明挖预制装配式隧道结构 拼装设计方法及关键技术

摘要: 明挖施工条件下的预制装配式隧道结构，其拼装技术与装配整体式结构或盾构隧道均存在较大差别。在工程设计阶段，需要根据结构型式和装配模式，对拼装进行详细的规划和设计，以支撑高质量、高效率施工，并确保结构承载性能和稳定性，同时满足接头接缝防水性能要求。拼装关键技术包括拼装方法、基面精平技术、定位控制技术、张拉锁紧技术、支顶限位措施、精度控制标准等方面。明挖装配式隧道结构的拼装应以首环固定端为起点，沿纵向推进，遵循“先下后上”并逐块、逐层向上的拼装原则；基坑底部基面应进行精平处理，并根据地基条件和底板结构型式，采用精平条带法或基面统平法；隧道衬砌结构宜在接头拼接面设置一定数量的导向定位装置，在辅助构件精确定位的同时，有效控制结构表面错台量；明挖装配式隧道宜设置在直线上，当隧道位于曲线地段时，可采用“楔形构件 等宽缝”或“等宽构件 楔形缝”的方式拟合曲线；张拉锁紧措施主要有预应力钢棒张拉锁紧和螺栓锁紧方式，预应力张拉宜采用“形心跟踪法”，并应多点协同、同步张拉锁紧，保持接缝宽度的均匀性，有效控制目标接缝张开量，并对预制底板下空隙及时注浆填充，在侧墙和拱脚等关键部位及时支顶限位。关键词:明挖装配式隧道；拼装设计；干式连接；湿式连接；精平条带法；基面统平法；定位销棒；曲线隧道；预应力张拉锁紧；螺栓锁紧；形心跟踪法；支顶限位

中图分类号:U231文献标志码:A文章编号:1672-6073(2023)02-0002-1

作者简介:杨秀仁，男，博士，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师，北京学者，主要从事城市轨道交通工程的设计研究工作，yangxr@bjucd.com

基金项目:国家重点研发计划(2017YFB1201104)；北京城建集团创新项目(CJJT2022-002)

引用格式:杨秀仁.明挖预制装配式隧道结构拼装设计方法及关键技术[J].都市快轨交通，2023，36(2)：2-13.

YANG Xiuren. Design method and key technology for assembling open-excavated prefabricated tunnel structures[J]. Urban rapid rail transit, 2023, 36(2): 2-13.      

1研究背景      

沿隧道纵向将结构拆分成若干标准的结构环，每一标准结构环再根据断面大小，拆分成多个标准构件，或将一环结构作为一个整体的标准管节，所有构件或管节均在工厂预制生产，运至现场，在明挖基坑内进行拼装，形成预制装配式隧道结构，可建造的结构型式有单层单跨、多层多跨矩形框架或拱形隧道结构。

为提升装配工程质量和施工效率，明挖施工条件下的装配式隧道结构接头一般采用干式连接工艺进行快速、可靠的连接，在拼装施工期间无需钢筋连接和现浇混凝土湿作业。根据装配式隧道的受力特点和防水要求，隧道衬砌结构的接头通常为榫槽式接头，并在接缝处系统设置防水密封垫，对接头接缝进行密闭防水处理，隧道衬砌外不再设置外包防水层[1-4]；隧道内部结构的接头可为榫槽式接头、搭接式接头、平板式接头等多种型式，但接头接缝可不考虑防水性能要求。

干式连接的装配式隧道结构不同于湿式连接的装配整体式结构，两者不仅在结构力学行为特性上存在较大的区别，而且在拼装方法及关键技术方面也完全不同[1-2]。

盾构隧道是最为典型的干式连接装配式结构，是由预制管片组成的单一圆形或类矩形的隧道结构。日本也有双圆或三圆连拱隧道结构，完全由盾构机暗挖拼装而成[5]。同样作为干式连接的明挖装配式隧道结构，在结构型式和承载体系方面与盾构隧道结构完全不同，拼装工艺更是差别巨大。

明挖装配式隧道与装配整体式结构或盾构隧道相比，拼装技术的出发点和落脚点不同，涉及的因素多，实施难度更大，需要采取不同的解决思路和方案。因此，在工程设计阶段，就需要根据隧道的功能要求、结构型式、构件拆分方式、结构及接头的受力和稳定性要求、防水性能标准等情况，并结合施工场地条件和辅助拼装装备特点，全方位地制定和设计详细的拼装技术方案，以支撑高质量、高效率施工，确保结构的稳定性，同时满足结构受力、变形和防水性能要求。应该说，明挖装配式结构的拼装技术直接关系到工程建设的质量、工期和安全。

笔者及其团队依托长春第一座装配式地铁车站的试验站实际工程，开展了全方位的明挖预制装配式隧道结构拼装技术的研究和应用工作，内容包括结构拼装方法、拼装基面精平技术、拼装定位控制技术、拼装张拉锁紧技术、底板下注浆及支顶限位措施等多方面，取得了一系列重要成果[4]。研究成果不仅在长春装配式地铁车站的试验站得到很好应用，而且在后期建设的长春、青岛、深圳等城市的装配式地铁车站工程中得到推广[3]。下面笔者结合多年来在明挖装配式隧道建造技术方面的研究和工程应用情况，对明挖施工条件下的拼装设计方法及关键技术进行全面总结和论述，以期为业内类似工程的建设提供参考。

