明挖预制装配式隧道结构拼装设计方法及关键技术

明挖施工条件下的预制装配式隧道结构,其拼装技术与装配整体式结构或盾构隧道均存在较大差别。在工程设计阶段,需要根据结构型式和装配模式,对拼装进行详细的规划和设计,以支撑高质量、高效率施工,并确保结构承载性能和稳定性,同时满足接头接缝防水性能要求。拼装关键技术包括拼装方法、基面精平技术、定位控制技术、张拉锁紧技术、支顶限位措施、精度控制标准等方面。明挖装配式隧道结构的拼装应以首环固定端为起点,沿纵向推进,遵循“先下后上”并逐块、逐层向上的拼装原则;基坑底部基面应进行精平处理,并根据地基条件和底板结构型式,采用精平条带法或基面统平法;隧道衬砌结构宜在接头拼接面设置一定数量的导向定位装置,在辅助构件精确定位的同时,有效控制结构表面错台量;明挖装配式隧道宜设置在直线上,当隧道位于曲线地段时,可采用“楔形构件+等宽缝”或“等宽构件+楔形缝”的方式拟合曲线;张拉锁紧措施主要有预应力钢棒张拉锁紧和螺栓锁紧方式,预应力张拉宜采用“形心跟踪法”,并应多点协同、同步张拉锁紧,保持接缝宽度的均匀性,有效控制目标接缝张开量,并对预制底板下空隙及时注浆填充,在侧墙和拱脚等关键部位及时支顶限位。     

关于盾构机和衬砌环的定位测量

盾构机的空间定位用三度直角坐标和三度姿态角,拼装式衬砌环的定位用三度直角坐标加两度"侧超前"和横滚角.证明衬砌环的姿态偏差(侧超前)是引发常用平端面衬砌环隧道出现连续错台的直接原因.定义了"超前"、"错台"的概念,导出它们的数量关系.为提高装配式隧道的质量,减少环缝的连续错台,更要并杜绝衬砌环的净空侵限,首先要控制盾构机在推进时的位置和姿态偏差,同时也要控制衬砌环拼装时的位置和姿态偏差.给出一套控制定位偏差的限量体系,供工程项目试用.     

装配式地铁车站结构接缝防水关键技术研究与应用

装配式地铁车站结构的接缝防水性能一直备受行业的关注,针对装配式车站的结构构造、构件制作及施工工艺等特点,对与接缝防水性能高度相关的“接缝张开量”和“密封垫错位量”两个关键参数的主要影响因素和控制指标进行分析,结合密封垫防水性能试验研究及实际工程应用监测结果,充分论证接头接缝“两垫+一注+一嵌”多道防线的关键技术。双道密封垫以三元乙丙橡胶(EPDM)弹性密封垫作为主防水,复合遇水膨胀橡胶作为加强防水,形成复合式多孔多槽形密封垫,密封垫为接缝防水主要防线,注浆和嵌缝为辅助防线。研究和实际应用表明,装配式车站结构的接缝防水,不仅在防水构造措施方面与盾构隧道不同,而且在各项控制标准方面也存在较大差异,张开量10 mm、错位量5 mm是装配式车站结构接缝防水性能控制的合理指标;单道防水密封垫,在张开量10 mm、错位量5 mm的情况下,能抵抗水压力1.0 MPa,满足埋深30 m车站结构抵抗2～3倍水头压力的性能要求,并在使用100年后,仍存在约67%的残余应力值,具有长期耐水压性能;双道防水密封垫,较单道密封垫防水性能提高有限,提高率在20%～30%之间,但在衬砌外道密封垫出现局部漏水时,双道密封垫的优势显著;从接缝合理张拉锁紧荷载的角度考虑,三元乙丙橡胶密封垫的硬度需要较常规盾构隧道密封垫降低5 SHA,即采用60 SHA,其单位长度完全压缩荷载指标不大于40 kN/m。目前已建和在建车站工程,实测结构接缝最大张开量和表面最大错台量均满足接缝防水性能控制标准的要求,在未设置外包防水层的情况下,接缝无渗漏水现象发生。     

大直径盾构隧道内部装配式箱涵拼装质量调查研究

对某在建超大公路和城市轨道交通合建盾构隧道共2 275环装配式大尺寸箱涵拼装质量开展调查研究，重点关注拼缝宽度、拼缝错台、螺栓质量和轴力变化等质量指标。研究结果如下：(1)拼缝质量存在较大的差异性，拼缝宽度在5～40 mm内数量呈正态分布，拼装错台主要在2～10 mm内，部分拼缝错台超过16 mm,连接螺栓基本完好，但连接螺栓轴力在外界因素影响下损失严重，100 d后平均损失率达到51.58%;(2)调查分析了拼缝质量差异性的原因，主要受箱涵预制精度、施工安装精度、后期变形、施工荷载等因素影响；(3)提出了研发自适应性强的预制箱涵、提高预制精度、提高施工质量和加强隧道结构变形控制等提高拼装质量的方法。     

