矿山法铁路隧道拱部预制衬砌接头选型设计研究

杨 宝，刘保林，曹林卫，旷文涛，杨昌宇

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

引言

随着我国铁路隧道运营里程的不断累计，高速度、高密度的列车运营条件为铁路隧道质量安全控制提出了高要求。近些年，铁路隧道二次衬砌质量问题频发，在建或已投入运营的隧道衬砌均存在不同程度的质量缺陷，以衬砌拱部最为突出，严重威胁铁路运营安全。目前，受到国内施工队伍水平、施工工艺等因素制约，传统现浇施工隧道衬砌拱部质量问题仍较多。装配式构件具有工效高、质量可靠等优点，矿山法施工灵活、适用范围广，同时铁路隧道衬砌质量控制的焦点与难点都集中在拱部范围，综合考虑，矿山法隧道中拱部预制拼装衬砌的应用是值得探究的方向。

早在本世纪初，国内部分学者就全环装配式衬砌在矿山法施工隧道中的应用展开了研究，如贾永刚[1]分别采用了不同的计算方法分析装配式管片间的受力状况；陈敬军[2]对矿山法隧道装配式衬砌单元划分进行了初步探讨；严义招[3]分析探讨了施工阶段与运营阶段矿山法施工隧道装配式衬砌的力学特性，但以上研究仅停留在理论阶段。随着施工机械作业能力与水平的不断提高，地铁区间隧道涌现出钻爆法施工隧道中采用预制拼装衬砌的工程实例，如北京地铁6号线西延段暗挖段采用装配式管片拼装工艺[4-5]。在矿山法施工隧道部分预制衬砌研究方面，西康Ⅰ线秦岭隧道采用预制仰拱构件[6]。

预制拼装构件常通过接头连接，接头是保证结构整体性、稳定性、防水性的重要构件。盾构隧道管片接头研究方面，何川等[7]分析了过江盾构隧道管片接头型式和设计参数；张高乐[8]对盾构复合管片锚式接头的力学性能进行了研究；黄常元等[9]采用足尺试验确定了盾构环向螺栓接头型号。明挖装配式结构接头研究方面，杨秀仁等[10-11]通过抗弯承载性能试验研究揭示了注浆式单榫长、短接头的承载机理；崔涛等[12]探究了装配式衬砌纵向接头受力变形规律。全环矿山法隧道装配衬砌接头研究方面，张胜龙[13-14]研究了铁路隧道装配式衬砌的分块、各种接头的力学行为及其敏感参数；姜俊[15]提出了不同围岩级别下全预制结构最佳划分分案，分析了错峰拼装结构受力特性。目前，针对拱部预制衬砌接头的相关研究尚属空白。

结合研究现状，以重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道为工程依托，开展矿山法施工铁路隧道拱部预制衬砌接头选型与设计研究是迫切必要的。鉴于此，对适用于拱部预制衬砌分块设计、拼装工艺要求的接头形式进行了初步探讨。

1 拱部预制衬砌分块

1.1 工程背景

重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道位于磨心坡线路所与襄渝线磨心坡站之间襄渝磨心坡左联络线上，为设计时速120 km双线隧道，受到站场影响，实际线间距为5.0～5.48 m。

胡家沟隧道LMZK3+465～LMZK3+615为拱部预制拼装试验段，共计150 m。试验段纵坡为1%的下坡，平面均在直线上；洞身围岩以侏罗系中统上沙溪庙组泥岩夹砂岩地层为主，地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水，试验段为浅埋隧道，均为V级围岩。

1.2 拱部预制衬砌分块与尺寸确定

(1)拱部预制范围

隧道衬砌结构从受力角度出发，其多属于压弯构件。当采用拱部预制衬砌时，预制衬砌之间、预制衬砌与非预制件之间均需采用接头连接，但无论采用何种接头形式，其抗弯刚度始终是有限的，因此，接头处通常为衬砌受力的薄弱环节。

