铁路隧道预制装配式拱形明洞结构设计

万自强

（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300308）

0 引言

近年来，我国铁路工程尤其是铁路隧道工程突飞猛进发展。截至2019年底，投入运营铁路隧道16 084座，总长度达18 041 km［1］。依据目前修建技术水平，铁路隧道拱形明洞衬砌结构通常采用现浇法施工，但这种施工方法存在投入大、工作效率低、施工组织安排及物料运输组织比较繁杂等问题，而且现浇后混凝土养护时间较长。

为解决现浇施工中存在的问题，参照盾构隧道预制结构设计方法［2-4］，以北京朝阳动车运用所试车线地面拱形明洞结构为例，介绍一种预制装配式铁路隧道拱形明洞结构设计方法，为今后类似工程设计提供借鉴。

1 概况

1.1 工程概况

北京朝阳动车所试车线建于北京朝阳动车所和既有环线之间，包括试车Ⅰ线、试车Ⅱ线和试车联络线。试车线主要用于高速综合检测列车等检测设备的标定、铁路移动装备综合试验与重载铁路技术系统试验。

试车Ⅰ线长度为4.150 km，按照重载铁路标准设计，设计轴重为350 kN。在试车Ⅰ线地面线路段落设置了全长205 m的地面明洞结构用以模拟隧道工况，其中80 m 为预制装配式隧道结构试验段，采用预制装配式拱形明洞施工工艺。

1.2 隧道建筑限界及内轮廓

建筑限界采用GB 146.2—1983《标准轨距铁路建筑限界》中的“隧限—2A”［5］；综合隧道建筑限界和隧道检查车的通行及标定要求，隧道衬砌内轮廓采用《时速250 公里高速铁路单线隧道复合式衬砌》（通隧〔2013〕0202）隧道内轮廓，轨面以上净空面积60 m2。隧道内轮廓见图1。

图1 隧道内轮廓

1.3 地质概况

1.3.1 工程地质

北京朝阳动车运用所试车线隧道场地（简称场地）勘测深度范围内地层为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）黏土、粉质黏土、粉土、粉砂，第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂，表层为第四系人工堆积层（Q4ml）素填土、杂填土。土壤标准冻结深度为0.8 m。

1.3.2 水文地质

场地地下水类型主要为第四系孔隙潜水，含水层主要为第四系粉土、砂类土。勘测期间地下水位埋深为4.50～5.30 m。主要由大气降水补给，水位随季节变化幅度3～5 m。

场地范围内地下水在氯盐环境并有干湿交替作用条件下对铁路混凝土结构具氯盐侵蚀，环境作用等级为L1；在化学侵蚀环境条件下具硫酸盐侵蚀，环境作用等级为H1；在盐类结晶破坏环境条件下具盐类结晶破坏，环境作用等级为Y2。

1.3.3 不良地质

场地位于北京平原地区，为区域地面沉降发育区。2012、2013、2014 年年沉降量为80～110 mm，2015 年为80～100 mm，2016 年为90～110 mm，2017 年为80～100 mm，2018年为50～70 mm。地面沉降尤其是不均匀沉降对隧道结构的影响较大。

2 预制构件分块设计

在有效提高铁路明洞稳固性、保证铁路明洞良好支撑性的同时，为提高施工效率、便于安装和后期维护保养，将拱形明洞结构进行分块设计，具体包括：预制装配式拱墙结构、预制装配式轨下结构、预制装配式隧底仰拱结构等［6-7］，预制构件分块设计示意见图2。

各预制构件在高精度钢模内预制成型，再运送至现场进行组装。并同时对预制装配式拱形明洞的基底进行处理，以满足预制装配式结构对基底平整性的要求。

2.1 预制装配式拱墙结构设计

拱墙结构由1 块封顶块（K 块）、2 块邻接块（B 块）和2 块拱墙块（A 块）组成［8］。预制装配式拱墙结构设计示意见图3。

（1）拱墙块对应设于明洞基底顶面的两侧，且下端与基底固定连接；2个邻接块分别对应设于拱墙块上端且其中一端与拱墙块固定连接；封顶块两端与2个邻接块固定连接，形成封闭的拱形结构。

