新型裝配式襯砌在礦山法施工鐵路隧道中的應用研究

　　摘要：為解決礦山法施工鐵路隧道二次襯砌拱頂易出現的空洞、厚度不足、裂縫、掉塊等病害，以重慶鐵路樞紐東環線胡家溝隧道為依托，采用拱部襯砌預制替換現澆襯砌的方法，研究了拱部襯砌預制工藝、高精度懸臂側墻施工工藝、拱部預制襯砌運輸及拼裝施工工藝和拼裝配套設備，并闡述了裝配式襯砌在施工中需重點解決的技術難題，如采用高精度襯砌模板臺車解決接頭直線度的問題、全環通長定位筋解決懸臂側墻鋼筋骨架穩固的問題等，形成一套完整的新型裝配式襯砌拼裝技術。經現場應用表明：1)采用“拱部預制襯砌+側墻現澆”的裝配式襯砌施工技術是可行的，可以有效解決礦山法施工隧道拱部質量病害，提高拱部襯砌質量;2)新型裝配式襯砌采用“L”型及大球形的接頭類型，大球形接頭較“L”型接頭更易控制施工質量，更易于拼裝;3)通過采用拱部預制襯砌高精度定制鋼模、高精度懸臂模板臺車、懸臂側墻在混凝土澆筑過程中二次精調等關鍵技術，保證了接頭施工精度，滿足拼裝要求;4)通過分析襯砌結構受力變形監測數據，得出了隧道襯砌結構內力的受力變形規律;5)新型裝配式襯砌施工技術機械化程度高，施工過程中結構穩定可靠，安全性較高。

　　關鍵詞：礦山法;裝配式;隧道拱部;預制襯砌;工藝;裝備

　　引言

　　隨著國家鐵路建設持續深入發展，已從規模速度型轉向質量效益型，鐵路總公司也提出了“強基達標、提質增效”的工作目標。目前，傳統山嶺隧道二次襯砌施工工藝，采用全液壓襯砌臺車自下而上逐窗分層澆筑、拱頂混凝土沖頂澆筑施工工藝，二襯澆筑完成后及時帶模壓漿。傳統的隧道二次襯砌施工工藝基本能夠滿足二襯混凝土質量要求，但此工藝受主觀、客觀等因素的影響，極易造成拱部混凝土無法充填密實，形成二次襯砌厚度不足、背后脫空、不密實等襯砌質量缺陷[1-3]，影響鐵路隧道運營安全。因此，探索一種以拱部預制襯砌替換現澆襯砌的新型裝配式技術，勢在必行。

　　目前，鐵路隧道預制裝配式襯砌技術作為一種新型建造方法，已經逐步得到國內外工程界的重視[4]。國內外隧道預制技術的發展現狀表明,隧道及地下工程預制技術主要是從兩方面開展:一是部分預制技術;二是全部預制技術[5]。在部分預制研究方面，西康鐵路秦嶺I線隧道[6]仰拱采用預制塊拼裝施工;日本某公路隧道采用預制構件和模筑混凝土結合的方法修筑仰拱[7];日本仙臺市地下鐵路工程采用預制雙跨箱形結構[8];日法聯合開發的大型拱形預制結構在公路隧道的擴建中得到了實際應用[9]。

　　在全預制研究方面，主要以盾構法或TBM法施工為主，已成為一項較成熟的技術;采用礦山法施工的有遼寧省白石水庫觀測廊道項目，為全部預制構件裝配[10];連鵬等[11]以武九高速文縣隧道為例，研究了二次襯砌的全環管片拼裝施工技術;蘇聯開發出了適用于礦山法修建隧道的馬蹄形砌塊式和管片式的襯砌[12];以西南交大為代表的高校，針對隧道礦山法施工條件下的全預制襯砌結構的構件劃分、拼裝方式、施工動態力學特性等內容，進行了較為深入的研究[7-9];中國鐵道科學研究院也針對隧道預制裝配式襯砌的設計選型接頭參數進行了深入分析研究[12-13]。綜上所述，雖然隧道襯砌全環及仰拱部分預制拼裝技術早已存在，且有一些較為成功的工程應用案例，但在礦山法施工的鐵路山嶺隧道中，有關拱部采用預制拼裝，其余部分仍然為現澆的施工拼裝技術鮮有應用。本文基于重慶鐵路樞紐東環線胡家溝隧道，采用“拱部預制襯砌+側墻現澆”的方法，開展了礦山法鐵路隧道拱部預制襯砌施工技術研究。

