矿山法公路隧道装配式二次衬砌结构研究现状及展望

张俊儒 ,  范子焱 ,  李强 ,  李信臻 ,  张孝伟 ,  徐剑

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10213-10239

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (24) :10213-10239 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506692
交通运输

矿山法公路隧道装配式二次衬砌结构研究现状及展望

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Research Status and Prospect of Assembled Secondary Lining Structure of Highway Tunnel by Mining Method

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摘要

为了促进矿山法公路隧道装配式二次衬砌结构设计的发展,通过调研中外盾构、TBM和矿山法的成熟设计和施工经验进行调研,对中外具有代表性的研究成果进行梳理,形成适用于公路矿山法隧道装配式二次衬砌结构设计综述。从装配式二次衬砌发展、装配式隧道结构形式、管片分块、管片参数、衬砌接头性质、隧道防排水和管片现场施工应用,系统梳理了中外隧道装配式工程领域的学术研究进展、存在问题及发展前景。装配式二次衬砌发展方面综述了中外隧道从现浇工艺逐步向装配式衬砌发展;装配式隧道结构形式综述了目前常用的全构件预制和部分构件预制;管片分块方面综述了隧道环向分块依托于管片所受外界荷载,以及目前管片幅宽和厚度的参考依据;衬砌接头性质方面综述了衬砌拼装方式、管片接头类型和接头性质;隧道防排水综述了防水层防排水和管片防水机制;隧道施工和运营方面综述了管片现场施工、施工期间荷载计算和隧道抗震分析。可为矿山法公路隧道装配式二衬的理论完善、规范编制与工程落地提供系统性参考,助力隧道建造工业化与绿色化发展。

Abstract

To promote the development of assembled secondary lining design for highway tunnels constructed by mining method, the mature design and construction experience of shield, TBM, and mining methods was investigated, and representative domestic and foreign research results were summarized. The design of the assembled secondary lining for a mining-method highway tunnel was reviewed. Academic research progress, existing problems, and development prospects in tunnel assembly engineering were systematically sorted out, covering the development of assembled secondary lining, structural forms of assembled tunnels, segment blocks, segment parameters, lining joint properties, tunnel waterproofing and drainage, and field construction application of segments. The evolution of prefabricated secondary lining was reviewed, with emphasis on tunnels that have transitioned from cast-in-place to prefabricated lining. Prefabricated tunnel structural forms were summarized as commonly used full-component prefabrication and partial-component prefabrication. For segment blocks, the external loads acting on the tunnel ring and the current reference bases for segment width and thickness were summarized. Regarding lining joint properties, the lining assembly methods, segment joint types, and joint behavior were summarized. In terms of tunnel waterproofing and drainage, the waterproofing mechanisms of waterproof layers and segments were summarized. For tunnel construction and operation, on-site segment erection, construction load calculation, and seismic analysis of tunnels were reviewed. It can provide systematic references for the theoretical refinement, code development, and practical implementation of prefabricated secondary lining in mining-method highway tunnels, supporting the industrialization and greening of tunnel construction.

Graphical abstract

关键词

综述 / 矿山法 / 公路隧道 / 装配式二次衬砌 / 结构设计

Key words

review / mining method / highway tunnel / prefabricated secondary lining / structural design

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张俊儒, 范子焱, 李强, 李信臻, 张孝伟, 徐剑. 矿山法公路隧道装配式二次衬砌结构研究现状及展望[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(24): 10213-10239 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506692
ZHANG Jun-ru, FAN Zi-yan, LI Qiang, LI Xin-zhen, ZHANG Xiao-wei, XU Jian. Research Status and Prospect of Assembled Secondary Lining Structure of Highway Tunnel by Mining Method[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(24): 10213-10239 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506692

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随着中国交通基础设施建设的持续推进,隧道作为山区公路的关键节点,其建设规模日益扩大[1]。当前,矿山法公路隧道二次衬砌多采用现浇混凝土工艺。然而,在青藏高原及新疆等高海拔严寒地区,受限于极端气候环境与薄弱的物资供应条件,传统现浇工艺面临严峻挑战:剧烈的温差变化增加了混凝土开裂风险,而原材料的匮乏则导致建设成本激增[2]。相比之下,装配式结构依托工厂化预制、机械化拼装与构件标准化的优势,不仅能显著提升现场施工效率,还能有效降低对现场资源的依赖,从而保障复杂环境下的结构质量[3]。因此,推动装配式结构在矿山法隧道工程中的应用,是实现行业高质量发展的必然趋势。
装配式结构符合当前绿色发展的社会背景,因其高效、环保、节能的特点,成为现代工业化发展的重心。因此在矿山法隧道中使用装配式衬砌装配式结构在实际工程中的应用不仅能提高施工效率,还能减少对环境的影响。He等[4]针对盾构法的施工工艺、管片结构形式和装配式施工机械进行了分析并对其未来发展趋势进行总结。盾构隧道断面已经从传统的圆形发展到各种异型截面,以适应不同的工程需求[5-6]。在装配式地下工程的结构形式和受力特征分析研究方面,孙巍等[7]依靠数值模拟和试验监测分析了矩形隧道断面的管片受力影响和施工难点。陈敬军[8]探讨了装配式衬砌隧道结构的计算方法,并选择适合的隧道断面型式。计中彦等[9]详细介绍了装配式仰拱结构的设计方法,包括隧道仰拱的分块设计和拼装工艺。申志军等[10]依托蒙华铁路黄土隧道提出了马蹄形断面的施工流程和马蹄形管片设计。郇星超[11]通过数值模拟,设计分析不同的分块方案、衬砌厚度、衬砌幅宽和接头刚度等多种设计方案的受力特性,优化装配式公路隧道的设计方案。Zhang等[12]通过模型试验和数值模拟研究单体复合管片的破坏模式和承载力,提出了管厚分层法的设计思想,为管片设计提供了创新思路。刘丰军等[13]研究了钢纤维混凝土的受力特征,以及钢纤维混凝土管片的耐久性和安全性。莫海鸿等[14]研究了通过钢纤维提高混凝土管片局部力学性能的方法,增强了管片的整体性能。
在装配式地下工程的管片之间接头类型和接头性质研究方面,严佳梁[15]通过数值模拟和试验监测,分析了不同接头刚度对管片的影响,研究了不同接头形式对结构影响,提出了在实际盾构隧道工程中选取管片接头的建议。李向红[16]分析了矩形盾构隧道的不同管片数量和接头对隧道整体的影响。林志等[17]研究了公路隧道的装配式结构,以及公路装配式的不同断面形式,管片类型和接头性质的影响。王明年等[18]进一步研究了不同断面下预制装配式衬砌的分块位置,并考虑不同工况下的接头刚度对隧道结构影响。贾永刚[19]建立了接头力学模型,研究了接头刚度对衬砌结构的影响,为接头设计提供了理论依据。宋明等[20]通过数值模拟分析不同因素影响下接头的性质,推动接头设计的优化。陈久恒[21]依托长春地铁站的装配式施工流程,解决装配式的施工机械和施工工艺。
综上可知,当前的装配式研究主要集中于盾构法下的铁路和公路隧道,而对矿山法隧道下的装配式研究较少。鉴于此,对中外具有代表性的研究成果进行梳理,形成适用于公路矿山法隧道装配式二次衬砌结构设计综述。从装配式二次衬砌发展、装配式隧道结构形式、管片分块、管片参数、衬砌接头性质、隧道防排水和管片现场施工应用。综述目前的公路隧道装配式二次衬砌的研究现状与发展趋势,以期为提高公路隧道装配式二次衬砌水平提供研究方向和思路。

