预制装配技术在地下工程中的应用研究 郝理,林志,谭忠 (重庆交通大学,重庆,400074) 要:随着城市建设和地下空间的开发,为提高隧道及地下结构物的质量、降低工程造价 国内外都进行了地下工程预制装配化的尝试。本文系统介绍了预制装配技术在明挖隧道、暗挖隧 道、地下综合管廊、明挖地铁车站、盾构隧道等地下工程中的应用,并针对基于新奥法开挖的山 岭公路隧道的预制装配技术进行研究,提出一种全预制装配式衬砌分块方案并采用梁-弹簧模型 对该方案进行模拟。 关镳词:隧道及地下工程;公路隧道;预制装配结构;梁-弹簧模型 中图分类号:U45 Application Research of Prefabrication Technology in Underground engineering Hao Li, Lin Zhi, Tan Zhong (Chongqing Jiaotong University, Chongqing, 400074) Abstract: With the development of urban construction and underground space, in order to improve the quality of tunnels and underground structures and reduce the construction cost attempts have been made to prefabricate the underground engineering at home and abroad This paper systematically introduces the application of prefabrication technology in underground works such as open cut tunnel, undercut tunnel, underground integrated pipe gallery, open cut subway station, shield tunnel, etc, and prefabrication of mountain road tunnel based on new Austrian method excavation. The assembly technology was studied, and a full prefabricated lining block scheme was proposed and the beam-spring model was used to simulate the scheme key words: tunnel and underground engineering; highway tunnel; prefabricated structure; beam-spring model 、引言 预制装配技术最开始用于房屋建筑,取得了极佳的工程效果,由于其具有质量上乘,建 基金项目:重庆市高校创新团队项目“山区隧道风险防控创新团队”( CXTDX201601024) 山岭公路隧道装配式衬砌结构建造技术硏究项目 通讯作者:郝理(1995-),622170970134@mails.cqjtu.edu.cn (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
预制装配技术在地下工程中的应用研究1 郝理，林志,谭忠 （重庆交通大学，重庆，400074） 摘 要： 随着城市建设和地下空间的开发，为提高隧道及地下结构物的质量、降低工程造价， 国内外都进行了地下工程预制装配化的尝试。本文系统介绍了预制装配技术在明挖隧道、暗挖隧 道、地下综合管廊、明挖地铁车站、盾构隧道等地下工程中的应用，并针对基于新奥法开挖的山 岭公路隧道的预制装配技术进行研究，提出一种全预制装配式衬砌分块方案并采用梁-弹簧模型 对该方案进行模拟。 