铁路隧道预制装配式建造技术研究与展望

赵有明，王志伟，王子洪

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081）

0 引言

截至2019年底，我国铁路营业里程达13.9万km，其中投入运营的铁路隧道16 084座，总长18 041 km［1］。随着近些年我国铁路隧道的大量修建，对隧道的结构和质量提出了更高要求。

传统铁路隧道衬砌和基底结构多采用现浇方式进行建造，传统铁路隧道排水系统与主体承力结构施工工艺存在一定缺陷，施工质量不易控制，且难以进行日常养护维修，隧道衬砌结构在列车动载、地下水侵蚀、围岩压力等因素综合作用下，部分线路出现了不同类型的病害［2］，为避免运营期结构病害出现以及规范施工，提出一种铁路隧道新型结构型式及配套建造技术具有非常重要的现实意义。

相对于平原地区在复杂艰险山区环境下，传统隧道营造方法及建设过程存在工程场地受限、物流运输困难、材料制备复杂、人员配置难度高、现场施工难度大、结构养护时间长等不利因素。着眼于既有建造技术在复杂艰险山区实施存在的困难，引入预制装配式新型隧道建造理念，是一种缩短建设工期、降低建设成本的解决思路。

目前，铁路隧道预制装配式技术作为一种新型建造方法已经逐步得到国内外工程界的重视。发展该项技术是隧道建造方式的重大变革，是推进供给侧结构性改革的重要举措［3］，有利于节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平，有利于促进建筑业与信息化工业化深度融合、培育新产业新动能、推动化解过剩产能。2016年，国务院办公厅印发《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》（国办发〔2016〕71号），从国家层面鼓励发展装配式建造技术。

概括性总结近5年来中国铁道科学研究院集团有限公司（简称铁科院集团公司）在铁路隧道预制装配式建造技术体系方面的研究与实践成果，提出该项新型技术面临的挑战与发展展望，可为此项技术的进一步推广发展提供参考。

1 铁路隧道预制装配式建造技术

1.1 发展历程

装配式建筑主要包括预制装配式混凝土结构、钢结构、现代木结构建筑等，是现代工业化生产方式的代表［4］。

预制装配式建（构）筑物营造方式发源于20世纪初，1900年美国布罗克莱雅因养马场首次大批量运用装配式PC构件［5］。二战期间，装配式营造方式在欧美快速发展，截至目前，美国、日本、澳大利亚等发达国家地上建（构）筑物占比不低于35%［6-7］。我国工民建领域自20世纪80年代开始尝试，目前地面建筑技术已经相当成熟。

隧道与地下工程领域中掘进机法开挖的隧道装配式技术应用最多，世界范围内采用预制管片拼装的断面为圆形、异形的隧道技术成熟，如我国秦岭Ⅰ线［8］、京张高铁清华园隧道［9］、浩吉铁路白城隧道［10］。如目前公路隧道盾构内部度多采用双层车道板结构型式，其中上层车道板结构主要分2种，一种是横框架梁板柱结构，即上层结构为梁板柱结构，上层车道板通过立柱、纵梁支撑；另一种为“牛腿”车道板结构，即上层车道板通过“牛腿”支撑，实现上层行车的功能，下层车道板主要采用预制构件和现浇充填相结合的结构型式，预制构件有“口”形件、“π”形件等，预制构件两侧现浇混凝土，形成下层车道整体结构。当然下层车道结构也可以采用预制车道板直接与管片之间连接，或者采用“牛腿”连接。当前，在地面建（构）筑物、掘进机工法隧道以及明挖区间隧道或地铁车站等领域，装配式营造技术体系所涵盖的基础理论、设计选型、施工装备、工艺工法、标准规程等已经相当完备［11-12］。

不同于以上应用领域，隧道预制装配式建造技术是将隧道拱墙、轨下结构、沟槽盖板等分模预制、分块安装，关键接头部件可靠连接的一种新型结构体系［13］，适用于钻爆法工法下暗挖空间内铁路隧道的建造。当前世界范围内尚无该体系在整座隧道内的应用案例。自2016年起，铁科院集团公司依托相关课题和试验工点开展了该项技术的研究、试验、实践工作，经过系统的深入研究，积累了大量研究成果与实践经验，形成了集设计、生产、施工、装备、信息化管控的成套关键技术及体系。

1.2 技术体系

铁路隧道预制装配式建造技术体系由理论研究、设计选型、施工技术与信息管控技术组成（见图1）。

理论研究是基石，作为装配组合而成的结构，装配式构件之间的榫槽、螺栓等接头的力学性能是结构承载能力的关键和保障，此外装配式结构在一般地质和特殊地质条件下的适用性也是研究的重点。