　　1 項目總體概況

　　1.1 依托工程概況

　　胡家溝隧道位于重慶市北培區東陽鎮境內重慶東環線襄渝聯絡線上，靠近磨心坡車站，為單洞雙線隧道，設計時速120km/h。隧道全長282m,最大埋深27m，進口段LMZK3+387~LMZK3+474為半徑R=400m 的 左 偏 曲 線 ， 出 口 段 LMZK3+610~LMZK3+615 為 R=1200m 的 左 偏 曲 線 ， 中 間 段LMZK3+558~LMZK3+610共136m為直線，設計縱坡為-3.6‰，-1‰。隧道全隧淺埋，穿越淺丘斜坡，地表水體不發育，地下水不發育，洞內以滴狀滲水為主，雨季時可能出現線狀流水。洞身地層巖性為為侏羅系中統上沙溪廟組泥巖夾砂巖、砂巖層，泥巖(頁巖)為灰黃色、青灰色，泥質結構，薄～中厚層狀，質軟，易風化，遇水易軟化，所夾砂巖呈灰黃色、青灰色，中～細粒結構，泥質膠結。

　　1.2 新型裝配式襯砌結構及技術參數胡家溝隧道LMZK3+471～603區段共132m，采用拱部預制襯砌拼裝，其余區段采用全環整體現澆。拱部預制襯砌拼裝長度為132m，其中“L”型榫接頭預制襯砌72m，大球形接頭預制襯砌60m，拱部預制襯砌為弧形結構，幅寬2m，內徑13.3m，外徑14.3m、14.4m，弦長8.6m，厚度0.4m、0.5m，40cm厚拱部預制襯砌配置Φ18@100的主筋，每延米配筋重約1.8t，50cm厚拱部預制襯砌配置Φ25@100的主筋，每延米配筋重約3t，拱部預制襯砌鋼筋骨架需焊接成型。拱部預制襯砌拼裝段均為 V 級圍巖，懸臂側墻采用Φ25@200 的主筋，接頭部位鋼筋加強，布置雙層主筋。主筋采用套筒連接，其他鋼筋采用綁扎連接。

　　1.3 拱部預制襯砌與現澆側墻接口處穩定性分析根據拼裝工序要求、防水密封墊施作要求等采用圖2“L”型榫形結構型式。通過對不同厚度的襯砌厚度(35cm、40cm、45cm、50cm、55cm)在深埋(埋深50m)、淺埋(埋深35m)及偏壓三種工況下計算榫接頭承擔的剪力，并對各工況下榫接頭進行抗剪和抗壓驗算。通過檢算得出：拱部預制襯砌厚度越大，安全儲備越大的工況，抗剪及抗壓需求尺寸越大。不同工況下，榫接頭所需的接觸面最大長度為14mm，最大高度為184mm，榫接頭尺寸應滿足圖2所示關系方可滿足結構穩定性要求[14]。為提高對施工精度的容錯度，后期對接頭構造進行了優化，將“L”型接頭調整成大球形接頭，外側接觸面預留一定的空間，后期采用注漿填充。通過檢算得出，不同工況下，大球形寬度207mm以及預制襯砌與邊墻間隙 60mm滿足結構及拼裝要求。

