超大断面装配式明挖隧道结构及其施工方法研究

林 志，冯万林，陈 相，*，海大鹏，何廷全，杨红运

(1.重庆交通大学 山区桥梁及隧道工程国家重点实验室，重庆 400074；2.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450003；3.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

随着我国社会老龄化的加剧和人口红利的逐渐消失，人工施工成本陡增，工程造价提升。传统施工方法因存在不可避免的诸多问题其优先级得到挑战，关于创新技术的讨论日益增多。装配式建筑是传统施工向工业化转变的方式，在隧道与地下工程领域，装配式结构的应用具有如下优势[1-3]：1)钢筋混凝土、混凝土结构能够快速拼装闭合为整体，快速受载，减少围岩或基坑暴露时间，降低施工风险；2)衬砌管片采用标准化预制成型与养护，混凝土质量高；3)采用机械化拼装，无需现场支模，作业时间短，节约工期；4)能适用于高寒、软弱围岩等特殊地质环境。

以上优势使得装配式施工技术蓬勃发展，例如：盾构隧道预制装配式技术[4-5]、矿山法预制装配式技术[6-7]、明挖地下结构装配式技术[8-9]、沉管技术等。其中，在沉管技术方面，港珠澳大桥海底隧道的建成(沉管段长5.6 km)及深中通道的建设(海底沉管段达6.8 km)，标志着我国跨海装配式工程建设技术达到世界先进水准[10-11]。

在此背景下，装配式明挖公路隧道、矿山法预制衬砌、装配式地铁车站等预制地下结构大量建成，见图1，为装配式施工技术积累了成功的工程实践经验。

(a)日本HK工法

在公路隧道预制装配式领域，已经对结构断面选型、接头形式及刚度、荷载分担比、破坏模式等方面展开大量研究，但由于诸多原因，公路隧道预制装配式暗挖工程建设仍未实施[12]。在围岩埋深浅、地质情况简单的明挖隧道、管廊，已经积累了装配式地下结构建设经验[13]；郇星超[14]对装配式公路隧道衬砌力学性能采用数值模拟展开研究，得出衬砌厚度建议值等；计中彦等[15]对高速公路仰拱结构施工技术开展研究，提出了一种装配式仰拱施工技术；谭忠[16]研究了山岭隧道衬砌，得出山岭公路隧道装配式衬砌设计参数的标准化方案。上述研究大多聚焦细部，未能从整体上提出公路隧道尤其是装配式明挖公路隧道的成熟结构体系、不同类型接头刚度设计计算方法及与之匹配的施工工法和拼装专用设备。

随着我国经济的高速发展，交通需求量剧增，4车道及以上的大断面隧道建设已经成为一种新常态[17]，装配式衬砌隧道建设中有着广阔的应用前景。但是，目前国内未见超大断面装配式明挖公路隧道的相关文献报道。因此，本文重点参考国内装配式地铁车站、国外装配式隧道方案，研究超大断面装配式明挖隧道结构体系、结构构造厚度、装配式施工工法优化，并通过三维数值分析进行验证。此外，基于多道防水理念提出明挖装配式隧道迎水面接缝外贴防水层方案，建立装配式明挖隧道“拱部预制+仰拱现浇”的结构体系，以期能够提升我国隧道与地下结构装配式技术水平，促进相关工程的建设。

1 超大断面明挖装配式结构体系

根据国际隧协(ITA)关于隧道类型划分标准，横断面面积大于100 m2的隧道称为超大断面隧道。装配式结构对衬砌管片浇筑质量、吊装技术、测绘技术等要求较高，结构体系的设计要考虑到运输、拼装、结构整体性能等因素。

1.1 接头连接形式

接头是装配式结构可靠性的重要保证，其对模具制作、拼接难易程度、结构防水要求较高，因此结构接头选型是装配式结构设计与施工的重难点。接头的构造主要考虑接触形式及连接方式2个方面：1)接触形式通常有平面式、榫式、台阶式、弧面式和楔式[18]，各接触形式的特点见表1；2)连接方式有弯螺栓、斜螺栓、直螺栓、套管注浆等。张稳军等[19]基于盾构隧道对弯螺栓、斜螺栓、直螺栓3种连接形式的力学特性开展了系统研究，研究发现直螺栓连接方式优于其他连接方式。