1 装配式衬砌管片技术及发展

在中国,矿山法公路隧道支护多采用复合式衬砌结构。这种结构通常包括初期支护、防水层和二次衬砌[22]。虽然这种方法在一定程度上保证了隧道的安全性和稳定性,但其施工过程复杂,效率较低,并且难以控制质量。对于公路隧道装配式二次衬砌,采用单层管片结构,即初期支护使用常规设计,而二次衬砌则采用拼装式预制管片。在初期支护和二衬管片之间设置防、排水设施,以增强结构的整体性能[23]。目前装配式衬砌在矿山法隧道中的实际应用较少[24],因为传统矿山法施工中存在一些局限性,如矿山法隧道断面为马蹄形断面衬砌,使得管片形状复杂、技术尚不成熟以及缺乏相应的配套设备,导致装配式衬砌难以广泛应用[25]。但公路隧道装配式二次衬砌能提高公路隧道施工效率,保证隧道的耐久性和安全性,故公路隧道装配式二次衬砌具有重要的实践意义和推广价值。

对中外装配式隧道的调研结果如表1、图1所示。在发展历程方面,俄罗斯、法国、日本、美国等国家对装配式衬砌的研究起步较早,相关技术已成熟应用于地铁明挖隧道、地下车站及部分暗挖工程中[26]。中国的地下结构工程自20世纪50年代起逐步发展,开挖工法已由单一的明挖法拓展至涵盖矿山法、盾构法在内的综合体系。中国学者针对建筑工程[27]、地下车站[28]、综合管廊[29]和盾构隧道[30]等领域开展了广泛的装配式技术研究,有力推动了该技术的本土化发展。在公路隧道领域,计中彦等[9]依托毛栗坪山隧道开展了装配式仰拱结构与施工实践,验证了技术方案的可行性。颜波[31]基于半嶂隧道中装配式衬砌的应用可能性,分析了接头力学特性并提出合理划分方法,为隧道设计提供了理论支持。总体而言,尽管装配式衬砌在国际上应用广泛,但在中国公路隧道中的实证研究仍相对有限,尚处于逐步深化阶段。基于对现有矿山法公路隧道装配式二次衬砌结构的分析,鉴于其在施工效率、节能环保等方面的显著优势,该类结构在未来公路隧道建设中的应用规模预计将持续扩大。

2 装配式公路隧道结构形式

在隧道和相关地下结构施工时,施工结构形式十分重要。目前对于隧道结构形式存在着全断面预制和部分断面预制。部分预制通常用于需要与现浇混凝土结合的结构中,以便在施工现场进行灵活调整,包括隧道仰拱预制和拱墙部分预制。全断面预制可分为断面结构整体预制和断面结构分块预制。断面结构整体预制:隧道纵向分块,断面整体成块,形成一个完整的承载体系。其优点在于施工简单,无其他复杂工序,更好控制衬砌质量,接缝单一存在。其缺点有可能出现拼装定位困难,构件变形和拼装错位等问题。结构分块预制:根据结构的受力和运输要求进行分块预制,然后在施工现场进行拼装成段,纵向连接形成完整的结构。这种方法同样具有施工简便的优点,但也需要特别注意拼装精度和变形控制,如蒙华铁路白城隧道[32]、南京地铁10号线过长江隧道[33]等。综上所述,隧道及地下结构的预制形式为工程提供了灵活的施工选择。全部构件预制法虽然在施工简便和结构完整性方面具有显著优势,但也面临着拼装精度和变形控制的挑战。因此,在选择合适的预制形式时,需要仔细权衡其优缺点,以满足具体工程的需求。

2.1 部分预制衬砌

在隧道及地下结构的施工中,部分预制技术是一种常用的施工方法。部分预制是包括隧道仰拱预制和拱墙部分预制,如图2[9,34]所示。拱墙部分预制这种方法在实际工程中得到了应用,如上海地铁15号线的吴中路站[35]和重庆铁路枢纽某矿山法隧道[34]。这些项目通过部分预制技术的应用,提高了施工效率和结构质量。

隧道中部分预制多数为仰拱预制。仰拱预制又可分为:装配式仰拱+现浇混凝土填充层分离结构、装配式仰拱+装配式填充层组合结构和装配式仰拱+装配式填充层一体化结构,具体形式如图3所示。具体实施中,西康铁路的秦岭I号隧道工程[36]采用仰拱预制技术,进一步展示了部分预制在不同工程中的灵活性和适应性。部分预制技术具有其独特的优缺点,其优点包括良好的平整度,使得定位和找平过程更加简单;其缺点包括工艺交叉复杂、接缝形式多样、上部衬砌片与底板接缝的匹配难度较大,这些都对施工精度提出了更高的要求。综上所述,部分预制技术在隧道及地下结构施工中提供了一种有效的解决方案。尽管面临一些施工挑战,但其在提高施工质量和效率方面的优势使其成为许多工程项目的首选。

2.2 全预制衬砌

在隧道工程领域,全预制装配式隧道结构的研究主要集中在地铁和铁路项目上,全断面预制可分为断面结构整体预制和断面结构分块预制,如图4[3,6]所示。而在公路隧道,尤其是采用矿山法的隧道中,相关研究相对较少[37]。尽管如此,矿山法隧道的复合式衬砌中已经实现了二次衬砌的局部预制与拼装,这为未来的研究和应用奠定了基础[38]。现行的公路隧道横断面设计已经实现了标准化,通常采用马蹄形隧道。针对公路隧道的预制化,建议结合暗挖隧道的特点,采用全部预制方式[11]。这种方法可以借鉴盾构隧道施工经验,充分发挥装配式管片优势,以提高施工效率和经济性。综上所述,尽管全预制装配式隧道结构在地铁和铁路中已有较多研究,但在公路隧道中仍需进一步加强研究。

3 装配式二次衬砌分块和管片参数

装配式衬砌在隧道工程中具有独特的特点,其与复合式或整体式衬砌的主要区别在于通过接头连接衬砌构件。这种连接方式使得装配式衬砌在施工过程中更加灵活,但也对结构的整体刚度提出了更高的要求。影响衬砌结构整体刚度的因素主要包括衬砌材料、接头及其性质,以及划分方案。材料的选择和接头的设计直接关系到结构的稳定性和耐久性。此外,构件划分的合理性也会显著影响衬砌结构内力。将参考盾构隧道和其他地下装配式结构的管片划分方式,总结出适用于二次衬砌装配式公路隧道的管片划分方式。

3.1 衬砌材料

在装配式隧道工程中,衬砌结构主要由管片构成,管片的设计和质量对隧道的长期稳定和安全运行至关重要。因此,管片设计为隧道工程中的关键环节,设计过程中需要重点研究其材料和形状,以确保其能够承受各种外部压力和环境变化,同时满足长期使用要求,并为隧道的安全运行提供可靠保障。