关键词： 隧道及地下工程；公路隧道；预制装配结构；梁-弹簧模型 中图分类号：U45 Application Research of Prefabrication Technology in Underground Engineering Hao Li, Lin Zhi, Tan Zhong (Chongqing Jiaotong University, Chongqing, 400074) Abstract: With the development of urban construction and underground space, in order to improve the quality of tunnels and underground structures and reduce the construction cost, attempts have been made to prefabricate the underground engineering at home and abroad. This paper systematically introduces the application of prefabrication technology in underground works such as open cut tunnel, undercut tunnel, underground integrated pipe gallery, open cut subway station, shield tunnel, etc., and prefabrication of mountain road tunnel based on new Austrian method excavation. The assembly technology was studied, and a full prefabricated lining block scheme was proposed and the beam-spring model was used to simulate the scheme. key words: tunnel and underground engineering; highway tunnel; prefabricated structure; beam-spring model 一、引言 预制装配技术最开始用于房屋建筑，取得了极佳的工程效果，由于其具有质量上乘，建 基金项目：重庆市高校创新团队项目 “山区隧道风险防控创新团队”（CXTDX201601024）， 山岭公路隧道装配式衬砌结构建造技术研究项目 通讯作者：郝理（1995-），622170970134@mails.cqjtu.edu.cn
造速度快,对周边影响小,对施工人员的技术依赖小,受气候温度影响小等优点,各国专家 又将其应用于地下工程。发展至今,预制装配结构在盾构隧道上的应用已经较为成熟,国外 在明挖隧道和明挖地铁站台等方面的应用也有一定的成果,但国内在一般隧道工程的预制装 配技术的相关硏究和建设实例较少,特别是基于新奥法法开挖的公路隧道。目前我国公路隧 道衬砌大都采用现场浇筑施做,现场工序繁多,施工环境恶劣,对人员健康、安全保障、施 工效率和工程质量存在不利影响,已运营的公路隧道中出现不同程度的支护和衬砌过早开裂、 早期劣化、渗漏水严重等工程问题,发展预制装配技术是解决上述问题的关键。本文介绍了 预制装配技术在地下工程中的应用情况,并针对山岭公路隧道的装配式衬砌进行分块研究和 模拟计算 、地下结构预制装配技术主要应用 (一)明挖隧道预制装配技术应用 装配式衬砌结构在日本明挖隧道中有大量工程应用,由于明挖隧道施工空间大,大型机 楲都能进场,采用装配式衬砌结构能够在隧道建设期间取消支撑的搭建和减少模板台车的使 用,施工速度大大提升。内轮廓为公路隧道轮廓,结构分块为三分块或四分块,底部的行车 区为现浇结构,其余衬砌结构为预制拼装结构,接头部位特殊处理形成刚性连接凹。设计了 1实验模型,通过荷载实验,验证了该结构分块方案的安全性和接头稳定性,并通过三点 偏压加载形式验证了该结构能够抵抗地震中不均匀受载以及偏压受载能力。预制结构从设计 到施工采用标准化流程,设计根据隧道跨度进行三分块或四分块的标准化设计,砌块在工厂 进行标准化生产严格保证构件合格率,现场标准化施工减少对工人施工水平的依赖,提高机 械化水平。装配式衬砌现场架设见图1。 图1装配式衬砌现场架设图 (二)地下综合管廊预制装配技术应用 地下综合管廊用于集中敷设电力、通信、给排水、燃气等管线,可以说是保证城市正常 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
