管鴻浩,周曉軍,王春梅,徐 巍,張 潮,李 旭

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 400063; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引言

明洞是高速鐵路隧道在穿越淺埋地層時(shí)常采用的一種襯砌結(jié)構(gòu),基于便利組織施工和降低工程造價(jià)方面的考慮,明洞通常采用模筑(即立模現(xiàn)澆)方式進(jìn)行建造。建造明洞模筑施工工藝主要優(yōu)點(diǎn)為:①模筑后明洞襯砌整體剛度大,而且襯砌防水性能易得到保障;②建造明洞時(shí)無(wú)需大型運(yùn)輸和吊裝設(shè)備,因而其建造成本相對(duì)較低。但采用模筑施工工藝建造明洞時(shí),缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn),主要表現(xiàn)為:①采用模筑施工的工序較多,施工組織較繁雜,致使施工效率低且建設(shè)工期較長(zhǎng);②立模現(xiàn)澆時(shí)明洞拱部混凝土厚度和強(qiáng)度往往難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求而極易引發(fā)諸如混凝土襯砌裂縫、滲漏水甚至拱部掉塊等質(zhì)量問(wèn)題,勢(shì)必影響隧道長(zhǎng)期使用安全[1]。

為解決采用傳統(tǒng)模筑施工工藝建造明洞時(shí)存在的上述質(zhì)量問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)明洞設(shè)計(jì)和建造方法、施工工藝及質(zhì)量管理等方面開(kāi)展了相應(yīng)工程試驗(yàn)與研究。王志偉等[2]對(duì)單線鐵路隧道全斷面預(yù)制裝配式明洞分塊方式進(jìn)行研究,并給出明洞預(yù)制塊劃分方式,探討裝配式明洞防水措施和安全性。萬(wàn)自強(qiáng)[3]結(jié)合單線鐵路隧道明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),從明洞拱墻結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)、隧底仰拱結(jié)構(gòu)、防水及耐久性設(shè)計(jì)等方面闡述了單線鐵路拱形明洞預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。許興伍[4]對(duì)超高填方區(qū)明洞荷載進(jìn)行分析,優(yōu)化超高回填地段明洞荷載計(jì)算模式。陳方棨等[5]對(duì)采用無(wú)拱架的預(yù)制塊修建明洞拱圈的方法進(jìn)行研究,并給出采用無(wú)拱架吊裝預(yù)制塊而組裝明洞的施工方法。Zhang等[6]采用數(shù)值模擬計(jì)算方法對(duì)單線鐵路隧道預(yù)制裝配式襯砌分塊方式進(jìn)行分析,并利用荷載與結(jié)構(gòu)模型計(jì)算和分析單線鐵路隧道預(yù)制裝配式襯砌內(nèi)力分布特點(diǎn)。肖明清等[7]結(jié)合武漢長(zhǎng)江隧道對(duì)大直徑盾構(gòu)法隧道預(yù)制管片結(jié)構(gòu)和防水等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,并提出針對(duì)大直徑越江盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)形式。楊秀仁[8-9]結(jié)合明挖法修建的預(yù)制裝配式地鐵地下車(chē)站,研究和總結(jié)明挖預(yù)制裝配式隧道結(jié)構(gòu)拼裝的設(shè)計(jì)方法、拼裝精度控制和施工的關(guān)鍵技術(shù)。劉彬斌等[10]分析和總結(jié)了城市下穿道路中采用明挖法修建預(yù)制裝配式隧道的分塊方式和組裝方法。林志等[11]針對(duì)鉆爆法施工的公路隧道預(yù)制裝配式襯砌的分塊與修建方法進(jìn)行了研究。上述研究主要針對(duì)單線鐵路隧道、采用明挖法修建的地鐵地下車(chē)站或采用鉆爆法施工的公路隧道,尚未對(duì)大跨度單洞雙線鐵路隧道明洞的裝配式襯砌及其修建方法開(kāi)展系統(tǒng)研究。