表1 装配式结构接头接触形式及特点

综合考虑超大断面明挖装配式结构工作性能及施工难易程度，建议拼装管片间采取榫式+PC钢棒直接连接或套管注浆连接，现浇部位与预制件采用套管注浆或者现浇接头连接，以此降低施工拼装难度。

1.2 断面结构构造

1.2.1 全预制结构

衬砌全环采用预制结构具有现场施工速度快的优点，但其对地基承载力、大吨位吊装与顶推技术有较高要求。考虑到仰拱为预制件，为方便现场安装，均设置为平底形式；同时，为了减轻自重、节省材料，对其进行轻量化设计，在预制件内部用轻质材料填充，形成闭腔薄壁构件[20]。例如：在建的长春地铁6号线装配式车站支持采用轻质泡沫混凝土填充，表面用聚丙烯纤维网包裹(单环的空腔占比达18%)。目前，全预制装配式结构断面可分为3分割、4分割、5分割3种形式，见图2。其中，3分割方案的预制块体自重大，对运输和吊装要求较高，适用于场地条件好，易于安装大吨位龙门吊的情况，但接缝少；4分割方案拱顶正弯矩最大处没有接缝，预制构件单片适中，较3分割方案多了1个连接头，但拼装难度有所降低，适用性广；5分割在4分割方案的基础上将上部再进行了细分，各管片自重更轻，适用于大跨度隧道。

(a)3分割方案

1.2.2 仰拱现浇+上部预制拼装

部分预制加现浇方案对于地基适应性更强，易于现场调整，施工控制更加灵活，可提高拼装速度，节约工期，尤其是对于市政道路非常有利。若考虑先拼装边墙和拱顶，再浇筑仰拱方案，将会使得拼装过程更加灵活，适应于长度大的明挖隧道。同样，考虑到运输、吊装、拼装过程，将仰拱现浇+上部预制拼装分为3分割和4分割2种结构方案，见图3。其中，部分预制+现浇的3分割方案对应于全预制结构的4分割方案，拱顶处无接头，接缝较少，结构整体性能较好；部分预制+现浇的4分割方案对应于全预制结构的5分割方案，预制构件的自重较轻，易于吊装，但接头较多，拼装阶段需要内支撑台车。

(a)3分割方案

1.3 明挖结构构造设计建议值

通过调研国内已建成的装配式明挖结构及日本“HK工法”的明挖结构技术资料[21]，总结了超大断面明挖隧道结构构造设计建议值，见表2。

表2 超大断面明挖隧道结构构造设计建议值

在材料选择方面，混凝土等级建议不低于C50，对性能要求高的结构可采用纤维混凝土提高结构韧性。纤维可选择玄武岩纤维、钢纤维，若考虑耐久性及耐火性，优先推荐采用玄武岩纤维。

1.4 纵向防水构造

综合考虑运输及吊装条件，纵向环宽可取2～3 m进行设置。由于装配式隧道结构的渗水位置主要位于纵、环缝以及预留孔洞[18],根据《地下工程防水技术规范》，本工程纵向连接按照一级防水等级进行设防，即不允许渗水，结构表面无湿渍。接缝防水构造如图4所示。于结构接缝处设置2道橡胶密封垫，缝内采用压力注浆的方式灌注化学浆液，结构外侧接缝处设置密封胶形成防水层，与橡胶密封垫、注入剂等形成多道防水构造。

图4 接缝处防水构造

环间纵向连接可采用接力式逐环张拉、锁紧，连接材料可选择PC钢棒或精轧螺纹钢；宜采用压力注浆等方式保证纵向连接形成整体。

1.5 吊装设备选择

目前，装配式隧道结构现场吊装设备包含龙门吊和大吨位吊车。龙门吊需要设置专用轨道，吊装过程不需要额外场地；大吨位吊车设备每次吊装都需要对方案进行论证，施工风险高于前者，隧道超过一定长度后龙门吊更具优势。吊装的关键构造吊头可采用德国哈芬(产品编号6102)20 t万向吊头(国内装配式车站采用方案)，吊点数量可根据管片自重进行设计。

