矿山法铁路隧道衬砌拱部预制拼装现场试验研究

刘保林，旷文涛，齐如见，杨 宝，杨昌宇

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031；2.中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401121)

引言

随着铁路隧道累计长度增加、线路行车密度增大、行车速度加快，隧道内行车安全要求越来越高，相应地对隧道衬砌施工质量的控制也越来越严格。但目前隧道施工过程中，由于各类工艺质量及其他因素，部分地段存在初支或衬砌背后脱空、二衬厚度不足、裂纹、渗漏水、施工缝错台、混凝土强度不均或不足等质量缺陷[1-3]。其中，二衬背后脱空、厚度不够、混凝土强度不足是隧道病害的主要问题。近几年通过各种检测手段发现，已铺轨完成或开通运营的铁路隧道均不同程度存在上述质量缺陷，其中，拱部质量问题最为突出，运营过程中存在掉块等安全隐患，对运营安全造成很大影响，需对其缺陷进行治理。但由于部分隧道已铺轨或运营，后期整治耗费大量人力、财力和时间，其整治工作量及难度巨大，且难以达到原设计标准和使用功能。我国高速铁路正处于高速发展期，今后仍将建设大量的铁路隧道，如何在铁路隧道建设中尽可能实现资源的充分利用，降低工程成本，提高隧道施工工业化程度并改善隧道内施工作业环境，是我们面临的一大难题。

针对隧道质量缺陷病害，近年来，虽然采取了系列控制欠挖、分窗入模、集中振捣、带模注浆等设备改装及工艺、工法提升措施，衬砌质量有较大改善，但隧道拱部衬砌强度不足、厚度不足、不密实、背后脱空等质量缺陷问题依然十分突出。在竣工验收及运营期间，参建各方及运营单位针对此类问题投入了大量人力物力进行安全隐患排查和质量缺陷整治，在较大程度上消除了安全隐患，但由于整治措施及施工条件受限，整治效率低、对运输影响大，甚至带来新的安全隐患。当前质量安全红线高压管理形势十分严峻，衬砌厚度和混凝土强度不足等隧道拱部质量缺陷已明确列入铁路总公司的红线管理规定[4]。因此，探索一种从根本上解决矿山法施工的铁路隧道拱部质量缺陷问题，提高隧道工程质量，充分保证隧道内行车安全的新工艺新技术就显得尤为急迫。资料分析表明[5-10]，无论是部分预制技术还是全预制技术在盾构和TBM等隧道施工方法中的应用已经较为成熟，但在矿山法修建的隧道中采用预制技术相对较少，尤其是针对衬砌拱部局部预制实践应用尚属空白[11-15]。

鉴于此，中国铁路成都局集团公司组织立项开展《矿山法施工铁路隧道衬砌拱部预制拼装设计及施工工艺研究》，在前期研究成果[16]基础上，以重庆铁路枢纽东环线胡家沟隧道为依托，开展矿山法铁路隧道衬砌拱部预制拼装现场试验研究。

1 工程概况

重庆铁路枢纽东环线起于重庆枢纽珞璜南站，止于磨心坡站；包括正线、支线及联络线工程，线路总长约260 km。该项目先期开工段于2016年底开工，其余标段2017年4月开工。

现场试验段胡家沟隧道[17]位于东环线磨心坡左联络线上，设计时速120 km，受襄渝磨心坡站牵出线设置影响，该隧道设置为双线隧道，洞内线间距5.0～5.48 m。隧道进口里程LMZK3+387，出口里程LMZK3+615，全长228 m。进口段87 m位于半径R=400 m左偏曲线上，出口段5 m位于R=1 200 m左偏曲线上，中间136 m为直线，线路为单面下坡，坡度为-3.6‰，-1‰。洞身穿越侏罗系中统上沙溪庙组泥岩夹砂岩、砂岩地层，V级围岩。地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水，基岩裂隙水主要赋存于表层网状风化裂隙中，受大气降雨补给。全隧为浅埋隧道，最大埋深27 m，穿越浅丘斜坡，地表水体及地下水不发育，预计隧道最大涌水量为220 m3/d。

胡家沟隧道进口LMZK3+387～LMZK3+465段下穿东环正线王岗子双线隧道(时速160 km)，交叉点处东环线DK159+157.18=襄渝磨心坡左联络线LMZK3+428.95；两隧轨面高差12.34 m，线路交角约49°。胡家沟隧道右侧范围为改建襄渝左线龙家坡隧道，线路中线间距为11.1～38.4 m，轨面高程基本接近。

根据胡家沟隧道工程地质条件及环境条件，选定LMZK3+465～LMZK3+615共计150 m为试验段，开展矿山法铁路隧道衬砌拱部预制拼装现场试验。试验段胡家沟隧道平、纵断面分别如图1、图2所示。