從國(guó)內(nèi)外采用盾構(gòu)法建造的預(yù)制裝配式隧道、采用明挖法修建的裝配式地鐵地下車(chē)站及長(zhǎng)輸油氣管道越江盾構(gòu)隧道等運(yùn)營(yíng)的狀況分析[7-9,12],因預(yù)制構(gòu)件厚度和強(qiáng)度均能得到有效保證,因此,采用預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件組裝的地下結(jié)構(gòu)具有良好承載力和耐久性。與傳統(tǒng)模筑施工工藝相比,預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在保證工程建設(shè)質(zhì)量、提高施工效率、縮短工期及降低工程建造中的碳排放和保護(hù)環(huán)境等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[8-9]。對(duì)于目前我國(guó)高速鐵路線路中隧道和明洞設(shè)計(jì)和建造方法而言,仍然采用模筑現(xiàn)澆施工工藝。而采用工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化的設(shè)計(jì)與建造方法則是實(shí)現(xiàn)高速鐵路隧道和明洞高質(zhì)量建設(shè)的有效途徑,也是高速鐵路線路中隧道和明洞智能建造技術(shù)中的研究重點(diǎn),其中采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)則是實(shí)現(xiàn)隧道、工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化建造的前提。因此,本文以某高速鐵路大跨度山嶺隧道工程為研究對(duì)象,對(duì)采用明挖法建造的高速鐵路單洞雙線明洞預(yù)制裝配式襯砌的分塊模式、接頭類(lèi)型和防水構(gòu)造及建造方法開(kāi)展研究。

1 工程概況

2 明洞橫斷面和襯砌形式

當(dāng)采用明挖法建造高速鐵路隧道明洞時(shí),明洞襯砌可設(shè)計(jì)為全環(huán)模筑襯砌、全環(huán)預(yù)制裝配式襯砌和局部模筑襯砌與局部預(yù)制襯砌相結(jié)合的組合式襯砌3種類(lèi)型。借鑒國(guó)內(nèi)外采用盾構(gòu)法修建山嶺隧道或越江盾構(gòu)隧道的成功經(jīng)驗(yàn)[7,12],即采用預(yù)制鋼筋混凝土管片組裝隧道襯砌時(shí),隧道襯砌厚度和強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并能有效避免采用模筑工藝修建隧道時(shí)因襯砌厚度和強(qiáng)度不足而引發(fā)的質(zhì)量缺陷問(wèn)題[1]。

為提高淺埋單洞雙線鐵路隧道施工效率,確保隧道襯砌施工質(zhì)量和建設(shè)工期,將該高速鐵路淺埋隧道設(shè)計(jì)為采用明挖法修建的全環(huán)預(yù)制裝配式明洞。為此,需分別對(duì)明洞襯砌橫斷面形式和預(yù)制裝配式明洞襯砌分塊方法進(jìn)行研究。考慮單洞雙線高速鐵路隧道內(nèi)運(yùn)行速率350km/h列車(chē)的建筑限界和隧道內(nèi)救援與安全疏散空間要求,并參考國(guó)內(nèi)外高速鐵路和高速公路明挖隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),分別確定5種明洞襯砌橫斷面設(shè)計(jì)方案,如圖3所示。其中,圖3a和圖3b均為帶仰拱的曲邊墻明洞襯砌橫斷面設(shè)計(jì)方案,圖3c為曲邊墻平底板明洞襯砌橫斷面設(shè)計(jì)方案,圖3d為矩形框架結(jié)構(gòu)的明洞橫斷面設(shè)計(jì)方案,圖3e為直邊墻與圓弧拱頂?shù)目蚣芙Y(jié)構(gòu)明洞橫斷面設(shè)計(jì)方案,各方案基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 明洞襯砌橫斷面基本設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 明洞襯砌橫斷面設(shè)計(jì)方案