对于设计选型，遵循既有的设计通用参考图确定结构的内外边界，在此基础上针对不同跨度、线路类型进行设计选型，可最大程度保证与采用传统建造方法隧道区段的顺畅接驳。由于结构结合尺度不同，对于附属洞室的设计也是应该关注的地方。当前设计中，洞口防护有采用柔性支护和现浇结构刚性支护2种方式，装配式预制混凝土明洞也是将来的一个重要发展方向。对于地应力条件复杂的隧道，环向纵向连接设计应着重考虑，满足安全性、可靠性、线路平顺性是基本要求。此外，对于箱涵式预制基底结构，底部块体接触点的缝隙以及空腔的设置增加了振动与噪声的影响，应进行专门的减隔振和防噪声设计。

预制装配式隧道施工技术与既有隧道建造方式有很大不同，其很大程度上依赖于拼装装备，且工艺质量与高精度模具、构架养护与运输直接相关。洞内拼装时，拼装装备的适用性、灵活性与信息化程度对于人力投入减少和施工功效提高有很大影响。此外，装配式结构与围岩之间间隙采用的注浆工艺、结构防排水工艺、施工过程中的监测检测同样重要。

研究并推广铁路隧道预制装配式建造技术可加快加深隧道工程建设信息化、机械化应用程度。装配式结构标准化、定制化、批量化等特点可更有效的串联沟通制造单位、建设单位、设计单位施工单位和后期运营维保单位，相较于传统隧道建造工法，其在信息化、机械化等方面的应用具有天然优势［13］。因此，信息化管控技术也是技术体系的一个重要组成部分，涵盖基于BIM的设计与虚拟建造、构件信息的识别与追踪、构件制造过程中的信息化管理以及装配式隧道结构状态的全生命周期质量追溯。

1.3 关键技术

铁路隧道预制装配式建造技术体系包括以下4个方面关键技术：

（1）预制构件设计选型及标准化。隧道断面确定后，应考虑受力、稳定性及限界等进行设计选型，选型时构件的划分应考虑结构受力（静荷载、动荷载）合理和方便制造与安装，并应着眼于规模化生产，着重考虑预制构件轻量化和简统化。

（2）预制构件标准化制备。先进的模具制作技术发展及相对便宜的金属模具材料是大型构件模块化、批量化、标准化生产的前提，构件标准化生产可实现生产的规模化，最大程度保证经济节约。

（3）预制构件安全快速拼装。装配式建造方式可使结构构件的工厂化预制超前或平行于隧道内对应部位的开挖时机，理论上可节约隧道内施工线性工序实施时间，但快速拼装的实现取决于机械工装的技术水平和适用性，研发灵活、易用、大型化、智能化的机械工装是实现安全快速拼装的前提。

（4）建造过程中机械化、信息化深度融合。机械化、信息化深度融合一方面可进一步提高工程建设质量和管理水平，另一方面可极大程度践行隧道智能建造理念。

2 设计选型技术分析框架

掘进机法开挖隧道中，施工机械决定了断面的基本形状，圆形断面给构件标准化创造了有利条件。明挖法修建的区间隧道或地铁车站，结构断面一般为矩形结构或拱形结构，得益于工作面空间大，对于构件形状、尺寸的约束较小。铁路山岭隧道衬砌结构预制过程需考虑不同围岩级别及单双线线路类型，构件之间接头如何连接，力学性能如何判定以及如何划分构件，成为设计选型的技术难题。

2.1 预制构件接头力学性能研究路线

当前采用榫槽与螺栓组成复合连接结构将预制构件结合在一起，用以提高装配式结构整体抗弯、抗剪性能已经成为工程界的共识。结构构件之间的连接形式有榫槽接［14］与平接头［15］（盾构隧道中管片间的微榫槽可归结为平接头）2种，构件之间的连接主要有曲螺栓、斜螺栓和直螺栓3种（见图2）。预制构件接头的力学性能试验及选型研究的技术路线见图3，通过室内试验研究不同轴力作用下不同接头型式的抗弯刚度等力学性能和破坏模式，通过数值仿真进行对应分析，一方面印证室内试验数据的准确性，另一方面增加试验不能考虑的模拟工况，获取更多数据。

图2 预制构件接头与螺栓类型

图3 预制构件接头力学性能试验及选型研究技术路线

张胜龙［14］通过研究不同轴力和弯矩作用下上述各种接头型式的力学行为，获得了各接头在不同载荷工况下接触面裂缝、混凝土应力、垂向位移和转角的演化过程，指出榫槽接头受力可靠性优于平接头，曲螺栓对结构稳定性保障优于直螺栓与斜螺栓，掌握了极限各类接头极限破坏荷载，揭示了轴力、弯矩和螺栓型式对抗弯刚度的影响规律，拟合了接头刚度公式，可为预制装配式接头型式选取和计算提供直接依据。