造速度快，对周边影响小，对施工人员的技术依赖小，受气候温度影响小等优点，各国专家 又将其应用于地下工程。发展至今，预制装配结构在盾构隧道上的应用已经较为成熟，国外 在明挖隧道和明挖地铁站台等方面的应用也有一定的成果，但国内在一般隧道工程的预制装 配技术的相关研究和建设实例较少，特别是基于新奥法法开挖的公路隧道。目前我国公路隧 道衬砌大都采用现场浇筑施做，现场工序繁多，施工环境恶劣，对人员健康、安全保障、施 工效率和工程质量存在不利影响，已运营的公路隧道中出现不同程度的支护和衬砌过早开裂、 早期劣化、渗漏水严重等工程问题，发展预制装配技术是解决上述问题的关键。本文介绍了 预制装配技术在地下工程中的应用情况，并针对山岭公路隧道的装配式衬砌进行分块研究和 模拟计算。 二、地下结构预制装配技术主要应用 （一）明挖隧道预制装配技术应用 装配式衬砌结构在日本明挖隧道中有大量工程应用，由于明挖隧道施工空间大，大型机 械都能进场，采用装配式衬砌结构能够在隧道建设期间取消支撑的搭建和减少模板台车的使 用，施工速度大大提升。内轮廓为公路隧道轮廓，结构分块为三分块或四分块，底部的行车 区为现浇结构，其余衬砌结构为预制拼装结构，接头部位特殊处理形成刚性连接[1]。设计了 1：1实验模型，通过荷载实验，验证了该结构分块方案的安全性和接头稳定性，并通过三点 偏压加载形式验证了该结构能够抵抗地震中不均匀受载以及偏压受载能力。预制结构从设计 到施工采用标准化流程，设计根据隧道跨度进行三分块或四分块的标准化设计，砌块在工厂 进行标准化生产严格保证构件合格率，现场标准化施工减少对工人施工水平的依赖，提高机 械化水平。装配式衬砌现场架设见图1。 图1 装配式衬砌现场架设图 （二）地下综合管廊预制装配技术应用 地下综合管廊用于集中敷设电力、通信、给排水、燃气等管线，可以说是保证城市正常
运转的动脉,现场浇筑的弊端很明显,不太适合拥挤的城区建设,2014年后,我国加大对 地下管廊的建设和投入,预制装配式地下管廊应运而生。预制装配式综合管廊具有质量保证 率高、建设工期短、对环境污染小等优点,具有广阔的应用前景。装配式地下管廊2在日本 应用较早,上海世博综合管廊是我国建设的第一个装配式综合管廊,尺寸为3300×3800mm 每个节段长度为2m,为节段式单仓矩形预制管廊。之后还发展了分块预制装配式、顶板预 制装配式、叠合装配式和钢波纹管式等装配式管廊。图2为预制管廊示意图 图2预制管廊示意图 (三)明挖地铁车站预制装配技术应用 俄罗斯在装配式地铁车站的开发和应用较早,在上世纪八十年代就将预制装配技术运 用在明挖地铁车站中时。断面构造如图3所式,车站主体是由12个预制构件装配而成,其厚 度为70cm,纵向宽度为50cm。内部结构也主要由装配式构件构成,分为上下两层站台,上 下部站台宽度分别为117m和132m。其后,俄罗斯等国广泛采用标准化衬砌结构,大力发 展预制装配式地下结构的标准化施工技术 图3装配式地铁车站 2016年我国建成了国内首座预制装配式地铁车站,是国内外规模最大、结构体系最独 特的地下车站。车站主体为七分块,纵向宽度2m,最重的预制构件最达543t;构件间由预 制钢棒张拉固定,采用通缝拼装方式:特殊部位制造特殊预制构件,预留通道;顶板覆土厚 度一般约为4~5m。构件间的连接根据拼装和受力情况,采用了合适榫槽,装配后接缝注浆 形成牢固的整体。长春装配式地铁车站示意图如图4所示。由于预制构件的使用,相比传统 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