(1)在隧道工程中,管片材料的选择至关重要,常用的材料包括钢筋混凝土管片、铸铁管片、全钢管片和复合管片[23],如图5[1]所示。每种材料都有其独特的特性和适用场合。铸铁管片以其优良的耐蚀性和较轻的重量著称,但由于成本较高且脆性较大,现已较少使用[39]。全钢管片则因其高强度和轻重量在特殊场合中被采用,但其刚度较小且耐蚀性差,限制了其广泛应用[40]。复合管片作为一种折中方案,具有重量轻和刚度大的优点,但耐蚀性差且加工复杂,使其应用受到一定限制[41]。钢筋混凝土管片是目前应用较为广泛的衬砌材料,因其高强度、耐腐蚀和较低的造价而受到青睐[42]。然而,随着时间的推移,其缺点如易破损、易裂缝和耐久性差的问题逐渐显现,影响了其长期使用效果。综上所述,钢筋混凝土管片因其综合优势成为最广泛使用的衬砌材料,但其缺点如易破损和耐久性问题逐渐显现。其他材料如铸铁、全钢和复合管片各有优缺点,选择需根据具体工程需求进行权衡,以确保隧道工程的安全性和经济性。通过合理选择衬砌材料,可以提高隧道的整体性能和使用寿命。

(2)在隧道工程中,衬砌片的形状设计是影响结构性能的重要因素。衬砌管片的形状一般为平板形、箱形、特殊异形等[23],如图6所示。其中箱型管片优点为质量轻,节省用量,常常应用于大断面隧道,但箱型管片抗压强度和刚度较差,限制了其在某些工程中的应用[43]。相比之下,平板形衬砌片具有优良的抗弯和抗压性能,因此被广泛应用于各种隧道工程中,尤其是在矿山法隧道的装配式二次衬砌中,工程一般采用钢筋混凝土平板形衬砌片,以确保结构的稳定性和安全性[44]。

目前中国的管片种类相对单一,施工过程中常出现破损、裂缝、渗漏等问题,影响了管片的耐久性。因此,研究和开发新型管片材料,如超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)[45]和钢纤维混凝土[46],已成为重要的研究方向之一。这些新材料有望提高管片的耐久性和整体性能,解决现有问题。新型管片材料的研究是未来发展的重要方向,将为隧道工程的安全性和耐久性提供更好的保障。考虑到经济性和结构稳定性,大多数国家在铁路、公路等大断面盾构隧道中主要选用钢筋混凝土衬砌。

3.2 环向分块

3.2.1 围岩压力

装配式衬砌接头位置有着良好的抗压和抗剪能力,但抗弯能力较弱,因此应当把接缝位置安置在弯矩为零的位置。为了对衬砌进行分块,首要任务是确定衬砌在不同外荷载下的弯矩和内力。对于隧道结构内力计算主要有两种方法为地层结构法以及荷载结构法[47]。荷载结构法侧重于分析外部荷载对结构的影响,而地层结构法则更关注地层与结构的相互作用。隧道支护所受的围岩压力影响隧道支护结构选型、支护参数和管片划分[48]。围岩压力由松动压力、形变压力、膨胀压力和冲击压力组成,每种压力类型都对隧道结构的设计和施工有着不同的影响。研究围岩压力的方法多种多样,包括理论分析、现场实测、模型试验和数值模拟等[49],这些方法的综合应用多为分析围岩松动压力。围岩压力的计算是隧道工程设计和施工中的关键环节,具体如下。

(1)现有的理论计算公式通过调研整理结果如表2[50-57]所示。经验公式是基于有限的实测数据得出的,虽然提供了一定的参考,但由于数据的局限性,可能存在误差。理论计算则基于假设模型进行,虽然在理想条件下能提供较为准确的结果,但在复杂的实际条件下,误差可能较大。

(2)数值方法通过建立与实际工程相对应的数值模型和相同边界条件来模拟实际情况,为结构设计和施工提供了更为精确的指导。蒋树屏等[58]通过数值模拟分析围岩与隧道支护之间的力学进行研究分析。贾剑青等[59]通过数值模拟隧道开挖后围岩的塑性区得到隧道开挖后松动圈的范围。

(3)现场监测法通过直接测试围岩压力来反映实际状况,虽然能够提供最真实的数据,但其费用高、周期长,并且容易受到施工过程的干扰。徐林生[60]通过实际工程的现场量测,详细确定了围岩压力的大小及其时空分布规律。陈建勋等[61]通过现场监测得到隧道开挖后,围岩压力的变化。

(4)模型试验法通过缩小复刻隧道开挖后围岩的变化,主要用于定性研究。王戍平[62]通过模型试验,模拟软弱破碎围岩条件下双车道和连拱隧道开挖后作用于隧道支护上的围岩压力分布规律。房倩等[63]通过模型试验研究圆形隧道开挖下所处围岩破坏变化中的压力变化情况。

在隧道开挖下围岩压力的大小和不同位置的分布情况受断面形状、开挖方法、支护时间和围岩状态等因素影响。这些因素的复杂性使得围岩压力的预测和分析变得极为困难。由于围岩压力的复杂性,仅依靠单一或多种方法难以精确确定其大小和分布。现有的计算公式往往具有地域性和行业特征,难以普遍适用于不同的地质条件和工程环境。这种局限性进一步增加了围岩压力预测的难度。因此,应当进行深入的科学研究,以开发出能够适应当前工程建设需求的计算方法。

3.2.2 初期支护与二次衬砌荷载分担比例

在山岭隧道的施工中,常用的修建方法主要包括钻爆法和掘进机法(如盾构和TBM)。在掘进机法中,二次衬砌通常不作为主体承载结构,而是起到辅助支撑和保护的作用[64]。钻爆法常用于山岭公路隧道,其装配式衬砌与模筑二次衬砌的受力特性相似。对于公路隧道中二次衬砌的作用有不考虑承担荷载和考虑承担荷载两种。当二次衬砌不考虑承担荷载时,其作为安全储备,此时初支承担全部荷载。当二次衬砌考虑承担荷载时,防水板的存在导致层间不连续,影响了力的传递和结构的整体性[65]。关于二次应力场和荷载分担,目前尚无矿山法公路隧道断面开挖后,支护二次衬砌时二次衬砌所受荷载的准确解析解。二次衬砌的荷载分担比例受到隧道大小、围岩等级、施工时间以及初支和二次衬砌刚度等多种因素的影响。学者们对二次衬砌荷载分担比例开展了广泛研究,现行规范中也提供了推荐值以供参考。关于不同情况下的二次衬砌荷载分担比,查阅工程实例及文献统计结果如表3[66-73]所示。

在隧道工程的研究中,工况与研究现状显示,现有的研究多集中于深埋断面和滞后装配工况。然而,由于地质条件的复杂性,研究结果的分布较为广泛,结论也不尽一致,常与现行规范存在出入,现行规范如表4[74]和表5[75]所示。这种不一致性给工程设计带来了挑战。现行规范中的推荐值通常较为保守,而学界在精确的荷载分担比研究方面仍显不足。这导致隧道设计在很大程度上依赖于经验,可能造成材料的浪费和工程造价的增加。目前的研究还缺乏对同步施工和贯通后施工二次衬砌条件下荷载分担比的深入分析。