對(duì)比圖3和表1基本設(shè)計(jì)參數(shù)可知,當(dāng)設(shè)計(jì)的明洞橫斷面滿(mǎn)足洞內(nèi)行駛速率350km/h列車(chē)的建筑限界及安全疏散空間前提下,對(duì)于明洞襯砌圬工量而言,方案4,5所示的矩形框架結(jié)構(gòu)具有開(kāi)挖面積和襯砌圬工量均較少的優(yōu)點(diǎn)。此外,根據(jù)矩形框架結(jié)構(gòu)和曲邊墻拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀況分析,與方案1～3中所示曲邊墻襯砌相比,方案4,5所示矩形框架結(jié)構(gòu)在受回填土體壓力作用下會(huì)產(chǎn)生較大彎矩,故其內(nèi)部需配置較多鋼筋,而方案1～3中曲邊墻拱形襯砌中的彎矩較小,因此,曲邊墻拱形襯砌在結(jié)構(gòu)承載能力方面具有優(yōu)勢(shì)。為進(jìn)一步對(duì)比和分析,分別對(duì)上述5個(gè)方案中明洞襯砌受回填土體壓力作用下的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。

3 明洞襯砌內(nèi)力

以圖3a所示的拱形明洞襯砌橫斷面方案2為例,當(dāng)用預(yù)制鋼筋混凝土管片在明挖的U形基槽內(nèi)組裝完明洞襯砌后,在明洞拱圈和邊墻預(yù)制管片外側(cè)逐層回填土體直至地面。根據(jù)該明洞所穿越地段地貌特征和圍巖條件,設(shè)計(jì)的拱形明洞襯砌和明挖基槽及基槽內(nèi)回填土體后的橫斷面如圖4所示。

圖4 明洞和基槽內(nèi)回填土體后的橫斷面 (單位:m)

因明洞襯砌由若干塊預(yù)制管片經(jīng)組裝而成,因而預(yù)制管片數(shù)量及其分塊則是預(yù)制裝配式明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容。在確定預(yù)制裝配式明洞管片分塊方式及數(shù)量時(shí),除了需要考慮高速鐵路明洞襯砌橫斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)外,更重要的是從預(yù)制管片承載安全性,工業(yè)化預(yù)制、運(yùn)輸與組裝的便利性,明洞襯砌防水等方面綜合考慮。首先需分析預(yù)制裝配式明洞所承受的地層壓力,由圖4可知,明洞建造完成后所承擔(dān)的荷載主要為回填土體土壓力,為此,需要計(jì)算明洞襯砌所承受的回填土體土壓力。根據(jù)該明洞所穿越地層圍巖條件,當(dāng)明挖U形基槽內(nèi)明洞襯砌組裝完畢后,在其墻背后可用粉質(zhì)黏土、粗角礫巖和強(qiáng)風(fēng)化泥巖等混合后回填至原地面線,因此回填后的土體不再為原狀土。明洞基槽內(nèi)回填土體物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

結(jié)合該明洞所穿越地層圍巖級(jí)別,明洞洞頂所承受的回填土體豎向荷載按式(1)進(jìn)行計(jì)算[13]:

qi=γhi

(1)

式中:γ為明洞拱圈以上回填土體容重(kN/m3);hi為明洞拱圈處任意計(jì)算點(diǎn)至地面的土體高度(m)。

明洞左、右邊墻所承受的回填土體側(cè)向壓力可根據(jù)式(2)加以計(jì)算[13]:

ei=λγhi

(2)

式中:λ為回填土體側(cè)壓力系數(shù)。

(3)

式中:φ為明洞背后回填土體計(jì)算摩擦角(°)。

為便于計(jì)算和對(duì)比,假設(shè)明洞左、右邊墻所承受的側(cè)向土壓力相等。根據(jù)圖4和表2所示明洞周?chē)靥钔馏w及其物理力學(xué)參數(shù),利用式(1)～(3)即可計(jì)算得到明洞襯砌拱圈和左、右邊墻所承受的土壓力。以圖3中曲邊墻和矩形框架結(jié)構(gòu)明洞襯砌為例,計(jì)算得到明洞襯砌所承受荷載及其承載模式如圖5所示。

圖5 明洞所承受荷載模式(單位:kPa)