2国内外装配式结构拼装技术概述

2.1装配整体式结构拼装技术      

由预制混凝土构件通过湿式连接工艺形成刚性接头，组装成整体的装配式混凝土结构，简称装配整体式结构[6]。所谓的湿式连接工艺，是通过钢筋或钢结构连接，并同时浇筑混凝土，使接合部硬化，将预制构件连接成一体。钢筋连接有机械连接、套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、焊接连接等多种方式[6]，图1所示为接头湿式连接工艺。国内外装配整体式结构大量应用于装配式地面建筑[7]；20世纪80年代的俄罗斯地铁，也曾采用装配整体式结构建造明挖车站和区间隧道结构[8-9]。

无论是地面建筑还是地铁隧道结构，装配整体式结构在承载和变形等结构性能方面完全等同于现浇混凝土结构。装配整体式结构拼装技术的关键，是要实现预制构件接头钢筋之间的精准和可靠连接，确保接合部混凝土浇筑后的刚度和承载性能等同于被连接的构件，因此除了接头连接技术至关重要外，构件的拼装技术也非常关键。如果拼装施工偏差过大，可导致接合部钢筋或钢结构的连接出现焊接长度不足、套筒内钢筋插入长度不足、钢筋插入出现偏差或无法插入、构件发生偏心现象等，将造成结构性能上的重大缺陷[10]。

显然，施工期间的定位是实现高质量拼装的重要环节，其要素主要有构件中心线水平方位、高程及垂直度。我国现行行业标准《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1—2014)[6]规定，装配整体式结构预制构件吊装就位后，应及时校准并采取临时固定措施，并强调定位措施、钢筋机械连接、结构验收等符合《混凝土结构工程施工规范》(GB50666—2011)[11]等现行国家和行业相关标准的规定。

2.2盾构隧道结构拼装技术      

盾构隧道管片的拼装是在盾尾的保护空间内进行，主要借助于盾构装备的管片拼装和顶进系统来完成。盾构机暗挖掘进，管片拼装时利用拼装机夹住管片，完成举升和旋转动作，实现管片就位，安装连接螺栓后再推出盾尾。隧道纵缝是在盾尾内进行环内接头的螺栓紧固，管片环推出盾尾后，进一步承受巨大的地层荷载作用，完成接缝压紧；而隧道环缝则是管片成环后，通过盾构千斤顶巨大的推力，实现同步压紧[5]。

盾构隧道管片的拼装方式有错缝和通缝两种，可根据线路特征采用普通环或通用楔形环组合方式，拟合直线隧道或不同的曲线隧道。

管片接头构造一般有凹凸榫、搭接、平面或凹式曲面等多种型式，并采用螺栓连接，可有弯螺栓、直螺栓和斜螺栓等连接方式，且基本为管片内置螺栓；盾构隧道外不需要设置外包防水层，接头接缝通过设置封闭的橡胶密封垫进行防水[5,12]。

当拼装好的衬砌管片脱出盾尾后，在衬砌与地层之间会产生一定宽度的带状空隙，需要通过衬砌壁后注浆措施，对带状空隙及松散地层进行密实填充，以控制地层的变形及衬砌结构与地层之间均匀和可靠的相互作用。根据盾构掘进时序，衬砌壁后注浆有同步注浆和二次注浆。同步注浆是在管片脱出盾尾的同时，通过盾构壳体外设置的注浆管进行；二次注浆是在管片脱出盾尾一段长度后，通过管片中的预留注浆孔进行[12-13]。

3明挖装配式隧道结构拼装方法

3.1构件拼装缝的设置      

盾构隧道管片所采用的错缝和通缝拼装方式，均可适用于明挖装配式隧道结构的拼装，但由于明挖装配式隧道基本为矩形或拱形箱型框架结构，而非圆形结构，不能采用类似管片环旋转的方式调整接头位置，因此在确定拼装缝的设置方案时需要考虑更多的因素。

3.1.1隧道结构的环缝      

明挖装配式隧道结构，无论是整环管节式结构，还是环向拼装式结构，环间接头形成的环缝一般应设置为通缝。对于环向拼装式结构，环缝也有条件形成错缝，使环缝与纵缝之间形成T形缝，以利于接缝防水。但是，由于一环内各构件的拼接面不处于同一平面内，所以拼装精准定位需要耗费大量的测量精力，同时也给结构的环向张拉带来难度，并使纵缝处的构件尖角部位在环向张拉过程中极易产生应力集中而损坏。

长春地铁装配式车站试验站，底板结构由3块预制构件组成，一开始试拼的12环结构，其环缝就采用了错缝拼装方式。出现上述现象后，通过反复论证分析，及时做了优化调整，将错缝拼装改为通缝拼装，使试验站工程顺利完成，并在后续的其他装配式车站工程中推广使用。

3.1.2隧道结构的纵缝      

当装配式隧道为环向拼装式结构时，环内接头形成的纵缝可以为通缝，也可以为错缝。此时，设缝方式需要有利于预制构件的标准化，以减小模具投入和构件生产线规模。当纵缝采用错缝拼装时，构件的通用性受到限制，会使相关构件的型号数量翻倍，所以隧道结构的纵缝原则上应尽量采用通缝，仅在个别接头受力需要时采用错缝拼装方式。长春和青岛装配式车站的拱顶环内接头，采用的就是错缝拼装方式，可有效提高拱部接头的承载力和可变形能力。

