大直径盾构隧道全预制结构拼装技术实践

张宇宁,岳 岭,刘 方,吕 刚,凌云鹏

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

目前，相对于传统暗挖隧道作业环境差、功效差、施工风险高等缺陷，盾构隧道已成为在城市密集区建设的首选方法[1-3]。随着交通建设的不断发展进步，盾构隧道管片结构的预制拼装设计[4-7]、生产[8-9]与施工技术[10-11]已十分成熟。

近些年，随着地下工程预制拼装技术[12]的发展，大直径盾构隧道内部结构的预制化受到了越来越多的关注。吕刚、刘建友等人以京张高铁清华园隧道为例，研究了隧道支护结构、轨下结构和附属结构全预制拼装技术[13]；宋丽姝、刘念以南京纬三路过江盾构隧道工程为例，研究了公路隧道内部双层车道板结构预制与梁板柱结构现浇组合体系拼装技术[14]；姜海西以上海诸光路隧道工程为例，研究了预制∏形结构结合现浇基座组合体系拼装技术[15]；禹海涛、李龙津等以上海某隧道工程为例，研究了预制、现浇两种形式的内部结构节点力学性能，得到了二者承载力能力相当，但预制试件延性和耗能能力弱于现浇试件[16]。

以京张高铁清华园隧道为例，介绍了大直径铁路盾构隧道轨下结构拼装及附属结构拼装的全预制拼装技术；针对现场施工因拼装设备、拼装工艺及模具精度等原因导致的结构接缝错台偏差，分析了病害产生的原因，并提出了采用缝隙填充注浆[17]的整改方法，确保轨下预制拼装结构的可靠性与稳定性。

1 工程背景

清华园隧道是京张高铁重点控制工程，全隧道位于北京市海淀区，自学院南路以南入地，于五环内出地面，隧道全长6 020 m，其中盾构段总4 590 m，采用12.2 m的大直径泥水平衡盾构法施工，采用单洞双线断面，设计速度目标值为120 km/h。全隧近距离并行地铁13号线桥梁及路基段，穿越地铁12、10及15号线区间、多次穿越市政道路[18]及市政管线，是目前国内穿越地层复杂、重要建(构)筑物最多的铁路大直径盾构隧道。

隧址区地层主要为第四系全新统人工堆积层(Q4ml)杂填土和第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)，自上至下依次为粉质黏土、粉土、粉砂、中砂、卵石土。隧道洞身主要为粉质黏土和卵石土。穿越区域地下水主要为上层滞水及曾经潜水，其中潜水水位高程为23.5～27.50 m(水位埋深为22.0～24.0 m)，含水层为卵石土层、粉土层、粉砂层、细砂层、中砂层、粗砂层等。

本隧道盾构区间为施工关键线路，其施工工效将直接影响全线工期。采用轨下结构全预制拼装技术，可以加快施工进度，节约工期，避免了大量植筋损坏盾构管片，提高结构耐久性和可靠性，并且能减少外界环境对施工作业的干扰，改善作业环境，降低振动对周边环境的影响。

2 轨下结构全预制拼装设计

盾构隧道轨下结构采用3块独立箱涵拼装形式(2块边箱涵和1块中箱涵)，环宽均为1.98 m(与盾构管片环宽对应)。其中预制中箱涵分A型、B型、C型三种类型，分别适用于标准段、疏散楼梯段及通风开孔段。预制边箱涵分A型、B型两种类型，分别适用于标准段及通风开孔段，如图1所示。

图1 轨下结构剖面

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。中箱涵和边箱涵，以及各箱涵纵向采用M24螺栓机械连接。为确保轨下结构和盾构管片均匀受力，防止因拼装误差导致的局部应力集中结构破损，设计阶段在箱涵底部设置300 mm×300 mm凸台，高30 mm，如图2所示，通过注浆填充的方式将轨下结构与管片间的空隙填充密实，确保箱涵与管片接触的可靠性与稳定性。

图2 边箱涵及中箱涵底部凸台结构(单位：mm)

底部空隙通过预留注浆孔采用快凝525硫铝酸盐水泥+40%粉煤灰(水灰比0.8)材料进行填充。为保证灌浆效果，中箱涵与边箱涵环向均预留凹槽，使用三元乙丙密封条进行嵌缝。注浆完成后，应采用地质雷达探查有无空洞，发现空洞时再进行补充压浆。

