王志偉 馬偉斌 王子洪

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

明洞作為隧道洞口重要組成部分，可起到防御危巖落石、邊坡崩塌、泥石流等作用。實(shí)際工程中多采用鋼筋混凝土拱形明洞，具體分為對(duì)稱型、偏壓型、單壓型等，拱形明洞基本上采用現(xiàn)澆工藝建造。

針對(duì)現(xiàn)澆明洞存在的施工難題與工效較低問題，近年來發(fā)展出柔性鋼筋網(wǎng)［1］、剛性鋼拱架［2］等多種類型的明洞結(jié)構(gòu)，用于隧道洞口防護(hù)。此類明洞結(jié)構(gòu)具有施工技術(shù)成熟、技術(shù)難度小的特點(diǎn)，但存在造價(jià)較高、剛性較差、防護(hù)作用較弱等問題。鋼筋混凝土預(yù)制裝配式明洞可一定程度上解決這些問題，其造價(jià)低廉、洞外吊裝空間充裕，而且具有縮短工期、方便施工、提高質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)勢(shì)。

鋼筋混凝土預(yù)制裝配式明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工與明挖裝配式隧道或地下車站有相似性，后兩者在國內(nèi)外隧道與地下工程中已經(jīng)有很多成功案例，如荷蘭鹿特丹地鐵殼式裝配結(jié)構(gòu)、日本仙臺(tái)地鐵雙跨箱形結(jié)構(gòu)、前蘇聯(lián)整體管段結(jié)構(gòu)［3］，中國的秦嶺Ⅰ線隧道［4］、長(zhǎng)春地鐵袁家店站［5］。隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技水平提高，當(dāng)前已經(jīng)具備鋼筋混凝土裝配式明洞的設(shè)計(jì)施工與推廣條件。

本文結(jié)合試驗(yàn)段，系統(tǒng)闡述全斷面鋼筋混凝土預(yù)制裝配式隧道明洞的設(shè)計(jì)選型、結(jié)構(gòu)驗(yàn)算、施工拼裝過程及關(guān)鍵工序、結(jié)構(gòu)外防水方案，為該類結(jié)構(gòu)和該項(xiàng)技術(shù)的推廣提供技術(shù)支撐。

1 全斷面鋼筋混凝土預(yù)制裝配式明洞設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)段概況

國家鐵道試驗(yàn)中心重載鐵路試車線位于北京朝陽區(qū)，2018年利用京沈客運(yùn)專線星火動(dòng)車所和中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地既有試驗(yàn)線的夾心地段開始建設(shè)，現(xiàn)已建成，主要用于重載移動(dòng)裝備和工務(wù)設(shè)備的安全性、耐久性試驗(yàn)以及重載技術(shù)系統(tǒng)試驗(yàn)。為全面驗(yàn)證推廣全斷面鋼筋混凝土預(yù)制裝配式明洞結(jié)構(gòu)，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司在該線SIDK0+070—SIDK0+150 區(qū)段設(shè)計(jì)了面向鐵路的裝配式明洞結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段，如圖1所示。

圖1 裝配式明洞區(qū)段所在位置

1.2 預(yù)制裝配式明洞分塊方法及設(shè)計(jì)選型

1.2.1 分塊方法

目前常用的方法為先對(duì)分塊前的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力計(jì)算，確定荷載組合。然后采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)彎矩、剪力與軸力分布，根據(jù)計(jì)算結(jié)果將彎矩為0處作為分塊的節(jié)點(diǎn)［6］。

長(zhǎng)春地鐵袁家店明挖車站的設(shè)計(jì)施工中，車站拱形結(jié)構(gòu)在拱頂中心彎矩最大處進(jìn)行分塊并進(jìn)行拼裝［7］。該種方式打破思維定勢(shì)，重視結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，實(shí)際上是人為主動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)受力模式的隧道襯砌結(jié)構(gòu)分塊方法。與彎矩為0 處分塊相比，在相同受力條件下，采用該種分塊方法拱腰、拱腳和拱底安全系數(shù)略有下降，拱頂和拱肩安全系數(shù)大幅增加，安全系數(shù)包絡(luò)線沿著襯砌拱墻分布更加均勻［8］。此外，節(jié)點(diǎn)設(shè)在拱部中心，主要是考慮構(gòu)件規(guī)格不宜太多、明挖覆土荷載較小、拱部接頭抵抗彎矩沒有問題。

