暗挖隧道装配式二衬技术研究*

刘医硕，王强勋，朱义嘉，张 璐，张志强，张栋樑

(1.中建工程产业技术研究院有限公司，北京 101300； 2.中国建设基础设施有限公司，北京 100029)

0 引言

随着经济发展和城市化进程的加快，我国城市轨道交通及城市地下基础设施建设发展迅速，规划及在建的城市隧道线路规模不断扩大，传统的暗挖施工方法带来的地下环境破坏与污染现象越来越严重。在城市隧道修建过程中，引入装配式支护技术，其适应性强且自动化程度高，既能提高施工速度，又能有效保证施工质量，改善现场施工环境，具有广阔的应用前景。

1 装配式隧道发展现状

当前国内外针对明挖地下结构、盾构法隧道及顶管法隧道的预制装配技术研究较为成熟，已有许多应用实例，而对于矿山法隧道预制装配技术的研究则处于起步阶段，国内外相关应用案例较少。

隧道预制管片装配法起源于20世纪60年代的法国，首次使用是在位于巴黎凯旋门广场下的地铁快车线(RER)“Etoile-Charles de Caulle”车站的施工中，施工跨度为21m[1]，它的特点是采用简易机械或机械臂安装预制块，其封顶块内嵌千斤顶，封顶块端部可压紧拱圈，如图1所示。

图1 法国装配式隧道拱架安装示意

1975—1995年，我国兰州市修建了一系列人防隧道及人防地下空间，这些工程依照自稳修建法理论[2]进行修建，其共同特点是所处地质环境为无水黄土地区，隧道截面通过拱形优化设计，达到无偏压状态，修建过程中充分利用围岩自稳能力，边开挖边支护，如图2所示。

图2 兰州装配式拱片人防隧道

意大利的Montedomini高速公路隧道[3]在不影响交通运行的情况下成功扩建，其方法是在隧道内安装钢筋混凝土箱体保护罩，使隧道扩挖区与隧道道路分离，扩挖后采用预切槽装备安装预制构件，完成衬砌施作。此后意大利还出现了二衬叠合装配式隧道，其初支仍采用现浇方式，二衬与初支之间安装排水盲管，达到排水目的。

近年来，我国在地铁暗挖区间装配式二衬结构施工方面也积累了一些实践经验。在暗挖隧道施作初期支护后，利用管片拼装装置进行二衬预制管片拼装，采用豆砾石和浆液填充二衬管片与初支间隙，完成永久性支护[4]。

随着装配式隧道理念的提出和实践，相关学者和工程技术人员也进行了研究与探索。王明年等[5]针对铁路隧道衬砌结构进行了分块研究，研究了拱部及边墙在不同分块形式下的力学性能和施工效果；姜俊[6]针对矿山法铁路隧道装配式衬砌结构设计展开研究，分析了考虑错缝拼装空间效应的衬砌结构受力特性，给出了全预制衬砌结构的最佳划分方案。郇星超[7]研究了矿山法公路隧道衬砌结构的内力变化和变形规律，对公路隧道装配式衬砌结构的可靠性进行了验证。计中彦等[8]、田殿军[9]针对隧道装配式仰拱结构展开研究，提出了装配式仰拱结构形式、拼装工艺及其装备配套方案; 李先进等[10]研究了隧道拱部拼装式二次衬砌施工方法，并给出了施工台车的设计方案。周冉[11]依托北京地铁6号线工程，针对暗挖隧道装配式二衬结构展开研究，首次采用了马蹄形全断面预制管片,总结形成了暗挖隧道装配式二衬施工工艺及质量验收标准。

总体而言，预制装配技术在暗挖隧道中的研究与应用尚处于初级阶段。在设计方面，装配式衬砌结构的计算理论尚不完善，衬砌划分和接头设计方法不成熟，结构的防水性及抗震性能仍是薄弱环节；在施工方面，缺乏相关的机械配套设备，构件的预制化水平也有待提高。目前也没有关于装配式衬砌的规范，其设计与施工的标准化仍须进一步研究和完善。

