城市高速铁路明挖隧道装配式结构设计方案研究

　　摘要：明挖装配式工法修建城市高速铁路隧道具有缩短工期、减少现场人力投入、改善施工质量、提升环境友好性等诸多优势，是未来城市隧道的一个发展方向。通过对雄忻高铁雄安隧道周边规划条件、项目实施环境调研，分析装配式结构工效，证明了采用装配式结构可有效的控制总体工期;结合本次装配式实施段落的工程条件，从工期、经济性、拼装效率以及台车适用性等方面综合比选，推荐使用吊装法施工。通过建立隧道工程“荷载结构”整体计算模型以及装配式构件局部接头模型，对隧道整体内力及装配构件接头变形进行分析。结果表明:装配式隧道结构内力、接头局部变形满足设计要求;采用预应力连接措施可有助于控制构件接头变形，证明了装配明挖结构设计方案的合理性。

　　关键词：高速铁路;明挖隧道;装配式结构;设计方案;受力特性

　　1概述

　　随着我国社会经济的长足发展，铁路交通行业有了突飞猛进的增长，截止2020年底，中国铁路运营总里程达14.5万km，其中，铁路隧道共16798座，全长约19630km[1]。经济交通的发展带动了区域经济协调发展，以区域间城际、高速铁路为代表的新型出行模式正在改变着人们的生活方式。为提高交通出行效率，各大城市均建立了综合交通枢纽，将地铁、高铁、公交场站紧密联系在一起，高铁进入主城区成为了必然，城市铁路隧道应运而生，成为了未来重要的发展方向。高速铁路城市隧道以盾构、明挖施工形式为主。

　　目前，明挖城市隧道采主要用现场浇筑的传统生产方式，实施工效低、受场地环境影响大、现场投入大、关键节点工期不易控制、防水等工艺质量较差、环境友好性差[24]。明挖装配式工法修建城市铁路隧道，隧道构件工厂化、标准化生产，待现场围护结构施工完成后进行主体结构拼装，具有缩短工期、改善施工质量、有效控制现场环境污染等诸多优势，是建筑产业化升级、信息化发展的有效途径[57]。混凝土预制装配式结构在工业与民用建筑、桥梁、地铁隧道、输水管道等领域广泛使用。国内外工程技术人员对全预制、半预制地下工程进行了大量研究[812]。

　　随着研究的深入，我国预制装配式技术有了长足发展，也积累了许多工程经验，形成了比较成熟的产业结构[13]。2015年我国首座采用全预制拼装工艺地铁车站-袁家店站在长春建成[14];北京市首座预制拼装工艺的地铁车站金安桥站，试验段工期比传统工艺缩短了2/3，现场工效得到大幅提升[15];北京朝阳动车所试车线地面线采用预制装配式构件拼装，长度80m[16]。

　　此外，我国在装配式矩形盾构、综合管廊、拼装沉管隧道的工程实施方面也有较多成功实施的案例[1720]。目前，明挖装配式结构主要应用于城市轨道交通、市政管廊等领域，还未在高速铁路中运用，以雄忻高铁雄安隧道装配式结构方案研究为背景，通过对装配式结构整体受力以及装配式构件局部接头变形的分析，证明了结构设置的合理性。通过工效分析发现，装配式方案可有效提高工效，减少总工期，加速一体化实施进程。从而验证了装配式方案的优势及合理性。

　　2明挖装配式隧道结构方案

　　2.1工程概况

　　雄忻高铁雄安隧道位于规划雄安新区，隧道总长约20km，周边规划有多项市政工程，铁路隧道与市政工程一体化设计、施工。隧址区位于华北平原区，属于冲洪积平原小区，地形平坦，地势开阔，略有起伏，局部为低洼地，地表多辟为耕地。本工程范围内地层主要为第四系冲洪积地层，粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土、黏土、粉细砂、中砂，局部存在人工堆积素填土、杂填土。线位距离白洋淀较近，地下水位较高。场区内地下水类型为第四系孔隙水，根据地层结构和地下水的赋存条件，分为潜水和承压水。其中，砂层为主要含水层，富水性和透水性较好，其他为弱透水层。