利用圖5所示荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,分別對(duì)5個(gè)設(shè)計(jì)方案中明洞襯砌在回填土壓力作用下的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算并得到各設(shè)計(jì)方案中明洞襯砌內(nèi)力及其分布狀況,計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 各設(shè)計(jì)方案中明洞襯砌內(nèi)力

根據(jù)圖6可得5個(gè)設(shè)計(jì)方案中明洞襯砌拱頂部位最大內(nèi)力,如表3所示。

由表3可知,方案1,2,3中拱頂內(nèi)彎矩和軸力均較小,而方案4,5中拱頂彎矩和軸力均較大。相比而言,曲邊墻帶仰拱的拱形明洞襯砌在基槽內(nèi)回填土體壓力作用下,其拱頂正、負(fù)彎矩均小于矩形框架結(jié)構(gòu)明洞拱頂正負(fù)彎矩。因此,對(duì)于明洞拱頂內(nèi)力,曲邊墻帶仰拱明洞要比矩形框架結(jié)構(gòu)明洞具有優(yōu)勢(shì),并且由于拱頂彎矩小,當(dāng)采用相同截面拱部襯砌時(shí),拱形明洞可減少拱頂混凝土中配置受力鋼筋數(shù)量。

此外,通過(guò)對(duì)比曲邊墻拱形明洞拱頂內(nèi)力可知,方案2中明洞拱頂彎矩明顯小于方案1,3中明洞拱頂彎矩,因此,對(duì)于明洞襯砌受回填土壓力作用下的內(nèi)力狀況而言,可將方案2作為該高速鐵路單洞雙線隧道明洞襯砌橫斷面推薦方案。

4 明洞襯砌預(yù)制塊劃分

明洞襯砌在回填土體壓力作用下引起的內(nèi)力尤其是彎矩對(duì)其承載能力和變形產(chǎn)生較大影響。當(dāng)明洞襯砌某一截面上彎矩較小而軸力較大時(shí),該部位混凝土處于小偏心壓應(yīng)力狀態(tài),則明洞襯砌在此部位具有良好的抗壓安全性。若明洞襯砌某截面上彎矩較大而軸力較小時(shí),則襯砌在該部位處于大偏心拉應(yīng)力狀態(tài),此時(shí)明洞混凝土襯砌在該截面承載安全性受到較大影響。由圖6可知,明洞襯砌橫斷面上彎矩存在正彎矩和負(fù)彎矩,因此在明洞襯砌上必定存在有彎矩值為0的部位。若將裝配式明洞預(yù)制管片分塊位置設(shè)置在彎矩值為0或彎矩值較小部位時(shí),則組裝后的明洞襯砌在該部位不承受彎矩或承受很小彎矩,因此此部位襯砌僅承受軸向壓應(yīng)力,從而可充分利用和發(fā)揮裝配式明洞在分塊部位良好抗壓承載能力。鑒于此,將該明洞預(yù)制管片分塊位置設(shè)置在明洞襯砌橫截面上彎矩值為0或較小處,并以此對(duì)5個(gè)明洞襯砌橫斷面設(shè)計(jì)方案中一環(huán)襯砌的預(yù)制管片分塊方案進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)明洞預(yù)制管片設(shè)計(jì)參數(shù)從一環(huán)裝配式襯砌分塊數(shù)量、接縫數(shù)量、單塊管片質(zhì)量和厚度等方面進(jìn)行對(duì)比與分析。對(duì)于采用鋼筋混凝土預(yù)制管片組裝而成的明洞襯砌而言,一環(huán)明洞襯砌中預(yù)制管片劃分除了考慮明洞襯砌承載能力外,還需考慮預(yù)制管片制作、運(yùn)輸與組裝的便利性及組裝后襯砌防水性能。當(dāng)一環(huán)襯砌管片分塊數(shù)量較多時(shí),則單塊預(yù)制管片質(zhì)量較小,且管片也便于運(yùn)輸和組裝,但組裝后明洞襯砌接縫較多,勢(shì)必會(huì)增加明洞襯砌在接縫部位滲漏水的可能性。若明洞襯砌一環(huán)預(yù)制管片分塊數(shù)量較少時(shí),則預(yù)制管片組裝后明洞襯砌接縫也較少,雖然有利于明洞襯砌防水性能,但分塊數(shù)量的減少勢(shì)必會(huì)增加預(yù)制管片幾何尺寸和質(zhì)量,由此會(huì)對(duì)預(yù)制管片運(yùn)輸和組裝造成困難。綜合考慮后,提出了如圖7所示的裝配式明洞襯砌預(yù)制管片的5種劃分方案。圖7中各方案預(yù)制管片基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

