路南侧入地，依次穿越学院南路、北三环、地铁12号线、知春路、地铁10号线、北四环、城府路、双清路、清华东路、地铁15号线后，于五环内出地面。共穿越3处地铁、7处主要市政道路及大量重要市政管线，是目前国内位于城市核心区，穿越地层复杂、穿越重要建(构)筑物最多的国铁单洞双线大直径盾构高风险隧道。

图1 隧道纵剖面图(单位： m)

针对清华园隧道处于北京市核心区，人口密集、地层复杂、且穿越多条地铁和重要建(构)筑物的特点，对清华园隧道提出了占地小、污染少、工期短、对市区环境影响小、消除城市分割等多方面要求。为满足以上要求，清华园隧道的管片、轨下结构、水沟、电缆槽等均采用工厂化预制，并开发拼装机器人，实现了轨下结构快速精准拼装。

2 轨下结构全预制拼装技术

清华园隧道盾构管片、轨下结构、水沟、电缆槽等均采用工厂化预制、现场拼装，实现了隧道安全、快速施工的目标，提高了隧道结构的施工质量，改善了隧道的施工作业环境。

2.1 全预制拼装结构的设计

2.1.1 管片及电缆槽

清华园隧道采用单洞双线设计，盾构法施工，根据高速铁路建筑限界，并满足防灾疏散通道的设置要求，确定隧道内径为11.1 m； 根据隧道埋深、围岩荷载、周边建筑物环境，确定盾构管片为55 cm厚的C50钢筋混凝土，以满足结构稳定性的要求； 根据管片运输、安装的要求，将管片环划分为6个标准块、2个邻接块和1个封顶块，管片环纵向长2 m。管片分块如图2所示，管片设计参数如表1所示。为了满足城市环保要求，减小洞内现浇施工，隧道两侧的通信信号电缆槽、电力电缆槽以及排水沟均采用预制C40钢筋混凝土。

图2 盾构管片分块示意图

Table 1 Design parameters of shield segment of Tsinghuayuan Tunnel

项目参数备注盾构隧道内、外径/m11.1、12.2衬砌管片类型 C50钢筋混凝土衬砌抗渗等级不小于P12衬砌管片厚度/mm550衬砌管片宽度/mm2 000 通用环双面楔形量 44 mm衬砌环类型8+1 6个标准块+2个邻接块+1个封顶块

2.1.2 轨下结构

轨下结构采用3块独立箱涵拼装而成，包括2块边箱涵和1块中箱涵，如图3所示。轨下结构采用C40纤维混凝土，聚丙烯网状纤维，掺量为0.9 kg/m3。

(a) 隧道横剖面图

(b) 轨下结构三维模型图

中箱涵分为A、B、C 3种类型。其中A型中箱涵适用于标准段； B型中箱涵适用于疏散楼梯段，箱涵顶部设置了疏散通道入口，隧道每隔100 m设置1处B型箱涵； C型中箱涵适用于侧壁开孔段，如为通风口设置的开孔。箱涵纵向长度为1 980 mm。

边箱涵分为A、B 2种类型。其中A型边箱涵适用于标准段、疏散楼梯段和侧壁开孔段的不开孔侧； B型边箱涵适用于侧壁开孔段的开孔侧。

中箱涵顶板和侧墙厚30 cm，底板厚25 cm； 边箱涵顶板厚30 cm，边墙和底板厚25 cm。中箱涵与边箱涵的横向连接以及各箱涵的纵向连接采用M24螺栓机械连接。箱涵底部设置300 mm×300 mm的凸台，高30 mm，底部空隙通过预留注浆孔采用微膨胀525快硬型硫铝酸盐水泥浆进行填充，使箱涵与管片受力均匀。当管片环缝出现错台造成中箱涵连接困难时，应对底部凸台打磨或设置垫板对高程进行调整。

2.2 现场拼装技术

隧道中箱涵与盾构随机拼装，盾构配套台车配备吊装设备，如图4所示。平板车开至合适位置，调整平板车高度，使吊机能吊取构件；高度调整完毕后，降低并平移吊具至箱涵下方，初步对正后，提升吊具使其恰好卡在箱涵上；到位后接近开关会给出一个信号，操作手可以加紧夹具，提升箱涵，箱涵触到限位开关后，即可平移箱涵。根据拼装方案要求，盾构司机安排相关人员在箱涵后端面粘贴预制橡胶垫，以调整箱涵走向及坡度。

图4 中箱涵拼装示意图

隧道边箱涵研制了专用拼装机，如图5所示。拼装机主要由车架、行走车轮组、行走驱动机构、小车供电、横移机构、四点起吊三点平衡机构、旋转机构、U型吊具、箱涵件调整定位机构等组成。该设备可以将边箱涵件从运输车吊起，并平移调整后放到指定安装位置，最终将边箱涵件精确安装于隧道内，实现边箱涵快速施工。