运转的动脉，现场浇筑的弊端很明显，不太适合拥挤的城区建设，2014 年后，我国加大对 地下管廊的建设和投入，预制装配式地下管廊应运而生。预制装配式综合管廊具有质量保证 率高、建设工期短、对环境污染小等优点，具有广阔的应用前景。装配式地下管廊[2]在日本 应用较早，上海世博综合管廊是我国建设的第一个装配式综合管廊，尺寸为 3300×3800mm， 每个节段长度为 2m，为节段式单仓矩形预制管廊。之后还发展了分块预制装配式、顶板预 制装配式、叠合装配式和钢波纹管式等装配式管廊。图 2 为预制管廊示意图。 图 2 预制管廊示意图 （三）明挖地铁车站预制装配技术应用 俄罗斯在装配式地铁车站的开发和应用较早，在上世纪八十年代就将预制装配技术运 用在明挖地铁车站中[3]。断面构造如图3所式，车站主体是由12个预制构件装配而成，其厚 度为70cm，纵向宽度为50cm。内部结构也主要由装配式构件构成，分为上下两层站台，上 下部站台宽度分别为11.7m和13.2m。其后，俄罗斯等国广泛采用标准化衬砌结构，大力发 展预制装配式地下结构的标准化施工技术。 图 3 装配式地铁车站 2016年我国建成了国内首座预制装配式地铁车站[4]，是国内外规模最大、结构体系最独 特的地下车站。车站主体为七分块，纵向宽度2m，最重的预制构件最达54.3t；构件间由预 制钢棒张拉固定，采用通缝拼装方式；特殊部位制造特殊预制构件，预留通道；顶板覆土厚 度一般约为4~5m。构件间的连接根据拼装和受力情况，采用了合适榫槽，装配后接缝注浆 形成牢固的整体。长春装配式地铁车站示意图如图4所示。由于预制构件的使用，相比传统
建设工艺更节省材料,缩短了工期,消除了在严寒地区和严寒季节对施工的不利影响。标准 化施工提高材料使用率节省大量劳动力。 页制洞 口环梁 图4长春装配式地铁车站示意图 (四)盾构隧道预制装配技术应用 预制装配技术在盾构隧道中的研究和应用很多,发展至今,盾构隧道已经形成了其独立 的管片设计理论和装配施工方法。盾构隧道断面甚至发展朱合华、何川、袁大军等团队在预 制管片设计理论,接头设计,抗震结构设计等关键技术做了大量工作,使得预制装配技术在 盾构隧道中得到广泛的应用与发展6,预制装配式结构甚至应用到异形断面盾构隧道中 如马蹄形、矩形、类矩形等衬砌结构形式。盾构隧道的预制管片在结构设计、接头构 造、计算模型、装配机械等方面都值得新奥法开挖的山岭公路隧道参考和硏究。 图5盾构隧道内部示意图 (五)暗挖隧道预制装配技术应用 预制装配技术在基于新奥法修筑的暗挖隧道中应用较少,吴全中介绍了钻爆法开挖隧 道加盾构管片拼装的工法,该工法为新奥法施工的公路隧道装配式衬砌的硏究提供了新的思 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
建设工艺更节省材料，缩短了工期，消除了在严寒地区和严寒季节对施工的不利影响。标准 化施工提高材料使用率节省大量劳动力。 图 4 长春装配式地铁车站示意图 （四）盾构隧道预制装配技术应用 预制装配技术在盾构隧道中的研究和应用很多，发展至今，盾构隧道已经形成了其独立 的管片设计理论和装配施工方法。盾构隧道断面甚至发展朱合华、何川、袁大军等团队在预 制管片设计理论，接头设计，抗震结构设计等关键技术做了大量工作，使得预制装配技术在 盾构隧道中得到广泛的应用与发展[5~6]，预制装配式结构甚至应用到异形断面盾构隧道中， 如马蹄形[7]、矩形[8]、类矩形[9]等衬砌结构形式。盾构隧道的预制管片在结构设计、接头构 造、计算模型、装配机械等方面都值得新奥法开挖的山岭公路隧道参考和研究。 图 5 盾构隧道内部示意图 （五）暗挖隧道预制装配技术应用 预制装配技术在基于新奥法修筑的暗挖隧道中应用较少，吴全中[10]介绍了钻爆法开挖隧 道加盾构管片拼装的工法，该工法为新奥法施工的公路隧道装配式衬砌的研究提供了新的思