3.2.3 分块方案

对于构件划分方面,依靠公路隧道的特点,其装配式衬砌的分块原则如表6所示。这一原则需要综合考虑受力情况、施工性能和经济性,以实现最佳的设计效果。衬砌分块设计是衬砌结构中的一个重要环节。对于管片接头的抗压和抗剪能力与整体结构差别不大,但接头的抗弯能力较差。所以应当根据结构所受弯矩图来进行管片划分,弯矩图的应用在衬砌设计中具有重要作用。通过地层结构法或荷载结构法,可以获取隧道的弯矩图。深埋和浅埋隧道的弯矩图变化规律明显,这为构件的合理划分提供了有利条件。根据地层结构共同作用理论,柔性衬砌能够更好地适应地层的变形。通过增加接头数量,可以提高衬砌的柔性,但同时需要在拼装速度和防水效果之间找到平衡。

(1)整体分块。在隧道中的衬砌组成和断面形状是影响隧道结构性能的重要因素,管片划分要考虑的因素如图7所示。盾构隧道的装配式衬砌通常由标准块、邻接块和封顶块组成,这种设计有助于提高施工效率和结构稳定性。与此不同,矿山法隧道多采用马蹄形断面,而盾构法则通常为圆形断面,这两种断面形状在力学特性上存在显著差异。故在矿山法隧道衬砌设计中,弯矩图和分块原则起着关键作用。通过荷载与结构模型计算弯矩图,可以选择弯矩较小或为零的部位作为分块连接点,从而减少对原结构受力的扰动;在弯矩最大的部位划分管片,以调节弯矩的分布,优化结构的受力状态;考虑管片均分以便控制管片统一,减少管片种类;考虑公路隧道通缝和错缝拼装,采用左右不对称划分[11];参考盾构隧道存在封顶块。陈敬军[8]提出了矿山法隧道的最佳分块方案为拱顶1块、左右边墙各2块、仰拱1块。严义招[76]则根据装配式衬砌的力学研究提出了高速铁路隧道全预制衬砌方案:拱顶2块、边墙一边2块一边3块、仰拱3块。张育锦等[77]根据弯矩最大、弯矩零点和弯矩最大与弯矩零点中间处进行管片划分。隧道衬砌环的类型选择对施工效率和成本有着重要影响。盾构隧道通常采用3种类型的衬砌环:楔形衬砌环与直线衬砌环的组合、左右楔形衬砌环组合,以及通用型衬砌片[78]。对于楔形与直线衬砌环的组合,虽然能够适应多种隧道曲线,但由于需要多种模具,导致造价较高。左右楔形衬砌环组合的类型不确定性较大,供应难度也相对较高,尤其是在竖曲线施工中需要楔形贴片来调整。通用型衬砌片则通过仅使用一种楔形环来简化设计,但这需要使用长冲程千斤顶,施工要求较高。因此,在选择衬砌环类型时,需要综合考虑模具成本和施工要求。对于矿山法隧道的装配式衬砌设计,可以借鉴盾构隧道的楔形与直线组合或通用型衬砌片。

(2)部分分块。隧道部分分块一般根据现场需要进行划分。对于隧道部分分块,在公路隧道中大部分为装配式仰拱,对于常用装配式仰拱管片划分如图8[47]所示。刘建红[79]通过分析单线铁路隧道,提出了单块装配式仰拱及填充一体化方案,该方案更适合单线铁路隧道的特殊需求。在结构分析与方案方面,赵晓勇[80]研究了单线铁路隧道的仰拱结构,提出了一种适合鱼腹式仰拱的设计方案,旨在提高结构的稳定性和耐久性。计中彦等[9]在贵州兴义环城高速进行的现场试验中,发现后浇带是仰拱结构的薄弱环节,这一发现为进一步优化设计提供了依据。

(3)分块最优方案判断依据。装配式隧道的衬砌通过接头连接成隧道支护,使得隧道结构环向和纵向存在接缝,导致整体性削弱。接头对隧道整体性能的影响非常显著,但目前关于接头的表征和模拟方法仍存在争议。为了准确评估和优化衬砌结构的性能,目前采用多种计算方法[81],包括均质圆环模型[82]、多铰圆环模型[83]、梁弹簧模型[84]、梁接头模型[85]、接触力学模型、壳弹簧模型[86]以及有限元法。其中,修正惯用法模型和梁弹簧模型是常用的分析工具,能够有效模拟衬砌结构的力学行为。在研究与方案选择方面,通过荷载结构计算对比不同的管片划分方案,可以通过层次分析法选择出最优的设计方案。张胜龙等[87]则通过数值模拟分析了不同围岩条件下的受力特性,以检验预制结构的安全性。

3.3 管片幅宽和厚度

柔性衬砌理论的发展标志着隧道设计从传统的刚性衬砌向更为灵活的设计理念转变[87]。该理论强调隧道结构与地层之间的相互作用,通过调整相对刚度来优化设计,以适应不同的地质条件和工程需求。实现柔性结构的方法多种多样,包括增加接头数量和调整衬砌厚度幅宽等[88]。这些方法的应用可以有效提高隧道的适应性和安全性。

在隧道工程中,衬砌环的宽度对施工有显著影响。管片增加幅宽可以减少接缝和漏水环节,加快施工进度,并降低施工成本。研究表明,预制衬砌的施工速度比传统的现浇法快1.5倍,同时在质量和安全性上也表现更佳[1]。在确定管片宽度时,需要综合考虑制作、运输、拼装、曲线施工以及盾构机械的选型。管片的重量和质量均匀性是设计中的关键因素,尤其是拱顶管片的设计更需谨慎[89]。现有工程实践中,盾构隧道的管片幅宽通常为1.0 m到1.5 m,而大直径隧道的幅宽可达2.0 m[90]。预制管片的幅宽受到现场安装设备的限制,如台车长度、龙门吊吊装能力、吊车起重能力和运输车重量的限制,这些因素都需要在设计阶段加以考虑[91]。通过合理设计接头和管片宽度,可以显著提高施工效率和经济效益。预制衬砌在施工速度和质量上优于现浇法,但在设计和施工过程中需综合考虑多种因素,以实现优化设计和高效施工。通过这样的设计和实践,隧道工程将能够更好地满足现代化建设的需求。

管片厚度的确定是设计中的关键环节,需根据隧道的直径、埋深和荷载等因素进行综合考虑。一般来说,对于直径小于6 m的隧道,管片厚度为0.3~0.35 m;而对于直径大于6 m的隧道,厚度为0.35~0.6 m;直径为13~16 m时管片厚度可采用0.60~0.65 m[92]。例如,武汉长江隧道的外径为11 m,管片厚度为0.50 m[93];上海崇明越江隧道的外径为15.0 m,厚度为0.65 m[94]。厚度的增加可以提高结构的刚度,但同时也可能增加弯曲内力。因此,厚度与接头刚度需合理匹配,以避免防水问题。较薄的管片要求更高的防水和耐久性,而较厚的管片则需注意内力的分布。在厚度取值方面,建议按隧道直径的0.04~0.06倍进行选择,大直径隧道可取较小的值[95]。通过合理确定管片幅宽和管片厚度,可以优化隧道结构性能。厚度的选择需综合考虑多种因素,以确保结构的刚度、耐久性和防水性能,从而实现隧道工程的安全和高效。