2 装配式明挖隧道施工力学性能分析

2.1 工程背景与设计方案

拟建隧道位于重庆市新森大道(凤湖路至高龙大道)，道路自北向南延伸，隧道起点段上跨高腾大道3期隧道，出洞后与高龙大道改造立交相接。隧道全长790 m，为小净距双向8车道隧道。隧道采用暗挖+明挖的方式施工，其中，明挖段长480 m，新森大道隧道布置见图5。按设计标高开挖后，左侧挖方形成的边坡高4.6～17.2 m，右侧挖方形成的边坡高3.2～13.2 m，两侧均为岩土质混合边坡。上覆土层总体较薄，局部较厚。现状土层主要为粉质黏土，厚度为0.5～4.8 m，下伏基岩为泥岩、砂岩。两侧边坡岩体类型分为3类，按坡率开挖后，岩体现存裂缝将不存在，故开挖后边坡稳定性主要受岩体自身强度控制。新森大道隧道明挖段纵断面见图6。暗挖段围岩以中风化带泥岩为主，夹砂岩，岩体较完整。洞身段主要为Ⅵ～Ⅴ级围岩，隧道顶部埋深0～27.5 m，埋深浅，围岩自稳定能力差。

图5 新森大道隧道布置图

图6 新森大道隧道明挖段纵断面

装配式工艺更易控制施工质量，可避免现浇导致的环境污染，且现场施工速度快。综合考虑施工效率、安全性、环保性等因素，在方案论证阶段一致认为，本工程明挖段极其适合装配式技术应用条件。

由于预制构件体积较大，对运输及吊装工艺要求较高，故断面分割构造极为重要。在综合考虑施工安全、预制构件浇筑工艺的情况下，本工程采用仰拱现浇+上部预制拼装工艺。通过对比多种断面分割方法的组合形式可知，断面分割数量及接缝位置可改变结构受力。分割数量的增加可降低构件运输吊装风险，但过多构件导致拼装工艺要求过高，增加现场拼装作业时间及安装风险，同时也会影响结构整体性。综合以上因素，本工程明挖段采用仰拱现浇+上部装配式(4分割)施工方案。

明挖段左右洞共960 m，预制构件可横向切割成384环，每环宽度2.5 m，切割为4块，共计1 536块预制构件。每环2块A型边墙预制块，2块B型拱部预制块，在未考虑部分中空情况下自重最大为B块(自重约54 t)，其断面设计见图7。

图7 断面设计图

2.2 分析模型建立

为分析在动态施工荷载作用下装配式结构的力学性能，需要考虑围岩与结构的相互作用，故采用地层结构法进行建模分析。材料力学性能参数源于GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》、GB 50017—2017《钢结构设计规范》及地勘报告，具体取值见表3和表4。

表3 结构材料主要物理力学参数

表4 围岩主要物理力学参数

该隧道为小净距隧道，单侧隧道净跨17.3 m，预制构件采用C50混凝土，预制构件之间采用PC钢棒连接。预制块之间采用接触属性模拟相互作用，主要为法、切向作用，其中，法向采用硬接触，切向按摩擦考虑，摩擦因数取0.3。边界条件为：模型四周限制水平位移，底部限制竖向和水平位移。分析模型尺寸为105 m×2.5 m×48 m，回填阶段按2 m每层施作，共计6层12 m，将6种填土工况按施工步序分6次逐步增加土层分析，模型及相关参数如图8所示。

(a)分析模型网格(单位：m)

2.3 计算假定

采用MIDAS/FEA对该工程主体结构进行数值模拟，采用GTS对工程进行边坡稳定性分析。在建模分析过程中，对中风化岩、上覆填土、隧道衬砌、环向连接PC钢棒采用实体单元。

