奚 成

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，汽車保有量迅速增加，導(dǎo)致城市路網(wǎng)建設(shè)難以滿足交通量的增長(zhǎng)，在有效的土地資源條件下，如何提高路網(wǎng)的交通效率就顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的平交道路形式通行效率低下，難以滿足交通量的日益增長(zhǎng)。因此，利用立體空間對(duì)平面交通進(jìn)行疏導(dǎo)的方式，已經(jīng)成為現(xiàn)代道路交通中不可缺少的組成部分。城市下穿隧道作為市政工程中的一種立交道路形式[1]，是一種能有效分離過(guò)境交通，解決區(qū)域交通矛盾的地下空間結(jié)構(gòu)，它能夠提高道路的暢通性，并具有節(jié)約地面空間，整體效果簡(jiǎn)潔美觀的優(yōu)點(diǎn)，因此將老舊城市道路改造為下穿隧道是一種較為科學(xué)的做法，并應(yīng)積極推廣。

為提高隧道施工速度，國(guó)外在預(yù)制拼裝隧道方面起步較早，前蘇聯(lián)、日本、荷蘭等國(guó)均成功將預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用于隧道工程中。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀研究

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

(1)前蘇聯(lián)地鐵明挖施工的定型襯砌結(jié)構(gòu)

前蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代中后期，地鐵明挖施工時(shí)，包括車站、區(qū)間隧道以及車站附屬建筑和輔助隧道工程，均采用定型拼裝的統(tǒng)一規(guī)格鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[2]，該結(jié)構(gòu)施工速度比現(xiàn)澆混凝土快，同時(shí)需要一些讓構(gòu)件整體化的現(xiàn)澆混凝土[3]。

(2)日本預(yù)制拼裝技術(shù)

1987年日本首次在仙臺(tái)地鐵工程中，采用了預(yù)制雙跨箱型結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的箱體尺寸是11.092 m×7.440 m[4]，整個(gè)結(jié)構(gòu)分成頂板、底板、側(cè)墻及中柱等5個(gè)預(yù)制構(gòu)件(M型頂板+豎墻(3片)+W型底板5塊式分法)[5]，結(jié)構(gòu)分塊最大尺寸為11.092 m×1.5 m×1 m(未收集到具體數(shù)據(jù)，根據(jù)重量尺寸推算)，縱向分塊長(zhǎng)度為1 m?？v橫向采用鋼板、螺栓、銷釘?shù)冗B接。設(shè)計(jì)中主要解決了構(gòu)件的劃分、輕量化、構(gòu)件的縱向和橫向連接問(wèn)題[6]。

(3)殼式隧道結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)是在荷蘭鹿特丹地鐵東西線上采用過(guò)的一種裝配式結(jié)構(gòu)型式，其側(cè)墻和頂板預(yù)制成一個(gè)便于搬運(yùn)的整體構(gòu)件，形狀為直墻平頂形式，隧道底板為現(xiàn)澆。根據(jù)墻和頂板組件的形狀，給隧道取名為“殼式隧道”。此方法施工速度非常快，每周可修建30 m長(zhǎng)的隧道，此種裝配式地下結(jié)構(gòu)在交付使用數(shù)年后，仍然保持著良好的防水效果[7]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，為進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的施工標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)家出臺(tái)了相關(guān)政策大力發(fā)展裝配式建筑，隧道、地鐵車站等已經(jīng)開(kāi)展裝配式技術(shù)的示范應(yīng)用，并取得了一定的社會(huì)效益。

(1)廈門疏港路預(yù)制拼裝下穿隧道

疏港路下穿仙岳路通道工程位于廈門市，工程范圍全長(zhǎng)1 660 m，是廈門市出島的主要交通要道之一，地處城市核心區(qū)，周邊人口密集，車流量大、東西兩側(cè)均無(wú)其他南北向市政道路，各種材料進(jìn)場(chǎng)困難。

為解決以上難題，加快建設(shè)進(jìn)度，該工程首次在下穿隧道中采用大斷面多向分塊預(yù)制拼裝技術(shù)，下穿隧道框架預(yù)制分單孔預(yù)制框架段和雙孔預(yù)制框架段，均采用M型頂板+W型底板2塊式對(duì)接分法，縱向分塊長(zhǎng)度為2 m?？v向采用臨時(shí)預(yù)應(yīng)力(精軋螺紋鋼)并用環(huán)氧樹(shù)脂粘接，并施加永久預(yù)應(yīng)力。水平縫采用環(huán)氧樹(shù)脂粘接以及預(yù)埋鋼板焊接。