3.4 衬砌拼装方式

隧道断面形状和拼装方式对隧道结构的性能有着重要影响。对于盾构隧道,常用通缝和错缝拼装如图9所示。矿山法隧道通常采用马蹄形断面,这种形状使得预制块的圆心半径和曲率各不相同,因此无法通过简单的旋转实现通缝和错缝的转换[38]。为了克服这一挑战,错缝拼装可以通过非轴对称布置来实现[24]。在拼装方式的比较中,通缝拼装其施工难度小、内力小,但其刚度较差,适用于围岩条件较好的地段[96-97]。错缝拼装能够显著提高结构的整体刚度和防水性能,适合围岩条件较差的地段[98]。对于公路隧道仰拱,错缝拼装有环向错缝和纵向错缝两种方式,如图10[9,96-97]所示。

4 装配式二次衬砌管片连接

4.1 衬砌接头类型

管片接头的力学性能对隧道结构的整体稳定性和变形特性有着重要影响。对于盾构隧道预制管片接头的研究重点在于理解和分析衬砌主体和接缝的应力和变形特征。这些特征决定了隧道在不同荷载条件下的表现,影响着结构的长期稳定性。装配式接头主要分为干式接头和湿式接头,如表7[91,99-100]所示。干式接头通常施工较为简便,但对接头的精度要求较高;湿式接头则通过灌浆等方式增强接头的密封性和稳定性,但施工过程相对复杂。

对于湿式接头,即通过单独预制构件,并在接头处预留钢筋,现场浇筑混凝土进行连接,以便有效地保证结构的整体性和稳定性[100-101]。外露钢筋的连接方式为灌浆套筒或浆锚搭接。灌浆套筒应当为大直径钢筋。浆锚搭接应当为小直径钢筋,且承受动力荷载效果较差。湿式接头广泛应用于房屋建筑中,其在地下工程和隧道拼装的建设中也有类似的应用。对于现浇部位与预制件的连接,可以使用套管注浆或现浇接头连接。这些方法能够有效降低施工难度,同时确保结构的稳定性和安全性。

常见的干式接头类型包括螺栓接头、铰接头、销插入型接头、楔形接头和榫接头。①螺栓接头是最常用的连接方式,通过螺栓将管片连接成抗拉结构,适用于纵向和环向接头,主要包括斜螺栓、直螺栓、弯螺栓;②铰接头通常用于混凝土管片,特别适合地层条件较好的地区,能够提供一定的灵活性,适应地层的微小变形;③楔接头通过楔作用紧固管片,具有较大的转动刚度,不易变形,适用于需要高刚度的结构;④榫槽接头通过凹凸啮合传递力,增加了结构的刚度,但其防水性能较弱,通常与螺栓配合使用以增强连接效果;⑤销接接头用于环间接头,确保拼装效果和隧道的连续性,具有较高的作业效率。干式接头在隧道装配中提供了多种连接方式,各有其优缺点。螺栓接头因其广泛的适用性而最为常用,而其他接头类型如铰接头、楔接头、榫槽接头和销接接头则根据具体工程条件和要求选择使用。

干接头和湿接头各有其独特的特点和适用场合。干接头的优点在于施工速度快,适应性强,能够在各种环境条件下快速完成拼装。然而,其缺点也较为明显,包括防水性能较差、结构整体性不足以及拼装精度不高。干接头通常适用于需要快速施工或环境条件受限的场合。湿接头则以其良好的整体性和防水性能著称,能够提供较高的承载能力。然而,湿接头需要混凝土固化,这会延长施工周期,并且需要使用支模板来确保结构的稳定性。湿接头多用于地上装配式建筑节点,适合对防水和整体性要求较高的工程。

4.2 接头性质

接头通常是结构的薄弱环节,其设计和性能直接关系到整个结构的强度和稳定性。研究接头刚度是确保结构强度和稳定性的必要步骤。接头的刚度影响着结构在荷载作用下的变形和应力分布,合理的接头设计能够有效提高结构的整体稳定性。根据国家建筑标准设计图集《装配式混凝土结构连接节点构造》(G310-1~2)要求,当接头与混凝土不同时,应对接头进行合理的计算。这需要工程师在设计过程中充分考虑接头的力学特性,以确保结构的安全性。研究接头的主要方法包括理论分析、数值模拟和模型试验,以便深入理解接头的抗弯刚度和不同类型接头的性能[100]。

在理论分析方面,通过Kθ=M/θ公式进行深入研究,其中Kθ为转动抗弯刚度,M为截面作用弯矩,θ为截面转角。Iftimie[102]假设无衬垫接头的受压区呈二次抛物线形,并在此基础上推导出抗弯刚度公式。孙文昊等[103]研究了接头处于弹性状态下参数对弯曲刚度的影响。钟小春[104]通过密封橡胶和传力衬套试验,建立了接头抗弯刚度的双线性模型。李旭升等[105]采用等效刚度法计算螺栓连接刚度,分析接头对纵向刚度的影响,结果表明接头设计对结构的抗弯刚度和整体性能有显著影响。不同的连接参数和模型假设会影响接头的力学性能,因此在设计过程中需要仔细考虑这些因素。

在数值模拟方面,通过软件对接头进行精细化建模和弹塑性分析。张厚美等[106]通过有限元软件Algor计算发现,计算结果与试验结果变化规律一致,为数值模拟的可靠性提供了验证。张建刚[107]改进了条带算法,研究了螺栓预应力对接头力学性能的影响。何川等[108]验证了接头刚度迭代算法的合理性,为接头设计提供了新的计算方法。郭瑞等[109]在梁弹簧模型下不同接头刚度对结构内力的影响。张力等[110]建立了三维精细化模型,分析了螺栓对接头抗弯性能的影响。上述研究为接头设计提供了重要的理论支持和实践指导。

试验研究是分析接头力学性能的主要手段。它能够有效补充经验和数值模拟的不足,为接头设计提供全面的理解和支持[111]。试验研究的主要目的是探讨接头在不同荷载条件下的力学性能、承载能力和破坏特征,通过试验可以验证设计接头的承载能力[112]。封坤等[113]探讨了高轴压条件下接头的抗弯性能,体现接头在极端荷载下的影响。林平等[114]通过优化接缝设计,明确了接头的受力性能。李晓军等[115]通过1∶1原型试验和足尺实验提供的数据,分析则专注于上海地铁管片纵缝接头的极限状态。

5 装配式二次衬砌隧道防排水

现浇二次衬砌施工的隧道防水层中的防排水主要依据“防截排堵”进行。装配式二次衬砌隧道防排水结构体系如图11所示,其中防水主要以结构自防水和防水板为主,排水主要以环向排水管、纵向排水管、排水沟或排水板构成。在盾构隧道中无防水层时,其主要依靠接缝位置防水和自防水。对于装配式二次衬砌隧道中防排水,既存在初期支护和二次衬砌管片之间的防水层进行防排水,又可以凭借二次衬砌管片接缝防水和管片自防水进行防水。