2 隧道装配式二衬设计

2.1 设计理念

采用装配式衬砌是隧道建设领域的发展趋势，但当前装配式暗挖隧道建造技术存在诸多问题。装配式暗挖隧道衬砌可分为初支、二衬一体式与分体式2种。一体式衬砌仅适用于无水且自稳性能好的地层，分体式衬砌对软土地层均适用。目前我国对一体式衬砌和分体式衬砌中的二衬全预制技术研究较多，尚无对叠合装配式衬砌的研究。各类暗挖隧道装配式衬砌对比分析如表1所示。

表1 暗挖隧装配式衬砌对比

通过表1可知，为了克服隧道喷混凝土轮廓面不平整，现有的止浆板技术不能对其进行砂浆密封，因此全预制二衬采用豆砾石回填管片壁后，水泥浆回填固结的方式[3]。该方案较为复杂，且成本较高。如果采用叠合装配式衬砌，则可以省略豆砾石回填的步骤。

叠合装配结构相较于比全预制装配结构的防水性能好很多。预制构件若采用螺栓连接，预制及安装精度要求较高，对施工机械要求也较严格，会大大增加施工成本，因此叠合装配式衬砌考虑采用灌浆套筒和钢筋笼的形式连接，拼缝处粘贴遇水膨胀橡胶条。

2.2 设计方案

本文依托西安幸福林带地下工程项目，选取一段综合管廊出线支沟作为研究对象，进行装配式二衬隧道设计，以其为同类工程设计提供参考。

幸福路综合管廊出线支沟采用暗挖法施工，出线支沟长约30.9m，左侧出线井采用逆作法倒挂壁施工，右侧综合管廊采用明挖顺作法施工，出线支沟以综合管廊明挖基坑作为隧道开挖工作面，向出线井方向施工。管廊顶部埋深12.5m，隧道初支最外断面尺寸为5.1m×4.05m，如图3所示。

图3 幸福路综合管廊出线支沟断面

通过分析，该管廊隧道断面尺寸较小，且隧道一端为明挖基坑，可为装配式施工提供管片、台车及其他机械设备操作场地，非常有利于进行装配式隧道施工。

初支断面暗挖后喷混凝土，由于喷混凝土工艺精度较低，成型后隧道轮廓面平整度低，且隧道断面尺寸也会存在误差。因此，隧道底部仰拱仍建议采用现浇方式，利用其作为导台，既便于预制构件运输、定位，又便于设备行进。

最终，确定装配式二衬隧道建造方案包括喷射混凝土初支、现浇仰拱以及二衬叠合板3大部分。

2.3 受力分析

2.3.1计算基本规定

1)结构计算按照平面应变假设，采用荷载-结构模型，通过有限元软件进行内力分析。在结构纵向截取一基本计算单元，将三维空间结构简化成二维平面框架结构，按结构内力分析模型，进行各阶段不同荷载组合内力分析。

2)假定构件为小变形弹性梁，离散为足够多个等厚度直杆梁单元。

3)用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与墙的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩墙间的黏结力；弹簧受压时的反力即为围岩对墙的弹性抗力。

4)全预制结构连接节点采用小刚度单元模拟铰接，预制叠合板结构连接节点强度与刚度接近于现浇结构。

5)隧道网格尺寸为高4.3m，宽3.2m，隧道截面居中布置。

6)二衬厚度为350mm，初支采用C25早强混凝土，二衬采用C40防水混凝土，抗渗等级P8。

2.3.2预制构件分段部位确定

1)横断面分段

通过对现浇二衬结构、全预制分段式二衬结构分别进行内力计算，得出其内力分布规律。对内力云图进行分析，可知现浇结构与全预制分段式二衬的轴力分布规律一致，且数值相差不大；现浇结构与全预制分段式二衬的剪力分布规律基本一致，但全预制分段式二衬直墙段上部剪力有所增大，下部剪力有所减小；全预制分段式二衬仰拱的弯矩增大较明显，直墙段与仰拱交接处弯矩减小明显。