（2）在拱墙块、邻接块以及封顶块的外侧面设置外接凸耳及螺栓孔，固定弯螺栓穿过外接凸耳上的螺栓孔使拱墙块与明洞基底、拱墙块与邻接块以及邻接块与封顶块连接。

（3）预制装配式拱墙结构环缝及纵缝接触面均设置榫槽，用以加强不同分块之间的连接。

（4）预制拱墙结构采用通缝拼装型式，衬砌厚度300 mm，环宽2 000 mm。

2.2 预制装配式轨下结构设计

预制装配式轨下结构设置在隧底仰拱结构上方，由2 个分别与拱墙块连接的且呈镜像布置的F 型预制块，以及固定连接在2个F型预制块之间的门型预制块组成。

图2 预制构件分块设计示意图

图3 预制装配式拱墙结构设计示意图

（1）F型预制块与门型预制块间纵缝采用4根M24直螺栓连接，相邻预制块环缝之间采用2根M24螺栓连接。

（2）预制装配式轨下结构纵缝接触面不设置凹凸榫，但与预制装配式隧底仰拱结构之间采用M24 斜螺栓加点状凹凸榫连接。

（3）轨下结构采用通缝拼装型式，环宽2 000 mm。

2.3 预制装配式隧底仰拱结构设计

预制装配式隧底仰拱结构设置在基底上方，由2个分别与F型预制块连接且呈镜像布置的边仰拱块以及固定连接在2个边仰拱块之间的中仰拱块组成。

（1）边仰拱块与中仰拱块间纵缝采用2组M24斜螺栓及凹凸榫连接，相邻仰拱块环缝之间采用凹凸榫连接。

（2）预制装配式隧底仰拱结构环缝及纵缝接触面均设置榫槽，用以加强仰拱块的整体性。

（3）隧底仰拱结构采用通缝拼装型式，环宽2 000mm。

2.4 连接螺栓设计

（1）螺栓产品等级为B级，机械性能等级为8.8级，预埋钢螺栓套管采用Q345 钢材，螺纹采用粗螺纹，垫圈硬度最低为300 HV。

（2）为保证螺栓连接的可靠性与安全性，螺栓拉拔强度指标需满足最小拉力荷载≥466 kN；螺栓套管拉拔强度指标需满足保证荷载≥516 kN，保证应力≥920 N/mm2。

2.5 其余部分设计

（1）明洞隧底仰拱结构及明洞拱墙块（A块）部分位于现状地面以下，为保证结构地面平顺性、应对不均匀沉降等不良地质作用，隧道结构底部采用C25混凝土进行换填处理，换填深度为2 m。

（2）为保证预制结构的抗倾覆与抗滑移稳定性，在预制拱墙结构拱墙块（A 块）上方设置压顶梁并与基坑围护结构相连，并在隧底仰拱结构下方加设抗倾覆桩。

（3）预制块拼装施工过程优先进行底部仰拱结构和轨下结构拼装，待下部结构全部拼装完成后，方可进行拱墙结构拼装施工。

（4）隧底仰拱结构拼装完成后，利用隧底仰拱结构预埋的灌浆孔对底部间隙密实回填，灌浆材料采用M10水泥砂浆。灌浆作业面与拼装位置保持5环以上的距离，并确保相邻灌浆孔接缝冒浆后方可停止。

（5）在隧底仰拱结构、拱墙结构等预制装配式构件设置纵向拉紧联系条，待每拼装5环后，利用预留的张拉孔进行纵向拉紧，确保结构拼装的精度与质量。

3 防水设计及耐久性设计

3.1 防水设计

（1）因预制拱形结构位于地面，防水等级为二级，并采用防水混凝土，抗渗等级不小于P8。混凝土外侧防水层采用2.5 mm厚水泥基渗透结晶防水涂料防水。

（2）预制结构的纵缝及环缝均采用弹性橡胶密封垫+遇水膨胀止水条进行防水，弹性橡胶密封垫采用EPDM（三元乙丙）为主、辅以高密度遇水膨胀橡胶的复合密封垫。

（3）螺栓孔部位设置O 型密封圈，材质为遇水膨胀橡胶。

（4）预制构件吊装孔采用微膨胀轻质混凝土回填的方式进行防水。

3.2 耐久性设计

（1）隧道结构及主要不可更换部件的设计使用年限级别为1级，设计使用年限为100年。

（2）参照《铁路混凝土结构耐久性设计规范》要求和国家标准相关规定，降低混凝土碳化速率、提高结构耐久性，预制构件采用C40钢筋混凝土［9］。

（3）为保证结构安全和钢筋抗侵蚀能力，预制构件的最大裂缝宽度允许值为0.2 mm，且不得有贯穿裂缝，主筋净保护层厚度为40 mm。

（4）预制构件外侧螺栓采用塑料保护罩进行封闭保护，螺栓与预制结构之间的空隙采用水泥砂浆填充密实。所有连接件均需进行纳米复合粉末渗锌防腐处理，防腐层厚度不小于50 μm，并应避免磨损，以防止锈蚀。

4 结束语

系统介绍铁路隧道预制装配式拱形明洞结构设计，在满足规范的要求下，选择合理的分块设计与结构形式。并从拱墙结构、轨下结构、隧底仰拱结构、防水设计及耐久性设计等方面阐述了拱形明洞的预制装配式结构设计方法。设计方案预制结构质量可控、施工快捷便利且绿色环保，能够实现明洞的快速施工，对同类工程具备一定的参考价值。