盾构下穿施工对既有隧道管片接头力学性能影响机制研究

基于多尺度混合建模技术和非线性接触理论,建立考虑管片接头细部构造和静动应力累积的盾构隧道精细化数值计算模型,研究盾构正交下穿施工扰动下,既有隧道管片结构(含接头)的静动力力学特性。研究结果表明:新建盾构隧道的下穿施工将引起既有隧道管片结构纵向不均匀下沉,并伴有一定的扭转;管片接头变形、螺栓内力和接头混凝土应力均表现出波动性增长,其峰值出现在既有隧道中部及其前后约6 m处;下穿施工扰动下,既有隧道管片拱腰处纵缝接头张开量的增加与拱底环缝接头错台量的增长分别对隧道的防水及螺栓受力不利;螺栓所在位置拉应力集中明显且显著增长,接近管片混凝土极限抗拉强度。在列车荷载作用下,管片接头变形,螺栓内力和管片应力3项指标表现出相似的变化规律,在轮轨经过时,量值迅速增大并产生剧烈波动,其中螺栓剪力和动拉应力在轮轨荷载交替时存在一定叠加效应。     

两构件装配式钢筋混凝土涵洞施工技术

徐州至明光高速公路建设中采用的两构件装配式钢筋混凝土箱型涵洞是国内首次采用的新型涵洞结构形式。该新型涵洞由两片标准预制构件及中间现浇带组成,标准构件采用工厂化集中预制,运输至施工现场后再拼装就位,最后浇筑中间预留现浇带从而形成箱型涵洞结构。该项新技术、新工艺有利于提高工程质量、降低工程造价、缩短施工工期。结合本工程施工实例介绍该新型涵洞的施工方案及工艺流程,可为类似工程的应用及施工提供参考。     

盾构隧道通用管片结构力学行为与控制拼装方式研究

采用梁-弹簧模型模拟管片结构、荷载-结构模型计算作用在管片结构上的荷载,并借助有限元法对不同拼装方式下地铁区间盾构隧道通用管片结构进行力学行为分析。结果表明:通用管片结构在不同拼装方式下的力学行为是不相同的,与拼装类型、分析目标环的环向和纵向接头的位置、封顶块的位置有关;错缝拼装控制通用管片结构正负弯矩、剪力、纵向螺栓剪力设计值;通缝拼装控制变形量和地层抗力设计值。对于内力较大的拼装方式,在施工中应采用回避的方式解决,所以配筋设计中可只按一般的内力值进行计算,以便减少管片结构的配筋量和减小螺栓直径,从而降低工程造价。     

软土盾构隧道横断面变形规律及控制限值研究

研究目的:盾构隧道横断面变形对结构安全具有深刻的影响,变形过大会导致隧道接缝张开及渗漏、管片开裂,甚至导致横断面限界不足、隧道结构承载能力散失等,而盾构隧道修复加固代价高昂,为了确定合理的管片修复时机,在保证隧道安全性的同时兼顾经济性,需对隧道横断面变形规律及限值展开研究。研究结论:本文在隧道变形影响因素分析的基础上,得出如下结论:(1)横断面变形的根源在于隧道竖向和水平荷载比的增大;(2)以南京地铁二号线盾构隧道管片结构为背景,采用数值模拟的方法研究了隧道横断面变形规律,建立了不同拼装方式下隧道水平直径变形量与接缝最大张开量、最大螺栓应力、最大混凝土应力之间的关系,进而提出了隧道横断面变形控制限值:对于通缝隧道,水平直径变化量大于123 mm时螺栓达到极限强度值,对于错缝隧道,大于127 mm时螺栓达到极限强度值,此时隧道安全性将受到极大威胁;(3)本研究成果可为隧道横断面变形管控措施及修复时机的确定提供参考。     

盾构隧道中管片结构纵向错台的研究

盾构隧道通缝拼装管片结构的错台一直是困扰盾构隧道施工的技术问题,且由错台引起的管片开裂、拼装困难和防水隐患等问题对施工和运营的影响日益突显,并直接影响到工程质量。以上海轨道交通二号线西延伸段盾构隧道工程为背景,采用现场监测和数值计算方法对盾构推进过程中管片错台进行分析,获得了管片结构错台发生及发展的变化规律。进一步探讨了盾构千斤顶的顶力对错台大小及发展规律的影响,为盾构施工中减小错台,提高施工精度和质量,以及盾构隧道设计施工提供参考。     