叠合装配式结构的力学性能接近现浇结构，因此以现浇结构受力结果作为分段依据。预制构件在弯矩较小的部位分段，如图4所示。预制构件最终分段如图5所示。

图4 弯矩较小位置标记

图5 预制构件分段

2)纵向分段

单块叠合构件设计宽度1.6m，环向长度为1.7～3.1m，厚0.1m，单块重小于1.2t，便于使用小型机械吊装。隧道两端变形缝之间长度为30.4m，是1.6m的19倍，因此将此隧道划分为2个流水段，分别为16m和14.4m。

2.4 连接节点构造

1)顶部预制叠合板采用直接滚轧直螺纹半灌浆套筒连接，直墙段与仰拱可采用钢筋焊接的连接方式，如图6所示。

图6 预制构件环向连接

叠合板环向组装完毕，外部混凝土一次浇筑，环向共2道施工缝，在仰拱与直墙段连接处。施工缝处放置中埋式止水带。

2)当现浇层与叠合板结合面设粗糙面时，粗糙面的面积不宜小于结合面的80%，粗糙面凹凸深度不小于6mm。

3)隧道纵向可分2个施工段，每个施工段混凝土一次性浇筑。2个施工段之间放置中埋式止水带。叠合板纵向之间采用钢筋笼进行栓接，如图7所示。

图7 叠合板纵向连接

3 隧道装配式二衬施工方法

隧道装配式二衬总体施工工序如图8所示。

图8 隧道装配式二衬总体施工工序

1)隧道初支可采用常规喷射混凝土加超前小导管支护的形式，初支施工完毕之后，安装防水板等材料。

2)防水施工完毕之后，施工二衬仰拱，为保证隧道的防水性，仰拱采用现浇混凝土的形式。仰拱施工完毕之后，安装二衬台车的行走轨道。

3)二衬叠合板构件在预制加工厂生产，运输至施工现场，与此同时，将二衬台车在隧道口组装好。然后将叠合板逐片吊装至台车上按先环向后纵向的顺序拼装，拼装好一个流水段之后，绑扎叠合板上部钢筋网片。

4)经由台车拼装好的叠合板构件整体运输进入隧道内部。台车停到准确位置之后，将预制叠合板预留钢筋、现浇仰拱钢筋连接成整体，最后支设端头模板并浇筑混凝土，完成隧道二衬施工。

5)待叠合板混凝土强度达到拆模强度后，利用台车液压收缩装置进行拆模，并将台车滑出隧道。

6)将台车驶出隧道，重复上述步骤，施工下一流水段隧道二衬。

此外，二衬结构拱顶及直墙段宜每隔2环开设混凝土浇筑口，优先选用自密实混凝土。隧道端部与叠合结构交接处可采用现浇结构，现浇宽度小于1m。叠合板结构在二衬台车上的拼装如图9,10所示。

图9 二衬台车横断面

图10 二衬台车纵断面

4 结语

1)在暗挖隧道修建过程中，初支通常采用钢筋网片+喷射混凝土或型钢骨架+喷射混凝土的方式，也有部分隧道采用喷射纤维混凝土支护的方式。当前的初支方式下隧道作业环境恶劣，对施工人员健康与生态环境均有较大危害。对于围岩中无水或水量贫瘠的隧道，经工程案例验证，可以采用初支、二衬一体化装配式衬砌的形式。但对于水量丰富的环境，初支仍然建议采用常规喷射混凝土+钢筋骨架的方式，但二衬可以采用装配式结构。

2)装配式二衬与现浇二衬相比，在施工进度、环境友好性方面具有显著优势，而叠合装配式二衬可以克服全预制装配式二衬防水性差、背后回填不实等缺陷。总体来讲，叠合装配式二衬是一种较好的暗挖隧道二衬支护方案。

3)本文结合具体案例对叠合装配式二衬的设计及施工方法进行了详细论述。接下来应重点研发装配式衬砌配套机械以及相应的机械化施工方法，最终实现隧道工业化建造的目标。