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    科學技術論文

    城市高速鐵路明挖隧道裝配式結構設計方案研究

    時間:2021年08月26日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:明挖裝配式工法修建城市高速鐵路隧道具有縮短工期、減少現場人力投入、改善施工質量、提升環境友好性等諸多優勢,是未來城市隧道的一個發展方向。通過對雄忻高鐵雄安隧道周邊規劃條件、項目實施環境調研,分析裝配式結構工效,證明了采用裝配式結構可

      摘要:明挖裝配式工法修建城市高速鐵路隧道具有縮短工期、減少現場人力投入、改善施工質量、提升環境友好性等諸多優勢,是未來城市隧道的一個發展方向。通過對雄忻高鐵雄安隧道周邊規劃條件、項目實施環境調研,分析裝配式結構工效,證明了采用裝配式結構可有效的控制總體工期;結合本次裝配式實施段落的工程條件,從工期、經濟性、拼裝效率以及臺車適用性等方面綜合比選,推薦使用吊裝法施工。通過建立隧道工程“荷載結構”整體計算模型以及裝配式構件局部接頭模型,對隧道整體內力及裝配構件接頭變形進行分析。結果表明:裝配式隧道結構內力、接頭局部變形滿足設計要求;采用預應力連接措施可有助于控制構件接頭變形,證明了裝配明挖結構設計方案的合理性。

      關鍵詞:高速鐵路;明挖隧道;裝配式結構;設計方案;受力特性

    隧道建設

      1概述

      隨著我國社會經濟的長足發展,鐵路交通行業有了突飛猛進的增長,截止2020年底,中國鐵路運營總里程達14.5萬km,其中,鐵路隧道共16798座,全長約19630km[1]。經濟交通的發展帶動了區域經濟協調發展,以區域間城際、高速鐵路為代表的新型出行模式正在改變著人們的生活方式。為提高交通出行效率,各大城市均建立了綜合交通樞紐,將地鐵、高鐵、公交場站緊密聯系在一起,高鐵進入主城區成為了必然,城市鐵路隧道應運而生,成為了未來重要的發展方向。高速鐵路城市隧道以盾構、明挖施工形式為主。

      目前,明挖城市隧道采主要用現場澆筑的傳統生產方式,實施工效低、受場地環境影響大、現場投入大、關鍵節點工期不易控制、防水等工藝質量較差、環境友好性差[24]。明挖裝配式工法修建城市鐵路隧道,隧道構件工廠化、標準化生產,待現場圍護結構施工完成后進行主體結構拼裝,具有縮短工期、改善施工質量、有效控制現場環境污染等諸多優勢,是建筑產業化升級、信息化發展的有效途徑[57];炷令A制裝配式結構在工業與民用建筑、橋梁、地鐵隧道、輸水管道等領域廣泛使用。國內外工程技術人員對全預制、半預制地下工程進行了大量研究[812]。

      隨著研究的深入,我國預制裝配式技術有了長足發展,也積累了許多工程經驗,形成了比較成熟的產業結構[13]。2015年我國首座采用全預制拼裝工藝地鐵車站-袁家店站在長春建成[14];北京市首座預制拼裝工藝的地鐵車站金安橋站,試驗段工期比傳統工藝縮短了2/3,現場工效得到大幅提升[15];北京朝陽動車所試車線地面線采用預制裝配式構件拼裝,長度80m[16]。

      此外,我國在裝配式矩形盾構、綜合管廊、拼裝沉管隧道的工程實施方面也有較多成功實施的案例[1720]。目前,明挖裝配式結構主要應用于城市軌道交通、市政管廊等領域,還未在高速鐵路中運用,以雄忻高鐵雄安隧道裝配式結構方案研究為背景,通過對裝配式結構整體受力以及裝配式構件局部接頭變形的分析,證明了結構設置的合理性。通過工效分析發現,裝配式方案可有效提高工效,減少總工期,加速一體化實施進程。從而驗證了裝配式方案的優勢及合理性。

