全预制盾构隧道边箱涵精细化施工分析

2020-01-09赵海涛

铁道标准设计 2020年1期

赵海涛

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司,南京 211800)

引言

为了降低城市用地成本以及控制轨道交通运行时对城市环境的干扰，城市中的轨道交通主要在隧道内通行，同时盾构法有着环保、高效掘进、对围岩扰动小的优点，而在城市浅埋隧道中大量使用[1]。其中，铁路双线隧道界限较一般轨道交通大，因此需要额外结构保证一定行车面，因此属于大断面盾构隧道。在类似盾构隧道中，杭州钱江隧道采用先安装中部口型预制构件，后现浇边侧牛腿及边侧行车道板的施工技术[2]；上海复兴东路越江隧道，采用先进行上部预制板安装后进行下层现浇的施工技术[3-4]；扬州瘦西湖隧道设计了一种双层台车，在不干扰隧道内运输的前提下进行预制行车道板的安装及立柱现浇[5]；武汉地铁8号线黄浦路站—徐家棚站越江区间的中箱涵使用预制施工，后续边跨结构及中隔墙使用整体式现浇施工[6]。除以上工程外，还有南京市纬三路过江通道工程[7]、上海诸光路工程[8-9]。

由此可见，以往工程中主要使用预制中箱涵、现浇边跨的施工技术方案，没有采用全预制的隧道内结构施工方式。在这些半预制施工的盾构工程中，姜海西[8-9]依托上海诸光路工程，对标准构件拼装施工的难点进行分析，并研究了现浇和预制构件间节点的力学行为；夏鹏举等[10]对标准预制构件在临时施工阶段的力学行为进行了分析。

随着预制化施工的发展，越来越多的工程使用全预制施工技术[11-12]，主要用于房屋结构[13]以及桥梁的梁跨结构[14-16]，隧道工程主要应用于沉管隧道，盾构隧道的应用较少。另一方面，目前主要对预制化具体施工工艺以及拼装机械研究较多，如刘波等[17]人依托上海S26公路工程，介绍了一种桥墩墩柱的预制化拼装施工工艺；沈阳云[18]依托东海大桥工程，介绍了该工程墩身预制安装的施工工艺；石帅等[19]介绍了预制化施工工艺在房屋建筑中的典型应用；杨闯等[20]详细分析了房屋建筑中预制化施工的典型设计、施工问题。综上所述，首先目前盾构隧道的隧道内结构全预制施工的工程案例极少，缺乏相关研究讨论。同时，目前相关研究主要集中于讨论相关预制化施工工艺以及其拼装设备，对精细化预制施工的具体研究较少。本文依托首个结构物全预制施工的盾构隧道工程—清华园隧道工程，对盾构隧道边箱涵预制施工的优缺点进行了分析，同时针对边箱涵精细化施工的要求，进行了拼装误差施工工况有限元数值模拟并用于指导施工。

1 工程背景

1.1 隧道概况

清华园隧道是京张高铁的控制性重点工程，位于北京市海淀区城区。其中盾构段全线并行北京地铁13号线，穿越4处地铁、7处主要城市道路及众多城市重要时政管线，是目前国内穿越重要建(构)筑物最多的铁路单洞双线大直径盾构高风险隧道。

清华园隧道盾构段开挖直径为12.64 m，隧道内轮廓半径5.55 m，其隧道内净空断面如图1所示。清华园隧道盾构段轨下结构创新性地使用预制边箱梁施工，如图2所示。

图1 清华园隧道净空断面(单位：mm)

图2 隧道轨下结构示意

1.2 预制边箱梁的技术特征

清华园隧道预制变箱梁标准块使用C40纤维混凝土浇筑，如图3所示，预制边箱涵高2.5 m、长3.15 m，箱梁宽度与隧道管片幅宽相同，为2 m。边箱涵同中箱涵通过螺栓进行连接，在边箱涵顶部具有2×2共4个吊装孔，用于边箱涵的安装施工。

图3 预制边箱涵结构示意(单位：mm)

在清华园隧道轨下结构的预制施工过程中，使用全新研制的边箱涵拼装台车进行施工，如图4所示。

图4 隧道预制边箱涵拼装台车

在拼装过程中使用横梁提升系统(图5)，每根横梁使用2台电动葫芦同步控制，将控制点由4个减至2个，提升施工便捷性的同时提高了控制精度。

图5 定位安装系统

1.3 边箱涵预制施工优缺点

边箱涵预制施工有以下优点：降低施工现场环境污染，有效改善施工现场工人作业环境，有助于提高工程整体施工效率，降低施工作业风险水平，保障钢筋混凝土构件的质量水平。

采用预制化施工，减少隧道内由于浇筑混凝土导致的粉尘扩散以及混凝土运输车辆的尾气排放，优化了隧道内一线施工作业人员的工作环境。同时，由于隧道施工现场位于北京城区核心区，减少混凝土运输车辆的使用以及较低的粉尘扩散效应，有利于北京城区大气污染的防治工作。大量的预制施工从源头上降低了施工的环境成本，将原本多污染源、不规律的污染排放优化为预制场单一污染源，便于环境防治管理。