3.2隧道结构的拼装步序

3.2.1隧道纵向拼装方式

装配式隧道结构的拼装，纵向应以首环固定端为起点，向一个方向推进，不宜采用从两端向中间同步推进或分段向一个方向分别推进的方式。如因工期等原因必须采用这一拼装方式时，其汇合部位应以一环现浇结构进行衔接，并应做好现浇与预制部位的防水措施。隧道纵向拼装推进时，底板结构应先于上部其他构件先行拼装，并可根据基坑拼装条件，超前完成一定数量环的底板结构，以形成上部结构的拼装作业平台。

3.2.2隧道环向拼装方式      

明挖装配式隧道一般为矩形或拱形结构，可为单层单跨或多层多跨型式，隧道结构的环向拼装应采取“先下后上”的顺序进行，即从下部底板结构开始，逐块、逐层向上顺序进行拼装，类似于“搭积木”的方式；当底板、楼板或顶板等水平结构由多块构件拼装而成时，宜先中部构件就位、后两侧构件拼装。图2为装配式隧道结构拼装步序。

明挖装配式隧道一般为矩形或拱形结构，可为单层单跨或多层多跨型式，隧道结构的环向拼装应采取“先下后上”的顺序进行，即从下部底板结构开始，逐块、逐层向上顺序进行拼装，类似于“搭积木”的方式；当底板、楼板或顶板等水平结构由多块构件拼装而成时，宜先中部构件就位、后两侧构件拼装。

图2为装配式隧道结构拼装步序。

3.2.3内部结构拼装方式

从目前盾构技术的发展情况来看，除了连拱隧道的立柱外，盾构隧道尚不能实现内部结构与衬砌管片的同步拼装。当明挖装配式隧道内部结构采用预制装配式结构时，原则上内部结构应随衬砌结构同步向上、顺序拼装。而当内部结构为现浇混凝土结构或叠合结构时，如果其中的现浇混凝土作业在拼装作业环节插入，会严重影响到拼装施工的节奏和效率，因此现浇作业宜在全部的预制结构拼装完成后进行，但此时应确保在现浇结构施作之前，已拼装完成的装配式结构是一个稳定和安全的承载体系。当内部装配式楼板或墙体需要预留孔洞且尺寸较大时，应在开洞部位按不开洞标准构件的模数设置独立的同体临时支撑，以确保其按标准构件的模式进行拼装，并保证拼装过程中结构体系的稳定性。洞口处现浇混凝土加强环梁的施工，应在全部的预制结构拼装完成后进行，并需在加强环梁浇筑完毕且达到设计强度要求后，再拆除洞口内的临时支撑。图3为装配式中楼板楼扶梯孔洞预留工程实景。

3.2.4内支撑体系下的拼装      

当明挖基坑采用放坡或桩(墙)锚索体系时，基坑内结构装配施工相对简单，但当基坑采用内支撑体系时，装配施工具有一定的挑战性，预制构件的吊装方案、拼装步序的安排、拼装装备的设计等，需要计入内支撑的影响及内支撑拆除时的受力转换要求。

4明挖基坑拼装基面精平技术

4.1基本技术要求      

基坑底面是装配式结构坐落的地基基础，拼装基面的施工精度和强度直接影响到隧道结构的拼装精度及整体稳定性。因此，在底板结构拼装前，需要对基坑底部的垫层结构进行精确的整平处理，精平后的拼装基面除应满足平整度要求外，还应满足受荷后的承载和变形要求。为此，设计应根据地基岩土的类型、底板结构型式和荷载大小，选择适宜的拼装基面形式和处理方法，拼装基面精平方法主要有精平条带法和基面统平法，基本技术要求如下：1)拼装基面结构的设计强度应满足装配式结构拼装施工期间、底板下注浆填充前的承载力和变形要求。2)应严格控制拼装基面的施工精度，基面平整度应满足装配式结构的拼装工艺要求。基面平面定位允许偏差应为±10mm，顶面高程允许偏差应为±5mm；基面平整度允许偏差应为2mm，且表面不应存在局部凸起。3)拼装基面结构施工完成后应进行质量验收，拼装施工前应清除基面的异物，确保清洁。4)如果遇到软弱地基，基面结构施工前应采取措施对地基土进行加固处理。

4.2精平条带法

精平条带是在基坑底面沿纵向设置若干精确整平的混凝土条带，用于支承底板结构平稳坐落于地基上。一般情况下，构件的接头部位或底板两端处应设置精平条带，必要时在构件的中部也可设置若干精平条带。图4为精平条带结构布置。

精平条带法适用于承载能力和抗变形能力较强的地层，如基岩、砂卵石、较硬的黏土和砂土等地基，预制底板结构可为平底板或仰拱形式。精平条带的主要做法及技术要求如下：1)基坑底部初步平整后，在测定的精平条带位置两侧，安装定位型钢进行水平和高程的定位，并利用型钢顶面作为基准，将浇筑在型钢之间的混凝土面抹平，形成条带式拼装基面。必要时，可采用打磨设备磨平条带表面，以满足施工精度要求，如图5所示。

