摘要：明挖裝配式工法修建城市高速鐵路隧道具有縮短工期、減少現(xiàn)場人力投入、改善施工質(zhì)量、提升環(huán)境友好性等諸多優(yōu)勢，是未來城市隧道的一個發(fā)展方向。通過對雄忻高鐵雄安隧道周邊規(guī)劃條件、項(xiàng)目實(shí)施環(huán)境調(diào)研，分析裝配式結(jié)構(gòu)工效，證明了采用裝配式結(jié)構(gòu)可有效的控制總體工期;結(jié)合本次裝配式實(shí)施段落的工程條件，從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率以及臺車適用性等方面綜合比選，推薦使用吊裝法施工。通過建立隧道工程“荷載結(jié)構(gòu)”整體計(jì)算模型以及裝配式構(gòu)件局部接頭模型，對隧道整體內(nèi)力及裝配構(gòu)件接頭變形進(jìn)行分析。結(jié)果表明:裝配式隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、接頭局部變形滿足設(shè)計(jì)要求;采用預(yù)應(yīng)力連接措施可有助于控制構(gòu)件接頭變形，證明了裝配明挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。

　　關(guān)鍵詞：高速鐵路;明挖隧道;裝配式結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)方案;受力特性

　　1概述

　　隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的長足發(fā)展，鐵路交通行業(yè)有了突飛猛進(jìn)的增長，截止2020年底，中國鐵路運(yùn)營總里程達(dá)14.5萬km，其中，鐵路隧道共16798座，全長約19630km[1]。經(jīng)濟(jì)交通的發(fā)展帶動了區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，以區(qū)域間城際、高速鐵路為代表的新型出行模式正在改變著人們的生活方式。為提高交通出行效率，各大城市均建立了綜合交通樞紐，將地鐵、高鐵、公交場站緊密聯(lián)系在一起，高鐵進(jìn)入主城區(qū)成為了必然，城市鐵路隧道應(yīng)運(yùn)而生，成為了未來重要的發(fā)展方向。高速鐵路城市隧道以盾構(gòu)、明挖施工形式為主。

　　目前，明挖城市隧道采主要用現(xiàn)場澆筑的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，實(shí)施工效低、受場地環(huán)境影響大、現(xiàn)場投入大、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工期不易控制、防水等工藝質(zhì)量較差、環(huán)境友好性差[24]。明挖裝配式工法修建城市鐵路隧道，隧道構(gòu)件工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，待現(xiàn)場圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)拼裝，具有縮短工期、改善施工質(zhì)量、有效控制現(xiàn)場環(huán)境污染等諸多優(yōu)勢，是建筑產(chǎn)業(yè)化升級、信息化發(fā)展的有效途徑[57]。混凝土預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在工業(yè)與民用建筑、橋梁、地鐵隧道、輸水管道等領(lǐng)域廣泛使用。國內(nèi)外工程技術(shù)人員對全預(yù)制、半預(yù)制地下工程進(jìn)行了大量研究[812]。

　　隨著研究的深入，我國預(yù)制裝配式技術(shù)有了長足發(fā)展，也積累了許多工程經(jīng)驗(yàn)，形成了比較成熟的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[13]。2015年我國首座采用全預(yù)制拼裝工藝地鐵車站-袁家店站在長春建成[14];北京市首座預(yù)制拼裝工藝的地鐵車站金安橋站，試驗(yàn)段工期比傳統(tǒng)工藝縮短了2/3，現(xiàn)場工效得到大幅提升[15];北京朝陽動車所試車線地面線采用預(yù)制裝配式構(gòu)件拼裝，長度80m[16]。

　　此外，我國在裝配式矩形盾構(gòu)、綜合管廊、拼裝沉管隧道的工程實(shí)施方面也有較多成功實(shí)施的案例[1720]。目前，明挖裝配式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于城市軌道交通、市政管廊等領(lǐng)域，還未在高速鐵路中運(yùn)用，以雄忻高鐵雄安隧道裝配式結(jié)構(gòu)方案研究為背景，通過對裝配式結(jié)構(gòu)整體受力以及裝配式構(gòu)件局部接頭變形的分析，證明了結(jié)構(gòu)設(shè)置的合理性。通過工效分析發(fā)現(xiàn)，裝配式方案可有效提高工效，減少總工期，加速一體化實(shí)施進(jìn)程。從而驗(yàn)證了裝配式方案的優(yōu)勢及合理性。

