地下工程预制技术应用现状及预制衬砌关键技术研究

      随着经济发展，我国对地下工程建设需求越来越大。现场浇筑依旧是地下工程中最常用的施工方法，但该方法对人员健康、安全保障、施工效率和工程质量等都存在不利影响。工程实践证明这些问题能够随着预制装配化技术的应用而得到改善和解决，而且预制装配化带来的经济、社会效益相当可观，国家也大力推动装配式结构的发展。预制装配式结构已在明挖隧道、地铁站台、预制管廊等工程中应用，但暗挖工程采用预制技术的例子很少见，特别是矿山法隧道。本文介绍了预制技术在地下工程中的应用情况，并针对矿山法隧道的预制衬砌关键技术开展研究。

●地下工程预制技术应用现状

明挖隧道的应用

明挖隧道的施工空间大、运输拼装难度相对较小，为预制衬砌的应用提供了条件。日本在明挖隧道的预制装配技术方面的研究和应用较早，奈良县、群马县等多地采用过装配式衬砌进行隧道修筑，隧道拱顶和边墙为预制构件、底部的中间位置为现场浇筑，该工法被称为“HK工法”，见图1。

日本类似“HK工法”的 “PC-ATM工法”，将两个弧形预制混凝土构件装配形成隧道的衬砌，该构造形式能有效抵抗不平衡土压力，可应用于明挖的公路隧道，水路隧道，涵洞等工程中。“PC-ATM工法”隧道现场架设见图2。装配式衬砌极大简化了隧道衬砌施工步骤，兼顾经济性和结构可靠性。

地铁站台的应用

      近年，我国建设了装配式地铁车站，长春地铁车站采用标准化预制结构，顶板覆土厚度一般约为4~5 m，车站主体为七分块，纵向宽度2 m，最重的预制构件最达54.3 t，地铁车站示意图见 图3 ；构件间由预制钢棒张拉固定，采用通缝拼装方式；构件间的连接根据拼装和受力情况，采用合适的榫槽，装配后接缝注浆形成牢固的整体。

地下综合管廊的应用

      我国地下综合管廊通常采用现浇明挖施工，为提升工程质量、缩短工期、减少城市拥堵，预制装配技术被运用于地下管廊工程。我国建设上海世博会装配式管廊后，还开发了分块预制装配式、顶板预制装配式、叠合装配式和钢波纹管式等预制管廊。预制管廊示意图见图4。

暗挖隧道的应用

暗挖隧道具有内部空间狭小、精度控制难度大、施工工序交叉等缺点，故预制装配结构在一般暗挖隧道中研究和应用较少，特别是矿山法隧道。意大利A1高速公路的Montedomini隧道采用预切槽法，在不中断交通情况下进行扩建，为减少施工对隧道内车辆的影响，在原隧道道路上方安装预制钢筋混凝土箱体护罩，将施工区和原隧道公路相分隔，隧道扩容断面见图5。

      为达到快速施工的要求，扩挖后利用预切槽装备将构件精确定位、拼装。该隧道跨径达19.55 m，预制衬砌的设计不同于一般盾构管片，其拱墙和拱脚厚度渐变，保证隧道整体的结构安全性。

盾构隧道的应用

      预制装配技术在盾构隧道中得到广泛应用，形成了其独立的管片设计、机械装备、标准施工成套技术体系，国内外学者在衬砌设计，接头构造、装配机械、施工方法等方面也有大量研究和工程应用。目前，盾构隧道中有类似的“矿山法开挖、盾构法装配衬砌”的施工方法，是针对不良地质特别是硬岩条件下，隧道采用矿山法施工，盾构空推过隧道，同时拼装机械用盾构管片进行支护。盾构隧道轮廓最常采用的是空间利用率较低的圆形轮廓。近些年矩形隧道也被应用于城市地下路等空间利用率要求高的工程中，还开发出了马蹄形盾构隧道，其马蹄形轮廓结合了圆形和矩形轮廓优点，提高了空间利用率，并且比矩形隧道结构形式稳定，特别是大断面隧道中有很大优势，见图6。

●矿山法公路隧道预制衬砌关键技术研究

接头选型和计算模型研究

      理论和工程实践证明接头的存在不仅关系到结构整体稳定性，还影响到构件尺寸设计、运输安装难度、防水等各方面，为确定适合山岭公路隧道装配式衬砌的接头结构形式和连接方式，需将多种接头技术进行比较研究，包括盾构隧道管片接头、 现浇刚性连接接头、装配式车站的榫槽接头、建筑中的套筒连接等。考虑现场施工难度、机械运输拼装能力，设计最合适的接头形式和连接方式。