2)精平条带的设置数量、位置、宽度、厚度及混凝土强度等级等设计参数，应根据预制底板结构的型式、结构受力、底板下空隙注浆时机、拼装过程所承受的荷载作用等因素，通过计算确定，并应进行局部地基承载能力和变形的验算。3)精平条带的横向水平定位允许偏差不应大于10mm。4)精平条带的厚度不应小于200mm，混凝土强度等级不应低于C30，必要时可在条带混凝土内设置钢筋。5)精平条带施工完成后，应在各条带之间施作常规混凝土垫层，常规混凝土垫层的顶面高度应低于精平条带表面10～20mm。该空隙应在底板拼装完成后的适当时机，利用预埋注浆管进行注浆填充。图6为精平条带施工现场。

4.3基面统平法      

基面统平法是指将基坑的底面按底板结构的轮廓进行全面整平，形成整体的拼装基面，预制底板结构直接坐落在基面上。一般情况下，基面统平法适用于各类地层条件，尤其适用于平底板结构。当底板结构带有仰拱时，因曲面轮廓的整平工艺复杂、精度控制难，原则上不宜采用基面统平法处理。

为精确和有效地控制基面统平法的整平精度，可采用沿纵向设置若干定位型钢的方法标定混凝土垫层面的高程。基面统平法应严格控制基面的平整度，但无需采用打磨的方法进一步处理表面，只需确保基面的整体平整性，尤其应避免出现局部的凸起，施工前应清理表面杂物。

基面统平法的垫层混凝土强度等级不应低于C20，垫层的厚度不应小于150mm，实际采用的垫层厚度应通过承载能力计算确定。

5拼装定位控制关键技术

明挖施工条件下的装配式隧道结构，拼装施工难度大，对构件的拼装定位精度要求高，施工辅助测量、辅助拼装定位控制措施、线形纠偏及曲线拟合方式是关键，所以在工程设计时应予以充分的考虑，并制定详细的设计方案。

5.1拼装施工辅助测量      

在装配式隧道结构的装配过程中，每一环构件的拼装均需要利用测量系统及时测定构件的拼装位置和已拼装构件的形位。因此，应利用隧道工程所在城市的平面坐标和高程系统，建立地面和地下平面控制网及高程控制网，设计总图中应给出工程现场专用的平面和高程控制点。在拼装施工测量中，应以测定隧道结构的轴线、理论轮廓线和拼装环构件的端面为主。城市轨道交通工程的行车隧道，其轴线平面定位应以线路中心线为基准，高程定位应以轨面标高为基准；其他隧道的轴线平面定位和高程定位基准，需要符合相应行业或国家有关标准和规范的规定。

5.2拼装定位控制措施      

一般情况下，明挖装配式隧道预制构件体量大，尤其是衬砌结构，单个构件的质量基本都在30t以上；在目前已建和在建的装配式车站中，最大构件质量已经超过110t。在施工吊运和拼装过程中，单纯依靠人工定位控制拼装精度，较难达到高精度装配的目标，且拼装过程中构件之间一旦出现磕碰等非预期接触，极易造成混凝土构件的损伤。因此，设计阶段应针对不同的接头连接方式和构造，采取相应的辅助构件定位和防止磕碰损伤的措施。

接头的凹凸榫槽式、球面形或搭接式等构造，能够起到一定的辅助定位作用。但是，这类接头在构造设计时，为了避免接头对接时的硬接触，一般在拼接面的各方位预留一定的空隙量，所以很难直接利用接头的构造条件实现精准定位，尤其当接缝设置了防水密封垫时，精准对接更加重要。因此，有必要在接头拼接面设置能够实现精确定位的专用装置。

长春、青岛和深圳装配式地铁车站的衬砌结构，每个环内和环间接头均设置了若干专用辅助定位装置。该装置被称为导向定位销棒(简称“销棒”)，其形状为纺锤形，芯材为金属材质，表面覆盖尼龙材料，图7为销棒定型产品及接头定位。在拼装时，销棒一端安装并固定在已经拼装就位的构件接头拼接面预留的孔洞内，另一端与待拼装的预制构件的预留孔对接。

“导向”是指拼装就位过程中，销棒能够在构件尚未接触时，提前插入待拼装构件的预留孔内，引导构件下落或平移，并防止构件之间的意外接触和损伤；“定位”是指利用销棒来限制构件拼装的位置，辅助控制就位精度，防止出现过大的错台。有销棒的引导和限位，不需要利用人力来控制，可极大提高拼装的效率和精度。

定位销棒装置设计的关键点如下：

1)预制构件设计时应为定位销棒预留孔洞，孔洞的形状应契合定位销棒的轮廓，并在孔壁与销棒之间预留空隙，空隙量不宜大于0.5mm。

2)当环内接头在拼接过程中需要考虑接头的纵向移动时，则需要在销棒预留孔洞的纵向预留一定长度的移动空隙量。

3)定位销棒应设置在接头的中心区域，榫槽式接头的销棒应设在凹凸榫部位，销棒截面的大小应与接头的构造尺寸相适宜。

4)定位销棒的设置数量应根据预制构件的长度和环宽确定：对于环向连接，每一个构件的环内接头，定位销棒的数量可以是1个或2个；对于纵向连接，每一个构件的环间接头，定位销棒的数量不应少于2个。