由表4可知,方案1,2中明洞襯砌預(yù)制管片劃分為7塊,方案3中明洞襯砌管片劃分為6塊,而方案4,5中管片劃分均為4塊。因此方案4,5中明洞襯砌預(yù)制管片劃分?jǐn)?shù)量較少,但單塊預(yù)制管片質(zhì)量大。而方案1,2,3中預(yù)制管片數(shù)量多,但預(yù)制管片質(zhì)量較小,其中方案2預(yù)制管片數(shù)量為7塊,且各管片質(zhì)量為最小。綜合比較,方案2較為合理,因此將方案2作為該高速鐵路隧道預(yù)制裝配式明洞襯砌管片的劃分方案,并以此方案對(duì)該明洞預(yù)制管片接縫形式、防水構(gòu)造和管片組裝方式開(kāi)展設(shè)計(jì)與研究。

5 裝配式明洞襯砌預(yù)制管片及其接頭設(shè)計(jì)

借鑒國(guó)內(nèi)外城市地鐵、鐵路越江盾構(gòu)隧道和公路隧道預(yù)制管片的結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)計(jì)參數(shù)[7-9,12],根據(jù)方案2中所提出的管片劃分方法,將該單洞雙線鐵路隧道明洞的一環(huán)襯砌劃分為7塊管片,即一環(huán)明洞襯砌由3塊A型、2塊B型和2塊C型管片組裝而成。明洞拱部為A型管片,分為結(jié)構(gòu)形式相同的A1,A2,A3型;左、右邊墻為B型管片,分為結(jié)構(gòu)形式相同的B1,B2型,仰拱為C型管片,由結(jié)構(gòu)相同的C1,C2型組裝而成。預(yù)制管片厚度均設(shè)計(jì)為700mm,沿明洞軸線方向上管片寬度均設(shè)計(jì)為2.0m。A,B,C型管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別如圖8,9,10所示。

圖8 A型管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖9 B型管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖10 C型管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在A,B,C型管片左端頭和右端頭分別設(shè)置有半圓形凹、凸榫,在其正面和背面則設(shè)置有圓臺(tái)形凸臺(tái)與凹槽。此外,在A,B型管片靠近圍巖的側(cè)面設(shè)置肋板,而在C型管片靠近圍巖的側(cè)面設(shè)置底座。

與盾構(gòu)法施工的圓心橫斷面隧道裝配式襯砌不同,由于高速鐵路隧道明洞襯砌橫斷面由4個(gè)同心圓弧組成,襯砌半徑不相等,因此難以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)法隧道圓形橫斷面中的錯(cuò)縫拼裝。故該裝配式明洞襯砌前后相鄰預(yù)制管片沿其軸線方向上均采用通縫方式進(jìn)行拼裝。

經(jīng)過(guò)對(duì)明洞預(yù)制管片半圓形凹凸榫接頭力學(xué)行為分析,對(duì)于半圓形榫接頭,當(dāng)凹凸榫設(shè)置在管片結(jié)構(gòu)中心線時(shí)接頭具有良好抗彎和抗剪能力。因此,將管片沿環(huán)向一側(cè)端頭設(shè)計(jì)為半圓形凸榫,而其另一側(cè)端頭則設(shè)計(jì)為半圓形凹槽。當(dāng)2塊管片環(huán)向組裝時(shí),一塊管片一側(cè)端頭凸榫與另一塊管片一側(cè)端頭凹槽之間形成對(duì)接,對(duì)接方式如圖11,12所示。