图1 胡家沟隧道现场试验段平面(单位：m)

图2 胡家沟隧道现场试验段纵断面(单位：m)

2 试验方案

2.1 衬砌内轮廓及开挖轮廓调整

针对科研试验可能出现的不利后果，试验段拱墙范围内净空考虑预留不小于30 cm的套拱补强空间后，内净空断面接近350 km/h速度双线隧道内净空，同时考虑到科研后期可能的推广应用，试验段内轮廓按350 km/h高速铁路隧道衬砌断面考虑。

胡家沟隧道试验段中LMZK3+471～LMZK3+603段隧道拱部采用预制衬砌拼装，考虑预制衬砌与现浇边墙的制作误差、施工拼装误差及衬砌拼装空间要求，该段隧道开挖轮廓需考虑预留拱部初期支护与衬砌之间10 cm的安装空间。

2.2 拱部预制衬砌设计

衬砌结构体系为拱部预制、边墙及仰拱现浇结构，如图3所示。拱部采用不分块整体预制管片方案，预制衬砌覆盖整个列车运营区间，弦长8.6 m，纵向幅宽2 m。

图3 拱部预制衬砌横断面(单位：m)

对于预制衬砌与现浇边墙衬砌的接头形式，通过多种接头形式的对比分析，最终采用了L形榫接头与后浇型钢湿接头两种接头形式，纵向采用斜螺栓接头，如图4、图5所示。

图4 环向L形及型钢现浇接头(单位：mm)

图5 预制衬砌纵向斜螺栓接头示意

衬砌防排水体系在矿山法隧道基础上进行了微调，为便于预制衬砌拼装，试验段将环向盲管调整为凸壳式排水板，同时增加拱部管片防水。

拱部预制管片背后采用细石混凝土回填+注浆的处理方案，细石混凝土采用衬砌同级混凝土，注浆采用径向和纵向注浆相结合的方式，浆液采用M20水泥砂浆。

为保证预制衬砌结构尺寸尽量统一，减少变化，试验段基于初支承担全部围岩荷载的理念进行初支设计，在加强初期支护条件下，优化二次衬砌结构，二次衬砌分别按承担围岩荷载的30%和60%计算，衬砌厚度D分别设计为40，50，40 cm厚预制衬砌适用于浅埋段，50 cm厚预制衬砌适用于浅埋偏压段。将2种厚度拱部预制衬砌与2种接头形式进行组合，确定了4种衬砌类型。同时考虑到洞口段实际地形地质条件，对洞口段初期支护进行了加强，LMZK3+567～LMZK3+603段在ⅤIIa型衬砌基础上加强了初期支护，采用ⅤIIIa型衬砌。各衬砌厚度及相应支护参数见表1。

2.3 隧道纵向分段设计

试验段起点与相邻的衬砌内轮廓存在差异。现场拱部预制衬砌拼装方向为从进口到出口，为提供初始拼装条件，于LMZK3+465～LMZK3+471段衬砌设置ⅤIc型全环现浇复合式衬砌。同时出口段考虑到提供顶紧力及消除纵向安装误差等因素，LMZK3+603～LMZK3+615段设置12 m全环现浇

ⅤIIIc型现浇复合式衬砌，支护参数见表1。

表1 试验段衬砌支护参数

2.4 拼装工艺

根据前期研究成果，隧道拱部预制衬砌拼装施工工艺如下：

(1)掌子面开挖、初期支护、仰拱、填充及边墙浇筑按正常工序施作；

(2)管片运输至仰拱及填充施作完成但尚未施作边墙的位置，将管片顶升至比安装位置高5 cm左右，然后沿纵向移动至拼装位置后与边墙完成拼接；

(3)每片安装后立即顶紧，并施拧纵向螺栓；

(4)每完成5～6片安装后，进行拱部背后回填及注浆；

(5)重复上述工序继续施工。

隧道拱部预制衬砌拼装工艺如图6所示。

图6 预制衬砌全纵向滑移拼装工艺示意

2.5 监控量测

为确保胡家沟隧道试验段施工及运营安全，收集、验证采用拱部预制衬砌的新型衬砌结构受力特性、内力响应、围岩稳定性等技术指标。同时，便于指导设计与施工，为采用拱部预制衬砌的新型衬砌结构设计与修建提供后续支持。胡家沟隧道在常规监测基础上，增加布置监测断面13个，其中，5个断面需进行运营期间自动监测。

3 现场试验

3.1 试验准备

(1)设备研发

根据预制衬砌现场拼装要求，中铁隧道局完成了拱部预制衬砌洞内拼装模板台车的制作，中铁四局及中铁十一局完成了预制管片洞内运输车、预制管片洞内起吊设备、预制管片拼装台车及预制管片拼装车的研发制造。