对于隧道的内部结构，一般构件体量较小，且无防水要求，可不设置定位销棒装置。预制构件拼装时，除了利用接头构造进行辅助定位外，尚可利用接头的螺栓锁紧装置辅助定位。当隧道采用叠合结构时，应根据设计要求或施工方案设置临时支撑，通过临时支撑对预制构件进行辅助定位，并在后浇混凝土强度达到设计要求后，方可拆除临时支撑[6]。

5.3曲线隧道拟合方法      

根据隧道工程的使用目的和建设条件，建议明挖装配式隧道尽量设置在直线上。当隧道位于曲线地段时，拟合曲线的方式主要有两类，一类是“楔形构件 等宽缝”方式，另一类是“等宽构件 楔形缝”方式，如图8所示。

对于楔形构件或楔形缝，需要根据隧道断面的总宽度或总高度、水平曲线或竖向曲线最小半径及预制构件的环宽等设计参数来计算楔形量。拟合后的隧道中心线与理论隧道中心线之间的偏差应控制在一定的限值内，参考现行国家标准《盾构隧道工程设计标准》(GB/T51438—2021)的规定，误差不应大于20mm[12]。

5.3.1“楔形构件 等宽缝”拟合方式      

盾构隧道基本上采用“楔形构件 等宽缝”的方式来拟合线路曲线，并利用楔形构件进行纠偏，这一类方式同样适用于明挖装配式隧道。

“楔形构件 等宽缝”方式，按隧道设计最小曲线半径计算理论最大楔形量(Δ)，据此设计左楔和右楔两种楔形构件，采用左、右楔构件的不同组合来拟合直线和不同半径的曲线线形。

对于平面曲线隧道，可通过设置水平楔形构件(左楔或右楔)拟合曲线，组合型式可选择以下两种方式：

1)等宽构件 左楔(或右楔)的组合方式。直线段采用等宽构件；通过调整等宽构件和水平楔形构件的配置比例，拟合不同的平面曲线半径。

2)全部采用左楔 右楔的组合方式。通过1︰1的左楔和右楔配置比例，拟合直线；通过调整左楔和右楔的配置比例，拟合不同的平面曲线半径。其中，采用单一的左楔构件或单一的右楔构件，分别拟合不同方向的设计最小半径的平面曲线。

对于竖曲线隧道，可通过设置竖向楔形构件(上楔或下楔)拟合曲线。组合型式同样可选择等宽构件 上楔(或下楔)的组合方式，或全部采用上楔 下楔的组合方式，规则同平面曲线隧道。

全国首座明挖装配式公路隧道——重庆新森大道项目，为双线双洞城市主干路隧道，装配段隧道包含了平面直线、平面曲线及竖曲线等线路条件，隧道衬砌全部采用楔形预制构件，通过左楔 右楔的不同组合方式分别拟合直线及各种不同半径的曲线，大幅度减少了模具类型，节约了成本。目前隧道装配施工已过半，进展顺利。

5.3.2“等宽构件 楔形缝”拟合方式      

“等宽构件 楔形缝”，全环采用等宽构件，再通过拼装过程中调整隧道内、外弧的环缝宽度来实现曲线的拟合；曲线段形成的环缝为楔形缝，最大缝宽应满足接缝防水性能的要求，而最小缝宽为施工所能实现的最小缝宽值。由于楔形缝宽度的拼装控制及精度要求很高，施工具有一定的挑战性。当隧道的曲线半径较大时，若能够通过调整隧道的环缝宽度实现曲线拟合，则可选择这种方式拟合曲线。“等宽构件 楔形缝”所能适应的最小曲线半径，对应于最大缝宽和最小缝宽组合而成的楔形接缝。长春地铁装配式车站确定的设计最大接缝宽度控制限值为7mm、最小环缝宽度为3mm，即以外弧最大缝宽(δmax)取7mm、内弧最小缝宽(δmin)取3mm为基础的楔形缝，按总宽度3、6及20m的隧道，计算其分别所能适应的最小曲线半径，如表1所示。

从初步计算结果可以看出：当隧道总宽度小于3m时，隧道可采用楔形缝拟合的最小曲线半径为1125m；隧道总宽度为3～6m时，可拟合的最小曲线半径为1125～3000m。也就是说，对于断面较小的隧道，通过楔形缝拟合曲线的方式，在实际工程中具有一定的应用价值，尤其比较适用于拟合曲线半径较大的竖曲线。

当隧道断面较大时，可以拟合的最小曲线半径需要达到7500m以上，这种情况在实际工程中较少遇到。对于地铁车站，总宽度基本大于20m，往往有个别车站局部进入缓和曲线范围，当进入的缓和曲线半径足够大时，则可以利用直线段的标准环，通过楔形缝拟合缓和曲线。

5.3.3急转弯、折角隧道或坡面隧道      

除了行车隧道工程外，很多的市政工程隧道，如电力、热力、给排水以及人行通道等工程，经常出现隧道急转弯或折角结构。就明挖装配式隧道而言，对于这种急转弯或折角的异形结构，标准化程度不高，制作预制构件不经济，最好选择采用现浇混凝土结构过渡。大量的隧道工程，还常需要设置在坡面上，根据使用性质不同，坡率大小差别较大。对于设置在坡面上的明挖隧道，则可以采用第三类组合方式进行设计，即“等宽构件 等宽缝”，通过结构横断面构造措施和接头构造措施，拟合不同的坡率。这类结构需要在构造方面进行精细化设计，对于拟合后的隧道结构及接头结构，在满足结构受力及接缝防水性能要求的同时，还需要满足拼装工艺的要求。