为尽可能降低接头对拱部预制衬砌结构整体性与受力特性的影响，将预制衬砌分块接头设置于结构弯矩较小处。对依托工程浅埋试验段进行理论受力分析，从荷载-结构法计算结果来看，衬砌结构拱部弯矩零点距隧道中线约3.3 m，如图1所示。

图1 典型衬砌结构弯矩分布(单位：m)

由于衬砌结构实际受力情况千变万化，理论计算弯矩零点与实际弯矩零点不可能在同一个点。而预制衬砌接头也并非完全不具备抗弯能力，因此，基于理论弯矩零点，在满足最终使用功能及结构承载力的前提下，拱部预制衬砌分块点可在理论弯矩零点附近变动。同时，结合拱部预制衬砌应用范围，确定拱部预制范围宜涵盖整个行车空间，即隧道中线两侧各4.3 m，弦长8.6 m。

(2)拱部预制衬砌分块

拱部预制衬砌的分块对施工组织、拼装设备、结构受力、接缝防水均有较大影响。在工装设备能够满足要求的前提下，预制衬砌分块数量应尽可能少。结合本项目拼装设备的特点与能力，最终选择拱部不分块的整体预制管片方案。

(3)预制衬砌幅宽

考虑到尚无矿山法隧道中采用拱部部分预制衬砌的工程案例，且大直径盾构管片的拼装工艺及拼装设备与本工程存在较大差异，因此，在预制衬砌幅宽的确定上，应尽可能与运输及拼装设备最大能力匹配，以减少环向接缝数量。通过与工装设备研发团队多次商讨，最终确定预制衬砌幅宽为2 m。

2 拱部预制衬砌拼装工艺

当隧道边墙采用现浇结构时，拱部预制衬砌的拼装工艺则完全不同于全环预制管片结构。由于边墙采用整体现浇，而预制衬砌无法采用径向推入的方式，因此，预制衬砌只能从未施作边墙的位置处顶升后纵向滑移至拼装位置，即为全纵向滑移拼装方案(图2)，具体施工工序如下。

图2 全纵向滑移拼装工艺

(1)隧道开挖掘进、初期支护、仰拱二衬、仰拱填充及边墙浇筑按常规施工方法施作。

(2)预制衬砌运至仰拱及填充施作完成但尚未施作边墙的位置，由提升设备将预制衬砌提升并放置于纵向滑移拼装小车上，由纵向滑移拼装小车顶升后沿纵向移动至拼装位置，下降完成与边墙对接。

(3)进行纵向接头连接，预紧，并在每5～6环完成后进行拼装单元纵向复紧。

(4)以5～6环为一个拼装单元，在完成纵向复紧后，进行拱部背后注浆。

(5)重复工序1～4。

3 环向接头选型与设计

拱部预制衬砌环向接头的选择需考虑的因素包括：结构稳定可靠、施工可操作、安装便利、利于防水等。从对拱部衬砌预制范围的研究来看，理论上与实际上均表明接头需具有一定的抗弯刚度与抗剪刚度，以满足结构受力要求。同时，施工工艺也是接头形式选择所需考虑的重要因素。结合本工程的特点，环向接头主要探索了榫接头与螺栓接头2种主要形式。

3.1 榫接头

榫接头按照其接触面的不同，可分为凹凸榫、弧面或球面榫、L形榫等，如图3、图4所示。

图3 凹凸榫、弧面榫接头示意

图4 L形榫接头示意

首先，榫接头可通过榫头相互咬合传递较大的剪力；其次，在轴力作用下，榫接头具有一定的抗弯刚度，其抗弯刚度随着轴力的增大而增大，随着在不同的弯矩作用下，其抗弯刚度具有非线性的特点。另外，榫接头具有安装便捷、施工难度低、施工迅速、工程造价低等优点。

但拱部预制衬砌拼装需竖向回落完成与边墙拼接，因此，图3所采用的凹凸榫与弧面榫形式在竖向回落过程中存在与边墙碰撞的情况，亦不具备适用性。

3.2 螺栓接头

螺栓接头广泛应用于盾构或TBM法隧道管片上，从目前国内地铁建设中管片接头形式上看，以弯螺栓与斜螺栓为主。结合拱部预制衬砌的特点，主要考虑平接头、弧面接头+斜螺栓或弯螺栓共4种方案，如图5所示。