圖11 管片間環(huán)向?qū)?/p>

管片沿明洞軸線方向上組裝時(shí),將前一環(huán)管片沿隧道軸向背面上的圓臺(tái)形凹槽與后一環(huán)管片沿隧道軸向正面上的凸臺(tái)之間形成對(duì)接。為進(jìn)一步說(shuō)明明洞縱向管片間對(duì)接方式,2塊A型管片沿明洞軸線方向上組裝后其正面半圓形凸臺(tái)和背面半圓形凹槽中線處的縱剖面如圖13所示,即為圖8a中I—I剖面。

圖13 隧道縱向管片間的縱剖面

與目前國(guó)內(nèi)外采用盾構(gòu)法修建的隧道中常用平板型預(yù)制鋼筋混凝土管片相比,為防止明洞預(yù)制管片剛度因在其背面設(shè)置圓臺(tái)形凹槽后而降低,在拱部和邊墻部位的預(yù)制管片靠近圍巖一側(cè)的側(cè)面設(shè)置肋條。即在A,B型預(yù)制管片頂面設(shè)置2道肋條,目的在于增強(qiáng)拱部和邊墻處預(yù)制管片因在背面一側(cè)設(shè)置凹槽后受影響的剛度,防止管片強(qiáng)度和剛度降低。而在仰拱部位C型管片靠近圍巖一側(cè)的底面則設(shè)計(jì)有2個(gè)底座,作為安裝仰拱預(yù)制塊時(shí)的定位。

6 明洞襯砌預(yù)制管片接縫部位防水構(gòu)造

對(duì)于采用鋼筋混凝土預(yù)制管片組裝的高速鐵路隧道明洞襯砌而言,管片縱向和環(huán)向間的接縫則是明洞襯砌結(jié)構(gòu)防水的薄弱部位。參考國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)法隧道預(yù)制管片在接縫部位防水構(gòu)造和做法[7-9,12],該明洞襯砌防水仍采用盾構(gòu)法隧道在管片接縫部位粘貼三元乙丙(EPDM)橡膠密封條的做法,即為確保明洞預(yù)制管片內(nèi)外側(cè)防水性能,在每塊管片內(nèi)外側(cè)沿其周邊均設(shè)置2道“︺”形凹槽,并在其內(nèi)粘貼緩膨脹止水條即三元乙丙(EPDM)橡膠密封條。當(dāng)預(yù)制管片組裝后即可在明洞襯砌管片環(huán)向和縱向接縫處形成2道防水措施,以實(shí)現(xiàn)裝配式明洞襯砌防水。明洞預(yù)制管片組裝后,管片環(huán)向和縱向接縫處防水構(gòu)造如圖14所示。通過(guò)在預(yù)制管片內(nèi)外側(cè)設(shè)置2道防水措施,增強(qiáng)明洞襯砌防水性能。

圖14 管片接縫處防水構(gòu)造

7 明洞襯砌預(yù)制管片組裝方法設(shè)計(jì)

根據(jù)明洞預(yù)制管片接縫處設(shè)計(jì)形式,將管片環(huán)向間接縫設(shè)計(jì)為半圓形凹、凸榫,而將管片縱向間接縫設(shè)計(jì)為圓臺(tái)形凹、凸榫。按照凹、凸榫對(duì)接方式,即可確定該明洞A,B,C型管片組裝順序?yàn)?在已開(kāi)挖的明洞U形基槽內(nèi)先吊放和組裝仰拱部位C型管片,之后吊放和組裝邊墻部位B型管片,最后再吊放和組裝拱部A型管片。當(dāng)明洞一環(huán)7塊管片組裝完畢后,沿明洞軸線方向繼續(xù)組裝另一環(huán)管片,組裝時(shí)使縱向管片相互對(duì)位并通過(guò)其正面圓臺(tái)形凸臺(tái)與背面圓臺(tái)形凹槽相對(duì)接,由此沿明洞軸線方向逐環(huán)吊放和組裝完成明洞襯砌,并在組裝好明洞襯砌的基槽內(nèi)回填土體至地面,恢復(fù)地貌。