框架橫斷面為19.9 m×7.2 m，分成2塊后，結(jié)構(gòu)分塊最大尺寸為19.9 m×3.6 m×2 m。考慮預(yù)制節(jié)段運(yùn)輸、吊裝等因素，單孔框架縱向節(jié)段長(zhǎng)3 m，雙孔框架縱向節(jié)段長(zhǎng)2 m，均在側(cè)墻1/2處分為上下兩部分預(yù)制(見(jiàn)圖1)。拆分后基本解決了構(gòu)件運(yùn)輸受既有橋隧凈空尺寸限界的問(wèn)題，基本能夠在5 m凈空范圍內(nèi)完成構(gòu)件的運(yùn)輸。該下穿通道的建成對(duì)緩解疏港路及仙岳路兩條城市主干道交通擁堵現(xiàn)象效果明顯[8]。

圖1 疏港路下穿隧道單孔和雙孔預(yù)制框架節(jié)段

(2)長(zhǎng)春地鐵裝配式車站

長(zhǎng)春地鐵2號(hào)線袁家店站是國(guó)內(nèi)首座裝配式車站試點(diǎn)[9]。該地鐵車站高17.5 m、寬20.5 m、長(zhǎng)188 m，建筑面積12 000 m2，縱向分88環(huán)(每環(huán)寬度2 m)，由7塊預(yù)制構(gòu)件組成[10]，共用了609塊預(yù)制構(gòu)件拼裝完成。其中單片重量最大為54.3 t。預(yù)制構(gòu)件環(huán)向與縱向的接觸面均為榫槽連接并通過(guò)精軋螺紋鋼筋施加預(yù)應(yīng)力緊固，拼裝完成后填充改性環(huán)氧樹(shù)脂形成整體，如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)春地鐵袁家店車站裝配式預(yù)制結(jié)構(gòu)形式

2.3 國(guó)內(nèi)外研究評(píng)價(jià)

綜上所述，預(yù)制拼裝技術(shù)在國(guó)外隧道與地下工程中的應(yīng)用已較為成熟，在基礎(chǔ)理論、研究方法及工程實(shí)踐上積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)地下工程裝配式結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)、施工規(guī)范就顯得十分欠缺[11]。作為西部地區(qū)首個(gè)裝配式下穿隧道工程，這就迫使我們必須進(jìn)行裝配式隧道分塊拼裝技術(shù)研究。

3 磨子橋裝配式隧道分塊拼裝技術(shù)

3.1 工程概況

成都市一環(huán)路磨子橋裝配式下穿隧道起于科華北路西側(cè)，終于紅瓦寺街東側(cè)，全長(zhǎng)1 280 m，框架段920 m，其他為船槽擋墻段。隧道包括西部地區(qū)首次嘗試的130 m建筑工業(yè)化預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)。預(yù)制段頂面埋深2.81～3.96 m，最大覆土厚度為4.08 m。

3.2 結(jié)構(gòu)拆分方式以及接口聯(lián)結(jié)方式

結(jié)構(gòu)拆分，在施工條件允許情況下，結(jié)構(gòu)分塊越少施工速度越快；接縫越少，漏水的概率越小，結(jié)構(gòu)可靠性越強(qiáng)。因此，本工程擬采用2塊法拆分，即M型頂板+W型底板方式。

3.3 拼裝結(jié)構(gòu)分塊方式、大小對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊?/h3>

本工程結(jié)構(gòu)外尺寸為22.3 m×8.2 m。運(yùn)輸過(guò)程中最大尺寸為22.3 m，同預(yù)制橋梁25 m以下簡(jiǎn)支箱梁運(yùn)輸方式相同。即使變寬段橫斷面結(jié)構(gòu)最大尺寸也為28.5 m(匝道分岔段)，也在30 m以內(nèi)。

本工程采用的M型頂板+W型底板分塊方式，滿足構(gòu)件運(yùn)輸在5 m限高情況下也可以通過(guò)的基本需求。擬拆分高度為4.2 m(M型頂板)+4.2 m(W型頂板)，根據(jù)吊裝條件，環(huán)向尺寸取1.2～2 m。若再解決輕量化的問(wèn)題，可以把頂、底板再一分為二，在大跨頂、底板彎矩零點(diǎn)附件設(shè)置牛腿搭接方式。

3.4 本項(xiàng)目分塊拼裝技術(shù)研究

通過(guò)對(duì)廈門疏港路下穿工程的相關(guān)設(shè)計(jì)、施工資料進(jìn)行分析調(diào)研，結(jié)合本項(xiàng)目工期緊、斷面大、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，我單位從以下方面對(duì)分塊拼裝技術(shù)進(jìn)行了研究。

