地铁矿山法隧道装配式二次衬砌配套拼装需求条件研究

张金伟， 罗富荣， 杨斌斌， 王 宁， 徐 骞

(1. 中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300133； 2. 北京市轨道交通建设管理有限公司， 北京 100000；3. 北京城市快轨建设管理有限公司， 北京 100000)

0 引言

矿山法隧道二次衬砌结构采用预制构件进行生产及安装，能够充分发挥工厂化、模具化、机械化、标准化的优势。与全现浇建造方式相比，该方法既能降低现场原材料耗费，减少劳动力需求，提高生产工业化，又能通过预制构件保证混凝土的浇筑质量，减少运输资源占用，降低环境和噪声污染，优势相当明显。因此一套成熟可靠的配套拼装技术则是装配式隧道不可或缺的组成部分。

相关文献对预制拼装技术、工艺及预制结构力学特性等进行了一些研究。如： 宋丹等[1]结合盾构矿山法施工工艺及土压平衡盾构管片拼装原理，阐述了暗挖隧道装配式管片拼装在施工中需重点解决的关键技术，并介绍了配套的拼装设备结构组成及功能特点； 占有志[2]结合某地铁暗挖隧道工程的马蹄形管片拼装施工，对暗挖隧道装配式二次衬砌结构施工工艺进行了介绍； 文献[3]提供了一种地铁暗挖区间正线装配式二次衬砌的施工方法，提高了暗挖隧道二次衬砌的机械化水平与施工工效； 江帅等[4]对装配式管片拼装设备的组成、功能进行了简述，对新型装配式衬砌施工技术及其配套设备的特点进行了总结； 时亚昕[5]针对部分预制技术的研究，以长大铁路隧道为对象，对其仰拱及铺底采用干硬性混凝土和钢筋混凝土预制板组合结构施工的力学特性和施工方法进行了试验研究； 贾永刚[6]对接头力学特性和衬砌片背后填充注浆不密实情况下的几种工况进行了数值模拟力学分析； 陈敬军[7]对矿山法施工的铁路装配式衬砌隧道进行了计算分析，提出了隧道断面型式和构件划分方案； 董林伟[8]以北京地铁6号线起点—金安桥区间的装配式工程为依托，进行了装配式暗挖区间管片接缝室内及现场防水试验研究，为管片拼装参数提供了依据； 严义招[9]确定了适合于铁路双线山岭隧道装配式衬砌的断面形式、全预制构件划分方案、结构厚度和拼装方式等，分析了衬砌结构的受力特性； 张胜龙等[10]分析了单线铁路隧道不同围岩条件下整体衬砌内力特征和不同接头刚度条件下接头处的受力和变形，提出了衬砌接头刚度应不小于230 MN·m/rad； 林志等[11]针对钻爆法公路隧道的装配式衬砌结构构造设计、衬砌类型选择、分块设计以及接头转动刚度等进行了研究，提出装配式衬砌结构新型式，采用梁-弹簧模型对结构的厚度、接头刚度进行模拟，分析了变形和内力分布的特征； 郇星超[12]介绍了公路隧道力学计算模型，提出了合理的装配式衬砌厚度、构件划分方案，研究了衬砌结构的变形和内力的变化规律。

综上，文献[1-4]从施工角度，重点阐述拼装施工的关键技术和具体方法、工艺等； 文献[5-12]通过数值分析和试验研究等手段，对铁路或公路隧道进行了预制结构的力学特性和结构断面型式等研究。而这些参考文献均未就地铁矿山法隧道装配式二次衬砌的配套拼装需求条件进行阐释和分析，本文以矿山法隧道装配式衬砌环结构条件为基础，分析其设计参数及特点，并结合拼装机工法工艺流程，提出撑靴式拼装机和机械手式拼装机，重点探讨拼装机的设计和施工需求条件，并通过试验应用，验证其使用效果。

1 拼装机工法简介

所述拼装机工法，是指在采用传统工法开挖和初期支护施工完成后，将拼装设备下井、组装，在已经完成的初期支护结构保护下，拼装预制混凝土衬砌环片，最终形成隧道结构的一种半机械化施工方法。其施工工艺流程主要为： 隧底施作定位导台—拼装机分块下井、组装—衬砌片运输—衬砌片吊装、拼装、豆砾石运输—空隙吹填豆砾石—空隙充填注浆—拼装完成至设备接收、转场。拼装机工法施工现场如图1所示。具体工艺可参考文献[2]，本文不再详述。