明洞預(yù)制管片在一環(huán)上的具體組裝方法設(shè)計(jì)為:首先在已開(kāi)挖好的明洞U形基槽內(nèi)設(shè)置門(mén)架式起重機(jī),起重量應(yīng)≥30t。同時(shí)在基槽內(nèi)搭設(shè)采用I18a加工好的鋼架。吊裝管片前,在每塊管片 “︺” 形凹槽內(nèi)粘貼三元乙丙(EPDM)橡膠密封條。按照設(shè)計(jì)的仰拱部位C型管片底座平整場(chǎng)地,便于仰拱部位管片就位。通過(guò)門(mén)架式起重機(jī)首先吊放仰拱部位2塊C型管片,使仰拱部位C1型管片一側(cè)端頭半圓形凸榫與C2型管片一側(cè)端頭半圓形凹槽相互對(duì)接,使C1,C2型管片就位。然后再分別吊放左邊墻B1型和右邊墻B2型預(yù)制管片,使左邊墻B1型管片一側(cè)端頭半圓形凸榫與仰拱部位C1型管片一側(cè)端頭半圓形凹槽相互對(duì)接,同時(shí)使右邊墻B2型管片一側(cè)端頭半圓形凹槽與仰拱部位C2型管片一側(cè)端頭半圓形凸榫相互對(duì)接,使左邊墻B1型管片和右邊墻B2型管片就位。

由于管片是在明挖基槽內(nèi)進(jìn)行吊放和組裝,而在吊放B1,B2型管片時(shí),由于該2塊管片僅有一側(cè)端頭與C型管片端頭相對(duì)接,而其兩側(cè)無(wú)內(nèi)外支撐,因此B型管片容易發(fā)生朝向基槽外側(cè)的傾倒。為此,在吊放左邊墻B1型和右邊墻B2型管片時(shí)需將2塊管片分別用∟10×8固定至I18a鋼架上,以確保吊放后管片穩(wěn)定,然后通過(guò)門(mén)架式起重機(jī)再吊放拱部A1,A3型管片。首先吊放A1型管片,使A1型管片一側(cè)端頭凸榫與左邊墻B1型管片一側(cè)端頭凹槽相對(duì)接,同時(shí)在鋼架上采用φ18鋼筋作為拉桿,將拱部A1型管片固定至拱架上,防止其朝向明洞內(nèi)側(cè)傾倒。其次吊放A3型管片,使A3型管片一側(cè)端頭凹槽與右邊墻B2型管片一側(cè)端頭凸榫相對(duì)接,并在鋼架上設(shè)置φ18鋼筋作業(yè)拉桿,將拱部A3型管片加以固定,防止其向明洞內(nèi)側(cè)傾倒。在明洞基槽內(nèi)吊裝預(yù)制管片期間,拱部A型管片和邊墻B型管片與鋼架間的固定方式如圖15所示。

圖15 邊墻和拱部管片吊裝與支撐

當(dāng)拱部A1,A3型管片組裝就位后,再吊放和組裝拱部A2型管片,吊裝時(shí)將A2型管片一側(cè)端頭凸榫與拱部A1型管片一側(cè)端頭凹槽對(duì)接,同時(shí)將A2型管片另一側(cè)端頭凹槽與拱部A3型管片一側(cè)端頭凸榫相對(duì)接,至此完成明洞一環(huán)上共7塊預(yù)制管片組裝。此后可將拉桿和橫撐拆除,將其用于下一環(huán)管片的組裝。下一環(huán)預(yù)制管片環(huán)向組裝方法同上所述,在吊放各預(yù)制管片時(shí)使后吊放的管片與前一環(huán)已組裝的管片位置逐一對(duì)應(yīng),并且使后一環(huán)各管片一側(cè)面圓臺(tái)形凸臺(tái)與后一環(huán)各管片一側(cè)面圓臺(tái)形凹槽相對(duì)接,實(shí)現(xiàn)管片縱向?qū)优c組裝。同時(shí),為加強(qiáng)明洞管片軸線方向剛度,在A,B型管片靠近圍巖一側(cè)面的肋板上設(shè)置螺栓孔,必要時(shí)可用專(zhuān)用螺栓和螺母將前后相鄰管片連接,螺栓和螺母采用M30,機(jī)械性能等級(jí)≥8.8級(jí),以增強(qiáng)管片縱向間的連接和明洞襯砌整體剛度。由此可逐步完成環(huán)向和縱向明洞預(yù)制管片組裝。明洞預(yù)制管片環(huán)向組裝后橫斷面如圖16所示。