　　1.4 隧道襯砌防水及預制襯砌接縫設置

　　現澆側墻混凝土抗滲等級不低于P8，拱部預制襯砌抗滲等級不低于P12，初期支護與襯砌之間拱墻部位鋪設防水板加無紡布。側墻與仰拱間縱向施工縫采用中埋橡膠止水條+中埋橡膠止水帶進行防水處理;側墻及仰拱環向施工縫采用外貼式橡膠止水帶+中埋式橡膠止水帶。側墻與拱部預制襯砌縱向接縫處，設置彈性橡膠密封墊。隧道拱部預制襯砌環向接縫處，襯砌中間設置彈性橡膠密封墊。二次襯砌拱部預制襯砌預留注漿管，用于回填注漿與接縫防水，同時于拱頂預留縱向注漿管兼排氣管，待滿足設計要求后進行充填注漿。

　　2 新型裝配式襯砌施工工藝及施工技術

　　2.1 總體施工工藝流程

　　隧道開挖、仰拱施工按照傳統礦山法隧道施工工序進行，進洞段及出口段襯砌全環現澆施作，作為拼裝段端部封閉。每組懸臂側墻施工完成后，立即開始拼裝拱部預制襯砌，以每6片預制襯砌為一組，每組預制襯砌拼裝完成后，立即進行壁后回填及注漿，回填及注漿完成后進行下一組懸臂側墻、拱部預制襯砌拼裝循環。

　　2.2 拱部襯砌預制本次試驗段共132m，共66塊預制襯砌，預制襯砌采用高精度定制鋼模，工廠化、標準化集中生產。為保證預制襯砌的高精度，應對鋼模誤差進行檢測，若不合標準需進行校正。鋼模的合模精度要求按高于襯砌精度0.15mm檢測，若不合標準需進行校正，在施工過程中需定期對模具進行檢測和維修保養。

　　2.3 高精度懸臂側墻施工技術現澆懸臂側墻成型后，拱部預制襯砌進行拼裝，拱部預制襯砌拼裝部位的接頭施工精度是懸臂側墻施工控制的關鍵，高精度的接頭為保證懸臂側墻與預制襯砌有效拼裝奠定了基礎，成型后的接頭部位具備高精度是懸臂側墻施工中的難點。懸臂側墻采用高精度懸臂模板臺車一次性現澆而成。正式施工前，開展“L”型榫接頭模型工藝試驗，通過工藝試驗確定：小空間下“L”型接頭處混凝土配合比參數、振搗器型號選擇、振搗時間控制、成型效果等，為正式施工提供參考依據。利用高精度懸臂側墻模板臺車施作懸臂側墻，在澆筑過程中采取對稱分層澆筑，混凝土澆筑全過程監測，并在混凝土到達側墻頂面1m時對模板臺車二次精調，同時采用高精度接頭蓋模，混凝土壓入成型。高精度臺車、分層澆筑、二次精調以及專用高精度接頭模板是成型懸臂側墻高精度控制的關鍵技術。

　　2.4 拱部預制襯砌運輸及拼裝施工技術拱部預制襯砌運抵現場后，將預制襯砌從平板車上二次吊裝至運輸小車上，吊裝時嚴格控制預制襯砌擺動幅度及吊裝速度，防止與運輸車產生碰撞損壞預制襯砌。

　　2.4.1 拱部預制襯砌隧洞內運輸由運輸車將預制襯砌運輸至提升門吊下，受洞內作業空間有限，光照效果差等影響，運輸車前后由專人指揮，行駛速度控制在5km/h以內。

　　2.4.2 拱部預制襯砌旋轉、提升預制襯砌運輸到位后，在運輸車上將預制襯砌旋轉90度，使預制襯砌與隧道中線基本垂直，移動提升門吊，將預制襯砌提升并吊裝至臺車頂升平臺，放置過程中需不斷調整預制襯砌左右側距離，使預制襯砌居隧道中心放置。