2 地铁矿山法隧道装配式衬砌环结构条件

目前，地铁暗挖区间基本采用盾构法和矿山法。就可能出现的建(构)筑物沉降、变形、坍塌而言，矿山法并不一定逊色于盾构法。而且矿山法施工灵活，不受两端车站限制，并适应于多种地层条件。本次研究基于地铁矿山法隧道，即采用常规开挖和支护手段，初期支护施工完成后拼装二次衬砌，隧道仍采用初期支护+二次衬砌的复合式衬砌结构，不改变原有施工总体工序。研究认为矿山法隧道二次衬砌结构采用全部预制构件进行生产及安装可行，矿山法隧道装配式二次衬砌采用马蹄形断面型式，钢筋混凝土平板型式衬砌片，衬砌片厚度为300 mm或350 mm，分6块，全部预制，错缝拼接，环宽为1 200 mm，衬砌片采用螺栓连接，根据拼装机设计原理(是否能够提供对衬砌片的持续纵向挤压力)的不同可采用弯螺栓或者直螺栓。本次研究将这些研究成果作为输入条件。衬砌环结构横断面如图2所示。

(a) 拼装机分块下井

(b) 衬砌片拼装

(c) 螺栓紧固

(d) 吹填豆砾石

图2 衬砌环结构横断面图

衬砌环结构主要设计参数见表1。

表1 衬砌环结构主要设计参数

3 配套拼装技术需求条件分析

衬砌片拼装应立足于机械化、标准化，拼装设备应具备先进、精确的定位和导向系统。 同时，尽量避免采用二次衬砌浇筑、预埋等方式定位，必须采用时也仅作为辅助定位。衬砌片拼装机设计应结合矿山法隧道开挖多采用竖井和横通道方式的特点，具备分体下井再组装的功能，具有便捷的步进系统，能够完成拼装及行进动作，拼装结束可灵活转场至其他区间实现快速组装和拼装，并且具备适合大多数线路平、纵曲线条件的能力。针对前述衬砌环结构设计参数，分别研究与其对应的拼装机设计和施工需求条件。

1)马蹄形带仰拱断面结构，给管片的运输、存放、拼装造成一定困难，设备制造需要综合考虑运输、抓取、起吊、平移、翻转、拼装整体稳定等问题。同时，仰拱块定位可选择隧底预铺豆砾石或隧底设平台2种不同方案。仰拱块定位方案如图3所示。

2)初期支护与二次衬砌间应预留一定的空隙，满足拼装机的要求，该空隙可取80～100 mm，空隙内吹填豆砾石并灌注水泥浆充填。

(a) 仰拱预铺豆砾石

(b) 隧底设平台

3)衬砌片采用全部预制，钢筋混凝土平板型式，错缝拼接，环宽为1 200 mm，衬砌片厚度为300 mm或350 mm，分6块，最大分块质量接近4 t。拼装机抓取、起吊等应予以考虑。封顶块采用径向插入1/2衬砌环宽度后纵向插入方式。

4)根据拼装机是否能够提供持续的纵向挤压力，衬砌片可采用弯螺栓或者直螺栓连接。

经研究筛选，目前符合地铁矿山法区间装配式二次衬砌施工需求的拼装配套设备主要包括撑靴式拼装机和机械手式拼装机。

3.1 撑靴式拼装机需求条件研究

3.1.1 撑靴式拼装机简介

撑靴式拼装机由撑靴组、滚轮、推进油缸、拼装机、吊机、注豆砾石系统、注浆系统、液压电控系统等部件组成。 撑靴式拼装机示意如图4所示。通过撑靴移步换位，设备行进便捷，也可持续提供管片的预紧力。

图4 撑靴式拼装机示意图

撑靴式拼装机特点明显，不仅可实现分块下井及井下组装，还可实现正、反向拼装2种模式。撑靴密贴在初期支护结构面上，需保证初期支护结构面的平整。设备的步进与衬砌环的定位均以导台为基准，衬砌片底部直接作用在导台上，接触面积大，衬砌片承压小，支撑稳定可靠，拼装工序简单，效率较高。撑靴作用于初期支护面而产生摩擦力，从而提供管片拼装的持续挤压力。充填豆砾石时，可从底部平台两侧注入，使衬砌片底部充填密实。其主要不足为，设备用钢量偏大，偏笨重，灵活机动性欠佳。