6拼装接缝的张拉锁紧措施      

采用干式连接工艺的装配式隧道结构，接头接缝在构件拼装后需要通过构件自重作用或施加外力进行压紧，并给予锁定，以保持构件的正确姿态，满足结构的整体性、稳定性、承载性能和接缝防水要求。拼装张拉锁紧方案需要根据结构型式、接头结构受力、接缝防水性能及施工工艺等要求确定，设计方案应有利于实现装配式结构的快速施工，不宜过于复杂而影响施工效率。可选择的张拉锁紧方式主要有预应力钢棒张拉锁紧方式和螺栓锁紧方式。

日本曾在盾构隧道管片中采用过预埋铁件销插式锁紧方式[5]，如图9所示。这种方式可以施加较大的初期紧固力，对提高接头的抗弯刚度有一定的帮助，并可抵抗一定的拉力和剪力作用。但是，预埋铁件销插式对构件制作和拼装精度的控制要求非常严格，且对拼装误差的适应性较差，尤其对于明挖条件超大型构件的拼装，在张拉荷载有限的情况下，极易出现H型铁件不能完全插入、接缝无法实现锁定至预期宽度等问题，同时也不够经济，因此不建议采用。

6.1隧道结构张拉锁紧方案设计      

设计明挖装配式隧道结构时，需要制定详细的结构拼装和张拉锁紧方案，在预制构件设计和生产时予以落实，并用于指导拼装施工。长春、青岛和深圳地铁的装配式车站，虽然其结构型式略有不同，但结构体系和连接方式基本相同，并采用了相同的张拉锁紧方案。

长春地铁装配式车站，衬砌标准结构环由7块预制构件拼装而成。其中，底板结构由3块构件组成，设置了环向预应力张拉锁紧装置；而侧墙与底板之间、拱顶与侧墙之间、拱顶与拱顶之间，均在接头拼接后，通过构件自重作用实现接缝压紧，并设置了外置螺栓连接装置。环与环之间，则在纵向实施接力式预应力张拉锁紧。

青岛和深圳装配式车站，其衬砌结构分别由5块和4块预制构件组成，即底板均采用1块整体构件，因此，衬砌结构的环内接头在自重作用压紧后，仅设置了外置螺栓连接装置，而纵向张拉与长春地铁方式一致。青岛和深圳装配式车站的内部结构也采用了预制装配结构，内部结构的环向和纵向基本均采用螺栓连接。

6.1.1衬砌结构的环向张拉锁紧      

当装配式隧道衬砌的顶板或底板等水平构件为分块拼装式结构时，则需要设置环向预应力张拉装置，对环内接头接缝进行张拉锁紧，并保持接头以一定的载荷压紧，以满足接头受力和接缝防水要求。

当衬砌结构可以通过构件自重作用压紧接头接缝时，可不设置预应力张拉装置，但建议设置螺栓锁紧装置，以辅助锁紧及保持结构的稳定性。

6.1.2衬砌结构的纵向张拉锁紧

对于整环管节式或环向分块拼装式衬砌结构，环与环之间均需要采取纵向预应力张拉措施对环缝进行锁紧。纵向张拉以固定支架端的首环结构为起点，沿基坑纵向，依次向另一端逐环进行接力式预应力张拉；通过首环结构端部进行永久锁定，并保持接头以一定的载荷压紧，以满足接头受力和接缝防水的要求。

首环结构端设置的张拉固定支架，宜采用可拆卸的型钢组合结构，首环结构与固定支架需要通过张拉锁紧装置进行临时固定，固定支架拆卸后不影响装配结构纵向的永久锁定。张拉固定支架的制作精度需要得到严格控制，与首环结构接触端面的整体平整度应控制在0～5mm，与预制构件张拉锁紧装置连接节点的孔位偏差应控制在0～5mm。

6.1.3内部结构的张拉锁紧      

对于预制装配式内部结构，由于构件体量较小，且接缝无需考虑防水要求，水平向的张拉锁紧宜采用螺栓锁紧方式；竖直向则应通过结构自重压紧，并宜采用螺栓辅助锁紧。

6.1.4叠合结构的张拉锁紧      

当衬砌结构或者内部结构采用叠合结构时，如果叠合结构的预制构件采用干式连接工艺，则需要根据叠合后整体式结构的承载和变形控制要求，以及防水性能要求，确定接缝适宜的张拉锁紧措施，或不采取张拉锁紧措施。如果叠合结构的预制构件采用湿式连接工艺，就无需考虑拼装接缝的张拉锁紧问题。

6.2预应力钢棒张拉锁紧设计      

6.2.1预应力钢棒张拉锁紧方式及构造

预应力钢棒张拉锁紧方式，一般适用于隧道衬砌结构的环向张拉锁紧及纵向张拉锁紧，必要时内部结构亦可选择采用。

首先在预制构件内通过预埋塑料管或钢管或钢波纹管的方式预留张拉孔洞，预应力钢棒宜采用精扎螺纹钢，并通过空心千斤顶施加预应力，图10为预应力钢棒张拉锁紧方式及构造。预应力张拉锁紧点的布置及张拉荷载的大小，应考虑预制构件的形状、接缝端面上防水密封垫或注浆隔离密封垫的布置、密封垫的弹性反力特性、构件张拉过程中各接触面的摩阻力以及接缝宽度目标要求等因素进行综合设计。

