公路隧道装配式衬砌研究进展及工程应用

颜波

摘 要：文章依托河惠莞高速公路半嶂隧道工程，探索在公路隧道中实施装配式衬砌，通过分析计算，合理划分衬砌分块，对比不同接头的受力情况，并展开试验段研究，在保证隧道施工安全与质量、提高机械化水平和工厂预制化等方面取得良好效果。

关键词：装配式衬砌 工厂化 接头型式

1.传统二次衬砌施工的缺点

传统的隧道二衬施工采用现场人工绑扎钢筋和二衬台车现浇混凝土的方式进行，由于受二衬台车缺乏设计制作标准、现场施工养护环境差等因素影响，二衬施工多存在拱顶空洞与不密实带、预留预埋不规范、强度与外观差等质量问题，且传统二衬施工工序繁多，对熟练工人要求高，往往会造成施工速度慢、衬砌无法及时承载、材料和人工成本高昂等问题。

2.装配式衬砌施工的优点

2.1提高施工质量，保证施工安全

传统的隧道二衬施工，往往存在注浆不密实、振捣不到位、养护不及时和拆模过早等现象，导致二衬出现空洞、开裂，严重者甚至造成隧道塌方，严重影响隧道工程质量和安全。而采用装配式衬砌结构，二衬管片采用工厂化集中预制、运输和安装，可以严格保证二衬的施工质量，从而提高隧道的整体施工质量和安全。

2.2简化施工工序，加快施工进度

传统隧道二次衬砌施工需经现场绑扎钢筋、防水板铺设、止水带安装、混凝土浇筑和养护等多道工序，严重制约隧道施工进度。而采用预制装配式衬砌结构，将提前预制好的衬砌管片吊装成环，不需要养生，即可承载，因此省去了诸多工序，可显著提高隧道施工进度。

2.3提高施工机械化，促进施工工厂化

预制装配式衬砌采用工厂集中批量生产，养护期满运至现场进行机械拼装，可大大减少现场施工作业人员数量，降低对熟练工人的依赖程度，提高机械化施工水平，符合施工工厂化的技术发展趋势。

2.4提高营运隧道抢险效率，减少人员生命财产损失

隧道营运期由于自然灾害或交通事故等引起的隧道塌方往往是应急抢险的难点，而装配式衬砌由于其衬砌管片质量可靠、机械化施工效率高、一经拼装立即承载等优点使得在抢险救援中可抢占更多先机，减少生命财产损失，尽早恢复隧道安全畅通运营，因此装配式衬砌技术在营运期隧道的应急抢险中具有广阔的应用前景。

3.装配式衬砌研究重点

3.1衬砌管片的设计、制作与吊装

衬砌管片的设计，主要体现在分块的标准化上，根据不同隧道断面制定相应的管片分块标准，从而实现拼装结构的通用性和可复制性；衬砌管片的制作主要在于确保管片的制作精度，包括形状、尺寸、预留预埋等，以便管片能准确顺利地按照设计进行拼装；而装配式衬砌施工质量的另一个关键在于吊装工艺，如何把不同型号的管片准确拼装到位，关系到衬砌结构的强度、耐久性和防排水效果。

3.2背后填充注浆

管片背后填充注浆的关键在于选取合适的注浆材料与注浆工艺，首先要确定初期支护与管片间空隙，进而选定合适的注浆材料，根据管片间空隙和注浆材料设计相应的注浆工艺、边界封堵，从而确保注浆时少跑浆和注浆密实，不出现空壳现象。

3.3衬砌管片连接

管片的连接方式是否合理直接关系到衬砌管片的防水效果。管片连接结构形式主要有螺栓连接结构、铰接结构、销接结构、楔接结构和榫接结构等形式，可根据管片的连接要求和各种连接结构形式的特点进行合理选择。

3.4衬砌管片防水

装配式衬砌结构的出水点主要有管片自身细微裂缝、管片接缝、注浆孔和管片连接孔道等，因此衬砌结构防水任务繁重，应综合考虑管片自身缝隙防水和管片背后注浆以及防水层等方法进行综合处置。管片接缝防水是衬砌结构防水的重中之重，通常采用的方法是在管片接头密封槽中粘密封材料，一般以水膨胀性材料为主。

结合以上特点，装配式衬砌具有施工效率高，衬砌质量好，承载及时和施工环境友好等优点，并且装配式衬砌自身的各种接头天然的增加了隧道柔性。同时，装配式衬砌可以更好的适应施工机械化及预制工厂化的要求，应用前景非常可观。因此，很有必要结合新的施工理念对公路隧道装配式衬砌进行一定的研究，解决目前工程建设中的速度、质量、效益的问题。

4.装配式衬砌研究进展

4.1衬砌力学性能研究

管片的接缝是衬砌结构的强度短板，其承载能力直接影响着隧道整体的承载能力。通过数值模拟方法研究不同分块及接头型式下衬砌的力学性能，包括衬砌内力、结构纵向刚度、围岩差异变形适应能力。

在精细化模型研究基础上，优选出3种接头设计型式（见图1～图3），开展室内接缝抗弯试验，对模型进行验证，最终确定接缝接头型式。

通过研究对比不同衬砌接头结构形式的受力性能及施工特点，选定了采用弯螺栓连接方式进行衬砌接缝连接，衬砌环设13个环缝连接螺栓，沿圆均匀布置，相邻管片块及管片与底座环向用2个螺栓连接，共16个纵缝连接螺栓。

4.2管片壁后填充

初衬与二衬管片之间预留10cm的空隙，在管片拼装成环后及时进行壁后吹填豆砾石并灌注水泥浆进行壁后充填。豆砾石经皮带机运送至豆砾石泵，由压缩空气填充至管片背后。因管片与初衬断面间隙较大，在管片背后及时充填豆砾石，可有效避免管片沉降及侧向错动现象，如图4所示为豆砾石填充工作原理图。

4.3衬砌管片防水

衬砌管片外弧侧面，沿管片四周设置一道封闭的防水彈性密封垫；衬砌管片内弧侧，在预留的嵌缝槽内进行嵌缝密封。管片防水胶条的挤压力由管片螺栓提供，管片螺栓预紧后，可保证管片防水胶条满足隧道防水要求。

4.4现场施工模式

由于公路隧道断面较大，直接采用同步开挖衬砌的施工方式难度较大，故选取TJ16合同段半嶂隧道YK142+900～YK143+200的300m试验段，开挖初支完成后再进行二次衬砌拼装。设备始发时需在洞口做圈梁，作为初环管片安装定位基准。设备出洞后，最后一段需进行混凝土现浇。

4.5管片拼装整机

管片衬砌结构强度、耐久性和防排水效果的优劣关键在于拼装设备，现阶段本研究项目的重点在于研发一种适用性广、拼装精度高和工作高效的装配式衬砌拼装设备。

管片拼装整机主要由牵引车、管片拼装机、管片吊运系统、空压机组件、水系统、后配套拖车、液压泵站、注浆系统、电气系统、注豆粒石系统组成。

5.结束语

综上所述，近些年我国公路隧道在大发展期间暴露出了很多技术和质量问题，发展公路隧道装配式衬砌结构、提高衬砌预制化程度，对于公路隧道提高机械化程度、提升工程品质和施工安全性等极具现实的研究意义，有着非常广阔的研究前景。

参考文献：

[1]JTG？F60—2009.公路隧道施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]郇星超.公路隧道装配式衬砌结构研究[D].西安：长安大学，2013.

[3]刘青松.油气管道隧道衬砌结构优化研究[D].成都：西南交通大学，2010.