钻爆法单线铁路隧道装配式仰拱结构形式研究

刘建红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道设计院,西安 710043)

引言

目前铁路山岭隧道施工，钻爆法仍然是主要的施工方法，仰拱主要采用现浇结构，装配式仰拱仅在TBM法施工的隧道中有所应用，隧道采用装配式仰拱的比例还很低。由于现浇结构在施工过程中易受现场施工条件、外部环境、施工人员及自然灾害等因素影响，部分隧道出现了仰拱变形、开裂、上鼓和翻浆冒泥等病害[1-4]，这些病害影响列车运行的稳定性和平稳性，导致隧道结构的耐久性降低，严重情况下甚至会危及运营安全。通过调查，发现存在仰拱施工厚度不均、混凝土浇筑夹杂杂物、施工缝质量缺陷等问题，严重影响了仰拱质量。此外，仰拱采用现浇混凝土结构，施工工序复杂，施工时间长，结构不能及时封闭，施工安全存在风险等，这就迫切需要一种新型结构来消除现浇结构的这些缺陷。

装配式结构因其标准化生产方案，有利于节约资源，减少施工污染，改善作业环境，减少隧道洞内工作量，降低现场施工人工成本，提高劳动生产率、保证施工质量与安全等诸多优点，在盾构隧道[5]、明挖隧道[6]、地铁车站[7]、预制管廊[8]等领域得到广泛应用，但在钻爆法开挖的铁路隧道中应用几乎为零。部分研究学者对装配式隧道结构进行研究分析，李东等[9]对装配式地下结构的整体发展趋势进行了梳理，提出地下装配式结构的大好发展前景。唐伟[10]以某高速铁路单线盾构隧道为工程依托，对隧底回填分块预制、整块预制、整块预制+两侧布设纵梁 3 个方案进行综合比选分析，得出回填整块预制+两侧布设纵梁结构形式方案最优，最能充分发挥预制件的优越性。张宇宁等[11]以京张高铁清华园隧道为例，介绍了大直径铁路盾构隧道轨下结构拼装及附属结构拼装的全预制拼装技术。张胜龙等[12]用传统荷载-结构模型分析了不同围岩条件下单线隧道预制装配式衬砌结构内力特征，并采用有限元软件对预制结构进行了安全性验算，分析了不同接头刚度条件下接头处受力和变形；武耀[13]以京沈客专星火枢纽工程铁科试车线隧道为例，探索和研究了装配式隧道的受力、承载情况，介绍了高速铁路装配式隧道施工关键技术。奚成[14]以成都市磨子桥隧道为例，对下穿装配式隧道分块拼装的关键技术进行了研究。宋明等[15]以广东省某公路隧道为依托，用三维实体模型分析了装配式衬砌管片和接头部位的力学性能，研究出衬砌受力的不利位置。沈昊等[16]阐述了装配式衬砌施工的技术优势，分析了隧道装配式衬砌施工的工序流程及施工重点，并探讨了该项施工技术的研究进展。金张澜等[17]以京张高铁清华园隧道为例，对盾构隧道轨下结构现浇及预制设计方案从工期、施工工序、对隧道结构的影响、结构受力和变形特征、施工环境和环保要求、工程造价等方面对方案优缺点进行分析，并得出全预制方案最优的结论。

本文主要针对钻爆法单线铁路隧道装配式仰拱的分块形式进行研究，通过分析对比，提出一种适用于单线隧道的新型装配式结构，并利用Midas软件对结构进行检算，优化结构设计。

1 装配式仰拱结构形式研究

以旅客列车最高行车速度为200 km/h新建单线铁路隧道断面为例，隧道采用马蹄形断面，最大跨处内净空跨度8.0 m，轨面至拱顶内缘高度7.65 m，对隧道仰拱预制方案进行研究。单线铁路隧道断面如图1所示。

图1 单线铁路隧道衬砌断面(单位：m)

根据隧道预制仰拱的施工工艺、运输吊装等因素，对装配式仰拱+现浇的混凝土填充层分离结构形式、装配式仰拱+装配式混凝土填充层组合结构和装配式仰拱+混凝土填充层一体化结构3种形式进行研究。

1.1 装配式仰拱+现浇混凝土填充层分离结构形式

钻爆法隧道轨下结构一般采用现浇仰拱和混凝土填充层，本方案考虑将仰拱进行预制，然后再在仰拱上现浇混凝土填充层，预制块与后浇二次衬砌连接处采用接茬钢筋进行连接。根据仰拱预制尺寸、质量及连接形式的不同，可分为整体装配式和局部装配式两种结构形式。其结构形式如图2所示。

图2 装配式仰拱+现浇混凝土填充层分离结构形式(单位：m)