圖16 組裝完成的明洞襯砌橫斷面

當(dāng)基槽內(nèi)明洞逐環(huán)組裝完畢后,向基槽內(nèi)分層回填土體。回填土體時(shí)應(yīng)在明洞軸線兩側(cè)對(duì)稱(chēng)進(jìn)行,分層回填時(shí)每層土體厚度≤30cm,回填土體中粗顆粒粒徑≤5cm,兩側(cè)回填土體高差≤50cm,邊回填邊逐層壓實(shí),基槽內(nèi)回填土體壓實(shí)度≥90%。回填后恢復(fù)地面植被和地表截排水系統(tǒng)。

8 結(jié)語(yǔ)

采用傳統(tǒng)模筑混凝土施工工藝建造高速鐵路隧道明洞具有施工效率低、施工組織和工序繁雜及工期長(zhǎng)等缺點(diǎn),尤其是明洞拱部混凝土厚度和強(qiáng)度往往難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求,進(jìn)而影響明洞長(zhǎng)期安全使用。而采用工業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化及智能化的預(yù)制裝配式襯砌技術(shù)則可為解決明洞建造中存在的上述問(wèn)題提供有效途徑。本文結(jié)合某高速鐵路大跨度單洞雙線隧道穿越淺埋丘陵區(qū)圍巖地質(zhì)狀況,對(duì)預(yù)制裝配式明洞襯砌管片劃分模式、管片間的接縫形式和防水構(gòu)造及管片組裝方法進(jìn)行了分析和研究,得到結(jié)論如下。

1)在滿(mǎn)足列車(chē)行駛速度為350km/h的高速鐵路隧道建筑限界和隧道內(nèi)救援與疏散安全空間的前提下,通過(guò)對(duì)5種明洞襯砌在回填土體土壓力作用下的內(nèi)力對(duì)比與分析可知,曲邊墻帶仰拱的襯砌具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2)根據(jù)曲邊墻帶仰拱的明洞襯砌受回填土體土壓力作用下的內(nèi)力狀況,并考慮預(yù)制管片制作、運(yùn)輸和組裝的便利性,將明洞襯砌的一環(huán)預(yù)制管片設(shè)計(jì)為3塊A型管片、2塊B型管片和2塊C型管片,管片厚度為0.7m、幅寬為2.0m。

3)裝配式明洞預(yù)制管片在環(huán)向接縫間接頭可設(shè)計(jì)為半圓形凹、凸榫,而縱向接縫間接頭可設(shè)計(jì)為圓臺(tái)形凹凸榫,并且凹凸榫應(yīng)設(shè)置在管片結(jié)構(gòu)壓力中線上。

4)在預(yù)制管片內(nèi)外側(cè)設(shè)置2道“︺”形凹槽,并在其內(nèi)粘貼2道三元乙丙(EPDM)橡膠密封條,作為明洞管片縱、環(huán)向接縫部位的防水措施。

5)根據(jù)明洞預(yù)制管片縱、環(huán)向接縫對(duì)接方式,由A,B,C型鋼筋混凝土預(yù)制管片組裝明洞襯砌時(shí),其沿徑向1圈的組裝順序?yàn)?先組裝仰拱部位C型管片,然后組裝邊墻部位B型管片,最后再組裝拱部A型管片。明洞襯砌一環(huán)管片組裝完成后可沿明洞縱向按同樣順序組裝下一環(huán)管片,且使后組裝的管片與先組裝的管片部位相互對(duì)應(yīng),便于縱向管片間的對(duì)接,完成縱向管片間的組裝。