基于三维点云的盾构管片拼装质量偏差评价方法

盾构机在掘进过程中,由于盾构姿态控制不当等因素,管片拼装时常发生错台值、椭圆度失准等工程质量问题,这些施工质量问题往往会对隧道的稳定性及安全性造成影响,为保证盾构隧道的安全施工与健康服役,在施工过程中对盾构管片拼装质量进行动态评估尤为重要。针对传统盾构管片拼装检测效率低,精度有限及检测数据全面性差等问题,应用三维激光扫描技术采集盾构管片拼装成型后的点云数据,通过长短轴法和改进的按斜率分割法分别对盾构管片的椭圆度和错台值进行测算;同时提出环段数据拟合提取隧道中轴线及中心点的方法,实现盾构管片拼装质量高精度、高效率、自动化检测。结合实际盾构隧道工程案例分析,验证基于三维点云的盾构管片拼装质量偏差检测方法的可行性。     

基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站的结构方案及其关键节点受力和变形

针对北京地铁14号线将台车站结构方案存在的不足,提出1种基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站的塔柱式结构方案,并建立三维非连续接触模型,研究塔柱式结构关键节点的受力和变形。结果表明:盾构隧道和车站2边主体结构的施工,对管片纵缝的张开和错台影响显著,但对管片环间错台影响不明显;横通道施工对管片纵缝的张开和错台影响较小,开口环管片的环间错台不明显,但塔柱环和开口环管片的环间错台急剧增加,最大错台量为2.73 mm;管片接头压应力在扩挖施工阶段均明显增大,尤其在横通道施工阶段,由于部分管片的拆除,塔柱环管片的拱腰处节点压应力剧增,最大值为19.31 MPa;管片和现浇混凝土连接节点的张开和错台均不明显,此类节点压应力小于塔柱环管片相同位置节点的压应力;管片接缝面的剪轴比均大于摩擦系数0.5,但管片接头斜直螺栓的轴向拉力均小于其所能承受的最大抗拉荷载,满足抗拉强度要求。     

基于纵向不均匀沉降的盾构隧道渗漏水机理分析

研究目的:对于地铁盾构隧道,由于衬砌由管片拼装而成,地铁通车运营后,盾构隧道会因多种原因产生纵向不均匀沉降,导致管片接头张开量的增加,从而造成管片之间的接缝处发生渗漏水。因此,有必要对盾构隧道渗漏水机理进行分析、研究。研究结论:隧道纵向不均匀沉降在一定程度上会造成环缝的张开,进而造成弹性密封垫防水性能的减弱、引起管片之间发生渗漏水;环缝影响长度系数对环缝张开量几乎没有影响,而不同环宽、不同螺栓与混凝土的刚度比对环缝张开量均有一定影响:较大的环宽和螺栓与混凝土的刚度比不利于管片接缝的防水。本项研究可为隧道防水设计及运营阶段的维护等提供参考。     

铁路客运专线割翼箱梁预制施工技术

32m后张法双线整孔箱梁预制在铁路工程中，尤其是在客运专线施工中应用越来越多，这种箱梁结构新颖，施工工艺复杂，精度要求高，梁体自重大。在福厦铁路Ⅲ标段施工中，为解决箱梁过隧问题而开发出割翼箱梁（后浇部分翼缘板），介绍了割翼箱梁预制施工技术。     

城市轨道交通装配式道岔道床 设计与实践

为克服现浇道岔道床岔枕离散、组装工序繁琐、工期较长及现有预制道岔道床结构复杂、施工工序多、 通用性较差的弊端,在现有预制道岔板的基础上,提出和研发一种新型的装配式道岔道床,从平面廓形、控制性 尺寸、承轨台、限位结构、隔离层或减振垫、转辙机安装预留接口等方面进行优化设计和研究创新,并在重庆轨 道交通 4 号线二期工程中成功实践。研究结果表明：与既有预制道岔道床相比,此新型装配式道岔道床的生产和 施工便利性显著增强,具有十分广泛的应用前景。     

装配式地铁车站预制中板梁柱设计方案研究

以深圳地铁内支撑体系下的装配式车站为工程背景,研究车站预制中板梁柱设计的关键技术：中板设计需同时满足基坑支撑的受力转换及车站流水拼装的工艺要求;中板设计需满足吊装、拼装、基坑受力转换、正常使用等工况的受力要求;中板设计需满足楼梯及扶梯开洞的受力需求。针对以上问题,研究车站采用预制+叠合型式中板结构的流水拼装步序,对拼装步序中围护、中板结构受力及变形进行分析;通过采用预制+叠合结构型式的中板结构以满足施工阶段和使用阶段的受力要求;针对中板开设大孔洞的设计难点,通过孔内设置型钢支撑来满足拼装及基坑受力转换的需求,车站拼装完成后在孔边现浇纵横梁、叠合层等形成孔边加强结构,然后切除孔内型钢支撑形成永久开孔;并通过设置抗剪连接、叠合层、纵横梁体系等措施满足开孔受力需要。预制中板的设计措施研究,实现了地铁车站的全断面装配,进一步提高了地铁车站的装配率及流水拼装的工效。     