整体装配式方案如图2(a)所示，预制范围至水沟上部，减少了衬砌矮边墙的施工。该方案当采用单块的结构形式时，质量将近9.7 t/m，长度超过10 m，在隧道吊装过程中，转向需要空间较大，隧道内净空一般难以满足要求，再加上单块质量较大，加大了施工难度。为避免上述弊端，将整体结构分为3块，单块质量为4.8 t/m，单块长度4.1 m，单块环向和纵向之间均采用螺栓连接。但是由于分块的原因，使结构接缝增多，整体性稍差，易渗水漏水。

考虑运输及吊装、施工等因素，局部单块预制方案可分为带平台和不带平台两种结构形式，该方案仅预制局部仰拱，后期浇筑拱脚矮边墙。不带平台的结构形式，预制块环向宽5.8 m，纵向长1.5 m，质量为8.5 t。带平台的结构形式[18]，为使施工运输方便，顶部设平台，预制块环向宽7.2 m，纵向长1.5 m，质量15.8 t。该方案在仰拱拼装后，利用平台能够满足施工机具快速通行的要求，节省掌子面仰拱施工栈桥，但是混凝土用量及单块质量较不带平台的方案偏大，而装配式仰拱的拼装过程为运输、起吊、对位、下放、拼装，质量越大，拼装难度越大，并且混凝土用量的增加，使得结构不够经济。

1.2 装配式仰拱+装配式混凝土填充层组合结构

上述分离结构形式，考虑仅预制仰拱，填充层采用现浇，施工工艺较复杂，本方案将填充层也进行预制，形成装配式仰拱+装配式混凝土填充层组合结构，预制仰拱与预制混凝土填充层间设凹凸榫进行连接。预制填充层上面预留一定厚度的找平层，以调整预制块拼装时造成的微小误差。混凝土填充层预制块的结构形式，可分为预留孔洞和T形结构两种，其结构形式如图3所示。

图3 装配式仰拱+装配式填充层组合结构(单位：m)

T形结构构造简单，其每延米质量相对于预留孔洞的结构形式轻4t左右，在混凝土用量及结构重量方面优势明显。“装配式仰拱+装配式混凝土填充层组合结构”方案，在仰拱与填充层拼装完成后，既能满足快速通行的要求，又能通过空心结构，节省用料，减轻重量。不足之处，仰拱与填充层是两个独立的结构，除了考虑每个预制结构的质量、安装等问题外，还需考虑两种结构之间的连接，增加了施工步骤，尤其是对于单线铁路隧道，内部施工空间有限，多次拼装、连接加大了施工难度，降低了施工效率。

1.3 装配式仰拱+填充层一体化结构

考虑前述两种方案的优缺点，并参考我国在西康铁路秦岭Ⅰ线隧道、南疆线中天山隧道TBM、兰渝线西秦岭隧道TBM采用仰拱预制构件的结构形式，对结构形式进一步优化，最终提出一种新型的装配式仰拱+混凝土填充层一体化结构。根据横向分块的形式，结构形式可分为单块方案与双块方案，如图4所示，方案对比分析如表1所示。

表1 装配式仰拱+填充层一体化结构方案对比分析

图4 装配式仰拱+填充层一体化结构(单位：m)

对比两种方案，单块方案能够减少环向接缝，降低仰拱渗水的概率，省略中间仰拱现浇工序；仰拱上方的行车路面板，能够快速提供行车条件，节省隧道掌子面的仰拱施工栈桥；混凝土填充层中间的空心结构，既减少了混凝土用量，又减小结构质量，降低施工吊装难度，并能提供过水空间，降低仰拱翻浆冒泥的风险。

双块方案[19]，预制块的侧面可通过挤压直接与初支构成一个整体，使初支尽早封闭成环，结构更加稳定；侧面施工至矮边墙，直接与拱墙衬砌连接，减少矮边墙的现浇工序；主要不足是两块预制块需要在仰拱中间通过现浇构成一个整体后才能提供通车条件，多增加了一道现浇工序，并且中间空间狭小，灌注混凝土、绑扎钢筋、焊接钢架等工作难度比较大，同时环缝增多，防水施工难度也随之增大。

由上述分析可知，对于单线铁路隧道，横向宽度小，采用单块的装配式仰拱+填充层一体化结构单块方案施工简单，确实能提高施工效率，达到装配式施工的目的，推荐采用。

2 结构受力研究

对推荐方案的装配式仰拱进行结构受力分析，其受力工况主要分为施工期和运营期两种工况。施工期主要考虑隧道初期支护施作完毕，装配式仰拱安装到位，拱墙二衬还未施工时预制结构以及二衬施工完毕后整体结构在施工机具、拼装机的作用下结构的受力情况。运营期主要考虑整个结构在运营期间轨道、列车荷载作用下的受力情况。

2.1 计算参数

根据TB10003—2016《铁路隧道设计规范》[20]，计算时按照结构受力最不利考虑，围岩计算参数取值如表2所示。衬砌混凝土采用C40钢筋混凝土，弹性模量采用32.5×103MPa，重度25 kN/m3。