图5 螺栓接头示意

螺栓接头的特点如下。

(1)螺栓接头通过施加预紧力，可提供较大的抗弯承载力，同时通过施加预紧力可实现接头防水密封垫的压紧，保证更好的接缝防水效果。

(2)弧面接头相较于平接头，更能实现接头两端结构面的贴合，便于安装，但现浇弧形面施工难度较大，混凝土硬化收缩变形对接头精度影响较大。

(3)斜螺栓需在边墙预埋螺栓套筒，而边墙现浇所产生的移位偏差、预制衬砌拼装时的拼装偏差都会影响螺栓安装，实现难度较大。

(4)弯螺栓需在边墙内预埋套管，同样存在后期螺栓安装困难问题，但其拼装精度要求较斜螺栓稍低一些。

(5)若采用后置螺栓，则需在预制衬砌压紧后进行钻孔，钻孔易与预制衬砌、边墙中的钢筋发生碰撞，钻孔困难。

3.3 拱部预制衬砌环向接头设计

由于现浇边墙与拱部预制衬砌施工精度的不匹配问题较为突出，对于采用螺栓连接的环向接头，对其定位及拼装等施工要求较高，实现难度大。同时考虑拼装工艺，最终拱部预制衬砌环向接头选择L形榫接头。

通过对不同厚度、不同二衬安全储备的L形接头进行抗剪与抗压承载能力检算，其抗压及抗剪验算公式见式(1)、式(2)，榫接头局部验算示意如图6所示。

图6 榫接头局部验算示意

σ=Q/l≤[σc]

(1)

τ=Q/h≤[τc]

(2)

式中，σ为榫接头接触面压应力设计值；τ为榫接头剪应力设计值；l为榫接头接触面宽度；h为榫接头抗剪高度；Q为剪力设计值；[σc]为混凝土抗压强度容许值；[τc]为混凝土抗剪强度容许值。

以胡家沟隧道衬砌断面为基准，考虑V级围岩深埋、浅埋、偏压3种工况，检算在不同衬砌结构厚度与安全储备工况下，L形榫接头所需最小接触面宽度l及最小抗剪高度h，结果如表1所示。从表1可知，管片厚度越大、衬砌安全储备越大，则抗剪及抗压需求尺寸越大，其中，榫接头所需的接触面最大宽度为14 mm，最大结构高度为184 mm。

表1 L形榫接头检算结果

胡家沟隧道拱部预制型衬砌设计时按厚度40 cm和50 cm两种，其L形榫接头抗压接触面宽15 cm，榫接头抗剪结构高19 cm及24 cm，均能满足承载力要求，接头设计大样如图7所示。

图7 L形榫接头设计大样(单位：mm)

4 纵向接头选型与设计

拱部预制衬砌需竖向回落与边墙拼接后，再纵向顶推完成纵向接头连接。纵向滑移拼装小车区别于大型盾构设备，其所能提供的纵向顶推力十分有限，因此，为减少纵向顶推难度，大行程插入式接头不适用于拱部预制衬砌纵向接头。另外，拱部预制衬砌环向接缝主要通过三元乙丙弹性密封垫的挤压达到防水效果，为保证环缝间密封垫的防水效果，需对拱部预制衬砌施加纵向力。因此，基于纵向滑移拼装小车能提供部分推力，配合纵向接头施加部分纵向紧固力，可基本满足排水型或限制排放型隧道的防水要求。

在能够提供纵向紧固力的前提下，拱部预制衬砌纵向接头则主要考虑采取2种方案：螺栓连接方案及分段张拉+段间螺栓连接方案。

4.1 螺栓连接方案

两环预制衬砌上预留螺栓孔，并采用螺栓连接，以施加的螺栓紧固力和纵向滑移拼装小车提供的推力实现环间接缝压紧，常用螺栓类型有弯螺栓、直螺栓、斜螺栓等。

此方案类似于盾构管片纵向连接方式，其施工工艺成熟可靠、安装方便快捷。但与盾构管片不同的是，预制衬砌缺少盾构千斤顶巨大的纵向推力，纵向滑移拼装小车提供的推力和螺栓预紧力是有限的，对于防水型或富水隧道，其防水效果尚待验证。同时，拱部存在大量螺栓，需考虑运营过程中螺栓的可靠性，存在掉落威胁行车的安全隐患。