6.2.2构件预应力张拉点的布置      

预应力张拉主要应克服布置于接头拼接面上的弹性橡胶密封垫的反力，因此构件上的张拉点布置应与密封垫的布置相适应，确保由各张拉点所形成的压紧荷载能够对接缝宽度实施有效控制。

张拉点的布置应遵循下列基本要求：

1)预应力张拉点应沿构件拼接面的长度方向匀称布置，各张拉点之间的间距大小宜按各张拉点所承担的密封垫弹性反力基本相同来分配。

2)当接头拼接面的厚度较小、仅需设置一排张拉点时，张拉点的位置宜设置于接缝两侧的密封垫之间，并宜基本居中。

3)当接头拼接面的厚度较大、需要设置两排张拉点时，张拉点宜靠近两侧的密封垫分散设置，但张拉点与密封垫之间的间距不应小于100mm。

4)当接头拼接面仅设置单道密封垫且密封垫位于接缝中央位置的附近时，张拉点可间隔分布在密封垫的内外两侧；当单道密封垫设置于接缝边缘附近时，宜在接头拼接面密封垫对称的位置粘贴辅助弹性垫片，此时张拉点宜设置于密封垫与垫片之间靠近中部的位置。

5)当预制构件为闭腔薄壁结构时，张拉孔应避开内部空腔设置于构件实心部位；当预制构件为肋板结构时，张拉孔应设置于构件的肋板内；对于整环管节式结构，纵向张拉点应沿结构环周边均匀、对称布置。

6.2.3预应力张拉荷载控制方法      

预应力张拉荷载的大小与张拉点的分布位置、弹性反力密封垫的分布及变形特征、接缝宽度等多因素相关，且这些因素在张拉时均在动态变化，导致为每一个张拉点进行精确的荷载分配十分复杂。

最理想的拼装张拉状态，是张拉过程中接头之间的两个拼接面始终能够保持平行，整个拼接面的接缝宽度均保持一致。在这种情况下，各张拉点荷载的整体作用形心与密封垫弹性反力的合力形心基本重合，张拉荷载和密封垫弹性反力恰好达到平衡稳定。但实际上，张拉和加载是一个动态过程，很难达到这种理想状态，每一时刻均处在两个拼接面由不平行向平行不断调整的过程中，为此需要有针对性地制定一种动态张拉和动态调整的策略。

在利用测量手段掌握每一个张拉点接缝宽度的情况下，通过计算密封垫的压缩量，能够计算出该点密封垫的弹性反力，并求得整个密封垫的反力及其合力的形心。该形心在接头两个拼接面平行的情况下，与密封垫的物理形心是重合的；但当接头两个拼接面不平行时，反力形心会偏离物理形心。通过调整各张拉点荷载的大小，使张拉荷载的合力作用形心位于以物理形心为基点、与反力形心相对称的位置，即可调整接缝宽度，将反力形心向物理形心移动，不断逼近理想的拼接面平行状态，这称为“形心跟踪法”[14-15]。利用该方法，结合计算机辅助快速分析，能够很方便地确定各张拉点下一步的动态张拉荷载值，并通过不断调整，快速将构件拼装和接缝压紧，并满足设计要求。在进行预应力张拉荷载设计时，应注意以下问题：1)每一个张拉点的最大设计张拉荷载，应取整个构件接缝被压缩至最小设计接缝宽度时对应的计算荷载，并乘1.2的安全系数。在实际张拉时，应根据接缝宽度动态，设定各张拉点的实时张拉荷载；2)构件张拉过程中，各接触面的摩阻力应根据接触材料的静摩擦系数和接触关系确定；3)构件张拉应采取多点协同、同步张拉锁紧方式，保持构件接缝基本同步、均匀压紧，并有效控制目标接缝张开量。

6.3螺栓锁紧设计      

螺栓锁紧方式可用于隧道衬砌结构和内部结构的所有接头，螺栓可设置于构件内部，也可设置于接头外专门的凸台内，称为外置螺栓，如图11所示。

目前，盾构隧道管片的环内接头和环间接头大多数采用内置螺栓锁紧方式，主要类型有弯螺栓、直螺栓、斜直螺栓，或不同形式的组合螺栓[5]。盾构隧道所采用的螺栓连接形式，基本都适用于明挖装配式隧道结构的连接和锁紧。明挖装配式隧道结构的螺栓锁紧装置，应根据接头结构的构造、受力特性、拼装工艺等因素进行合理设计。

1)当螺栓内置时，应避开预制构件的空腔区域和接头凹凸榫槽部位，并避免手孔过大对构件截面的削弱。一般情况下，直螺栓手孔较大，对构件截面的削弱较大；弯螺栓较直螺栓用料多，施工时穿孔难度较大；斜螺栓用钢少，手孔小，对截面削弱较小，受力合理；组合螺栓采用2直、2弯或1弯1直的两根螺栓相组合，可提高接头抗弯刚度，但设计时需要注意，过于刚性的连接不适用于预计会有较大不均匀沉降或地震的多发地带[5]。