为确保施工精度要求，设计文件对管片拼装还做出了如下要求。

(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±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，布置时间纵向间隔0.02 m(与管片对齐)。

(3)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。

(4)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HDPE垫片进行调整。

3 轨下预制结构施工

3.1 现场拼装技术的实施

箱涵结构在预制场内生产工艺如图3所示。

图3 箱涵结构在预制场内生产工艺

现场拼装施工生产工艺如图4所示。

图4 现场拼装施工生产工艺

预制中箱涵为盾构机配套台车配备吊装设备吊装。受盾构机后配套台车行走轮对影响，边箱涵构件滞后于盾构机后配套设备进行拼装，拼装设备独立放置，预制边箱涵为自主开发研制拼装机器人吊装，如图5所示。

图5 中箱涵及边箱涵吊装现场

预制结构与盾构管片之间的空隙采用微膨胀525快硬型硫铝酸盐水泥充填，在每块侧弧板和中箱涵底部预留4处注浆孔，压浆时采用φ30 mm管径的压浆嘴，压浆位置选择中箱涵每分仓区域最低点处。压浆前采用聚氨酯发泡剂对箱涵结构进行分仓，实现每5环一仓，保证注浆的密实性。

3.2 实际拼装效果

盾构机自带箱涵拼装设备拼装中箱涵，拼装步序：定位→起吊→移动→就位→下放→螺栓连接→拼装完成。现场因箱涵预制偏差、实际施工误差及拼装设备精度(如无拉紧装置)等原因，拼装后箱涵间存在一定的间隙，如图6所示。箱涵块与块之间平整度情况，经检查错台在0～2.5 cm，未发现挠曲现象。

图6 中箱涵拼装成型及错台示意

边箱涵组装设备为自主研发产品，该设备能够利用现有管片和中箱涵实现行走，能够灵活的吊装边箱涵并精确地将其放置于中箱涵两侧，实现边箱涵和中箱涵的密贴，完成边箱涵的快速拼装施工。与中箱涵拼装类似，现场边箱涵与中箱涵紧密连接，边箱涵整体表面平整度良好，错台间距在0～2.5 cm，未发现存在挠曲，如图7所示。

图7 边箱涵拼装成型及错台

随着箱涵拼装在盾构隧道内延伸，错缝累计间隙量逐渐增大，导致箱涵与管片不能一一对应，存在错缝，如图8所示。

图8 箱涵沿线路方向错缝间隙

产生上述拼装问题的原因如下。

(1)箱涵拼装机无挤压功能，无法实现盾构管片拼装精度。

(2)箱涵底部块与块之间未设螺栓孔，无有效连接。

(3)拼装工人工作责任心不足，底部未添加拉紧装置。

(4)每块箱涵三元乙丙密封条需压缩至20 mm方可满足管片与箱涵环环对应的要求，压缩量较大，且冬季天寒材料较硬，难以挤压。

4 拼装错缝问题的数值模拟

4.1 模型概况

根据现场拼装问题，考虑3种工况进行分析，分别为箱涵底凸台与注浆体共同受力工况(以下简称工况1)、凸台悬空，全部注浆体受力工况(以下简称工况2)及无注浆体，仅凸台受力工况(以下简称工况3)，如图9所示，每种工况均计算单向列车荷载及双向列车荷载作用。

图9 拼装错缝工况模型

采用Midas NX软件三维建模，模型如图10所示(管片、箱涵、现浇轨道板、轨下注浆填充结构)，模型宽1.98 m，为一环管片及箱涵宽度，模型三维网格单元共32 660个。