二衬厚度对盾构隧道双层衬砌纵向力学性能的影响

盾构隧道作为一种复杂的三维线性地下结构,容易受围岩特性不均等因素影响产生不均匀变形,引发结构局部破坏等病害。为研究双层衬砌盾构隧道在运营过程中的纵向力学行为,结合武汉地铁8号线越江隧道工程,建立纵向三维壳-弹簧力学分析模型,结合工程实际探讨二次衬砌厚度对盾构隧道双层衬砌力学性能的影响,以期获取合理的二次衬砌厚度取值。研究结果表明:(1)盾构隧道双层衬砌结构的纵向等效弯曲刚度随二次衬砌厚度增加呈线性增加;(2)施作二次衬砌可降低隧道纵向不均匀沉降量及管片间的错台量,二者随二次衬砌厚度增加而减小,但幅度不大;(3)在隧道纵向出现极端不均匀变形条件下,施作二次衬砌会导致位移突变点附近部位的管片局部内力及环缝张开量增大;(4)综合分析盾构隧道管片衬砌变形及受力,同时考虑工程造价和二衬是否设置配筋等因素,对于直径12 m级盾构隧道,其二次衬砌厚度建议取20~35 cm。     

大直径盾构隧道全预制结构拼装技术实践

京张高铁清华园隧道是国内首座全预制拼装铁路盾构隧道,包括管片衬砌、轨下箱涵结构及附属结构均实现了工厂化预制,机械化拼装工艺。轨下结构全预制拼装工艺不但加快了施工进度,节约工期,免了大量植筋,提高结构了耐久性,而且还大幅度改善了施工作业环境。介绍轨下全预制结构的设计及施工技术创新应用,通过对现场的拼装错缝统计,分析得出箱涵拼装机无预紧功能,预制件间无螺栓连接、密封材料及施工精度低等因素是产生拼装误差的直接原因。提出采用微膨胀525快硬型硫铝酸盐水泥浆填充预制结构缝隙的改进措施,并采用数值模拟计算分析该方案可靠性与稳定性,结果表明:注浆填充施工误差缝隙后,结构的稳定性及长期运营的安全性均显著提高。     

1800t级预制节段梁架桥机在青连铁路项目中的应用

青连铁路跨胶州湾特大桥位于胶州湾部分浅滩生态敏感区,施工环保要求较高,且整孔铁路箱梁吨位较大,传统的现浇法施工很难满足要求,经研究最终采用带湿接缝的预制节段梁施工技术。该线路施工面临拼装场地受限、桥后喂梁、节段块精确调整等施工难点。针对工程特点及施工组织要求,研制了1800t级预制节段梁架桥机并在该项目中成功应用,解决了施工过程中存在的技术难题,具有良好的经济效益和环境效益,为其它类似项目预制节段梁施工提供实践经验。     

海上风电大直径钢管桩沉桩精度控制措施研究

海上钢管桩沉桩定位方式比常规沉桩工艺具有更高的要求,本文以中船重工大连市庄河海域海上风电场址Ⅱ(300MW)项目风机基础施工Ⅰ标段为例,针对外海复杂海域环境条件下超大直径、超长钢管桩沉桩施工精度控制难题,对钢管桩沉桩施工工艺进行研究,并对沉桩施工精度控制措施进行分析探讨;对钢管桩垂直度观测理论允许偏差进行计算,以量化指导施工。实践证明,所采用的工艺措施有效提高了沉桩的施工精度,完全满足规范精度要求,沉桩效果良好。     

基于钢结构铰接埋置式螺栓高精度定位技术研究

钢结构铰接连接是工程建筑中不可或缺的一个重要连接方式,在钢结构钢柱吊装施工中占有很大比重。钢结构铰接的作用是剪力传递,随着铰接点的转动受剪,其作用力主要在铰接点中心,使其两端的上部结构承四面压力,能起到均匀分散压力的作用。铰接埋置式螺栓预埋施工是钢结构钢柱安装的基础性工作,其精准度直接影响到钢结构建筑安装质量,掌握并控制好螺栓位置、垂直度、长度及标高是钢结构施工的关键因素,保证质量要求可减少扩孔和二次处理工程量,对钢结构能否顺利安装具有重要意义。本文提出的扁担套架辅助安装预埋螺栓新型施工工艺解决了钢结构铰接埋置式螺栓高精度定位施工重难点问题,同时该技术在项目上的研发和应用获得"扁担套架"国家实用新型专利(专利号:ZL 201821860297.9)。