上述兩種分塊方法有各自優(yōu)點(diǎn)，最小彎矩處的分塊更適用于暗挖隧道結(jié)構(gòu)受力，彎矩最大處分塊方法更有利于明挖隧道襯砌拼裝施工的開展。圖2為分塊設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，從結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、安全系數(shù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)四個(gè)方面評(píng)價(jià)分塊效果，評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、構(gòu)件自重、拼裝機(jī)械、運(yùn)輸成本、精度控制等因素確定。

圖2 隧道襯砌結(jié)構(gòu)分塊設(shè)計(jì)技術(shù)路線

1.2.2 設(shè)計(jì)選型

與暗挖隧道相比，試驗(yàn)段明洞結(jié)構(gòu)主要受到風(fēng)雨雪荷載和運(yùn)營期列車振動(dòng)荷載?？紤]今后該項(xiàng)技術(shù)在暗挖隧道內(nèi)的推廣，將襯砌結(jié)構(gòu)在最小彎矩處（彎矩為0處）進(jìn)行分塊。與暗挖隧道相比，明洞結(jié)構(gòu)若僅靠自重和螺栓進(jìn)行連接，安全系數(shù)低于地下襯砌結(jié)構(gòu)，所以將邊墻預(yù)制塊外延加粗并向下延伸至地面，在拱墻接頭處增加外接凸起部分，增加拱墻塊之間接觸面積。明洞結(jié)構(gòu)分為預(yù)制拱墻結(jié)構(gòu)和預(yù)制基底結(jié)構(gòu)（圖3），沿著軌道方向每環(huán)寬2 m，包括11 個(gè)預(yù)制塊體，采用通縫拼裝，預(yù)制塊體厚0.3 m。明洞高11.04 m，寬11.27 m，拱墻由A1塊、A2塊、B1塊、B2塊、K塊5部分組成。預(yù)制基底結(jié)構(gòu)高1.6 m，寬7.6 m，由2 塊F 形塊、2塊邊仰拱塊、1塊門形塊和1塊中仰拱塊組成。

圖3 斷面設(shè)計(jì)（單位：cm）

2 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)力學(xué)性能驗(yàn)算包括靜力驗(yàn)算和動(dòng)力驗(yàn)算。靜力驗(yàn)算主要校核風(fēng)荷載、雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的安全性，按照GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中規(guī)定進(jìn)行。動(dòng)力驗(yàn)算通過建立車輛-軌道-裝配式明洞耦合動(dòng)力有限元模型進(jìn)行計(jì)算。

2.1 模型邊界及參數(shù)

為了防止彈性波在邊界處發(fā)生反射，在邊界位置設(shè)置黏彈性邊界條件，阻尼參數(shù)采用瑞利阻尼來計(jì)算，即

式中：［C］、［M］、［K］分別為阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣和剛度矩陣；α、β為阻尼常數(shù)，當(dāng)列車激振荷載頻率為4 ～200 Hz時(shí)，可計(jì)算得到α=1.4784，β=4.681×10-5。

相應(yīng)地，阻尼比ξ也由兩項(xiàng)組成，與質(zhì)量成正比的質(zhì)量阻尼比ξM和與剛度成正比的剛度阻尼比ξK，即

式中：ωi為第i階振型的圓頻率，rad/s；fi為第i階振型的固有頻率，Hz。

車輛結(jié)構(gòu)采用多剛體系統(tǒng)，其由車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、一系懸掛和二系懸掛等組成，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 列車計(jì)算參數(shù)

輪軌接觸力包括輪軌間法向接觸力和切向接觸力，本文主要計(jì)算垂向振動(dòng)、位移和應(yīng)力，故僅考慮輪軌間法向接觸力。根據(jù)Hertz 非線性彈性接觸理論［9］法向接觸力的計(jì)算公式為