为了简化建模与计算工作，对所建立的超大断面明挖装配式隧道结构模型作出以下假定：

1)不考虑耐久性、流变等引起的材料性能变化，忽略橡胶密封垫的开槽和开孔；

2)不考虑箍筋、局部加强筋等其他钢筋作用，仅对受力主体结构进行模拟；

3)忽略PC钢棒、橡胶及防水填料等与结构的缝隙，通过设置接触面来考虑相互作用；

4)不考虑PC钢棒与混凝土管壁间的相互错动，认为它们节点耦合；

5)PC钢棒上套管及保护垫片并未进行建模。

2.4 结果分析

2.4.1 边坡稳定性分析

在本工程边坡勘察阶段，根据岩体主要结构面和坡向的关系、结构面的倾角大小、岩体完整程度等将岩体划分为3类边坡岩体类型(8 m高的边坡稳定，15 m高的边坡欠稳定)。根据实际情况，按设计标高开挖后，左侧挖方形成的边坡高4.60～17.2 m，右侧挖方形成的边坡高3.20～13.2 m，且采用坡率法放坡开挖，故初步判定边坡稳定性良好。

采用GTS NX对图8(a)的模型参数进行边坡稳定(SRM)分析。考虑是旱季施工且隧址区地下水处理得当，采用非饱和状态下的岩体力学参数。

采用放坡开挖将原地面开挖至设计高程后，两侧边坡存在一定高差，如图9所示。由图可知，连坡虽有较明显的滑动面，但应变值较小，且计算的安全系数为1.5，远大于GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中规定的三级临时边坡安全系数临界值1.15，故认为按设计高程放坡开挖后，隧址区临时边坡处于稳定状态。

图9 边坡稳定性分析等效应变

2.4.2 填土工况下结构力学响应

依据施工阶段分析回填土工况下结构位移响应，见图10。由图可知，在回填第1层土时拱顶竖向位移较大；回填第2—4层土时，变化较缓慢，但随着回填土层增加竖向位移快速发展；竖向位移整体趋势向下，仰拱未发生隆起，最终拱顶最大竖向位移为8.54 mm。在填土施作过程中横向位移的变形发展与竖向位移有相似的规律，在回填8 m后变化速率增加较快，最终横向位移为5.31 mm，发生在两侧拱腰位置。由此可见，结构最大变形小于0.2%(33.04 mm)，表明结构在弹性工作阶段，故满足稳定性要求。

图10 填土工况下结构位移响应

接头张开角的大小可判定接头抗弯工作状态。张开角过大，会导致接头混凝土局部压坏，影响接头防水、受力等正常工作性能。填土工况下拱顶接头张开角如图11所示。由图11可知，在填土施作过程中，拱顶纵向连接双榫接头张开量较小，表明双榫接头工作性能良好。随着填土厚度增加，接头张开角增长速率陡增，最终张开量达到6.64×10-3rad，故施工阶段需对接头张开量保持监控，以确保接头处部署构造正常工作。

图11 填土工况下拱顶接头张开角

根据施工阶段，分析填土工况下衬砌结构最大、最小主应力p1、p3的变化过程，见图12。由图12可知，在回填6 m后，结构力学响应速度加快，在施工中要加强该阶段的监控量测，确保结构安全。最小主应力主要发生位置由墙脚向拱顶连接界面及PC钢棒连接孔壁处转变，特别是后期孔壁附近的最大拉应力快接近材料设计允许值，安全储备较低。因此，在结构设计中应加强PC钢棒预留孔周围构造配筋设置，同时应进行局部抗裂验算确保施工与运营安全。最终结构最大压应力为14.91 MPa，拉应力为1.81 MPa。结果表明，整个施工阶段衬砌结构应力值均未超过C50混凝土抗压、抗拉强度设计值，结构未发生损伤，处于安全阶段。

图12 填土工况下结构力学响应

2.4.3 连接部位力学性能分析

PC钢棒连接件力学性能分析见图13。由图13可知，连接体整体呈现向下弯曲的趋势，靠近管片底部一排PC钢棒弯曲变形更大，表明采用接触属性能够正确模拟PC钢棒与衬砌相互作用状态；完成6层填土后连接构件的最大挠度为8.74 mm，水平位移为4.16 mm，同衬砌变形基本一致；从螺帽的受力情况来看，最大压应力为15.04 MPa，最小拉应力为-16.61 MPa，远低于其设计强度允许值，故结构设计合理。