接头设计需要按照截面内力计算方式进行。国内外装配式衬砌的设计方法包括惯用法、修正惯用法、多铰环法与梁-弹簧模型法等，梁-弹簧模型能够模拟圆形甚至异形轮廓衬砌，也适用于马蹄形隧道，较好的反映装配式衬砌的受力状态，见图7。将预制衬砌环简化成梁，用转动和剪切弹簧来模拟接头作用，地基弹簧模拟地层与管片间的相互作用。

防水研究

矿山法隧道依旧采用复合式衬砌结构，综合考虑衬砌自防水、外防水以及接缝防水等，采取相适应的防水措施。构件自防水，不仅需要提高构件自身抗渗能力，还要考虑构件设计、制作及安装等方面进行防水研究；外防水，壁后注浆密实，消除空隙和空洞；结构整体防水性能最终还是聚集在接头防水能力上。装配式结构接缝很多，必须形成系统可靠的防水设计。接缝防水，构件间设置一道或多道密封垫和嵌缝防水，甚至是接缝注浆密封防水。

结构分块方案研究

      本文以单洞二车道公路隧道作为研究对象，结构方案的设计综合考虑衬砌的受力、制造及运输安装等方面因素。参考盾构隧道设计经验，结合矿山法隧道设计施工特点进行分块方案。采用0.5 m厚C50钢筋混凝土预制衬砌，分块形式为8分块，见图8，分块方案参数见表1。

模型建立

结构设计模型采用荷载-结构模型，力学计算模型采用梁-弹簧模型。取一环衬砌作为分析对象，预制块间连接采用弹簧，地基弹簧（仅受压）模拟围岩与衬砌间的相互作用，衬砌用梁单元来模拟。为使计算具有代表性，选取深埋V级围岩状况。对比三种分块方案，通过受力变形及经济等对比分析，选择最适合山岭公路隧道的分块设计，围岩和衬砌物理力学参数见表2和表3。

计算结果与分析

衬砌的内力及最大变形量计算结果见表4。

公路隧道预制衬砌构件划分方案的优劣必须从多方面综合考虑。方案二的变形量最小，对比3种方案的内力情况，拱脚位置的弯矩始终最大，安全系数最小的部位都在拱脚部位，最小安全系数分别为3.06、2.70、3.76，均高于规范阈值，随着分块位置的改变，拱顶、拱肩、拱腰及仰拱部位的弯矩变化幅度较大，证明：①接头位置对于结构变形和受力有较大影响；②拱脚是预制衬砌受力最薄弱部位；③接头位置对结构安全性影响大，需避开拱脚、拱顶等受力薄弱点，改善结构受力情况。

总体来讲，方案三结构安全性优于方案一和方案二，所需预制衬砌模板数量最少，这种仰拱拱圈 分离式衬砌更符合矿山法隧道施工特点，能够更便捷地定位安装下部仰拱，再向上拼装拱圈衬砌，减小施工难度，最终采用分块方案三。鉴于拱脚安全系数偏低，采取改变拱脚结构形式、提高配筋率等手段优化，将方案三进行结构优化：仰拱采用扩大基础，便于定位和拼装，改善结构受力；仰拱上提供行车路面板，能够快速承载，省略了仰拱浇筑和仰拱回填工序；仰拱回填层采用中空设计，减少混凝土用料，减轻预制衬砌重量，提供过水空间。结构分块见图10，1∶30结构分块的实物模型见图11。

●结论

预制装配技术的应用集中在明挖工程、盾构隧道中，在矿山法公路隧道中的研究还处在初步阶段。本文对预制衬砌结构关键技术开展研究，提出矿山法公路隧道预制衬砌结构分块方案，对不同分块方案衬砌结构的内力和变形做了比较，优化后的分块方案结构合理，能够适应矿山法公路隧道施工特点。目前，发展预制衬砌结构、提高构件预制化水平，提升隧道机械化程度是未来地下工程发展趋势，目前业内仍缺乏相关规范，还需要进一步完善装配式衬砌标准化的研究，开展防水耐火抗震研究、施工技术研究和专用机械设备研发等。