　　2.4.3 接縫防水施工拱部預制襯砌接縫防水采用三元乙丙橡膠彈性密封墊，安裝于拱部預制襯砌四周及側墻接頭處預留凹槽內，粘貼前將粘貼面保持干燥、干凈、堅實、平整，粘貼時將氯丁膠均勻涂刷在兩個粘貼面上，第一遍涂刷后待表面初干，再涂刷第二遍，約15min后將彈性密封墊貼合預制襯砌及壓實。

　　2.4.4 拱部預制襯砌平移、安裝拱部預制襯砌在臺車頂升平臺調整后，將預制襯砌安放至安裝小車上，由安裝小車平移至安裝位置，并將預制襯砌安裝就位。行走過程中注意觀察左右L型接頭處、拱部預制襯砌與初支間的距離，嚴禁拱部預制襯砌與側墻接頭處碰撞。

　　2.4.5 拱部預制襯砌頂緊與縱向螺栓安裝拱部預制襯砌平移至安裝位置后，安放在懸臂側墻上，檢查拱部預制襯砌與懸臂側墻密貼度，拱部預制襯砌與上循環預制襯砌間隙。檢查合格后，利用拼裝臺架的液壓頂緊裝置將預制襯砌縱向頂緊，頂緊后立即緊固縱向螺栓。

　　2.5 拱部預制襯砌背后回填、注漿施工技術拱部預制襯砌安裝完成后，預制襯砌與初支間存在15-20cm間隙，因拱背回填量較大，采用混凝土+注砂漿方式回填，每6片一組為一個注漿單元進行回填注漿，回填注漿前采用堵頭板對預制襯砌端頭部位進行封堵，拱部預留觀察窗口，用于觀察混凝土是否注滿。預制襯砌預留拱部注漿孔處預埋注漿管，用于二次壓漿，待回填混凝土達到一定強度后，立即開始二次壓漿，以保證拱背回填密實，二次注漿壓力控制在0.1MPa。

　　3 施工配套設備

　　3.1 高精度懸臂

　　側墻模板臺車高精度懸臂側墻模板臺車由龍門鋼架、固定式邊模板，移動式邊模板、頂部蓋板、液壓抗浮系統組成，固定式邊模板、頂部蓋板、液壓抗浮系統為整體式設計，以確保在臺車定位時左右橫移，控制襯砌側墻中線偏位;通過下部頂升油缸控制高程，實現現澆側墻3～5mm誤差，以確保隧道拱部預制襯砌拼裝精度要求[15-16]。高精度懸臂臺車適用于拱部預制襯砌的礦山法隧道二襯澆筑;拼接縱縫端模裝置用于拱頂預制管片拼裝縱縫澆筑成型，安裝方便，模板定位和脫模快捷;拱頂預制襯砌頂升裝置，解決了因隧道拱頂尺寸限制而導致提升設備提升高度受限的問題，方便拱部預制襯砌從提升設備到預制襯砌安裝小車的轉送。高精度頂部蓋板能夠有效保證接頭的直線度和精度。拆模時，應嚴格控制拆模時間，分塊拆除接頭蓋板，拆模過程中不得強撬硬拽，防止損壞接頭，保證接頭的質量。

　　3.2 拱部預制

　　襯砌安裝設備拱部預制襯砌安裝設備由預制襯砌運輸車、預制襯砌提升門吊及拱部預制襯砌安裝機組成。1)預制襯砌運輸車：HGY50型輪胎式運輸車為2軸運輸車，整機采用液壓驅動，微電控制，可以實現無極調速，車輛能夠以較高的車速快速行走和較低的穩定速度移動對位[17]。

　　2)預制襯砌安裝機：由走行結構、門架、小車走行軌道、安裝小車、預制襯砌壓緊機構、液壓系統及電氣控制系統等主要部分組成，主要實現拱部預制襯砌的拼裝移位頂緊[17]。