3.1.2 撑靴式拼装机需求条件

撑靴装置支承在隧道初期支护上，靠撑靴与初期支护之间产生的摩擦力来提供持续挤压力。其设计要点为，在持续挤压力的条件下，隧道初期支护结构仍能正常使用而不破坏。分别建立地层-结构模型和荷载-结构模型计算分析，主要计算结果如表2和表3所示。

表2 初期支护厚250 mm时控制截面内力及配筋表

表3 初期支护厚300 mm时控制截面内力及配筋表

通过以上计算可知，为保证初期支护结构能够正常受力，并留有一定的安全度，撑靴荷载可按100～150 kN/m取值。为验证初期支护的承载力，在施工现场选取隧道拱部，并进行挤压试验。现场隧道拱部挤压试验场景如图5所示。在加载至500 kPa时仍未监测到结构的明显变形，验证初期支护结构最大承载力取150 kPa时能够满足结构安全的要求，可作为设备撑靴反力的设计依据。同时，需要通过调整撑靴与初期支护的接触面积来满足初期支护结构和衬砌片预紧力的双重要求。

(a) 吊装加载构件

(b) 挤压加载试验实况

3.2 机械手式拼装机需求条件研究

3.2.1 机械手式拼装机简介

机械手式拼装机由行走设备、连接梁、大臂、拼装机、豆砾石泵、拖车等部件组成。机械手式拼装机示意如图6所示。行走设备为主动式履带机，可根据需要行走步进。大臂在升降油缸及行走设备的作用下，可上下、左右摆动，拼装机在伸缩油缸的作用下可前后滑移。注浆台车有独立驱动单元，可根据实际注浆的作业需要自行前后移动。

图6 机械手式拼装机示意图

机械手式拼装机因具有独立行走设备，对隧道初期支护结构内表面要求较不严格，机动性较好，拼装施工快捷。同时设备功能较齐全、结构较简单、用钢量不大、生产成本较低。但其显著特点是不能提供衬砌片的纵向挤压力，衬砌环只能通过螺栓连接实现压紧，且只能进行单方向的拼装作业。

3.2.2 机械手式拼装机需求条件

较之撑靴式拼装机，机械手式拼装机设计原理较为简单。考虑到其不能对衬砌片提供持续的纵向挤压力，则需要通过直螺栓预紧的方式满足衬砌片的压紧需求。因此，机械手式拼装机实现的条件为： 螺栓预紧能够满足管片挤压和防水的要求。

根据中国矿业大学的隧道防水胶条性能试验数据[8]，隧道环间防水密封需提供的最小单位挤压力为17.3 kN/m。针对300 mm厚的衬砌片，认为环间衬砌片接触面上任意一点的压力达到57.67 kN/m2时，即达到防水密封状态的要求。通过建立三维荷载-结构模型(见图7)对螺栓荷载作用下的结构进行计算分析，结果如图8—10所示。

图7 三维荷载-结构模型

“+”为拉应力； “-”为压应力。

“+”为拉应力； “-”为压应力。

“+”为拉应力； “-”为压应力。

由图8—10可知： 1)对于300 mm厚的衬砌片，在螺栓轴力达到25 kN时，衬砌片接触面间形成一圈58.3～116.7 kN/m2的压应力区，该区域满足衬砌片环间密封状态的压力值(57.67 kN/m2)，认为衬砌片环间已达到防水的要求； 2)当螺栓轴力达到43 kN时，衬砌片受拉区最大拉应力大于C50混凝土轴心抗拉强度的设计值，衬砌片破坏。考虑到仰拱块螺栓上紧需克服部分摩擦力，仰拱块螺栓轴力需达到28.73 kN，即能够满足衬砌片压紧和防水的需求。