式中：G為輪軌接觸常數(shù)，對(duì)于磨耗型踏面車輪G=3.86R-0.115× 10-8(m/N)23；R為車輪半徑，m；δ為輪軌間的彈性壓縮量，m。

軌道高低不平順譜密度Sv(ρ)采用較為主流的德國低干擾譜進(jìn)行計(jì)算，公式為

式中：Av為粗糙度常數(shù)；ρ為空間頻率，Hz；ρc、ρr分別為空間截?cái)囝l率和時(shí)域截?cái)囝l率，Hz，取值參閱文獻(xiàn)［6］。

2.2 結(jié)果分析

在鋼軌、軌道板、F 箱涵頂部?jī)蓚€(gè)位置、門形箱涵頂部拐角處布置測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)5，見圖4。列車時(shí)速分別取200、250、300、350 km，獲取測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度、豎向動(dòng)位移和動(dòng)應(yīng)力的時(shí)域波形，分析預(yù)制裝配式襯砌及軌下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置

1）振動(dòng)加速度

不同行車速度下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度變化曲線見圖5?？梢姡赫駝?dòng)加速度整體呈下降趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)4最小，說明振動(dòng)能量主要由道床向下方和兩側(cè)傳播；隨著行車速度增加各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度增大，但是增幅不大；測(cè)點(diǎn)1 在時(shí)速350 km 時(shí)最大振動(dòng)加速度為9.1 m/s2，小于限值10.2 m/s2［10］，滿足安全行車要求。

圖5 不同行車速度下各測(cè)點(diǎn)加速度變化曲線

2）豎向動(dòng)位移

不同行車速度下各測(cè)點(diǎn)最大豎向動(dòng)位移見圖6?？芍盒熊囁俣炔蛔儠r(shí)，測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)5 最大豎向動(dòng)位移依次減?。煌粶y(cè)點(diǎn)行車速度越大最大豎向動(dòng)位移越大，測(cè)點(diǎn)1 在時(shí)速350 km 時(shí)最大豎向動(dòng)位移為6.4 mm，小于1/100 洞跨的2 倍值（11.27 mm），滿足安全行車要求。

圖6 不同行車速度下各測(cè)點(diǎn)最大豎向動(dòng)位移

3）豎向動(dòng)應(yīng)力

不同行車速度下各測(cè)點(diǎn)最大豎向動(dòng)應(yīng)力見圖7?？芍盒熊囁俣炔蛔儠r(shí)，最大豎向動(dòng)應(yīng)力依次減小，同一測(cè)點(diǎn)行車速度越大最大豎向動(dòng)應(yīng)力越大，時(shí)速350 km時(shí)測(cè)點(diǎn)1 最大豎向動(dòng)應(yīng)力為278 kPa，遠(yuǎn)小于混凝土結(jié)構(gòu)的極限拉、壓應(yīng)力，滿足安全行車要求。

圖7 不同行車速度下各測(cè)點(diǎn)最大豎向動(dòng)應(yīng)力

3 施工過程及關(guān)鍵拼裝工序

施工過程主要包括五個(gè)方面，見圖8。其中預(yù)制基底結(jié)構(gòu)施工是重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖8 主要施工工序

工程實(shí)施過程中底部采用龍門吊進(jìn)行吊裝。拱墻部分的拼裝采用新研制的大型拼裝機(jī)械，見圖9。

圖9 裝配式明洞結(jié)構(gòu)大型拼裝機(jī)械

拱墻拼裝過程如圖10所示。具體步驟為：①底部精平，吊裝拼裝式仰拱與箱涵；②拱墻拼裝臺(tái)車鋪軌并前行至拼裝位置，將臺(tái)車縱向兩端的鎖軌器鎖緊在鋼軌上；③吊裝預(yù)制襯砌A 塊至指定位置，全站儀定位；④將B 塊放置于A 塊上，A 塊頂部設(shè)置保護(hù)墊層，精準(zhǔn)調(diào)控B 塊位置，對(duì)齊螺栓孔；⑤調(diào)整臺(tái)車絲杠將K塊放置于定位基準(zhǔn)面上，將B塊與K塊連接起來；⑥下降拼裝模板，落在A 塊上，通過拼裝模板的縱向、徑向移動(dòng)調(diào)整對(duì)正；⑦臺(tái)車移動(dòng)，將牽引油缸與后面拼裝好的管片連接起來提供反力，松開鎖軌器，在油缸的作用下開始下一個(gè)工作循環(huán)。