　　2明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)方案

　　2.1工程概況

　　雄忻高鐵雄安隧道位于規(guī)劃雄安新區(qū)，隧道總長約20km，周邊規(guī)劃有多項(xiàng)市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設(shè)計(jì)、施工。隧址區(qū)位于華北平原區(qū)，屬于沖洪積平原小區(qū)，地形平坦，地勢開闊，略有起伏，局部為低洼地，地表多辟為耕地。本工程范圍內(nèi)地層主要為第四系沖洪積地層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉細(xì)砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土。線位距離白洋淀較近，地下水位較高。場區(qū)內(nèi)地下水類型為第四系孔隙水，根據(jù)地層結(jié)構(gòu)和地下水的賦存條件，分為潛水和承壓水。其中，砂層為主要含水層，富水性和透水性較好，其他為弱透水層。

　　2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

　　裝配式隧道結(jié)構(gòu)采用拱形明洞形式，隧道寬18.6m，高12.12m。隧道設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)空間受力關(guān)系、預(yù)制塊吊裝、結(jié)構(gòu)運(yùn)輸，將隧道結(jié)構(gòu)橫斷面分為6塊。

　　2.3結(jié)構(gòu)拼裝方案

　　根據(jù)裝配式預(yù)制構(gòu)件的拼裝方法不用，可采用種拼裝方法，分別為龍門吊預(yù)制襯砌支撐臺車吊拼法以及拼裝機(jī)運(yùn)輸設(shè)備預(yù)制襯砌支撐臺車拼裝法。

　　2.3.1龍門吊

　　預(yù)制襯砌支撐臺車吊拼法結(jié)構(gòu)拼裝采用臺車吊裝的方式，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)主要分為門架、模板、附屬機(jī)構(gòu)、附屬平臺、行走系統(tǒng)、液壓泵站等部件。

　　完成基坑開挖后架設(shè)龍門架;在初始拼裝位置安裝固定架，作為拼裝受力架和定位架;利用龍門吊吊裝制塊，后吊裝、塊，將A/C、A/B塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊，將C/E塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊，將B/D塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊，使用工裝上的調(diào)整油缸調(diào)整塊位置，安裝塊就位，將D/F、E/F塊間定位螺栓穿入并鎖緊。按以上步驟繼續(xù)安裝第+1環(huán)，并將環(huán)與環(huán)之間通過螺栓縱向預(yù)緊，第環(huán)與第+1環(huán)需錯縫安裝。

　　2.3.2拼裝機(jī)運(yùn)輸設(shè)備

　　預(yù)制襯砌支撐臺車拼裝法在初始位置安裝固定架，作為初始的受力件和固定架，依次拼裝整個臺車，通過液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)管片，使管片安裝到位。回縮滑移油缸為管片提供一個預(yù)緊力，安裝軸向預(yù)緊螺栓，重復(fù)以上步驟，依次抓取其余管片，通過液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)管片，分別控制兩側(cè)的伸縮油缸，使管片調(diào)整到位，回縮滑移油缸為管片提供一個預(yù)緊力，安裝軸向預(yù)緊螺栓并安裝塊與塊之間的螺栓，直至完成整環(huán)安裝。

　　2.3.3結(jié)構(gòu)拼裝方案選擇

　　拼裝法的臺車可以適應(yīng)不同內(nèi)輪廓的隧道斷面，吊裝法臺車模板需根據(jù)隧道內(nèi)輪廓進(jìn)行定做，拼裝法臺車適用性更強(qiáng)，但成本較吊裝法高，且工效偏低。本線目前在隧道出口大放坡段240m范圍內(nèi)采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，段落結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓形式單一，開挖面大場地開闊，龍門吊安裝方便。從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率及臺車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。

　　3結(jié)構(gòu)受力模型計(jì)算

　　3.1整體模型受力計(jì)算

　　參考盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配式結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力及變形方面的計(jì)算，采用慣用計(jì)算法。若將管片結(jié)構(gòu)視為梁，接頭視為變形連續(xù)彈簧，分別用來模擬管片和接頭的力學(xué)特性。通過彎矩提高系數(shù)ξ(彎矩增大系數(shù)ξ取0.3[2122])來實(shí)現(xiàn)對錯縫拼裝彎矩傳遞的評價。計(jì)算時取單環(huán)管片進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，然后考慮錯縫拼裝后的整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩分配。本工程范圍內(nèi)地層主要為第四系沖洪積地層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉細(xì)砂、中砂，局部存在人工堆積素填土、雜填土。

　　采用SAP84有限元計(jì)算軟件，對整體結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，考慮到截面剛度分配，側(cè)墻使用變截面，使拱腳處截面適當(dāng)加大。分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬坑底地層對結(jié)構(gòu)水平位移和底板垂直位移的約束作用，結(jié)構(gòu)底部豎向彈簧僅能承受壓力。