5.1 防水层防排水

隧道的防水层主要依靠防排水板和土工布来阻断地下水的流通,如图12所示。防水板是以高分子聚合物为基本原料制成的一种防渗材料,既可以防止液体渗漏,也可以预防气体挥发。防水板抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标高,产品具有强度高、延伸性能较好、变形模量大、耐酸碱、抗腐蚀、耐老化、防渗性能好等特点。能满足隧道工程建设中的防渗、隔离、补强、防裂加固等需要。常用的防水材料包括聚氯乙烯(poly vinyl chloride,PVC);乙烯-醋酸乙烯酯共聚物改性沥青(ethylene copolymer bitumen,ECB);乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(ethylene vinyl acetate,EVA);低密度聚乙烯(low density polyethylene,LDPE);高密度聚乙烯(high density polyethylene,HDPE);氯化聚乙烯(chlorinated polyethylene,CPE)等。防水板具有多项优点,如适用性强,能够适应大部分环境条件;对初期支护的质量要求较低,整体质量易于保证;防水板能够有效隔绝地下水,减少对衬砌的侵蚀,从而延长隧道的使用寿命。在排水措施方面,通常通过环向盲管或排水板引导水流至纵向排水管,再通过横向排水管将水排入排水沟。这种系统化的排水设计能够确保隧道内部的干燥和安全。

5.2 二次衬砌管片防水

管片间接头的防水性能是影响隧道整体防水效果的关键因素。预制拼装存在环向和环间接缝,装配式中的接缝通常为隧道防水结构的薄弱部位,容易成为渗漏水的源头[116]。渗漏水对隧道的影响是多方面的,如会加速衬砌的劣化,导致结构强度下降;渗漏水可能损害隧道内的设施设备,增加维护和修复的成本;渗漏水还会威胁隧道的安全性,影响其正常运营。造成渗漏水的原因主要包括衬砌劣化、管片间拼装精度不足和接缝中填充防水材料不合理等[117]。为了解决上述问题,必须采取有效的防水措施。在防水措施方面,可以通过辅助防水和自身防水两种方式来提高接头的防水性能[118]。辅助防水措施包括初期支护和二次衬砌之间设置防水层和二次衬砌安装完成后的壁后注浆,以增强防水效果。自身防水则需要提高拼装精度和优化防水材料的设计,以确保接头的密封性。

对于辅助防水,及时空隙回填是确保隧道结构稳定性的重要环节。装配式二次衬砌管片与初期支护之间的空隙如果不及时回填,可能导致地层变形,进而影响隧道的整体稳定性和安全性[119]。注浆材料被填充在衬砌结构和围岩之间,形成一个能够传递法向和剪应力的接触面[120]。接触面不仅增强了衬砌与围岩之间的结合力,还有效地防止了地层的进一步变形。在施工方法上,通常使用管片中的吊装孔作为预留的注浆孔。在完成管片的拼装后,通过预留的注浆孔进行注浆。注浆材料可以选择由生石灰、粉煤灰等组成的单液惰性浆液,这种材料具有良好的填充性能和稳定性。通过有效的注浆施工,可以确保管片与初期支护的密贴,避免管片的沉降和侧向错动,有助于提高了隧道的结构稳定性和延长隧道的使用寿命[121]。

对于预制管片的自防水是防止地下水侵蚀的关键防线。自防水性能的优劣直接关系到隧道的耐久性和安全性,因此提高预制管片的自防水能力至关重要[122]。为了增强预制管片的自防水能力,可以采取多种措施[123],如提高混凝土的抗渗等级是增强抗渗性能的有效方法;确保预制构件的精度对于接头防水材料的安装至关重要;严格管控预制构件的制作、储存、运输和吊装过程也是提高自防水能力的重要环节;在质量控制方面,现场检查管片的外观是防止质量缺陷管片使用的重要措施。通过细致的检查,及时发现和排除质量问题,确保每一块管片都符合设计要求和质量标准。从目前已较为成熟的盾构管片使用来看,通过一系列的控制措施,可以实现预制结构的自防水效果,满足使用要求。

对于接缝防水,管片外可采用防水涂层。防水涂层对于存在侵蚀性环境的地段,管片设置防水涂层能够降低氯离子扩散系数,延长结构使用寿命;结构需要承受较高水压时,可显著提高预制结构的抗渗能力;具备防杂散电流、耐摩擦等诸多附加功能。目前中外用于管片防水涂层的主流材料主要分为两大类,一类是环氧沥青类涂料,包含环氧-聚氨酯、环氧-氯磺化聚乙烯等环氧改性材料,这类涂层与管片黏结紧密,固化后能在管片表面形成封闭的刚性保护层,进而抵御地下水及有害物质的侵入;另一类是水泥基渗透结晶型防水涂料,其作用机理是通过材料中的活性物质渗入预制结构内部,与混凝土中的水泥水化物发生化学反应,生成不溶于水的晶体,以此堵塞毛细孔洞及细微裂缝,最终实现防水目的。防水涂层涂刷范围一般为:衬砌外弧面以及接缝密封垫(或挡水条)外侧的混凝土表面,如图13所示。

针对管片接缝防水,现有措施主要依托接头密封条、非膨胀性弹性密封垫、遇水膨胀橡胶密封垫、遇水膨胀橡胶止水条和嵌缝密封材料,如表8所示。接头密封条需在受压状态下成型,依靠接触压力和及材料自身属性完成防水,通常应用于无螺栓连接的钢筋混凝土管片衬砌结构,多见于英美等国家地层条件较好的区域[124]。非膨胀性弹性密封垫基于静态密封原理工作,通过安装压力和受水压后的自适应变形实现自密封,其嵌置于接头面上专设的密封垫沟槽内,对是否配置螺栓无特殊限制,在欧洲盾构隧道中为密封材料的主流选择,同时也是中国盾构法隧道最常用的防水形式之一[125]。遇水膨胀橡胶密封垫依靠安装压力和遇水膨胀产生的附加压力共同防水,在日本盾构隧道中应用极为普遍,中国已建成的上海地铁及广州地铁部分区段也曾采用该类止水材料[126];当前中国工程实践中更倾向于将遇水膨胀橡胶与普通非膨胀橡胶密封垫复合使用,通过嵌入或模压工艺集成两类材料,使弹性橡胶密封垫兼具弹性止水与膨胀止水双重功效[127]。遇水膨胀橡胶止水条遇水后会膨胀变形,既能填充接缝处的不规则表面及间隙,又可产生较大接触压力,进而阻断水力通道以防止渗漏[128]。嵌缝密封材料需适配衬砌结构的变形特性,通常布设于接缝处以强化防水效果[129]。

装配式仰拱块上的纵向连接筋需要预留孔槽,预留孔槽应进行防水处理。螺栓孔附近的防水通常设置环状橡胶垫圈。通过对螺栓施加预紧力,使橡胶垫圈受到压力,从而实现防水效果[130]。在密封材料的选择上,使用可更换的遇水膨胀橡胶密封垫作为螺栓孔的密封圈。在拼装过程中,密封垫紧贴法兰面,并在压力作用下挤入螺栓孔周围,形成可靠的密封[131]。即在螺栓套管外侧采用遇水膨胀橡胶环形密封圈,利用压密和膨胀双重作用加强防水,可以有效实现螺栓孔的防水。密封防水方法如图14所示。

在已经完成初期支护的隧道内进行二次衬砌的拼装是一个关键步骤。由于拼装机难以提供持续的挤压力,通常采用纵向压紧的方法,即通过衬砌片的纵向螺栓紧固来实现纵向压紧。这种方法不仅能够满足衬砌片的安装要求,还能有效地实现防水功能。传统的盾构法在隧道施工中依靠盾构推力来持续挤压管片接缝间的密封垫,从而实现止水效果[132]。在公路隧道的装配式施工中,千斤顶仅起到辅助挤压密封垫的作用,主要依靠预紧螺栓来限制管片的张开量,确保密封垫的压力始终大于设计水压[133]。

