全断面预制装配式隧道明洞设计施工关键技术

王志伟 马伟斌 王子洪

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

明洞作为隧道洞口重要组成部分，可起到防御危岩落石、边坡崩塌、泥石流等作用。实际工程中多采用钢筋混凝土拱形明洞，具体分为对称型、偏压型、单压型等，拱形明洞基本上采用现浇工艺建造。

针对现浇明洞存在的施工难题与工效较低问题，近年来发展出柔性钢筋网［1］、刚性钢拱架［2］等多种类型的明洞结构，用于隧道洞口防护。此类明洞结构具有施工技术成熟、技术难度小的特点，但存在造价较高、刚性较差、防护作用较弱等问题。钢筋混凝土预制装配式明洞可一定程度上解决这些问题，其造价低廉、洞外吊装空间充裕，而且具有缩短工期、方便施工、提高质量、保护环境等优势。

钢筋混凝土预制装配式明洞结构设计及施工与明挖装配式隧道或地下车站有相似性，后两者在国内外隧道与地下工程中已经有很多成功案例，如荷兰鹿特丹地铁壳式装配结构、日本仙台地铁双跨箱形结构、前苏联整体管段结构［3］，中国的秦岭Ⅰ线隧道［4］、长春地铁袁家店站［5］。随着国民经济发展与科技水平提高，当前已经具备钢筋混凝土装配式明洞的设计施工与推广条件。

本文结合试验段，系统阐述全断面钢筋混凝土预制装配式隧道明洞的设计选型、结构验算、施工拼装过程及关键工序、结构外防水方案，为该类结构和该项技术的推广提供技术支撑。

1 全断面钢筋混凝土预制装配式明洞设计

1.1 试验段概况

国家铁道试验中心重载铁路试车线位于北京朝阳区，2018年利用京沈客运专线星火动车所和中国铁道科学研究院集团有限公司环行铁道试验基地既有试验线的夹心地段开始建设，现已建成，主要用于重载移动装备和工务设备的安全性、耐久性试验以及重载技术系统试验。为全面验证推广全断面钢筋混凝土预制装配式明洞结构，中国铁道科学研究院集团有限公司在该线SIDK0+070—SIDK0+150 区段设计了面向铁路的装配式明洞结构试验段，如图1所示。

图1 装配式明洞区段所在位置

1.2 预制装配式明洞分块方法及设计选型

1.2.1 分块方法

目前常用的方法为先对分块前的整体结构进行受力计算，确定荷载组合。然后采用荷载-结构模型，计算结构弯矩、剪力与轴力分布，根据计算结果将弯矩为0处作为分块的节点［6］。

长春地铁袁家店明挖车站的设计施工中，车站拱形结构在拱顶中心弯矩最大处进行分块并进行拼装［7］。该种方式打破思维定势，重视结构内力的重分布，实际上是人为主动调整结构受力模式的隧道衬砌结构分块方法。与弯矩为0 处分块相比，在相同受力条件下，采用该种分块方法拱腰、拱脚和拱底安全系数略有下降，拱顶和拱肩安全系数大幅增加，安全系数包络线沿着衬砌拱墙分布更加均匀［8］。此外，节点设在拱部中心，主要是考虑构件规格不宜太多、明挖覆土荷载较小、拱部接头抵抗弯矩没有问题。

上述两种分块方法有各自优点，最小弯矩处的分块更适用于暗挖隧道结构受力，弯矩最大处分块方法更有利于明挖隧道衬砌拼装施工的开展。图2为分块设计的技术路线，从结构位移、应力、安全系数、评价指标四个方面评价分块效果，评价指标综合考虑结构受力、构件自重、拼装机械、运输成本、精度控制等因素确定。