　　2.2结构设计方案

　　装配式隧道结构采用拱形明洞形式，隧道宽18.6m，高12.12m。隧道设计考虑结构空间受力关系、预制块吊装、结构运输，将隧道结构横断面分为6块。

　　2.3结构拼装方案

　　根据装配式预制构件的拼装方法不用，可采用种拼装方法，分别为龙门吊预制衬砌支撑台车吊拼法以及拼装机运输设备预制衬砌支撑台车拼装法。

　　2.3.1龙门吊

　　预制衬砌支撑台车吊拼法结构拼装采用台车吊装的方式，设备整体结构主要分为门架、模板、附属机构、附属平台、行走系统、液压泵站等部件。

　　完成基坑开挖后架设龙门架;在初始拼装位置安装固定架，作为拼装受力架和定位架;利用龙门吊吊装制块，后吊装、块，将A/C、A/B块间定位螺栓穿入并锁紧;利用龙门吊吊装块，将C/E块间定位螺栓穿入并锁紧;利用龙门吊吊装块，将B/D块间定位螺栓穿入并锁紧;利用龙门吊吊装块，使用工装上的调整油缸调整块位置，安装块就位，将D/F、E/F块间定位螺栓穿入并锁紧。按以上步骤继续安装第+1环，并将环与环之间通过螺栓纵向预紧，第环与第+1环需错缝安装。

　　2.3.2拼装机运输设备

　　预制衬砌支撑台车拼装法在初始位置安装固定架，作为初始的受力件和固定架，依次拼装整个台车，通过液压马达旋转管片，使管片安装到位。回缩滑移油缸为管片提供一个预紧力，安装轴向预紧螺栓，重复以上步骤，依次抓取其余管片，通过液压马达旋转管片，分别控制两侧的伸缩油缸，使管片调整到位，回缩滑移油缸为管片提供一个预紧力，安装轴向预紧螺栓并安装块与块之间的螺栓，直至完成整环安装。

　　2.3.3结构拼装方案选择

　　拼装法的台车可以适应不同内轮廓的隧道断面，吊装法台车模板需根据隧道内轮廓进行定做，拼装法台车适用性更强，但成本较吊装法高，且工效偏低。本线目前在隧道出口大放坡段240m范围内采用预制装配式结构，段落结构内轮廓形式单一，开挖面大场地开阔，龙门吊安装方便。从工期、经济性、拼装效率及台车适用性综合比选，推荐使用吊装法施工。

　　3结构受力模型计算

　　3.1整体模型受力计算

　　参考盾构隧道管片结构进行装配式结构截面内力及变形方面的计算，采用惯用计算法。若将管片结构视为梁，接头视为变形连续弹簧，分别用来模拟管片和接头的力学特性。通过弯矩提高系数ξ(弯矩增大系数ξ取0.3[2122])来实现对错缝拼装弯矩传递的评价。计算时取单环管片进行计算，计算结构内力，然后考虑错缝拼装后的整体补强效果，进行弯矩分配。本工程范围内地层主要为第四系冲洪积地层，粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土、黏土、粉细砂、中砂，局部存在人工堆积素填土、杂填土。

　　采用SAP84有限元计算软件，对整体结构建模计算，考虑到截面刚度分配，侧墙使用变截面，使拱脚处截面适当加大。分别采用水平弹簧和竖向弹簧模拟坑底地层对结构水平位移和底板垂直位移的约束作用，结构底部竖向弹簧仅能承受压力。

　　3.2接口计算

　　雄忻铁路明挖装配式预制构件接头型式为榫槽式接头，接头采用预应力钢绞线加强，预制构件厚700mm。对于拱墙型明挖隧道来说，结构顶拱、侧墙和底板受力工况均为轴力和弯矩组合工况，即：结构构件同时承受轴力和弯矩的作用。因此，主要研究轴力和弯矩组合工况作用下接头抗弯刚度的影响因素，计算模型一端固定，另一端施加轴力，来模拟接口处所受轴力，施加向上的集中力，使接口位置达到设计弯矩。