3.4.1 降低預(yù)制構(gòu)件的運(yùn)輸難度

廈門疏港路構(gòu)件尺寸偏大偏高，雙孔框架即便分上下兩部分的“M”、“倒M”形斷面來(lái)預(yù)制，從預(yù)制場(chǎng)拖運(yùn)到工地，會(huì)受道路凈空等條件制約，按工作狀態(tài)裝車運(yùn)輸，超長(zhǎng)超高，頂板重心較高，易傾覆及意外受損，同時(shí)重載運(yùn)輸車輛還易對(duì)沿線道路橋梁等設(shè)施造成損壞。

本工程采用鋼絲繩“八”字型縱向斜拉于掛車邊梁的綁扎點(diǎn)上，并制作專用支撐架加固頂板構(gòu)件，保證貨物重量的均衡性，確保全程運(yùn)輸安全。牽引動(dòng)力采用367.5 kW以上牽引車，W型構(gòu)件載貨車板采用動(dòng)力鵝頸+3軸線+11 m連接框架+5軸線雙縱列液壓平板，M型構(gòu)件載貨車板采用動(dòng)力鵝頸+3軸線+7 m連接框架+7軸線雙縱列液壓平板，車板寬3 m，裝車后車貨總高約5 m。該平板掛車具有軸間串聯(lián)式獨(dú)立平衡液壓懸掛系統(tǒng)，貨臺(tái)高度可調(diào)，輪軸負(fù)荷均勻，轉(zhuǎn)彎半徑小，在上下坡道及橫向斜坡上行駛可調(diào)整車身保持水平位置，適應(yīng)路況變化，保證貨物的穩(wěn)定性，滿足預(yù)制場(chǎng)至施工現(xiàn)場(chǎng)橋涵限界需求。

3.4.2 降低起重吊裝及推移的施工難度

本工程受運(yùn)輸線路的橋梁限載因素制約，實(shí)施難度很大，工地吊裝時(shí)對(duì)吊裝機(jī)具要求太高，安全風(fēng)險(xiǎn)增大。綜合考慮實(shí)際情況，要求在卸車、轉(zhuǎn)運(yùn)及拼裝作業(yè)中全部按結(jié)構(gòu)安裝就位后的受力狀態(tài)進(jìn)行吊裝，保證構(gòu)件不受碰撞損壞及變形破裂；結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)確保頂板頂面豎墻頂?shù)奈恢萌c(diǎn)嚴(yán)格水平，誤差控制在2 mm內(nèi)，確保頂板安裝就位后的受力狀態(tài)，保證拼裝質(zhì)量安全，以有效降低現(xiàn)場(chǎng)吊裝的施工難度。

3.4.3 優(yōu)化預(yù)制件的拼接構(gòu)造方案

廈門疏港路上、下兩個(gè)塊件的豎墻拼裝接縫采用“涂抹環(huán)氧樹(shù)脂+預(yù)埋鋼板焊接”的方案在受力可靠性上值得斟酌，后焊鋼板對(duì)構(gòu)件混凝土可能造成灼傷(將構(gòu)件混凝土燒傷炸裂)，在7、8度地震區(qū)并不適用(地震烈度較高地區(qū)，對(duì)構(gòu)件的整體性要求越高)；同時(shí)工地焊接質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)整體性也有一定影響。若采用灌漿鋼筋套筒連接或精軋螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力連接會(huì)更有效，并在預(yù)應(yīng)力連接的基礎(chǔ)上再增加栓接鋼夾板的方式，確保接頭聯(lián)結(jié)的可靠。

3.4.4 優(yōu)化框架拼裝過(guò)程中的臨時(shí)支撐方案

整孔框架的各預(yù)制節(jié)段進(jìn)行縱向拼接時(shí)，需設(shè)置卸荷墊塊做臨時(shí)支撐，縱向接縫通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼束施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，支撐摩阻力大，傳遞到框架接縫斷面的預(yù)應(yīng)力有效性不佳?？紤]將框架節(jié)段底板臨時(shí)支撐在鋼軌或工字鋼上，在底板下三道豎墻下方位置，開(kāi)挖三排條形混凝土基礎(chǔ)，上面設(shè)置預(yù)埋板，安裝三組鋼軌，用于承載預(yù)制框架。

3.4.5 解決基坑內(nèi)框架側(cè)墻下條形枕梁基礎(chǔ)的預(yù)制方案

基坑開(kāi)挖后，側(cè)墻卸荷塊下需設(shè)置鋼筋混凝土枕梁，同時(shí)兼作縱向張拉每環(huán)框架的滑道基礎(chǔ)，本工程應(yīng)著重解決枕梁的預(yù)制方案，盡可能縮短每節(jié)段的施工工期。

3.4.6 精確定位節(jié)段，完成結(jié)構(gòu)在坑底的姿態(tài)精調(diào)