圖10 拱墻拼裝過程示意

4 拼裝結(jié)構(gòu)接縫外防水方案

由于裝配式車站預(yù)制塊間的接觸壓力遠(yuǎn)小于盾構(gòu)機(jī)環(huán)向推力及縱向的接觸壓力，且由于預(yù)制塊尺寸較管片大許多，其加工尺寸偏差也遠(yuǎn)大于管片制作精度。這就要求密封墊在構(gòu)件間較小的接觸壓力下，甚至預(yù)制構(gòu)件之間存在一定張開量時(shí)依然能夠起到很好的防水效果。常規(guī)的盾構(gòu)隧道管片用三元乙丙橡膠類壓縮型密封條帶不滿足要求。因此，提出適用于裝配式明洞的新型結(jié)構(gòu)外防水方案，即在結(jié)構(gòu)拼裝完成后將新型條囊充液式止水帶+丁基橡膠膩?zhàn)訅|片嵌入結(jié)構(gòu)外側(cè)接縫處，止水帶內(nèi)填充的液體為固化低硬度聚氨酯彈性體，通過自膨脹作用，充填縱縫和環(huán)縫處縫隙，并實(shí)現(xiàn)防水效果，如圖11所示。

圖11 接縫位置示意

新型條囊充液式止水帶在拼裝期間泵入空氣，待全部拼裝完成后邊放氣邊充注液體，待液體凝固后變成具有一定彈性和壓力的條囊狀止水結(jié)構(gòu)，如圖12所示。充氣時(shí)將充氣區(qū)域內(nèi)進(jìn)料口通過氣管串聯(lián)，統(tǒng)一充氣至0.4 MPa，如不具備統(tǒng)一充氣條件也可錯(cuò)位充氣。充氣完成后拔出充氣頭，進(jìn)料口的氣門嘴會(huì)自動(dòng)回彈進(jìn)行保壓，擰緊氣門帽即可。以錯(cuò)位方式充注液體時(shí)，充注壓力0.2 MPa，充注液體為聚氨酯雙液漿，A、B 兩組分的混合溫度為20～30 ℃，混合時(shí)間為2 min，固化溫度大于5 ℃。

圖12 新型條囊充液式止水帶注漿處斷面（單位：mm）

5 結(jié)論

1）闡述了襯砌結(jié)構(gòu)分塊方法，給出了彎矩最小處分塊的設(shè)計(jì)方法，提出了隧道襯砌結(jié)構(gòu)分塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的技術(shù)路線和設(shè)計(jì)選型。

2）通過建立車輛-軌道-裝配式明洞耦合動(dòng)力有限元模型模擬，最大振動(dòng)加速度、最大豎向動(dòng)位移、最大豎向動(dòng)應(yīng)力分別為9.1 m/s2、6.4 mm、278 kPa，證明了列車荷載作用下所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全性滿足列車安全運(yùn)營要求。

3）介紹了裝配式明洞結(jié)構(gòu)大型拼裝機(jī)械及主要施工工序和關(guān)鍵拼裝步驟，提出了一種具備推廣價(jià)值的新型條囊充液式結(jié)構(gòu)外防水方案。

4）目前全斷面預(yù)制裝配式明洞結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用不多，缺少不同斷面條件下參考圖紙和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此標(biāo)準(zhǔn)化通用型的設(shè)計(jì)方案和施工方案需要推廣。一方面可重復(fù)利用模具與工裝，另一方面有利于管理和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化，從而顯著提高工效和有效降低造價(jià)。