6 装配式二次衬砌隧道现场拼装应用

6.1 现场施工

因为装配式衬砌隧道采用钻爆法开挖,所以开挖与初期支护应遵循新奥法的四项基本原则,即“少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”。隧道开挖与初支支护施作完成后,施作第二层衬砌即预制衬砌的拼装,衬砌预制块拼装应遵循“衬砌预制块先定位,后运输,再防水处理,其次填豆砾石,最后壁后注浆”的装配式衬砌施作原则。

(1)衬砌预制块定位。对于二次衬砌管片安装,应在底部初期支护上浇筑混凝土底座,将预制仰拱衬砌放置在平台上或在仰拱预制块与混凝土底座之间加装小垫片,实现衬砌预制块定位。

(2)衬砌预制块运输。隧道预制管片应存储在隧道洞口附近,将衬砌预制块吊装运送至管片位置,拼装机抓举装置直接抓取衬砌预制块开始进行拼装作业。

(3)填充豆砾石。当管片拼装1~3环时开始对衬砌背后充填豆砾石。豆砾石填充时,应当按照管环底部-拱腰-拱顶的顺序依次填充;壁后注浆:当管片拼装10~20环时进行衬砌背后水泥浆填充,对管环端头进行密实封堵,形成止浆环,防止浆液外泄。注浆时,按照管环底部-拱腰-拱顶的顺序依次填充。

6.2 结构设计分析

矿山法施工的装配式衬砌隧道建设是一个复杂的过程,涉及多个关键工序,包括隧道开挖、施作初期支护、防水层布置、二次衬砌装配式施工和管片外围注浆等多道工序。在隧道施工过程中,存在着隧道开挖、初期支护、管片顶推、管片安装和背后注浆填充等一系列流程,导致施加在隧道支护上的荷载随着工况的推进逐渐发生变化,即隧道装配式二次衬砌施工是一个多因素的复杂过程。这种复杂性要求在设计和施工中必须考虑多种动态因素,以确保隧道的安全性和稳定性[134]。

在隧道施工中的管片衬砌结构受到多种荷载的作用,包括千斤顶推力、注浆压力和挤压力等,这些荷载使得管片结构表现出复杂的三维受力特性。千斤顶推力被认为是影响管片结构力学行为的最主要因素,其显著改变了管片的受力状态[135]。朱合华等[136]利用三维有限元模型,分析了注浆压力对管片力学响应的影响,揭示了注浆过程中管片的受力变化。陈俊生等[137]研究了千斤顶推力和其他施工荷载对管片开裂的影响,指出这些荷载在施工中的关键作用。张海波等[138]对施工与运营阶段的受力差异进行了分析,强调了千斤顶推力和注浆压力在不同阶段的重要性。沈水龙等[139]分析了双圆盾构纠偏对隧道内力的影响,指出纠偏操作对结构安全的潜在风险。唐孟雄等[140]通过现场监测发现,同步注浆对管片的受力状态有显著影响,强调了施工过程中的精细控制。千斤顶推力是隧道施工过程中最主要的影响因素。为了确保管片结构的安全性,施工过程中的注浆和纠偏操作需要特别注意和合理控制,以避免管片的破损和其他结构问题。

在二次衬砌管片的施工过程中,施工误差是一个不可忽视的问题。这些误差主要包括拼装误差、回填灌浆误差和支撑力误差[141]。每一种误差都可能对隧道的整体结构和功能产生不利影响,因此需要在施工中加以严格控制。仰拱作为二次衬砌环的基础部分,其重要性不言而喻。在施工中,仰拱需要首先进行安装和定位,以确保整个结构的稳定性。仰拱的定位和稳定性是施工中的重点,任何偏差都可能影响到后续的施工质量。接缝拼装误差是影响隧道防水性能的关键因素之一[142]。为了确保隧道的防水性能,接缝的拼装需要精确定位和安装。任何拼装误差都可能导致接缝处的渗漏,从而影响隧道的使用寿命。在回填灌浆过程中,严格控制灌浆压力是至关重要的[143]。过大的压力可能导致管片的上浮和移位,影响结构的稳定性[144]。此外,灌浆材料的选择也需结合环境温度和地下水性能进行综合考虑,以确保材料的适用性和有效性[145]。在预制技术的应用方面,王武现[146]通过在隧道中采用预制混凝土以提高隧道耐久性。二次衬砌施工中需要严格控制各类误差,特别是仰拱的定位和接缝拼装,通过合理的预制技术和灌浆控制,可以有效提高隧道的耐久性和施工质量。

6.3 抗震分析

预制装配式结构由于接头的存在,其力学行为与传统的现浇结构体系存在显著差异。在分析结构体系的力学行为时,必须考虑从装配施工过程到正常使用期间以及地震时的各个阶段。这意味着在设计和施工过程中,不仅要关注结构在静态条件下的表现,还要考虑其在动态条件下,尤其是地震作用下的响应。这种多阶段的考虑能够确保结构在整个生命周期内的安全性和稳定性。随着抗震研究领域对地下结构的关注不断增加,隧道等地下结构的抗震性能研究也逐渐深入,推动了抗震理论的快速发展。

20世纪70年代,随着地震观测技术的进步和波动理论的发展,日本学者陆续提出了一系列实用的抗震设计方法,如应变传递法、反应位移法和地基抗力法[147]。通过这种方法可以得到地震的监测数值,并通过数值模拟来进一步验证,推动着抗震设计的发展[148]。然而,解析法在应用中存在一定的局限性。虽然它适用于圆形等规则断面的隧道,但在面对复杂的地层条件时,其计算结果往往不够可靠[149]。因此,解析法的适用场景较为严苛,限制了其广泛应用。为了克服这些局限性,中外学者在解析法的基础上,提出了更为方便的地震分析方法。这些方法包括地震系数法[150]、自由场变形法、柔度系数法[151]、反应位移法[152]、广义反应位移法[153],以及通过引入地震响应调整系数改进的反应加速度法[154]等。尽管解析法在复杂条件下存在局限性,但一系列简化分析方法的提出,显著推动了地下结构抗震设计的进步和规范化。在地铁车站的抗震研究中,陈国兴等[155]通过在振动台上进行模型试验,研究地铁车站的动力损伤效果。在盾构隧道的抗震研究中,张景等[156]采用振动台试验和数值模拟的方法,研究了盾构隧道在穿越软硬突变地层时的纵向地震响应特性。在研究盾构隧道与联络通道的连接时,信春雷等[157]研究了断层隧道地震作用下的效果,并提出隧道的抗震措施。

对于隧道抗震措施主要聚焦于三个方向:第一为注浆加固,通过在衬砌壁后进行注浆,可以显著增强围岩的刚度,使其能够承担更多的地震荷载。这种方法不仅提高了隧道的整体稳定性,还能有效减少地震对隧道结构的破坏[158]。第二为改变隧道衬砌的形式,通过调整隧道的断面形状以及衬砌结构的刚度和强度,可以使隧道更好地适应围岩-隧道系统的共同变形。这种设计优化能够提高隧道在地震中的适应性和安全性[159-161]。第三为设置减震层或抗震缝,通过在隧道衬砌与围岩之间或初支与二衬之间设置减震层,可以有效减弱地震波传递到隧道内部的能量,从而降低隧道的地震动力响应。