图2 隧道衬砌结构分块设计技术路线

1.2.2 设计选型

与暗挖隧道相比，试验段明洞结构主要受到风雨雪荷载和运营期列车振动荷载。考虑今后该项技术在暗挖隧道内的推广，将衬砌结构在最小弯矩处（弯矩为0处）进行分块。与暗挖隧道相比，明洞结构若仅靠自重和螺栓进行连接，安全系数低于地下衬砌结构，所以将边墙预制块外延加粗并向下延伸至地面，在拱墙接头处增加外接凸起部分，增加拱墙块之间接触面积。明洞结构分为预制拱墙结构和预制基底结构（图3），沿着轨道方向每环宽2 m，包括11 个预制块体，采用通缝拼装，预制块体厚0.3 m。明洞高11.04 m，宽11.27 m，拱墙由A1块、A2块、B1块、B2块、K块5部分组成。预制基底结构高1.6 m，宽7.6 m，由2 块F 形块、2块边仰拱块、1块门形块和1块中仰拱块组成。

图3 断面设计（单位：cm）

2 结构力学性能验算

结构力学性能验算包括静力验算和动力验算。静力验算主要校核风荷载、雪荷载作用下结构的安全性，按照GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中规定进行。动力验算通过建立车辆-轨道-装配式明洞耦合动力有限元模型进行计算。

2.1 模型边界及参数

为了防止弹性波在边界处发生反射，在边界位置设置黏弹性边界条件，阻尼参数采用瑞利阻尼来计算，即

式中：［C］、［M］、［K］分别为阻尼矩阵、质量矩阵和刚度矩阵；α、β为阻尼常数，当列车激振荷载频率为4 ～200 Hz时，可计算得到α=1.4784，β=4.681×10-5。

相应地，阻尼比ξ也由两项组成，与质量成正比的质量阻尼比ξM和与刚度成正比的刚度阻尼比ξK，即

式中：ωi为第i阶振型的圆频率，rad/s；fi为第i阶振型的固有频率，Hz。

车辆结构采用多刚体系统，其由车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂等组成，计算参数见表1。

表1 列车计算参数

轮轨接触力包括轮轨间法向接触力和切向接触力，本文主要计算垂向振动、位移和应力，故仅考虑轮轨间法向接触力。根据Hertz 非线性弹性接触理论［9］法向接触力的计算公式为

式中：G为轮轨接触常数，对于磨耗型踏面车轮G=3.86R-0.115× 10-8(m/N)23；R为车轮半径，m；δ为轮轨间的弹性压缩量，m。

轨道高低不平顺谱密度Sv(ρ)采用较为主流的德国低干扰谱进行计算，公式为

式中：Av为粗糙度常数；ρ为空间频率，Hz；ρc、ρr分别为空间截断频率和时域截断频率，Hz，取值参阅文献［6］。

2.2 结果分析

在钢轨、轨道板、F 箱涵顶部两个位置、门形箱涵顶部拐角处布置测点1—测点5，见图4。列车时速分别取200、250、300、350 km，获取测点振动加速度、竖向动位移和动应力的时域波形，分析预制装配式衬砌及轨下结构的动力响应。

图4 测点布置

1）振动加速度

不同行车速度下各测点振动加速度变化曲线见图5。可见：振动加速度整体呈下降趋势，测点4最小，说明振动能量主要由道床向下方和两侧传播；随着行车速度增加各测点振动加速度增大，但是增幅不大；测点1 在时速350 km 时最大振动加速度为9.1 m/s²，小于限值10.2 m/s²［10］，满足安全行车要求。

图5 不同行车速度下各测点加速度变化曲线

2）竖向动位移

不同行车速度下各测点最大竖向动位移见图6。可知：行车速度不变时，测点1—测点5 最大竖向动位移依次减小；同一测点行车速度越大最大竖向动位移越大，测点1 在时速350 km 时最大竖向动位移为6.4 mm，小于1/100 洞跨的2 倍值（11.27 mm），满足安全行车要求。