　　4计算结果分析

　　对结构使用阶段的整体受力和接头处局部变形进行分析，从而判断装配式隧道结构在使用阶段的整体强度和接头使用性能。

　　4.1整体受力分析

　　从各荷载组合计算结果分析，本项目工况按正常使用极限状态进行配筋，结构承载能力极限均满足要求。

　　5施工工效分析

　　雄忻高铁雄安隧道位于雄安新区起步区，周边规划有多项市政工程，铁路隧道与市政工程一体化设计、施工，建设期与周边多项市政工程同步实施，总体工期短，交叉工程多，铁路隧道位于各项工程的最下层，完成时间决定着上方及周边市政工程的开工建设，制约着总体建设工期。明挖装配式隧道结构可大幅提高现场施工作业效率，缩短施工期。由于装配式隧道管片预处理、接缝注浆、拱顶覆土、仰拱填充等工序可与管片拼装平行作业，因此，计算单环管片安装时间从吊装到最后管片成环预紧即可。仰拱底部填充及调平处理约0.5h，吊装、移动设备、螺栓预紧及紧固合计耗时约1h，预制构件平均单环有效作业时间约为1.5h，预计作业效率可达8m/d。

　　传统明挖铁路隧道按12m台车计算，仰拱施工需4d，侧墙施工需5d，拱顶施工需7d，考虑流水作业，衬砌作业效率约为12m/7d，可推算出此段落可比现浇工艺节省约110d，从工效方面装配式衬砌有明显优势。此外，装配式构件均在厂内加工，运至现场拼装即可，能够解决寒冷或严寒地区冬季无法施工的问题。由此，装配式结构可大幅度提高工效，为一体化实施项目中的其他工程，争取施工时间，缓解总体工期压力。

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　　6结论

　　依托雄忻高铁雄安隧道方案研究，进行装配式高铁隧道设计，对装配式结构的拼装方式及施工效率进行了分析。并通过有限元计算软件，对隧道结构的整体受力及局部接头变形情况进行计算分析，得到如下结论。

　　(1)结合本次装配式实施段落的工程条件，从工期、经济性、拼装效率以及台车适用性综合比选，推荐使用吊装法施工。(2)经整体受力分析，预制结构的强度及耐久性均满足要求。(3)对装配式结构接头施加预应力后，接缝张开量减小，预应力筋对接缝张开量有一定的抑制作用，可减小接缝处的变形。在最不利弯矩和轴力作用下，接缝张开量小于0.2mm，接头变形量小，可保证接缝位置的防水可靠性，该方案接头连接具备有效性。(4)经分析装配式衬砌在提高工效方面有明显优势，同时能解决寒冷或严寒地区冬季无法施工问题。由此，装配式结构可大幅度提高工效，为一体化实施项目中的其他工程，争取施工时间，缓解总体工期压力。

　　参考文献：

　　[1]田四明王伟巩江峰中国铁路隧道发展与展望含截至2020年底中国铁路隧道统计数据)[J]隧道建设中英文),2021,41(2):308325.

　　[2]宋冉，张继清，崔涛，等.双跨无柱装配式地铁车站结构力学特性分析[J].铁道标准设计，2021，65(2):123127178.

　　[3]李兆平.复杂外部条件下地铁车站结构方案探讨[J].北京交通大学学报，2018，42(4):1.

　　[4]陈久恒.预制装配式地铁车站施工技术研究[J].铁道建筑技术，2015(11):6265，69.

　　[5]王德超，王国富，乔南，等.预制装配式结构在地下工程中的应用及前景分析[J].中国科技论文，2018，13(1):115120.

　　[6]唐伟高速铁路单线盾构隧道装配式隧底回填结构设计研究[J].铁道标准设计，2020，64(11):99103.

　　[7]刘琼，李向民，许清风.预制装配式混凝土结构研究与应用现状[J].施工技术，2014，43(22):914，36.

　　作者：孙一鸣