(2)管片制作

2019年10月31日，拱部预制衬砌模板安装完成、首片管片钢筋骨架绑扎完成。

2019年11月5日，预制管片钢筋骨架吊装、安装完成，并通过验收，当日顺利浇筑完成。预制管片成型效果如图7所示。

图7 预制管片成型效果

(3)设备调试及工艺试验

衬砌运输设备、吊装设备及拼装车等拼装设备全部现场就位并组装调试完成。

2019年10月5日，针对现浇衬砌顶部端头L形榫接头，开展缩小版工艺试验，为正式施工提供参考依据，L形榫接头现场工艺试验如图8所示。

图8 现浇边墙L形榫接头工艺试验

3.2 试拼装

2020年6～7月在试验点进行了第1组预制衬砌块试拼装试验，试验现场如图9所示。

图9 首组管片现场预拼试验

在首组拼装试验过程中，出现现浇边墙与预制衬砌精度不匹配、现浇边墙钢筋回弹、现浇边墙盖膜拆模困难、管片定位困难等问题，其中，最突出问题是边墙接头施工精度不能达到要求，导致边墙与拱部预制衬砌拼装后接头存在空隙的情况，这直接影响接头受力及结构安全。

3.3 试验改进

根据首组拼装试验暴露出来的问题，同时考虑型钢现浇接头的现场操作难度及精度，课题组经过多次分析讨论，对试验方案改进如下。

(1)接头方案调整

优化L形榫接头，取消型钢接头新增大球形接头，对试验段纵断面分段进行了重新调整，方案调整情况见表2。

(2)L形接头优化

原接头方案需内、外侧凹凸接触面平整度达到要求，同时两面高差达到设计要求，才能使接缝严密，这对现浇施工精度要求高，但现场装置和工艺难以达到。

在满足接头受力条件下，对接头构造进行一定优化，提高其对施工误差的容错度。为充分保证接触面轴力的传递，拼装后需确保沿衬砌径向的内侧接触面能充分接触，为消除外侧接触面施工误差而导致内侧接缝不严密，将外侧接触面预留一定空间，后期采用注浆填充，优化后接头如图10所示。

图10 优化后L形榫接头(单位：mm)

(3)大球形接头及其优化

通过对小球形、大球形、折线形球型接头3种方案，进行受力及现场可实施性分析，初步确定大球形接头，如图11所示。

图11 初拟大球形接头(单位：mm)

现场实施过程中，同样由于边墙精度问题，导致大球形接头预留的2 cm净空不能满足安装要求，调整后如图12所示。

图12 调整后大球形接头(单位：mm)

(4)环向主筋回弹问题

针对环向主筋切割后回弹问题，按1 m间距设置环向定位筋，同时对环向钢筋进行冷弯，以此控制主筋回弹，钢筋绑扎效果如图13所示。

图13 边墙钢筋绑扎效果

3.4 试验效果

试验改进后，拱部预制拼装过程基本正常进行，现场拼装效果如图14所示。

图14 拱部预制衬砌拼装效果

受制于管片制作进度等多种因素，2020年6月～2021年7月，通过1年时间的现场试验，胡家沟隧道完成了矿山法铁路隧道衬砌拱部预制拼装现场试验研究工作，最终试验效果如图15所示。

图15 现场试验效果

4 结论

本研究针对矿山法施工铁路隧道衬砌拱部质量问题带来的巨大运营安全隐患，研究尝试通过拱部预制衬砌的方式，探索一种从根本上解决矿山法施工的铁路隧道拱部质量缺陷问题，提高隧道工程质量，充分保证隧道内行车安全的新工艺新技术。依托重庆枢纽东环线胡家沟隧道，采用高速铁路隧道衬砌断面，成功开展矿山法施工铁路隧道衬砌拱部预制拼装现场试验研究，主要结论如下。

(1)通过全纵向滑移拼装工艺，现场试验完成了试验段66片拱部预制衬砌的拼装施工，表明矿山法施工铁路隧道通过拱部预制解决拱部衬砌质量问题的思路，从理论到实践均是可行的。

(2)针对现浇边墙与拱部预制衬砌精度不匹配问题，进行了接头优化研究，提出了优化L形接头和大球形接头。现场试验表明，大球形接头在边墙接头质量控制及施工操作性方面，较L形接头更具优势。

(3)根据现场试验监测，衬砌拱顶沉降小于2 cm，净空收敛小于3 cm，远小于预留变形量，可见初期支护能够为预制衬砌拼装提供稳定可靠的支护条件。

(4)现场试验耗时近1年，施工效率较低。该技术大规模推广应用，还有较多问题如施工效率、工程经济性、设备智能化等需要解决。

为确保运营安全，本试验研究将矿山法隧道拱部预制衬砌付诸实践，充分证明了隧道衬砌拱部预制拼装从理论到实践的可行性，为矿山法隧道预制拼装技术的推广具有一定借鉴意义。