图6 不同行车速度下各测点最大竖向动位移

3）竖向动应力

不同行车速度下各测点最大竖向动应力见图7。可知：行车速度不变时，最大竖向动应力依次减小，同一测点行车速度越大最大竖向动应力越大，时速350 km时测点1 最大竖向动应力为278 kPa，远小于混凝土结构的极限拉、压应力，满足安全行车要求。

图7 不同行车速度下各测点最大竖向动应力

3 施工过程及关键拼装工序

施工过程主要包括五个方面，见图8。其中预制基底结构施工是重点和难点。

图8 主要施工工序

工程实施过程中底部采用龙门吊进行吊装。拱墙部分的拼装采用新研制的大型拼装机械，见图9。

图9 装配式明洞结构大型拼装机械

拱墙拼装过程如图10所示。具体步骤为：①底部精平，吊装拼装式仰拱与箱涵；②拱墙拼装台车铺轨并前行至拼装位置，将台车纵向两端的锁轨器锁紧在钢轨上；③吊装预制衬砌A 块至指定位置，全站仪定位；④将B 块放置于A 块上，A 块顶部设置保护垫层，精准调控B 块位置，对齐螺栓孔；⑤调整台车丝杠将K块放置于定位基准面上，将B块与K块连接起来；⑥下降拼装模板，落在A 块上，通过拼装模板的纵向、径向移动调整对正；⑦台车移动，将牵引油缸与后面拼装好的管片连接起来提供反力，松开锁轨器，在油缸的作用下开始下一个工作循环。

图10 拱墙拼装过程示意

4 拼装结构接缝外防水方案

由于装配式车站预制块间的接触压力远小于盾构机环向推力及纵向的接触压力，且由于预制块尺寸较管片大许多，其加工尺寸偏差也远大于管片制作精度。这就要求密封垫在构件间较小的接触压力下，甚至预制构件之间存在一定张开量时依然能够起到很好的防水效果。常规的盾构隧道管片用三元乙丙橡胶类压缩型密封条带不满足要求。因此，提出适用于装配式明洞的新型结构外防水方案，即在结构拼装完成后将新型条囊充液式止水带+丁基橡胶腻子垫片嵌入结构外侧接缝处，止水带内填充的液体为固化低硬度聚氨酯弹性体，通过自膨胀作用，充填纵缝和环缝处缝隙，并实现防水效果，如图11所示。

图11 接缝位置示意

新型条囊充液式止水带在拼装期间泵入空气，待全部拼装完成后边放气边充注液体，待液体凝固后变成具有一定弹性和压力的条囊状止水结构，如图12所示。充气时将充气区域内进料口通过气管串联，统一充气至0.4 MPa，如不具备统一充气条件也可错位充气。充气完成后拔出充气头，进料口的气门嘴会自动回弹进行保压，拧紧气门帽即可。以错位方式充注液体时，充注压力0.2 MPa，充注液体为聚氨酯双液浆，A、B 两组分的混合温度为20～30 ℃，混合时间为2 min，固化温度大于5 ℃。

图12 新型条囊充液式止水带注浆处断面（单位：mm）

5 结论

1）阐述了衬砌结构分块方法，给出了弯矩最小处分块的设计方法，提出了隧道衬砌结构分块设计应遵循的技术路线和设计选型。

2）通过建立车辆-轨道-装配式明洞耦合动力有限元模型模拟，最大振动加速度、最大竖向动位移、最大竖向动应力分别为9.1 m/s²、6.4 mm、278 kPa，证明了列车荷载作用下所设计结构的安全性满足列车安全运营要求。

3）介绍了装配式明洞结构大型拼装机械及主要施工工序和关键拼装步骤，提出了一种具备推广价值的新型条囊充液式结构外防水方案。

4）目前全断面预制装配式明洞结构在工程中应用不多，缺少不同断面条件下参考图纸和标准规范，因此标准化通用型的设计方案和施工方案需要推广。一方面可重复利用模具与工装，另一方面有利于管理和工艺的标准化，从而显著提高工效和有效降低造价。