      2明挖裝配式隧道結構方案

      2.1工程概況

      雄忻高鐵雄安隧道位于規劃雄安新區,隧道總長約20km,周邊規劃有多項市政工程,鐵路隧道與市政工程一體化設計、施工。隧址區位于華北平原區,屬于沖洪積平原小區,地形平坦,地勢開闊,略有起伏,局部為低洼地,地表多辟為耕地。本工程范圍內地層主要為第四系沖洪積地層,粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土、黏土、粉細砂、中砂,局部存在人工堆積素填土、雜填土。線位距離白洋淀較近,地下水位較高。場區內地下水類型為第四系孔隙水,根據地層結構和地下水的賦存條件,分為潛水和承壓水。其中,砂層為主要含水層,富水性和透水性較好,其他為弱透水層。

      2.2結構設計方案

      裝配式隧道結構采用拱形明洞形式,隧道寬18.6m,高12.12m。隧道設計考慮結構空間受力關系、預制塊吊裝、結構運輸,將隧道結構橫斷面分為6塊。

      2.3結構拼裝方案

      根據裝配式預制構件的拼裝方法不用,可采用種拼裝方法,分別為龍門吊預制襯砌支撐臺車吊拼法以及拼裝機運輸設備預制襯砌支撐臺車拼裝法。

      2.3.1龍門吊

      預制襯砌支撐臺車吊拼法結構拼裝采用臺車吊裝的方式,設備整體結構主要分為門架、模板、附屬機構、附屬平臺、行走系統、液壓泵站等部件。

      完成基坑開挖后架設龍門架;在初始拼裝位置安裝固定架,作為拼裝受力架和定位架;利用龍門吊吊裝制塊,后吊裝、塊,將A/C、A/B塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊,將C/E塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊,將B/D塊間定位螺栓穿入并鎖緊;利用龍門吊吊裝塊,使用工裝上的調整油缸調整塊位置,安裝塊就位,將D/F、E/F塊間定位螺栓穿入并鎖緊。按以上步驟繼續安裝第+1環,并將環與環之間通過螺栓縱向預緊,第環與第+1環需錯縫安裝。

      2.3.2拼裝機運輸設備

      預制襯砌支撐臺車拼裝法在初始位置安裝固定架,作為初始的受力件和固定架,依次拼裝整個臺車,通過液壓馬達旋轉管片,使管片安裝到位;乜s滑移油缸為管片提供一個預緊力,安裝軸向預緊螺栓,重復以上步驟,依次抓取其余管片,通過液壓馬達旋轉管片,分別控制兩側的伸縮油缸,使管片調整到位,回縮滑移油缸為管片提供一個預緊力,安裝軸向預緊螺栓并安裝塊與塊之間的螺栓,直至完成整環安裝。

      2.3.3結構拼裝方案選擇

      拼裝法的臺車可以適應不同內輪廓的隧道斷面,吊裝法臺車模板需根據隧道內輪廓進行定做,拼裝法臺車適用性更強,但成本較吊裝法高,且工效偏低。本線目前在隧道出口大放坡段240m范圍內采用預制裝配式結構,段落結構內輪廓形式單一,開挖面大場地開闊,龍門吊安裝方便。從工期、經濟性、拼裝效率及臺車適用性綜合比選,推薦使用吊裝法施工。

      3結構受力模型計算

      3.1整體模型受力計算

      參考盾構隧道管片結構進行裝配式結構截面內力及變形方面的計算,采用慣用計算法。若將管片結構視為梁,接頭視為變形連續彈簧,分別用來模擬管片和接頭的力學特性。通過彎矩提高系數ξ(彎矩增大系數ξ取0.3[2122])來實現對錯縫拼裝彎矩傳遞的評價。計算時取單環管片進行計算,計算結構內力,然后考慮錯縫拼裝后的整體補強效果,進行彎矩分配。本工程范圍內地層主要為第四系沖洪積地層,粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土、黏土、粉細砂、中砂,局部存在人工堆積素填土、雜填土。