轨下结构拼装技术的要点如下。

1)拼装精度。中箱涵顶面与圆形隧道结构水平轴线距离、中箱涵竖直轴线与圆形隧道结构竖直轴线距离容许误差范围是-10～10 mm(必须保证箱涵之间的顺利连接)。

2)预制件纵向长度为1.98 m，布置纵向间隔为0.02 m。

3)在施工中，由于线路拟合，管片环、中箱涵的实际设置里程可能与理论值存在距离差。施工时可根据实际情况进行微调。

(a) 立体图

(b) 剖面图

4)平、竖曲线段中箱涵拼装时，可通过在中箱涵纵向连接处设置橡胶垫的方式调整间隙，以实现中箱涵对曲线半径的拟合。橡胶垫厚度依据拼装处的曲线半径通过计算确定。

5)当管片环缝出现错台造成中箱涵连接困难时，应通过在底部凸台设置2.0 mm厚的HDPE垫片进行调整。

2.3 轨下结构注浆技术

轨下结构与盾构管片的连接是全预制拼装结构的关键技术，确保轨下结构和盾构管片均匀受力，防止局部应力集中产生局部破损，是轨下结构预制化设计的重点。

清华园隧道在轨下结构下部设置了凸台，使轨下结构与管片之间存在20～30 mm的缝隙，该缝隙采用注浆填充。轨下结构注浆是预制结构拼装的一个重要环节，采用压浆机将轨下结构与管片间的空隙填充密实，以确保轨下预制结构的可靠性与稳定性。轨下结构注浆工艺必须满足以下要求。

1)箱涵底部清理。箱涵拼装时，首先进行中箱涵拼装，边箱涵跟进，每次箱涵拼装前，需要将拼装位置以及与上环箱涵连接面底部的杂物清理干净。

2)边箱涵注浆分舱。每次边箱涵拼装完成5环后，对边箱涵进行分舱，分舱采用干硬性水泥砂浆进行； 每5环使边箱涵形成1舱。

3)中箱涵底部再次清理。随着箱涵的跟进，对已拼装中箱涵及时进行再度清理和分舱。

4)中箱涵注浆分舱。对于已拼装中箱涵，通过对底部嵌缝条钻眼，并灌入聚氨酯发泡剂实现每5环分舱，如图6所示。最终实现中箱涵、边箱涵分舱闭合。

图6 分舱示意图(单位： mm)

5)嵌缝条、吊装孔封堵。对于拼装后箱涵密封效果较差、箱涵嵌缝密封条转角不密实等部位，中箱涵和边箱涵连接螺栓垫圈处、吊装孔、观察孔等孔洞使用M10微膨胀水泥砂浆进行封堵。

6)压浆。压浆时采用φ30 mm管径的压浆嘴，压浆嘴在注浆孔中的部分不应小于150 mm。顺时针旋转压浆嘴，使橡胶套绷紧在混凝土内表面上，旋紧螺丝。压浆位置选择中箱涵每个分舱区域最低点处。

7)雷达检测压浆效果。箱涵底需采用压浆料填充密实，填充完成后，应采用地质雷达探查有无空洞，发现空洞时应进行补充压浆。

3 轨下结构稳定性分析

为验证本文提出的轨下结构全预制拼装技术的合理性，采用FLAC3D软件建立二维模型，对轨下结构在列车荷载作用下的稳定性进行分析。轨下预制结构、管片以及周围土体采用实体单元模拟，材料特性采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性增量本构关系，轨下预制结构及管片间3 cm的注浆层采用接触面单元模拟。轨下结构采用C40纤维混凝土，盾构管片采用C50钢筋混凝土，材料力学参数取值见表2。

表2 轨下结构及接触面参数

为了分析不同工况轨下结构的稳定性，分别计算深埋和浅埋2种工况轨下结构的变形和受力。深埋工况隧道拱顶埋深28.26 m，围岩为卵石土，且位于地下水位以下； 浅埋工况隧道拱顶埋深15 m，围岩为粉质黏土，位于地下水位以上。轨下结构与管片之间3 cm的注浆层采用接触面单元模拟，接触面切向和法向刚度取2 GN/m，内摩擦角取15°。

清华园隧道实际行车速度为120 km/h，保守计算列车速度为350 km/h时的荷载峰值为160 kN。计算得到有限元模型竖向位移、水平位移及竖向应力分布如图7—9所示，各监测点位移时程曲线如图10所示。由图可知，轨下结构在列车荷载作用下最大竖向变形和水平变形分别为0.24 mm和0.06 mm，可忽略不计，满足变形要求； 最大拉、压应力分别为0.06 MPa和0.63 MPa，满足强度要求。另外，计算得到轨下结构的抗滑动稳定性系数为16.03，满足滑移稳定性要求。