4.2 分段张拉+段间螺栓连接方案

为保证环向接缝更好的防水效果，应用于更广泛的隧道场景，可对拱部预制衬砌块进行段落划分，分段利用预应力钢筋进行紧固，单元与单元间的连接需另设局部螺栓接头，其接头形式如图8所示。

图8 分段张拉+段间螺栓连接接头示意

4.3 拱部预制衬砌纵向接头设计

分段张拉+段间螺栓连接的接头方式需对预应筋进行张拉，存在施工工艺复杂、工序耗时、预制件就位过程中预应力筋与预留孔对位困难等问题。综合考虑，推荐纵向采用螺栓进行连接。在螺栓连接方案中，参考目前大直径盾构管片常采用的斜螺栓方式，考虑斜螺栓对预制衬砌结构削弱影响程度小、施工方便、所能提供的预紧可观，因此，最终推荐纵向接头采用斜螺栓进行连接。

胡家沟隧道全隧地层均为泥岩夹砂岩，纵向不均匀沉降较小，预制衬砌的纵向刚度并非主要控制因素。故预制衬砌纵向连接螺栓设计应以达到环缝弹性密封垫接触应力为主要目的。

纵向斜螺栓所施加的预紧力与拼装台车提供的纵向顶推力共同作用，使预制管片移动并压缩防水密封垫至正常工作状态，即螺栓预紧力需考虑的因素有纵向推移过程中构件接触面间摩擦力、密封垫工作接触应力及拼装台车纵向定推力。

Rs=K(σeAe+kGcosθ)-F

(3)

(4)

式中，Rs为整环预制件所需施加的螺栓预紧力；F为拼装台车提供的纵向推力；K为富余系数，按1.3考虑；σe为密封垫正常工作接触应力；Ae为整环预制件密封垫的总面积；k为端面摩擦系数，取0.6；G为单个拱部预制块的重力；θ为预制衬砌的端面倾角，本工程按53°计；σb为纵向斜螺栓应力设计值；Kb为螺栓安全系数，取值1.2；n为整环螺栓数量；Ab为斜螺栓截面积；[σb]为斜螺栓应力容许值。

通过对不同密封垫接触应力(0.5，1.0，1.5，2 MPa)、不同衬砌厚度(40，50 cm)的工况进行纵向螺栓受力检算，并结合断面预制衬砌环向尺寸，确定每环共需配置4套纵向斜螺栓，其环向布置如图9所示。

图9 纵向斜螺栓位置及尺寸(单位：mm)

5 结论

矿山法施工具有灵活、适用范围广泛的优点，预制装配式结构具有工效高、质量可控等优点，通过对两者的结合，以彻底消除铁路隧道拱部衬砌病害为目的，积极探索了矿山法铁路隧道拱部预制衬砌设计问题。针对矿山法铁路隧道拱部预制衬砌的接头选型与设计进行了初步研究，主要结论如下。

(1)通过榫接头、螺栓接头在拱部预制衬砌环向接头中的适用性分析，考虑现浇边墙与预制拱部结构之间的施工精度差异大，推荐拱部预制衬砌环向接头采用L形榫接头。

(2)考虑衬砌结构不同受力模式、不同衬砌结构厚度、不同安全储备，对L形榫接头进行局部抗压及抗剪承载力检算，并据此进行环向L形榫接头详细设计。

(3)拱部预制衬砌纵向接头需满足纵向顶推行程小、能为环缝弹性密封垫提供一定的纵向紧固力。

(4)结合拱部预制衬砌拼装工艺特点，从施工可行性及防水密封性出发，推荐采用纵向斜螺栓接头，并以预紧力要求和构件环向尺寸确定共需配置4套纵向斜螺栓。