4 拼装机下井条件

为实现隧道内的机械化拼装，首先需解决机械的运输条件，可采取2种方式： 一是在相邻车站预留始发及接收条件； 二是在区间范围内设置相应的始发及接收井。当拼装机由车站始发及接收时，车站需设置相应吊装孔及下料口，此种方式对车站施工的影响较大，且区间隧道在拼装过程中直接制约车站的工程组织。而暗挖区间初期支护结构的实施一般都需设置相应的施工竖井，拼装机吊装井及下料井可结合竖井设置，拼装机采用井下组装，标准竖井的净空即可满足吊装及下料的要求。吊装竖井净空尺寸应根据拼装设备、衬砌片分块大小等因素综合确定。一般情况下，该尺寸可取4.6 m×6.7 m。拼装机吊装竖井平面示意如图11所示。拼装机下井示意如图12所示。

图11 拼装机吊装竖井平面示意图(单位： mm)

图12 拼装机下井示意图

5 洞门接口处理

拼装设备从首环开始向隧道推进处洞门称为始发洞门，末环处洞门称为到达洞门。始发或到达洞门纵剖面如图13所示。同一条区间隧道可能会涉及多处始发或到达洞门，基本上都位于拼装结构与现浇结构的交接处。

图13 始发或到达洞门纵剖面图

拼装机工法隧道始发及接收洞门处，预留洞口周边需设置加强圈梁。圈梁内净空一般以拼装管片外轮廓外放600 mm为宜，其内部设置后浇洞门圈梁，通过该圈梁实现现浇结构与拼装结构的过渡连接。当拼装机不提供顶推力时，始发洞门处后浇圈梁在设备始发时施作，作为首环管片安装定位的基准，其衬砌长度应根据理论排版进行确定。当拼装机能提供顶推力时，始发时宜设置负环，架设反力架，待隧道拼装完毕后再拆除负环，施作始发洞门后浇环梁。若不设置负环，需先期施作后浇洞门圈梁或能提供反力钢环，为拼装机提供反力支撑。反力钢环示意如图14所示。到达洞门处后浇圈梁一般在末环拼装完毕后施作，圈梁内钢筋与末环管片纵向螺栓焊接后进行浇筑。对于结构防水的处理、近洞口处的拉紧措施，与盾构隧道做法类似。

图14 反力钢环示意图

6 拼装环与现浇段衔接

在拼装机工法暗挖隧道内，除洞门结构外，还有可能涉及到人防段、渡线段等非标准断面。在目前的设备和技术条件下，无法全部采用拼装机工法施作，不可避免地会遇到拼装环与现浇结构的连接问题，比如不同结构体系间的连接问题、不同防水体系间的过渡处理等。对于这些非标准断面，临时仰拱及中隔壁的设置会阻碍拼装机的行进路径。需先期施作现浇段结构，预留洞门施作条件，按照洞门设计的相关做法来解决结构及防水的衔接问题。

7 结论与体会

1)拼装机工法介于盾构法和矿山法之间，其机械设备制造和使用原理较为简单，很容易为大多数施工单位掌握，推广前景广阔。

2)撑靴式拼装机和机械手式拼装机都适用于地铁矿山法隧道的二次衬砌拼装，但有其各自特点。撑靴式拼装机能够提供衬砌片的持续压紧，而设备撑靴需要作用于初期支护结构上，要求初期支护结构承载力不得低于150 kPa； 机械手式拼装机使用灵活，但需要借助衬砌环间螺栓实现压紧，对于300 mm厚的衬砌片，在螺栓轴力达到25 kN时，衬砌片环间可达到防水的要求。具体工程中，应综合分析隧道断面组合、结构型式、拼装机运输、组装和下井条件、洞门接口位置和数量等多种因素来选择适用的拼装设备。

3)独立设置的拼装机吊装竖井净空尺寸一般可取4.6 m×6.7 m。对于地铁暗挖区间的非标准断面，因设置临时仰拱及中隔壁，拼装机行进路径受阻，需采用现浇方法先行施作，以保证拼装与现浇结构的衔接，同时保证拼装机可顺利通过。

4)针对拼装环的定位和导向，采用了提前施作隧底定位导台方式，导台的平整度及其后期保护尤为重要，对施工精度要求较高。后期研究中，还应立足拼装设备本身应具备先进、精确的定位和导向系统，尽量避免采用二次衬砌浇筑、预埋等方式。若必须采用，可仅用于辅助定位。

目前，机械手式拼装机工法已经在北京地铁某矿山法隧道中首次试验应用，效果良好。笔者期望本次研究和试验成果能为类似工程提供借鉴和指导，带动地铁建设行业在预制领域、装配化方面取得一定的进步和发展。

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