图10 模型示意图

清华园隧道管片结构采用C50钢筋混凝土、箱涵结构及现浇轨道板采用C40钢筋混凝土、轨下填充结构采用微膨胀525快硬型硫铝酸盐水泥浆，水灰比为1∶0.8。

模型采用弹性-各向同性本构模型，如表1所示。

表1 模型结构力学参数

模型计算时假定管片单元不产生位移，将管片最外侧单元固定约束。

4.2 计算荷载

模型计算荷载如表2所示，活载采用高速铁路ZK活载荷载。

模型计算受力考虑结构自重及轨道板上方荷载均布于轨道板底2.8 m范围内，均布荷载=(列车荷载×2+钢轨自重荷载×2+轨道板自重)/轨道板宽度=83 kN/m。

表2 高速铁路ZK活载荷载

计算考虑双向列车荷载作用及单向列车荷载作用，如图11所示。

4.3 工况分析及结论

模型各典型部位如图12所示，根据计算结果，各工况下模型计算位移均很小，可忽略不计。模型在双向列车荷载作用下结构受力及位移均较单向列车荷载更为不利，因此仅取双向列车荷载模型结果，各工况轨下注浆结构或箱涵凸台(工况3)节点反力及竖向应力云图如图13～图15所示，计算结果如表3所示。

图11 列车荷载作用模型

图12 模型节点示意

图13 工况一双向列车荷载模型计算结果

根据计算数据，工况2考虑凸台悬空，注浆体取代凸台结构受力，SZZ、SXX计算结果表明注浆体受力较工况1显著增大，但远未达到微膨胀525快硬型硫铝酸盐水泥浆极限抗压强度4.6～5.1 MPa，表明此时轨下结构整体依然稳定。

图14 工况二双向列车荷载模型计算结果

图15 工况三双向列车荷载模型计算结果

根据工况3计算分析，当轨下结构未考虑注浆时，仅由箱涵底部凸台承受上部荷载，凸台SXX、SZZ最大压应力达到6.9 MPa，较C40混凝土抗压强度小，但已在同一数量级内。考虑到长期列车运营所产生的振动荷载及结构疲劳应力影响，结构安全度显著降低。

根据计算结果，设计采用箱涵底带凸台及轨下缝隙注浆填充的方案是合理可行的，也是能满足拼装错缝情况下箱涵与管片受力要求的。

表3 各工况模型计算结果汇总

5 全预制拼装技术优化建议

清华园隧道轨下采用全预制拼装技术，极大提高了传统方法的施工功效，节约工期，避免了轨下结构与管片间的大量植筋，提高了结构耐久性，而且还大幅度改善了施工作业环境，该方案受到了各方的高度评价。但由于该工法的创新性，此前并无相关工程经验借鉴，施工过程中不可避免地出现了拼装精度较低的现象。本文根据现场施工情况，提出如下后续优化建议。

(1)根据现场施工情况，后续设计过程中应将轨下预制结构纵向压紧受力与管片千斤顶受力相结合，保证箱涵与管片接缝对应，并将预制件千斤顶装置提前安装在盾构机尾部，可提高预制结构施工精度。

(2)应提高预制结构拼装精度要求，并应在预制接口部位设置凹凸榫槽或连接螺栓等[19]措施，限制预制结构之间的位移，从而保证拼装精度。

(3)盾构机在掘进过程中不可避免地会产生管片拼装误差(如转弯、变坡等)[20]，轨下预制结构设计必须要考虑结构具备自调整能力。清华园隧道采用的箱涵底带凸台及轨下缝隙注浆填充的方案是可行的，其结构自调节能力设计及注浆材料的性能，压浆工艺及工程造价仍有待进一步研究优化。

6 结论

(1)针对现阶段大直径盾构隧道内部结构较传统现浇模式向预制化模式转变的趋势，介绍了京张高铁清华园隧道采用轨下结构全预制拼装的设计及施工概况，采用3种形式的中箱涵结构及2种形式的边箱涵结构，分别解决了轨下疏散救援及通风的需求。箱涵拼装采用专门研制的拼装机器人施工，后期采用压浆方式填充箱涵与管片之间的空隙，保证了管片、轨下箱涵结构的整体，确保结构安全可靠。

(2)清华园盾构隧道全预制拼装技术作为国内首创，在实施过程中不可避免地产生了拼装错缝的问题。采用Midas软件对拼装错缝问题进行数值分析，采用箱涵底带凸台及轨下缝隙注浆填充调节施工误差的方法是可行的，注浆填充也是必要的。表明全预制拼装结构在当前阶段对结构的稳定性是有保证的。

(3)针对错缝问题的产生，提出了全预制拼装技术的后续优化建议，高精度箱涵拼装设备的研发，合理的轨下凸台布置形式以及注浆材料性能，压浆工艺、注浆分仓工艺的实施等方面均有待进一步研究优化。