竖向位移向下为正，横向位移向两侧扩展为正。

3 超大断面明挖隧道施工方法

目前，建造最多的超大断面装配式地下结构是地铁车站，但地铁车站比市政隧道、公路隧道结构跨度更大，断面更高，单环管片数量更多，施工难度相对较大。因此，本文在调研我国已建成及在建的明挖地铁车站的大跨度装配式地下结构基础上，对其施工工法进行优化。根据依托工程施工工法，提出一种新的施工流程，如图14所示，施工关键步骤见图15。

图14 施工流程图

(a)L型边墙安装 (b)仰拱现浇

具体施工步骤如下：

1)场地平整。若为全预制拼装，需要现浇10～20 cm厚的C20混凝土并满足地基承载力不低于150 kPa的要求。

2)仰拱或边墙侧壁安装。首先，在垫层上进行打磨平整，达到设计标高；然后，安装仰拱底板(全预制方案)或者在两侧安装拱形边墙构件(仰拱现浇+上部预制)，安装10环。

3)安装定位支架及内部移动支架。定位支架安装在边墙的外侧，内部安装有导线。内部移动支架由3层组成，包括上层拼装台车、中承工作平台以及下层拼装台车(见图16)，其主要用于维持安装阶段衬砌稳定性，同时为施工人员提供工作平台。

图16 内部移动支架示意图

4)现浇仰拱底板(全预制无该步骤)。通过钢筋接头(FD夹具)与边墙预留主钢筋完成机械连接(见图17)，绑扎钢筋结束后，进行混凝土浇筑，完成主体结构施工。

图17 边墙-仰拱钢筋连接图

5)完成主体结构施工后，将满足强度要求的拱顶构件运输到现场并完成吊装。安装侧壁外侧及顶部临时固定夹具及支架，用于外侧防水施工。

6)环向连接。拱顶构件可采用榫型接头，预先用无收缩砂浆填平接缝，待无收缩砂浆固化后，用PC钢棒连接，间隙用水泥砂浆填充并固定(见图18)；边墙预留外露钢筋，与拱顶构件预留接口对接，采用压力注浆的方式填充间隙并固定；安装10环(或10～30 m)时，拧紧环向连接螺栓，形成环向整体，并回填肥槽。

图18 拱顶接头细部图

7)纵向连接与注浆。纵向可采用榫型接头，预留孔洞，通过PC钢棒或其他高强度材料进行连接，用压力注浆等方法填充间隙。纵向拧紧后，在边墙机械接头(接头套管)和拱顶的接头中高压注射高强度无收缩灌浆，形成整体。

8)接缝防水作业。接缝迎水面环缝设置外贴防水层+管片间贴柔性止水带+高压注浆的多道防水体系；内部防水采用密封填充材料+防水油布组合方式。

9)回填表层土。采用分层回填，每层厚度建议不超过2 m。

4 结论与建议

超大断面明挖装配式隧道结构在工程领域有极大的发展前景。本文以新森大道隧道为依托工程，对国内装配式地铁车站、国外装配式隧道方案展开调研，得出以下结论：

1)因公路、市政超大断面明挖装配式隧道工程施工体量大、质量要求高且工期短，可采用全预制式或仰拱现浇+上部预制的结构体系。

2)断面结构分割数量的增加可降低运输、吊装难度，却增加了施工质量、工程质量控制难度。超大断面明挖装配式隧道结构在施工时应综合考虑现场地基适应性、施工控制条件、运输及吊装条件、施工工期等限制条件，选取适合的断面结构分割方案。

3)后期环向连接PC钢棒孔壁附近出现部分应力集中现象，最大拉应力快接近材料设计允许值，安全储备较低。因此，在结构设计中应加强PC钢棒预留孔周围构造配筋设置，同时应进行局部抗裂验算，确保施工与运营安全。在实际工程设计中，应该充分考虑构件自重与现场机械设备条件，或者采取减少分块，增加吊装能力的方案。

4)装配式结构防水工艺对结构寿命影响较大，因此对接缝的防水处理有较高要求。建议采用迎水面环缝设置外贴防水层+管片间贴柔性止水带+高压注浆的多道防水体系。

装配式工程的施工难点在于预制构件现场精确定位及拼装控制技术，为确保拼装进度和提高施工效率，建议设置精平垫层，如采用预埋角钢定位+后期打磨调平措施。