廈門疏港路框架采用卸荷塊，僅能解決框架結(jié)構(gòu)豎向位移，無(wú)法控制橫向位移，且精度難以控制。本工程利用放置在基坑兩側(cè)的千斤頂調(diào)整左右，使節(jié)段對(duì)正中線，并在方鋼與軌頭側(cè)面之間的縫隙中楔入墊片，防止節(jié)段橫向移動(dòng)；用千斤頂通過(guò)前端支座張拉或頂推調(diào)整軸向位置；通過(guò)檢測(cè)底板頂面高度，在底面用薄型千斤頂調(diào)整，找正標(biāo)高及水平度。定位準(zhǔn)確后，用鋼板墊片將底面與鋼軌之間的空隙墊實(shí)。

3.4.7 降低基坑內(nèi)墊層厚度，縮短工期，降低造價(jià)

廈門疏港路下穿隧道在預(yù)制框架段基底設(shè)36 cm厚C20混凝土墊層和50 cm厚C30混凝土墊層，總厚度達(dá)到86 cm。本工程采用在每組鋼軌之間的范圍留出薄型千斤頂高度，靠近鋼軌的部位留出鋼軌上開(kāi)設(shè)的孔洞高度，以便留出注漿通道，其余部位頂面比軌面低2 cm，澆筑C25混凝土墊層，大范圍減薄墊層厚度，降低工程成本。

3.4.8 優(yōu)化變形縫布置

現(xiàn)澆段解決了可能的伸縮變形及基礎(chǔ)不均勻沉降變形，但增加了施工工期。此處考慮借用海底隧道成熟的沉降縫管節(jié)防水、變形技術(shù)，滿足框架結(jié)構(gòu)的不均勻沉降以及結(jié)構(gòu)變形要求。

4 本項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)及拆分形式

4.1 總體設(shè)計(jì)

我單位的總體設(shè)計(jì)方案為：下穿隧道全長(zhǎng)1 280 m(里程K0+040～K1+320)，框架段全長(zhǎng)920 m，其中建筑工業(yè)化裝配式設(shè)計(jì)范圍為130.6 m，其余為船槽擋墻段。預(yù)制段分為6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大段，大段之間為2 cm沉降縫，每個(gè)大段分為14或15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)組成，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)由上下兩塊組成，總預(yù)制87環(huán)(即174塊)，預(yù)制段全段均位于直線上，為0.6%的單向縱坡，向大里程方向爬升[12]。

4.2 預(yù)制框架環(huán)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

下穿隧道預(yù)制段寬度22.3 m，設(shè)直線五車道，如圖3所示。橫斷面左側(cè)3車道、右側(cè)2車道對(duì)稱布置，左側(cè)斷面包括：側(cè)墻(0.75 m)、檢修道和車行道(11.85 m)、中墻(0.6 m)。

圖3 預(yù)制框架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意

4.3 預(yù)制框架環(huán)結(jié)構(gòu)拆分

本工程采用頂、底板M+W方式完成結(jié)構(gòu)拆分并進(jìn)行預(yù)制。如圖4所示，下穿隧道橫斷面豎向拆分為上、下兩部分，框架結(jié)構(gòu)斷面總尺寸為22.3 m×8.4 m，分塊后最大尺寸為22.3 m×4.2 m×1.5 m。

圖4 拆分方式及吊環(huán)設(shè)置示意

4.4 預(yù)制框架環(huán)節(jié)段構(gòu)造

下穿隧道橫斷面豎向拆分為上、下兩部分，橫斷面尺寸為22.3 m×8.4 m×1.5 m。分塊后尺寸為22.3 m×4.2 m×1.5 m。由M型頂板+W型底板組成，采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)，砼強(qiáng)度等級(jí)C45。端面設(shè)置有止水條預(yù)留槽，以及便于節(jié)段間對(duì)正的陰陽(yáng)榫齒。通過(guò)在接縫處設(shè)置抗剪鋼箱、豎向精軋螺紋鋼以及鋼夾板等措施，保證接縫的聯(lián)結(jié)剛度。

5 總結(jié)

通過(guò)國(guó)內(nèi)外工程調(diào)研分析，并結(jié)合磨子橋下穿隧道工程現(xiàn)場(chǎng)條件，提出了預(yù)制構(gòu)件合理的拼裝和拆分方法，并成功應(yīng)用于該工程。成都磨子橋下穿隧道于2019年4月3日正式通車，標(biāo)志著我國(guó)西部城市首次下穿隧道預(yù)制裝配工藝的成功實(shí)施，為城市下穿隧道建設(shè)提供了成功的借鑒和驗(yàn)證。