路;张常光对“盾构空推过矿山法”的复合支护体系开展了研究,通过理论推导为该复 合支护的管片设计提供理论支持;王明年在《隧道及地下铁道预制化技术》2一书中,对暗 挖铁路隧道结构进行分块研究,把拱部和边墙分开,研究不同分块方式的力学和工程效果 严义招和郇星超分别对矿山法开挖的铁路隧道和公路隧道的装配化衬砌的结构划分方 案及结构力学特性进行了研究。目前还缺乏钻爆法开挖的山岭公路隧道预制装配技术的关键 技术研究。 三、山岭公路隧道预制装配技术 不同于盾构隧道,基于新奧法开挖的山岭公路隧道从开挖期间围岩荷载的释放到运营期 间围岩劣化等一系列力学参数的变化都不近相同,装配式衬砌结构在此类隧道中的受力及其 结构体系适应性等理论问题更需要深入探讨和研究。本文主要从结构分块及结构安全性进行 研究。 (一)装配式衬砌结构分块研究 1.预制装配结构形式研究 预制装配结构形式可分为全部构件预制和部分构件预制。全部构件预制又可分为结构整 体预制和结构分块预制,两者主要区别在于结构断面内是否分块。部分构件预制主要是预制 构件和现浇方式结合使用,形成完整的隧道及地下工程结构。本文研究的装配式衬砌立足于 公路隧道设计施工特点,采用全预制方案,将隧道全断面进行结构划分 2.衬砌结构方案选择 从围岩荷载特征和钻爆法隧道设计施工特点出发,对复合式衬砌和单层装配式衬砌进行 比较,选定合理的衬砌结构形式。 (1)复合式衬砌:衬砌结构依然按照山岭隧道新奥法设计原理进行设计,复合式衬砌包括: 围岩、初期支护、防水板和二次衬砌。此时,装配式衬砌在功能上与二次衬砌一致。 (2)单层装配式衬砌:类似采用盾构法隧道理论进行设计和施工,围岩不再进行初期支护 和防水板设置,装配式衬砌承担全部围岩荷载 此两种衬砌结构方案的均有优点和缺点,需要根据围岩条件、埋深条件等进行确定,本 文的研究是基于新奥法理论,采用复合式衬砌更为合理 3.结构设计方案 根据盾构隧道装配式管片的现有研究,本文考虑公路隧道结构合理性和机械能力,结构 划分方案示意图(奇数环)如图6所示,7+1分块的错缝拼装方案既能保证结构的可靠性 (c)1994-2019ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
路；张常光[11]对“盾构空推过矿山法” 的复合支护体系开展了研究，通过理论推导为该复 合支护的管片设计提供理论支持；王明年在《隧道及地下铁道预制化技术》[12]一书中，对暗 挖铁路隧道结构进行分块研究，把拱部和边墙分开，研究不同分块方式的力学和工程效果； 严义招[13]和郇星超[14]分别对矿山法开挖的铁路隧道和公路隧道的装配化衬砌的结构划分方 案及结构力学特性进行了研究。目前还缺乏钻爆法开挖的山岭公路隧道预制装配技术的关键 技术研究。 三、山岭公路隧道预制装配技术 不同于盾构隧道，基于新奥法开挖的山岭公路隧道从开挖期间围岩荷载的释放到运营期 间围岩劣化等一系列力学参数的变化都不近相同，装配式衬砌结构在此类隧道中的受力及其 结构体系适应性等理论问题更需要深入探讨和研究。本文主要从结构分块及结构安全性进行 研究。 （一）装配式衬砌结构分块研究 1. 预制装配结构形式研究 预制装配结构形式可分为全部构件预制和部分构件预制。全部构件预制又可分为结构整 体预制和结构分块预制，两者主要区别在于结构断面内是否分块。部分构件预制主要是预制 构件和现浇方式结合使用，形成完整的隧道及地下工程结构。本文研究的装配式衬砌立足于 公路隧道设计施工特点，采用全预制方案，将隧道全断面进行结构划分。 2. 衬砌结构方案选择 从围岩荷载特征和钻爆法隧道设计施工特点出发，对复合式衬砌和单层装配式衬砌进行 比较，选定合理的衬砌结构形式。 （1）复合式衬砌：衬砌结构依然按照山岭隧道新奥法设计原理进行设计，复合式衬砌包括： 围岩、初期支护、防水板和二次衬砌。此时，装配式衬砌在功能上与二次衬砌一致。 （2）单层装配式衬砌：类似采用盾构法隧道理论进行设计和施工，围岩不再进行初期支护 和防水板设置，装配式衬砌承担全部围岩荷载。 此两种衬砌结构方案的均有优点和缺点，需要根据围岩条件、埋深条件等进行确定，本 文的研究是基于新奥法理论，采用复合式衬砌更为合理。 3. 结构设计方案 根据盾构隧道装配式管片的现有研究，本文考虑公路隧道结构合理性和机械能力，结构 划分方案示意图（奇数环）如图 6 所示，7+1 分块的错缝拼装方案既能保证结构的可靠性