　　3.2接口計(jì)算

　　雄忻鐵路明挖裝配式預(yù)制構(gòu)件接頭型式為榫槽式接頭，接頭采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線加強(qiáng)，預(yù)制構(gòu)件厚700mm。對于拱墻型明挖隧道來說，結(jié)構(gòu)頂拱、側(cè)墻和底板受力工況均為軸力和彎矩組合工況，即：結(jié)構(gòu)構(gòu)件同時承受軸力和彎矩的作用。因此，主要研究軸力和彎矩組合工況作用下接頭抗彎剛度的影響因素，計(jì)算模型一端固定，另一端施加軸力，來模擬接口處所受軸力，施加向上的集中力，使接口位置達(dá)到設(shè)計(jì)彎矩。

　　4計(jì)算結(jié)果分析

　　對結(jié)構(gòu)使用階段的整體受力和接頭處局部變形進(jìn)行分析，從而判斷裝配式隧道結(jié)構(gòu)在使用階段的整體強(qiáng)度和接頭使用性能。

　　4.1整體受力分析

　　從各荷載組合計(jì)算結(jié)果分析，本項(xiàng)目工況按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行配筋，結(jié)構(gòu)承載能力極限均滿足要求。

　　5施工工效分析

　　雄忻高鐵雄安隧道位于雄安新區(qū)起步區(qū)，周邊規(guī)劃有多項(xiàng)市政工程，鐵路隧道與市政工程一體化設(shè)計(jì)、施工，建設(shè)期與周邊多項(xiàng)市政工程同步實(shí)施，總體工期短，交叉工程多，鐵路隧道位于各項(xiàng)工程的最下層，完成時間決定著上方及周邊市政工程的開工建設(shè)，制約著總體建設(shè)工期。明挖裝配式隧道結(jié)構(gòu)可大幅提高現(xiàn)場施工作業(yè)效率，縮短施工期。由于裝配式隧道管片預(yù)處理、接縫注漿、拱頂覆土、仰拱填充等工序可與管片拼裝平行作業(yè)，因此，計(jì)算單環(huán)管片安裝時間從吊裝到最后管片成環(huán)預(yù)緊即可。仰拱底部填充及調(diào)平處理約0.5h，吊裝、移動設(shè)備、螺栓預(yù)緊及緊固合計(jì)耗時約1h，預(yù)制構(gòu)件平均單環(huán)有效作業(yè)時間約為1.5h，預(yù)計(jì)作業(yè)效率可達(dá)8m/d。

　　傳統(tǒng)明挖鐵路隧道按12m臺車計(jì)算，仰拱施工需4d，側(cè)墻施工需5d，拱頂施工需7d，考慮流水作業(yè)，襯砌作業(yè)效率約為12m/7d，可推算出此段落可比現(xiàn)澆工藝節(jié)省約110d，從工效方面裝配式襯砌有明顯優(yōu)勢。此外，裝配式構(gòu)件均在廠內(nèi)加工，運(yùn)至現(xiàn)場拼裝即可，能夠解決寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)冬季無法施工的問題。由此，裝配式結(jié)構(gòu)可大幅度提高工效，為一體化實(shí)施項(xiàng)目中的其他工程，爭取施工時間，緩解總體工期壓力。

　　隧道建設(shè)論文范例： 橋梁隧道工程施工中灌漿法加固技術(shù)的運(yùn)用研究

　　6結(jié)論

　　依托雄忻高鐵雄安隧道方案研究，進(jìn)行裝配式高鐵隧道設(shè)計(jì)，對裝配式結(jié)構(gòu)的拼裝方式及施工效率進(jìn)行了分析。并通過有限元計(jì)算軟件，對隧道結(jié)構(gòu)的整體受力及局部接頭變形情況進(jìn)行計(jì)算分析，得到如下結(jié)論。

　　(1)結(jié)合本次裝配式實(shí)施段落的工程條件，從工期、經(jīng)濟(jì)性、拼裝效率以及臺車適用性綜合比選，推薦使用吊裝法施工。(2)經(jīng)整體受力分析，預(yù)制結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及耐久性均滿足要求。(3)對裝配式結(jié)構(gòu)接頭施加預(yù)應(yīng)力后，接縫張開量減小，預(yù)應(yīng)力筋對接縫張開量有一定的抑制作用，可減小接縫處的變形。在最不利彎矩和軸力作用下，接縫張開量小于0.2mm，接頭變形量小，可保證接縫位置的防水可靠性，該方案接頭連接具備有效性。(4)經(jīng)分析裝配式襯砌在提高工效方面有明顯優(yōu)勢，同時能解決寒冷或嚴(yán)寒地區(qū)冬季無法施工問題。由此，裝配式結(jié)構(gòu)可大幅度提高工效，為一體化實(shí)施項(xiàng)目中的其他工程，爭取施工時間，緩解總體工期壓力。

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　　作者：孫一鳴