　　3)拱部預制襯砌提升門吊：主要由門架結構、大車運行機構、電動葫蘆、專用吊具、電器系統等組成;門架結構主要由主梁、支腿、下橫梁組成;大車運行機構包含電機、減速機、車輪組;主要實現在隧道內吊運預制襯砌，將預制襯砌從運輸車取下并將其吊裝到側墻臺車頂升機構上[17]。

　　4 現場應用效果

　　4.1 施工效果

　　懸臂側墻施工完成后，通過對其位置進行測量，徑向及環向位置偏差均控制12mm之內，滿足拼裝要求。拱部預制襯砌拼裝完成后，預制襯砌與現澆側墻徑向錯臺控制在12mm之內，拱部預制襯砌相鄰環之間徑向錯臺控制在17mm之內，預制襯砌環縫、縱縫間隙控制在2mm以內，均滿足設計要求。拱部預制襯砌背后回填注漿經過地質雷達無損檢測后顯示背后較密實，回填注漿達到要求。

　　4.2 受力監測分析

　　4.2.1 襯砌拱部預制拼裝結構測點布置礦山法隧道采用拱部預制襯砌進行拼裝，其結構受力特征與傳統復合式襯砌有所不同，通過監測能夠掌握預制拼裝襯砌結構的受力特性、初期支護和二次襯砌的受力規律，為礦山法施工鐵路隧道襯砌拱部預制拼裝施工技術提供安全保障。

　　4.2.1.1 常規監控量測測點布置胡家溝隧道圍巖級別為V級，開挖工法為臺階法，每5m埋設一組監控量測樁，拱頂下沉、周邊收斂采用徠卡TS09plus全站儀及反光膜片進行量測，每一組監控量測樁設拱頂沉降一個點，周邊收斂4個點。

　　4.2.1.2 試驗段應力監測布置試驗段的應力監測，包含圍巖與初期支護接觸壓力測試、初期支護與二次襯砌接觸壓力測試、初期支護鋼架應力測試、初期支護噴射混凝土應力測試、二次襯砌鋼筋應力測試、二次襯砌混凝土應力測試、錨桿軸力測試。選取22個監測斷面，在每個量測斷面內布置9個監測點，其中拱頂1處，襯砌接頭兩側對稱布置4處，側墻對稱布置2處，墻角對稱布置2處。

　　4.2.2 監測數據分析

　　通過對典型斷面成果進行分析，并根據試驗段成果總結分析拱部預制拼裝結構的受力變形規律。經對現場監測斷面的各監測點數據的分析，得到以下結論：

　　1)隧道施工斷面拱頂下沉和周邊收斂變化較小，最大值累計沉降值和周邊收斂值均在控制標準以內，隧道初期支護能夠確保隧道結構安全和施工安全。2)初支上的圍巖壓力基本在200kPa以下;二襯上的接觸壓力較小，大多數在60kPa以下;圍巖壓力主要集中在100kPa左右，少數較大的在200kPa;二襯與初支的接觸壓力則主要集中在20-40kPa之間。3)襯砌內力在安裝初期增長較快，一般在30-60天左右穩定。圍巖壓力具有一定的離散性，最大內力及最大應力出現的位置都比較離散，但總體上是拱頂和拱腰居多，這兩處受力較大。

　　4.3 應用中存在的問題及工藝優化

　　4.3.1 懸臂側墻鋼筋定位困難在側墻現澆襯砌的施工過程中及鋼筋綁扎施工中，為保證定位準確，對環向鋼筋先拱墻范圍綁扎，再對拱部鋼筋進行切割。拱部鋼筋切割后側墻鋼筋向初支側回彈，導致側墻鋼筋定位不到位。針對襯砌鋼筋定位困難，通過采用冷彎機械加工成設計弧度，外層鋼筋縱向間距每隔一米設置一根環向通長鋼筋作為鋼筋固定支架，懸臂側墻混凝土澆筑完成后再切除拱部通長鋼筋。