7 研究中的不足

自中国第一条装配式隧道建设以来,装配式隧道取得了巨大的发展,但对于矿山法二次衬砌装配式公路隧道仍然有许多方面需要进一步研究。

在隧道断面装配结构形式的研究上,实际存在装配式隧道部分预制衬砌和全预制衬砌,实际工程需要根据要求对隧道进行装配式施工。目前大多数矿山法公路隧道只应用部分仰拱装配式预制,矿山法隧道二次衬砌全环预制大多数存在于理论研究中,理论与实践结合不够紧密,导致研究成果难以应用于实际工程中。因此,矿山法隧道二次衬砌全环预制应用于实际工程还需进一步研究。

在装配式隧道断面分块和管片参数的研究上,马蹄形公路隧道对于管片划分大部分依靠隧道结构弯矩图和实际工程需求,未能考虑全部的管片划分要求。实际工程采用的管片参数波动范围较大,并且大于目前理论研究得到的管片参数。因此,对于确定更加合理的隧道管片划分和管片参数还需进一步研究。

在装配式管片接头的研究上,隧道接头力学性能的研究在试验、数值模拟和理论研究方面已取得一定进展,但形成的具有普适性的理论成果较少,材料参数取值存在主观性和经验性,理论分析与数值计算结果之间存在差异。不同接头构造和特殊环境条件下的接头受力分析和刚度参数的确定仍需进一步研究。同时,接头的非线性行为的精细化分析和模型优化也需进一步研究,以形成相关的接头设计理论体系及相应规范。

在装配式管片防排水的研究上,目前的研究主要集中在防水材料和结构的防水性能上,但缺乏对防水机理的深入研究。目前的研究多集中于遇水膨胀橡胶材料,对新材料的防水性能研究较少,且缺乏对装配式结构防水效果的全生命周期分析,包括使用年限、土层特性及埋深等因素的影响。

在装配式管片现场安装的研究上,目前的研究中,装配式结构构件连接的稳定性、可靠性以及施工环境对连接的影响等方面仍需进一步研究,以确保连接的稳定性和可靠性。装配式结构抗震性能的研究仍需进一步加强,包括现浇结构与预制体系的抗震性能差异、施工因素的影响等。在装配式管片的现场安装过程中,如何提高安装精度、减少误差、提高施工效率等方面仍需进一步研究。预制构件的加工、运输、安装等环节的协调性对施工效率和质量有重要影响,目前仍需进一步研究如何优化预制构件的设计与现场施工的衔接。

8 结论

较为全面地总结了矿山法公路隧道装配式二次衬砌结构研究现状,重点围绕二次衬砌结构设计进行了梳理和总结,以期为后续其他研究方法的选择提供参考。经过调研总结,得出以下主要结论。

(1)对于装配式结构形式,隧道装配式形式包括全构件预制和部分构件预制。全构件预制包含整体预制和结构分块预制,全构件预制在推进法中广泛适用,在矿山法隧道中很少采用。部分构件预制包含仰拱预制和拱墙部分预制,其适用能力强,应用较广。

(2)在公路隧道装配式二次衬砌分块中,要考虑隧道所受围岩压力和管片所受的荷载,根据所受荷载来进行管片划分,接头位置有着良好的抗压和抗剪能力,但抗弯能力较弱,应当合理布置接头位置以便更好调整管片内力。对于管片幅宽和厚度,要考虑现行的隧道管片要求和现场机械设备。

(3)衬砌管片连接,衬砌拼装方式有通缝和错缝拼装,能够显著提高结构的整体刚度和防水性能。现行接头有干接头和湿接头,对于管片连接常用的是螺栓接头。装配式二次衬砌隧道防排水包含防水层防排水和二次衬砌管片防水。

(4)在公路隧道工程中,衬砌预制块拼装应遵循“衬砌预制块先定位,后运输,再防水处理,其次填豆砾石,最后壁后注浆”的装配式衬砌施作原则。隧道装配式二次衬砌结构的施工荷载是一个随时空变化的复杂问题,难以准确描述隧道在施工阶段的荷载变化,故为保证结构安全要控制管片施工误差、背后注浆和拼装支撑力。对于隧道抗震研究较多,通过隧道注浆加固、设置减震层和改变隧道衬砌形式来保证装配式结构安全。

9 展望

矿山法公路隧道装配式二次衬砌作为适配极端环境、践行绿色建造的关键技术,目前理论研究内容已较为丰富,但需要突破多学科交叉瓶颈,与实际工程的结合较为困难。未来,需聚焦核心技术难题,重点开展以下几方面研究工作。

(1)隧道多因素耦合下力学行为精准预测难,矿山法隧道装配式二次衬砌力学响应受围岩、施工、结构形式等多因素影响,荷载动态演化、马蹄形断面应力复杂及接头弱化整体性,增加了内力与变形预测难度。对此,研究重点聚焦荷载与地层耦合机制及量化表征,构建围岩压力精准计算体系,探究初支-二衬荷载分担演化规律,分析施工动态荷载响应,建立精准力学量化模型。

(2)结构整体性与施工便捷性平衡难,需考虑接头数量与整体性、施工效率的制约。增加接头提升灵活性但降低刚度、增多防水薄弱环节;减少接头增强整体性但增大构件运输拼装难度。研究重点为结构设计优化与标准化,开展马蹄形断面分块及参数精细化设计,研发新型管片材料与结构,优化接头连接体系,实现安全、防水与施工效率的平衡。

(3)极端环境下性能保障难,高原高寒地区的温差、冻融等工况易导致管片开裂、防水材料失效,低温缺氧环境影响施工精度与注浆质量。研究重点为防排水系统长效保障技术,探究多界面防水协同机理,研发接缝防水新材料与构造,优化壁后注浆工艺,结合新型管片材料研发,提升极端环境下结构与防水系统耐久性。

(4)施工装备与工程适配性不足,现有装备多借鉴盾构或铁路隧道技术,难以适配公路隧道空间狭小、断面异形的特点,存在设备进场难、精度效率低、构件易损伤等问题。研究重点为施工装备与精度控制技术,研发小型高效拼装设备,建立预制构件全流程质量管控体系,探究施工误差动态补偿技术,保障拼装精度与施工质量。

(5)隧道全生命周期耐久性评估难,结构耐久性受材料老化、接头失效等多因素影响,退化过程复杂随机,缺乏演化规律分析与评估方法。研究重点为抗震防控与全流程性能保障技术融合,探究部分预制结构抗震特性,研发减震措施,结合防排水、质量管控技术,建立耐久性评估与运维策略。

矿山法公路隧道装配式二次衬砌结构的研究重点集中于荷载耦合机制、结构设计优化、防排水长效性、施工装备升级与抗震防控五大核心领域,而其技术难点本质上是多因素耦合的力学行为预测、结构与施工的平衡、极端环境适应性、装备适配性及规范体系完善等问题的集中体现。未来研究需突破单一技术维度的局限,通过多学科交叉融合,建立“荷载-结构-材料-施工-运维”全链条的技术体系,推动该技术在公路隧道工程中的规模化、规范化应用。

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中国中铁股份有限公司科技研究开发计划(2023-重点-29)

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