2.2 装配式结构构件设计选型技术框架

装配式结构构件的设计选型技术框架见图4，分块时应综合考虑受力、拼装难度、工程水文地质条件、线路和隧道类型，关键分块位置可按照弯矩最下位置与弯矩最大位置2种方法进行，分块后在软件中建立“车-岩-隧”耦合动力模型计算结构静态受力及动力响应，综合比选，进行设计选型。

图4 装配式结构构件设计选型技术框架

常规分块位置多采用弯矩最小处划分［14］，若在弯矩最大位置分块，预制衬砌受力将发生重分布，此时结构变形与轴力会增加，但最大弯矩值会降低，衬砌结构形成新的稳定状态，关键部位安全系数有下降趋势。考虑到混凝土材料的极限受压承载力远大于极限受拉承载力，且预制构件一般选取高标号商用混凝土材料预制，因此在兼顾整体安全系数条件下，可进行分块部位综合比选，分析框架见图5。

图5 不同分块方法分析框架

遵循预制构件接头力学性能研究技术路线及设计选型技术框架，结合工程现状可进行结构设计选型。针对隧道基底结构，铁科院集团公司依托郑万铁路罗家山隧道横洞建设过程开展了设计与试验验证，分别针对Ⅲ级及Ⅴ级围岩地段，设计了分段仰拱及分段中空填充结构（见图6），构件环向采用螺栓连接，纵向采用预应力钢绞线连接（见图7）。针对拱墙结构，铁科院集团公司依托京沈铁路重载试车线（国家铁道试验中心铁科重载试车线）建设，在装配式基底结构的基础上，首次针对铁路山岭隧道拱墙结构进行了设计与实践（见图8），拱墙装配式构件之间采用直螺栓与曲螺栓连接（见图9）。

图6 郑万铁路罗家山隧道横洞隧道底部预制装配式结构设计

图7 隧道底部预制装配式结构环向及纵向连接

图8 预制装配式铁路山岭隧道拱墙结构设计

3 预制构件制备关键技术

图9 预制装配式拱墙结构螺栓连接

预制构件的制备及施工工艺涵盖构件制造、施工过程及质量控制（见图10）。模具设计制作依据结构设计图纸和配筋图纸，应综合考虑结构型式、便于浇筑振捣，优质材料、高精度切割工艺要求、不易变形、利用率高等特点进行设计，由于当前并无铁路隧道专用预制装配式结构构件设计、施工和验收方面规范规程，因此，可参考GB 50446—2008《盾构法隧道施工与验收规范》的要求制作。

图10 预制构件制备及施工工艺涵盖范围

预制构件制备场地选用应综合考虑运输条件、噪声、环水保、平整度等因素，因地制宜，绿色环保，最好选用远离住宅和办公的区域，在考虑生产规模和生产工艺匹配条件下，生产场地布置根据功能进行划分为：混凝土成型区、钢筋加工区、后期养护区、存放区、搅拌站、锅炉房、配电室等。预制混凝土结构构件制备全流程见图11。

图11 预制混凝土结构构件制备全流程

4 施工拼装工艺

4.1 施工装备

在相关工点的试验过程中，铁科院集团公司独立开发了施工装备，预制装配式基底结构拼装机见图12，预制装配式拱墙结构拼装台车见图13。预制装配式基底结构拼装机主要由车架、行走车轮组、行走驱动机构、小车供电、横移机构、四点起吊三点平衡机构、旋转机构、U型吊具、箱涵件调整定位机构等组成。该设备可以将预制构件从运输车吊起，并平移调整后放到指定安装位置，最终将构件精确安装于隧道内。预制装配式拱墙结构拼装台车由多个油缸、行走装置、抓取装置、拉紧装置、轨道等组成，可实现构件的吊装、抬升、推紧、连接。

图12 预制装配式基底结构拼装机

图13 预制装配式拱墙结构拼装台车

4.2 拼装过程

4.2.1 预制件运入

由于预制件体积较大，占用的行车面积较大，所以预制件运输车辆在开进隧道前应确定隧道内没有占路的设施或车辆，如有交通阻塞，将预制件运输车停靠一侧，让出部分行车空间，及时疏通交通，然后开进，保证顺利到达拼装区域。