4 应用效果

全预制拼装结构与现浇混凝土结构相比，具有如下优点。

4.1 减少对盾构管片的破坏

现浇结构需要在现有管片上大量植筋，对管片造成破坏； 全预制结构仅少量植入锚栓，减少对隧道结构的破坏。

图7 模型整体竖向位移云图(单位： m)

图8 模型整体水平位移云图(单位： m)

Fig. 8 Horizontal displacement nephogram of the model (unit: m)

图9 模型整体竖向应力云图(单位： Pa)

4.2 施工速度快

现浇结构在盾构施工完成后再施作，混凝土运输困难，工效低，工期久。全预制结构与盾构施工同步安装，取消了模板制作，简化了施工工序，减少了劳动强度，大幅度减少了隧道内施工作业人数； 同时，可采用机械化智能机器人，大幅度提高隧道施工工效，与常规现浇施工相比，施工速度可提高30%左右。

清华园隧道受施工工期的控制，预留给后期轨下结构施工的工期很短，现浇施工无法满足工期要求，因此采用预制拼装技术，实现了轨下结构快速施工。清华园隧道自2017年11月6日开工至2018年11月20日结束，总长6 020 m的隧道仅用了1年零15 d实现贯通。

(a) 监测点布置

(b) 沉降变形

(c) 水平变形

4.3 施工质量高

现浇结构各个工序均在现场完成，施工精度和质量控制难度大，不易保证； 全预制结构均为工厂化生产，采用固定模具加工，精度高、耐久性好。

4.4 满足环保要求

现浇施工要求连续作业，混凝土的运输一旦中断，对施工影响较大，而北方雾霾污染天气常禁止施工和运输车辆在城市内通行。预制拼装结构可以根据空气状况合理选择运输时间，避免雾霾时段加重空气污染； 此外，预制拼装结构可自由安排运输时间，有效规避交通拥堵时段，减少了因汽车拥堵而产生的尾气排放。清华园隧道所有物资的运输均安排在深夜12点至凌晨5点，减小了对城市交通的影响； 同时，预制拼装结构使隧道施工向洞外排放的烟气和粉尘大幅降低。

4.5 改善洞内施工环境

与现浇施工相比，预制拼装结构大幅度改善了隧道施工作业环境。现浇施工工序繁杂，模型制作、钢筋布设、混凝土浇筑和养护等工序都需要大量人员和机械设备，施工过程中的噪声、粉尘和尾气将严重影响隧道内环境； 预制拼装结构采用工厂化预制现场拼装，工序简单，隧道内现场拼装的人员和设备大幅精简。根据现场检测，与普通现浇的轨下结构相比，预制拼装结构隧道内施工噪声降低了约30%，空气中粉尘降低了约60%，大幅度改善了施工作业环境。

5 结论与讨论

1)针对现浇混凝土结构施工技术存在的局限性，提出了一种在盾构隧道内部采用轨下结构全预制拼装的施工技术。该技术将隧道内部轨下结构分为若干标准段箱涵，其中中箱涵采用盾构自带吊具拼装，边箱涵采用边箱涵拼装机拼装； 待箱涵全部拼装完成后，对箱涵和管片之间的空隙实施注浆，使得隧道内部结构紧密连接为一个整体，以确保轨下预制结构的可靠性与稳定性。

2)京张高铁清华园盾构隧道轨下结构均采用全预制机械化拼装技术，是国内首次实现盾构轨下结构全预制拼装的隧道。采用FLAC3D对其轨下结构在列车荷载作用下的稳定性进行了分析，结果表明轨下结构满足变形、强度和抗滑稳定要求，能保证全预制拼装结构的稳定性。

3)对比传统的现浇混凝土结构，全预制拼装结构具有机械化程度高、施工速度快、施工质量高、生产批量化、工序循环时间短、环境影响小、建设成本低等诸多优点，具有显著的经济效益和社会效益。

清华园隧道实现了盾构隧道各主要构件全预制化拼装，但在建设过程中也存在以下难题有待进一步研究。

1)各构件的拼装精度有待进一步提高，尤其是中箱涵的安装精度。一旦中箱涵拼装存在较大偏差，则两侧边箱涵无法按设计位置安装，导致箱涵顶部路面起伏波动。

2)各构件之间的连接方式有待进一步研究。本隧道轨下结构与盾构管片之间采用注浆连接，轨下结构中箱涵和边箱涵横向和纵向均采用螺栓连接。注浆连接如何保证注浆体饱满密实是目前存在的难点，而螺栓连接的2个接触面很难严丝合缝，导致局部应力集中和破损。