　　4.3.2 懸臂側墻臺車定位精度控制難度大一方面，臺車定位精度難以達到設計要求;另一方面，在側墻灌注過程中會出現臺車上浮、兩臂側墻左右側混凝土澆筑不平衡、混凝土重力作用導致模板非彈性及彈性變形等問題。針對臺車精度控制，在襯砌模板臺車的灌注分流裝置上增設混凝土擋板，控制混凝土流向，配合人工通觀察，保證臺車兩側澆筑速度均勻對稱平衡。模板臺車頂端增設抗浮、抗偏移液壓油缸，在臺車定位完成后，防止襯砌臺車上浮。

　　4.3.3 側墻“L”型榫接頭施工質量控制難度大“L”型成型精度要求高，由于模板定位精度、混凝土收縮徐變、側墻整體收斂變形等因素，會造成現澆側墻“L”型榫接頭施工精度不能滿足設計要求，可能導致拼拱部預制襯砌拼裝時接觸存在空隙。同時由于振搗、澆筑工藝過程會造成“L”型接頭存在質量缺陷。“L”型榫接頭蓋模拆除難度大，拆模易造成接頭損傷。通過方案優化，選用大球型90°接頭替換“L”型接頭，球形接頭較“L”型接頭較容易控制，拆模及拼裝難度降低。

　　4.3.4 拱部預制襯砌安裝精度問題軌道安裝小車上無法對拱部預制襯砌安裝精度進行微調定位，安裝小車在行走過程中預制襯砌會與側墻襯砌碰撞，造成預制襯砌損傷，且預制襯砌與側墻襯砌無法準確對接，影響整體拼裝進度。針對預制襯砌安裝小車，增加旋轉功能，可以在預制襯砌位置不正時進行調整，確保安裝精度;對液壓控制系統進行改進;同時在安裝小車增加自動調整功能，在防碰撞監測系統監測到預制襯砌距離隧道頂部及側墻過近時，可以自動調整位置，保證拱部預制襯砌安裝安全。

　　5 結論和建議

　　新型裝配式襯砌施工技術在重慶鐵路樞紐東環線胡家溝隧道的成功應用，驗證了該技術在礦山法隧道施工的可行性，豐富了礦山法隧道的施工方式，也為其它類隧道施工提供了經驗。結合本項目的應用情況，得出以下結論及建議。1)新型裝配式襯砌采用工廠化、標準化預制拱部襯砌替代拱部現澆襯砌，有效的解決了傳統模筑法襯砌拱部易出現的襯砌厚度不足、脫空、強度不足、裂紋、掉塊等施工質量隱患問題。2)新型裝配式襯砌采用“L”型及大球形的接頭類型，通過對比，大球形接頭較“L”型接頭更易控制施工質量，更易于拼裝。通過采用拱部預制襯砌高精度定制鋼模、高精度懸臂模板臺車、懸臂側墻在混凝土澆筑過程中二次精調等關鍵技術，保證了接頭施工精度滿足拼裝要求。3)新型裝配式襯砌施工技術機械化程度高，施工過程中結構穩定可靠，安全性比較高。

　　4)通過分析隧道拱部預制拼裝結構監測數據，該結構內力變形和受力均在可控范圍內。5)作為礦山法新型拱部預制襯砌拼裝施工的首次試驗，具有拼裝施工里程短，預制襯砌與現澆側墻拼裝難度大，拼裝速度慢等技術問題，同時也存在拼裝設備、預制襯砌等成本較高問題。由于工藝未大面積推廣，研究樣本較少，工人熟練程度不足等影響，未達到預期經濟效益，后期還需要大量案例進行驗證。6)通過在新型裝配式襯砌施工過程不斷對懸臂側墻鋼筋定位困難、懸臂側墻臺車定位精度控制難度大等問題進行優化完善，新型裝配式襯砌技術具備技術可行性，將廣泛應用于采用礦山法施工的隧道及地下工程中。

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　　作者：何泉 1，陳真 1,*，楊義 2，齊如見 1，劉盛 1，房玉中 1

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