4.2.2 施工放样

根据施工进度及拼装质量情况，测量工程师分批次对成品预制件进行检验，同时对即拼装预制件进行施工放样。每批次为5～10个，且测量间隔不大于3 d；若多批次预制件拼装质量较好，则可以适当增加每批次预制件数量；反之，则应增加测量频率，减少每批次数量。施工放样内容包含2个方面的内容：

（1）成品预制件的检验，检验内容包括坡度、高程、里程以及相邻构件间的错台及接缝情况；

（2）待拼装构件放样，包括里程、两侧边界、设计与实测端面高程等内容。

4.2.3 设备检查

由机电工程师组织人员对设备进行检查，检查项目包含：

（1）吊机钢丝绳是否有损坏现象；

（2）吊机上的耐磨板是否连接可靠；

（3）吊机轨道是否畅通，台车上是否有物品阻挡吊车运行；

（4）吊机的各个功能是否正常。

在设备检验完毕，预制构件运输到位后，拼装司机根据既定的拼装方案下达拼装指令。

4.2.4 预制结构拼装

（1）准备工作。①预制件运输到位；②现场确定将要吊装的预制件型号，检查外观质量，检查合格才允许拼装；③安装组清理预安装位置的垃圾杂物，把将要使用的构件连接件和连接螺栓及垫片拿到已安装结构的最前端。

（2）浇筑精平条带及拼装。受开挖爆破控制精度的影响，预制构件的安装位置若不能保证构件精准拼装，可采用浇筑精平条带的方式，在构件底部选取合适位置进行局部范围找平或找齐，采用全站仪定点定位，确定高程，设置精平条带并养护。拼装台车吊取构件，高度调整完毕后，将构件放置于精平条带上，而后进行后续构件的吊装拼接（见图14）。

图14 构件拼装过程

4.3 回填注浆

精平条带之间应注浆，注浆每环注1次，从在弧板顶部预留排气孔排气，为预制构件密实且不对构架和轨下结构产生不利影响。注浆时注浆压力不宜过大、注浆速率不宜过快、注浆量不宜过大，注浆压力可控制在0.2 MPa。注浆时需配备流量计，将注浆速率控制在24 L/min以内（力求达到浆液扩散速率与浆液注入速率相平衡），当注浆量达到理论值时（最大不超过理论值的1.2倍），应停止注浆。同时实时观测注浆过程中浆液的流量及压力变化，如遇流量或压力骤增骤减的情况，应及时调整浆液凝固时间，做到浆液最佳扩散。

4.4 对施工组织的影响

装配式结构从施工准备到注浆，1个2 m的循环完成共需要4～5 h，施工会中断交通，制约施工前方的机械进出、渣土外运、物料运输等，因此对仰拱拼装施工时间与高度机械化配套施工的施工横通道相结合，使施工干扰降至最低。根据不同围岩级别，对Ⅱ、Ⅲ级围岩，构件拼装施工安排在掌子面测量到装药爆破前这段时间组织施工；对Ⅳ、Ⅴ级围岩，拼装安排在掌子面初期支护、超前支护这段时间组织施工。

5 信息化技术应用

我国铁路建造技术日益先进，BIM（Building Infor⁃mation Modeling）技术在铁路建造领域取得阶段性成果，BIM技术促进了我国铁路建造模式的革新和转变［16］。运用RFID（Radio Frequency Identification）技术，可解决预制构件在设计、生产、运输、现场装配全过程中的质量追溯与跟踪［17］。预制构件的工厂化生产制备、人机料财务管理等离不开企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）。

BIM、RFID技术与ERP融合系统主要功能框架见图15。其中BIM可介入规划设计、生产制造、建造施工、运营为主全过程，在图纸绘制、施工方案设计、数字化建造等方面发挥重要作用；RFID技术通过将芯片预埋入构件内部，通过专有阅读器，实现生产制造、搬运运输、吊装拼装全过程的构件身份识别、定位、跟踪，辅助运维保障阶段备品备件管理和更换；ERP系统主要用于生产制造、仓储物流、物资管理、合同管理等。将三者融合可实现涵盖预制装配式结构构件设计、制造、运输、拼装、质量管控全生命周期的信息化管控。此融合系统的开发可进一步提高装配式建造的技术水平，并促进装配式建造技术的推进和市场化运作。

图15 BIM、RFID技术与ERP融合系统主要功能框架

6 面临的挑战与解决方案

理论研究在以下2个方面尚需持续开展研究和实践：一是预制装配式基底结构与围岩耦合协同受力关系研究范畴，围岩荷载持续作用的特点和荷载大小数量级均与施工期车辆碾压荷载和运维期列车振动荷载不同，在隧道采用“新奥法”设计理念条件下，预制装配式基底结构与围岩耦合作用共同抵御围岩荷载，结构具体承担的荷载值随时间的作用关系当前研究尚无定论；二是不良地质、高能地质环境条件下预制装配式基底结构适用性方面，对于高地震烈度、高地应力软岩、高水压等地质环境隧道，应针对适用性开展专门分析研究与现场试验。

