钻爆法公路隧道装配式衬砌结构施工技术

王永学 张强

一、隧道内轮廓确定

综合圆形隧道和矩形隧道的特点，在公路隧道中开发设计出了一种新的隧道类型-马蹄形隧道，马蹄形隧道稳定性好，空间利用率高，在山岭及大断面公路隧道工程施工中同样也能够发挥出其优势，保证施工质量。山岭公路隧道内轮廓的确定需要综合考虑到行车空间、附属设施、施工工艺及围岩实际情况等因素，在经过充分勘察和研究隧道工程的基础上，选择施工效果好，经济性高的马蹄形隧道轮廓，内轮廓及建筑限界参数依从现行公路隧道设计规范。

二、装配式衬砌设计

1.衬砌结构形式

衬砌结构包括单层衬砌结构和双层衬砌结构，衬砌结构的选择以盾构隧道施工实际情况为参考基准。在对比多种设计理论后，选择新奥法作为设计理论，以钻爆法开挖的隧道作为研究对象，分析在钻爆法隧道开挖作业中的围岩荷载特征，施工工艺采用复合式衬砌。

实施钻爆开挖的隧道断面一般都较为粗糙，需要进行处理，平整洞面，可在开展初期支护时喷射混凝土或者架设型钢。考虑到钻爆法隧道施工的实际情况，同时也是为了保证衬砌施工质量，初期支护采用喷锚支护技术，应在初期支护的过程中完成二衬，优化隧道衬砌现浇工艺，促使其向预制装配工艺转型，实现承载和安全储备目标。

2.衬砌材料类型

为了提升装配式衬砌结构的稳定性和安全性，保证整个地下装配式结构的使用寿命，应严格按照隧道衬砌设计标准确定装配式衬砌结构的强度、刚度及耐久性指标，采用性能达标，质量合格的预制构件，选择科学的衬砌类型。

现阶段，装配式衬砌结构主要4材料大类型，不同材料类型的衬砌结构的施工工艺和优缺点都存在巨大差异，其中全钢和铸铁材料衬砌结构具有自量小和精度高的优点，但也存在需要消耗的金属量大、施作的经济性不高等不足；而复合型材料衬砌结构自量比全钢和铸铁材料衬砌结构小，具有刚度和力学性能好的优势，但加工工作量大，且较为复杂，需要往金属壳中灌注混凝土材料，同时还易出现腐蚀病害；钢筋混凝土材料衬砌结构造价较为经济，其加工技术也较为成熟，施作好的衬砌结构精度、刚度、耐久性及力学性能都符合施工标准，然而也存在自量重和运输难度大等不足。

当前，在国内外各国的铁路及公路等大断面盾构施工中，钢筋混凝土材料衬砌结构应用最为广泛。在分析了4种衬砌结构的优缺点和施工的实际情况后，山岭钻爆法公路隧道装配式衬砌类型选择整体性能较为稳定，施工工艺较为成熟的钢筋混凝土材料衬砌结构。

3.衬砌分块设计

在设计衬砌分块时，要以保证装配式衬砌结构的安全性、稳定性及经济性为设计原则，既要使得衬砌分块符合结构内力和变形标准，又要保证拼装效率，确保施工进度。考虑钻爆法开挖及山岭公路隧道的施工特点，衬砌分块设计为拼装方便的大断面马蹄形装配式衬砌分块。结合盾构隧道施工实际情况，借鉴其他隧道工程经验，确定了5种分块方案，相关参数设计详见表1。

表1 分块方案参数

（1）考虑到结构的安全性，应减少衬砌环接缝数量，从而提升拼装效率，保障结构性能，降低隧道变形病害的出现概率。

（2）考虑到施工实际情况，针对钻爆法公路隧道洞内施工特点，发挥出仰拱和仰拱栈桥的作用，相较于其他方案，方案3对机械设备要求较低，施工难度小，仰拱拱圈分离式衬砌效果好，满足仰拱先行的需要，同时还能够快速承载，施工效率高。

（3）考虑到管片质量和制作效率，应控制构件类型，减少模板数量。就山岭公路隧道中这种非圆形非矩形的马蹄形隧道轮廓，构件类型较为复杂，模板数量较多，方案3可以将仰拱和边墙三分块、规则半圆形的拱圈五分块，从而实现对构件和模板的控制。

（4）考虑到施工的综合效益，应恰当划分管片，提升施工效率和施工的经济性。科学的管片划分能够优化结构受力，控制接缝数量和隧道变形量，本文选择厚度为50cm，宽度为1m的装配式衬砌结构，对5种分块方案的装配式衬砌结构开展对比可知：衬砌分块设计工作是钻爆法公路隧道装配式衬砌结构施工中的重点工作，需要全面分析结构受力情况、性能及施工效率等综合效益，因此经过测算发现，方案3最适宜钻爆法隧道施工。

同时，升级拱脚结构形式，提升拱脚安全性，改善配筋率，降低弧形构件对施工的影响；采取扩大基础、设置行车路面板及提高结构受力等手段优化仰拱结构形式，实现快速承载，仰拱回填层设计为中空结构，简化施工工序较差，提升过水空间利用率，在保证衬砌施工质量的基础上，控制混凝土用量，合理控制施工成本。

4.衬砌结构模型

衬砌结构模型设计方法较多，如修正惯用法、梁-弹簧模型法等。其中，梁-弹簧模型能够模拟装配式衬砌的受力情况，在圆形隧道和马蹄形隧道轮廓衬砌结构模型设计中应用相当广泛。梁-弹簧模型是指将预制衬砌简化成梁，分别通过转动剪切弹簧和地基弹簧来模拟接头、管片作用。

三、衬砌厚度研究

以公路隧道设计规范为指导原则，立足山岭公路隧道实际情况，考虑到结构受力变形和经济效益，并同时借鉴国内外盾构隧道研究成果和工程实例经验，最终确定二衬厚度为350～650mm。

1.计算参数

衬砌结构模型为梁-弹簧模型、厚度为350～650mm、计算模型选择荷载-结构模型。装配式衬砌结构预制材料选择标号为C50的钢筋混凝土材料，计算出在深埋V级围岩下，350、400、450、500、550mm这5种不同衬砌厚度的结构内力和受力变形情况。

2.计算结果与分析

经测算，得到350、400、450、500、550mm这5种不同衬砌厚度的结构内力和受力变形数据，并同时计算出隧道各部位的最小安全系数，计算结果如表2所示。

表2 不同厚度衬砌的结构内力和变形结果

由上表可知：（1）衬砌厚度与弯矩值呈正相关，增加衬砌结构的厚度可有效改善结构受力情况；（2）衬砌厚度与最大变形量呈负相关，且在衬砌厚度增加到一定程度后，最大变形量变动会趋于平缓，增加衬砌结构的厚度是控制结构变形的手段之一；（3）衬砌厚度与结构强度安全系数呈正相关，可通过扩大拱脚基础和提高配筋率等手段改善结构的受力情况，增加衬砌结构安全系数。

四、结语

综上所述，在国内钻爆法公路隧道中预制装配技术的应用是一个新的热点，相关研究不多，本文对装配式衬砌结构施工技术中隧道轮廓的确定、衬砌模型的设计、衬砌厚度的确定等关键技术展开研究，提出了适合钻爆法公路隧道装配式衬砌结构仰拱拱圈分离分块方案，该方案具有较高的科学性，值得向同类型工程推广。