2)外置螺栓一般情况下多采用直螺栓，可根据接头受力和构造特点及施工工艺要求，在接头一侧设置，也可在两侧同时设置，或多点位设置。当螺栓设在接头受拉区一侧时，宜在接头构造允许范围内将螺栓设置在远离中心轴的位置，并宜明确主动荷载值；当螺栓设置在接头受压区一侧时，宜在接头构造允许范围内将螺栓设置在距离中心轴较近的位置，并宜避免施加过大的紧固力。

7底板下注浆及拼装支顶限位措施      

盾构隧道管片拼装完成后，需要多次及时对衬砌壁后的空隙进行注浆填充，以确保结构和地层的稳定性。明挖装配式隧道结构也不例外，由于明挖条件下的拼装工艺特点，底板下将留有一定量的空隙，侧墙外侧也存在一定宽度的基坑肥槽空间，拼装过程中则需要及时采取相应的板下注浆和支顶限位措施。

7.1底板下空隙填充注浆措施      

预制底板结构或整环管节式结构，在精平条带基面或统平基面上拼装就位后，底板与基面之间均或多或少地留有空隙，需要及时对空隙进行填充，以使底板结构与承载基面充分密接，避免底板结构出现明显的应力集中区，并将上部载荷均匀有效地传递至地基上。底板下空隙填充宜采用注浆措施实现，设计需要在基底拼装基面垫层中预留相应的注浆管。注浆应分段进行，每个分段的长度不宜大于10m。注浆时需要遵循由低向高、由前向后、由中部向两侧的原则进行推进，注浆压力宜适当，注浆速度宜均匀缓慢，注浆后需要保证底板下空隙填充均匀密实。

7.2拼装支顶限位措施

当明挖装配式隧道为环向分块拼装式结构时，为保证拼装过程中各构件和结构体系的稳定性，并控制结构自重作用下的错位和变形，除应对接缝进行张拉锁紧外，还应根据结构型式，在衬砌结构的关键部位采取相应的支顶限位措施。图12为支顶限位装置的设置。

衬砌结构拼装就位时，需要同步在基坑肥槽内的底板两端、侧墙顶部、楼板两端、顶板两端或拱脚等部位，设置支顶限位装置，防止构件发生非预期的位移或变形。对于内支撑体系下的基坑，在内支撑拆除时，如果需要利用已拼装完成的结构进行受力转换，则应在基坑肥槽内设置能起到接续撑作用的支顶限位装置，以保证拼装阶段基坑支护结构及装配式结构体系的稳定性。

支顶限位装置的设计应符合下列规定：

1)支顶限位装置建议采用钢结构或钢结构复合现浇混凝土制作，其结构构造应能够施加预加轴力，一端与衬砌结构可靠连接，另一端与基坑支护结构可靠连接，连接方式应有利于实现装配式结构的快速拼装。

2)支顶限位装置应满足施工期间的承载力和变形控制要求，并满足受压和受拉两种受力工况的作用。

3)支顶限位装置的设置位置，应根据结构受力和变形控制的需要确定，宜设于结构水平构件同高度的位置，或需要承受拱脚水平推力的关键部位，并应在结构两侧水平方向的基坑肥槽内对称设置。

4)设置于拱脚部位的限位装置，应施加预加轴力，预加轴力值应与拱顶结构自重作用下的拱脚水平推力相当，支顶后应保持拱脚的水平位置与理论位置一致。

5)设置于水平顶板或楼板结构处、用于基坑接续撑作用的限位装置，其刚度宜与所替代的原有钢支撑相匹配，并根据受力转换状况施加一定量的预加轴力。

6)底板结构处的水平限位措施，宜利用基坑侧向肥槽的结硬性回填结构来实现。

7)设置于基坑肥槽内的限位装置，应随着肥槽的回填，永久保留在基坑内，不应拆除。

8主要结论      

作为明挖施工条件下的预制装配式隧道结构，拼装是施工中最重要的环节，直接关系到工程建设的质量、工期和安全，工程设计阶段应对拼装进行详细的规划和设计。主要拼装设计方法和关键技术总结如下：

1)隧道结构拼装应以首环固定端为起点，沿纵向往一个方向推进，整体遵循“先下后上”，逐块、逐层向上的拼装原则；隧道结构的环缝一般应设置为通缝，纵缝可采用通缝，也可采用错缝。

2)应根据地基条件和底板结构型式，进行基坑底部基面的精细化整平处理，可选择的方法有精平条带法或基面统平法。

3)隧道衬砌结构宜在预制构件接头拼接面处设置一定数量的导向定位装置，辅助构件精确定位，并有效控制结构表面错台量。4)明挖装配式隧道宜设置在直线上，当隧道位于曲线地段时，可采用“楔形构件 等宽缝”或“等宽构件 楔形缝”的方式拟合曲线，但楔形缝的最大缝宽应满足接缝防水性能要求，最小缝宽为施工所能实现的最小缝宽值。5)结构拼装纵向和环向张拉锁紧主要有预应力钢棒张拉锁紧方式和螺栓锁紧方式，预埋铁件销插式不建议在明挖装配式隧道衬砌结构中使用。6)构件预应力张拉锁紧宜采用“形心跟踪法”，并应多点协同、同步张拉锁紧，保持接缝基本同步均匀压紧，有效控制接缝的目标张开量。7)针对底板及其上部结构在拼装过程中的受力和稳定性要求，及时对预制底板下空隙采取注浆填充措施，及时在侧墙和拱脚等关键部位采取支顶限位措施。

参考文献