      采用SAP84有限元計算軟件,對整體結構建模計算,考慮到截面剛度分配,側墻使用變截面,使拱腳處截面適當加大。分別采用水平彈簧和豎向彈簧模擬坑底地層對結構水平位移和底板垂直位移的約束作用,結構底部豎向彈簧僅能承受壓力。

      3.2接口計算

      雄忻鐵路明挖裝配式預制構件接頭型式為榫槽式接頭,接頭采用預應力鋼絞線加強,預制構件厚700mm。對于拱墻型明挖隧道來說,結構頂拱、側墻和底板受力工況均為軸力和彎矩組合工況,即:結構構件同時承受軸力和彎矩的作用。因此,主要研究軸力和彎矩組合工況作用下接頭抗彎剛度的影響因素,計算模型一端固定,另一端施加軸力,來模擬接口處所受軸力,施加向上的集中力,使接口位置達到設計彎矩。

      4計算結果分析

      對結構使用階段的整體受力和接頭處局部變形進行分析,從而判斷裝配式隧道結構在使用階段的整體強度和接頭使用性能。

      4.1整體受力分析

      從各荷載組合計算結果分析,本項目工況按正常使用極限狀態進行配筋,結構承載能力極限均滿足要求。

      5施工工效分析

      雄忻高鐵雄安隧道位于雄安新區起步區,周邊規劃有多項市政工程,鐵路隧道與市政工程一體化設計、施工,建設期與周邊多項市政工程同步實施,總體工期短,交叉工程多,鐵路隧道位于各項工程的最下層,完成時間決定著上方及周邊市政工程的開工建設,制約著總體建設工期。明挖裝配式隧道結構可大幅提高現場施工作業效率,縮短施工期。由于裝配式隧道管片預處理、接縫注漿、拱頂覆土、仰拱填充等工序可與管片拼裝平行作業,因此,計算單環管片安裝時間從吊裝到最后管片成環預緊即可。仰拱底部填充及調平處理約0.5h,吊裝、移動設備、螺栓預緊及緊固合計耗時約1h,預制構件平均單環有效作業時間約為1.5h,預計作業效率可達8m/d。

      傳統明挖鐵路隧道按12m臺車計算,仰拱施工需4d,側墻施工需5d,拱頂施工需7d,考慮流水作業,襯砌作業效率約為12m/7d,可推算出此段落可比現澆工藝節省約110d,從工效方面裝配式襯砌有明顯優勢。此外,裝配式構件均在廠內加工,運至現場拼裝即可,能夠解決寒冷或嚴寒地區冬季無法施工的問題。由此,裝配式結構可大幅度提高工效,為一體化實施項目中的其他工程,爭取施工時間,緩解總體工期壓力。

      隧道建設論文范例: 橋梁隧道工程施工中灌漿法加固技術的運用研究

      6結論

      依托雄忻高鐵雄安隧道方案研究,進行裝配式高鐵隧道設計,對裝配式結構的拼裝方式及施工效率進行了分析。并通過有限元計算軟件,對隧道結構的整體受力及局部接頭變形情況進行計算分析,得到如下結論。

      (1)結合本次裝配式實施段落的工程條件,從工期、經濟性、拼裝效率以及臺車適用性綜合比選,推薦使用吊裝法施工。(2)經整體受力分析,預制結構的強度及耐久性均滿足要求。(3)對裝配式結構接頭施加預應力后,接縫張開量減小,預應力筋對接縫張開量有一定的抑制作用,可減小接縫處的變形。在最不利彎矩和軸力作用下,接縫張開量小于0.2mm,接頭變形量小,可保證接縫位置的防水可靠性,該方案接頭連接具備有效性。(4)經分析裝配式襯砌在提高工效方面有明顯優勢,同時能解決寒冷或嚴寒地區冬季無法施工問題。由此,裝配式結構可大幅度提高工效,為一體化實施項目中的其他工程,爭取施工時間,緩解總體工期壓力。

      參考文獻:

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      [7]劉瓊,李向民,許清風.預制裝配式混凝土結構研究與應用現狀[J].施工技術,2014,43(22):914,36.

      作者:孫一鳴

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