设计选型方面，由于当前尚无标准参考图，既有研究尚处于试用阶段，因此在针对不同线路类型、不同隧道类型分析的基础上，面向一般地质、不良地质、高能地质进行标准设计参考图方面的工作刻不容缓，在图纸绘制过程中，应综合考虑经济性与适用性，构建绿色高效、安全可靠的建造技术体系。

施工技术方面，拼装装备和原材料的技术水平和性能有待提升。研发自动化、实用性与适用性强的装配式结构拼装台车是保证施工效率的必要手段。由于预制装配式结构构件与初支之间存在缝隙或接触面，因此为保证密贴，需研发流动性好、早高强、易凝固、价格便宜的注浆回填料。此外，拼装施工的前序作业包括地质预报、监控量测、施工准备、凿岩、装药爆破、通风排烟、初喷、出渣、施做初支，上述各项工序依次开展，但隧道建造进度推进，不可避免地会出现工序冲突问题，各工序之间如何实现统筹协调推进，是亟须解决的问题。

信息化管控方面，由于当前尚无工点开展面向整座长大隧道的现场应用，因此涵盖设计、制造、施工、物资供应等全链条的信息化系统尚未得到完全应用，预制结构构件工厂化制造离不开信息化系统，智能建造也需要机械化与信息化的高度融合，因此持续投入信息化方面的研究和系统开发，可为将来应用提供积累与支撑。

此外，值得说明的是，铁路隧道预制装配式建造技术作为一种新型隧道施工建造方法，当前尚无标准化的工程定额规定，针对建造过程中所必需的模具和拼装机械加工制造费用以及辅助设备的购置费用尚无标准化计算方法。技术先进、经济合理是该项技术体系发展的必要条件，亟须选取一定长度的隧道进行工程示范性应用，在此过程中积累经验，参照工程实际开销进行工经、定额、预算、投资方面的综合分析，验证该项技术的先进性和经济合理性，并同时形成相应的规范规程或管理方法，有利于该项技术的进一步推广。

7 发展展望

我国隧道工程建设如火如荼，近5年来，平均每年新增运营铁路隧道超过1 400 km，相当于每天4 km的进度。大规模的隧道工程持续建设，有利于发展预制装配式新型建造技术。

《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》发布近5年来，铁科院集团公司已经在京张高铁清华园隧道、京沈铁路重载试车线（国家铁道试验中心铁科重载试车线）、郑万铁路罗家山隧道横洞针对预制装配式基底结构开展了系统研究、试用及实践工作，初步形成了涵盖理论研究、设计、施工和信息化的技术体系。相对于基底结构，既有隧道拱墙结构的病害、缺陷问题更加突出，通过采用预制装配式拱墙结构减少或解决此类问题是一个重要发展方向，当前瑞士等国已经开始在暗挖隧道内开展此项研究和应用。可选取单线矿山法隧道工程进行全断面预制拼装试验，结合工程推进，形成涵盖设计、施工、机械工装、材料、工艺工法等在内的技术体系。

诸如川藏铁路等复杂艰险工程，其建设面临高海拔低压、低温、低氧的气候条件，高山峡谷复杂地质条件以及人迹罕至的社会条件，使得传统隧道营造方法及建设过程相对于低海拔地区，存在工程场地受限、物流运输困难、材料制备复杂、人员配置难度高、现场施工难度大、结构养护时间长等不利因素。着眼于既有建造技术在此类线路实施存在的困难，立足预制装配式建造方法标准化设计、工厂化生产、装配式施工、智能化管理及专业化协同的特点，满足绿色施工的节地、节能、节材、节水和环保要求，研究实践推广预制装配式新型建造方法，是一种缩短建设工期、降低建设难度和建设成本的解决思路。

隧道智能建造技术作为我国“智能铁路”的一个重要组成部分，代表了未来隧道修建技术的发展方向。预制装配式建造方法可在建造理念、设计方法、施工设备以及施工管理水平等方面与现代传感技术、网络技术、自动化技术以及人工智能技术深度融合，其绿色、智能、标准化管理、智能化施工等优势对于促进铁路隧道智能建造技术发展大有裨益。因此构建基于预制装配式建造技术的智能建造技术体系，是隧道智能建造领域的一个重要发展方向。