表2 Ⅴ级围岩计算参数取值

2.2 计算模型

计算软件采用MIDAS，结构设计模型采用荷载-结构模型，施工期分别采用装配式仰拱和整体结构模型作为分析对象，运营期取整体模型作为分析对象，结构采用实体模型进行三维建模。衬砌与周围土体的相互作用通过设置仅受压的径向弹簧单元来体现，弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定。对于整体模型，预制仰拱与现浇二衬结构有钢筋连接，按刚接模拟[21]。考虑到施工、吊装等因素，单块预制块的质量不宜太大，纵向按1.5 m一环设计，单块质量19.4 t，块与块之间纵向采用精制螺纹钢接力拉长，计算时结构纵向取一环作为研究对象。施工期和运营期的结构计算模型分别如图5(a)和图5(b)所示。

图5 计算模型

2.3 计算荷载

装配式仰拱施工期受力主要有结构自重、车辆荷载或拼装车荷载，运营期受力主要有结构自重、土压力、轨道自重和列车动载。

2.3.1 围岩荷载

为使计算具有代表性，选取Ⅴ级围岩，荷载按浅埋考虑，计算覆土厚度取2.5ha(ha为深埋隧道垂直荷载计算高度)。根据TB10003—2016《铁路隧道设计规范》相关规定，计算围岩荷载如表3所示。

表3 围岩荷载计算值

二次衬砌承担70%围岩压力，竖向压力取252.52 kN/m2，水平压力分别取为92.71 kN/m2和131.52 kN/m2。

2.3.2 施工荷载

结构上部的行车路面板在施工期间为各种设备提供行车条件，考虑断面宽度以及车辆宽度，使用最不利车辆组合进行计算，即在满足断面宽度的情况下采用重力最大的车辆或车辆组合作为控制工况进行计算。通过分析施工机械设备荷载，得出施工期的3种控制工况，其受力图示如图6所示。图6(a)为拼装机空载时，渣土车满载在其下穿行通过，渣土车的横向移动范围为3.9 m(工况1)；图6(b)为拼装机吊装时，整个机械及预制块由4个支腿受力，支腿间的横向距离为5.35 m(工况2)；图6(c)为二衬施工完成后，拼装机待机，渣土车满载在其下穿行时的工况(工况3)。

图6 施工期结构荷载示意(单位：m)

2.3.3 运营期荷载

结构上部的行车路面板在运营期间作为永久结构承受轨道及列车荷载，对其受力情况进行检算(工况4)。无砟轨道荷载分布宽度为支承层底部宽度2.8 m(这里以CRTS双块式无砟轨道为例)，长度沿隧道模型纵向满布。行车板受力综合考虑轨道、轨道板、填充层自重和ZKH列车活载，受力图示如图7所示。

图7 运营期整体模型荷载示意(工况4)

2.4 计算结果

在隧道结构上可能同时出现的永久荷载、可变荷载和偶然荷载，应分别按承载能力和满足正常使用要求进行荷载组合，并按最不利组合进行荷载计算与结构设计[20]。图8～图11给出了各工况下最不利组合的应力状况。

图8 工况1应力云图(单位：MPa)

图9 工况2应力云图(单位：MPa)

图10 工况3应力云图(单位：MPa)

图11 工况4应力云图(单位：MPa)

表4 装配式仰拱安全检算及配筋

装配式仰拱块的行车板部位在工况3情况下受力最不利，在荷载的作用下，最不利位置配8根φ18 mm的钢筋，结构的安全系数2.1，大于2.0，裂缝宽度为0.12 mm，小于0.2 mm，均能满足规范要求；装配式仰拱块的仰拱部位不控制，配4根φ16 mm的钢筋安全系数及裂缝均能满足规范要求。

3 结语

通过对钻爆法单线铁路隧道装配式仰拱的结构形式进行研究，得到以下结论。

(1)单线铁路隧道的内净空较小，施工空间有限，为了有效提高隧道仰拱质量，加快施工进度，将隧道仰拱与混凝土填充层预制成一个单块的整体，可减少现场浇筑、拼装工序，及时为施工机械提供通行条件，减少与其他施工工序的相互干扰，提高施工效率。

(2)轨下填充层在以往TBM仰拱预制块实心结构的基础上，并参考盾构施工的轨下预制拼装技术，对预制仰拱进行优化，改用中空设计，能节省圬工量，减小结构质量，方便吊装；中间孔洞可与隧道排水沟、电缆槽统筹考虑，既能有效优化整个隧道断面，又可以减少道床翻浆冒泥病害的发生。

(3)预制结构采用工厂预制，施工质量可控，现场采用拼装车进行施工，机械化操作，减少绑扎钢筋、混凝土浇筑、施作防水措施等工序，加快施工进度，并且减少洞内施工污染，改善作业环境，减少洞内工作量，降低现场施工人工成本，与国家倡导的绿色施工的重要举措相吻合。