预制化施工作业简便，机械化程度高，减少了施工作业时间以及人员管理调度难度。在预制化施工中，可安排大型运输车辆于夜间集中运输预制件至施工现场，夜间仅需定时、少量人员进行装卸作业即可，施工噪声少；由于预制件多采用螺栓连接，因此施工机械化程度高，白天也仅需安排少量作业人员即可高效完成施工作业。同时，在北京等大型城市中，由于环境管控以及城市管理的限制，大型运输车辆仅能夜间出入城区；因此，预制化施工最大化地符合城市管理，并且降低了施工人工成本。

预制件在现场施工作业时，构件已经达到受力条件，可立即承受施工荷载，便于优化施工作业规划。在一般大直径盾构隧道中，隧道中仅有由已拼装完成中箱涵形成的施工作业通道用于管片、施工材料以及人员运输，运输通道狭窄且有安全隐患。由于清华园隧道边箱涵采用预制施工，可快速扩展运输作业平台，提高施工运输效率，并降低施工的安全隐患。

由于使用工厂化施工，构件质量可控，从而降低了轨下结构变形、开裂的风险，提升线路平顺性的同时降低后期运营管理成本。但依然存在以下缺点：提升构件制造及运输维护费用，构件现场吊装精度要求较高。

预制化施工需要将制作完成的构件从工厂安全运输至施工现场，因此预知化施工将提高工程的运输维护费用。

另一方面，后期安装施工决定着预制化施工质量水平。首先，在后期施工过程的拼装误差存在误差积累问题，单一构件的安装误差在一开始可能不尽明显且易忽视，但随着构件的连续安装，前序已安装构件的误差将逐渐在后续构件上显现，最终导致拼装失败等施工质量问题。另一方面，在吊装预制构件的过程中，由于吊装方式的不同将对预制构件产生多变的施工荷载，当这一施工荷载恰好以最不利形式作用于构件时，构件将产生一定损伤。因此，必须正视单一构件拼装施工时，拼装作业的施工作用效应问题，从而提升施工质量。

总体而言，边箱涵采用预制化施工技术效益显著。对于类似本工程的复杂城市环境下盾构铁路隧道，存在施工工期紧迫、周边环境污染控制严格、施工安全性要求高等要求。使用全预制施工首先减少了现场模板制作、钢筋捆扎、混凝土浇筑的工时，从而降低施工关键节点工时，压缩整体施工时间。由于不需要现场混凝土浇筑，降低了粉尘排放，降低工程固体颗粒物排放，保障城市大气环境。边箱涵预制施工加快了盾构隧道内车辆作业平台的形成，方便运输车辆错车，降低了油脂、管片运输的影响。

2 有限元分析

针对拼装提升精度控制对构件产生的不利影响，使用通用有限元分析软件ANSYS分析提升误差对构件的影响。

2.1 计算参数设置

有限元计算采用的材料属性如表1所示。

表1 有限元计算材料属性

计算中使用边箱梁尺寸如图3所示，吊装螺杆尺寸如图6所示。

图6 吊装螺杆及其垫圈(单位：mm)

图7是计算边界设置，在螺杆顶端施加位移边界模拟不同的吊装误差。分别在位移边界1(B)侧施加1，5，10，15，20，30，50，80，100 mm的Z向强制位移，此时位移边界2(C)在Z向上保持固定；随后强制位移加载侧位置变换，以模拟两侧不同吊装误差引起的影响。

图7 边界设置(单位：mm)

2.2 计算分析

图8是绝对水平吊装时，边箱涵等效应力云图。从图8可见，预制块吊装时主要面临吊装螺杆同构件间接触局部应力集中的问题。在绝对水平吊装时，两侧螺栓孔应力区域大小不一致，左侧应力集中区域明显大于右侧应力集中区域。

图8 局部应力示意(单位：MPa)

图9是在不同位移边界处产生不同的吊装误差时单元有效应力变化规律。从图9可以看出，当误差达到80 mm以上时，构件最大有效应力均达到40 MPa以上，可能导致构件局部应力集中而开裂。另一方面，当位移边界2处产生误差时引起的最大有效应力大于位移边界1处产生误差时引起最大有效应力。

图9 不同位移边界误差下的有效应力变化规律

造成两侧吊装孔应力集中不一致，以及两侧位移误差形成不同增长规律的原因是吊装孔同重心偏差过大所致。图10是边箱梁的受力分析图，图中G为重力作用，F1、F2分别是两侧位移边界吊装螺杆受力，d1、d2则是两侧的力臂。由图10可见，d1明显大于d2，因此显然将导致F1将小于F2，由此导致图8显示的水平吊装时吊孔应力集中程度左侧大于右侧。同时，位移边界2处产生吊装误差导致的应力集中及最大有效应力将大于位移边界1处产生的影响。