考虑横断面几何参数的高速铁路预制拼装式明洞衬砌分块设计与拼装方法

Partition Design and Assembly Method on Prefabricated and Assembled Open Cut Tunnel Lining of High-Speed Railway Considering Cross-Section Geometric Parameters

摘要

以某设计时速350 km高速铁路单洞双线大跨度隧道工程为依托，从设计与施工2个方面对拼装式明洞衬砌进行研究。首先，结合建筑限界和安全疏散通道等因素确定衬砌内轮廓及衬砌横断面形式；然后，基于平面几何基本原理，提出考虑明洞衬砌横断面几何参数的预制块分块方法；最后，在优化结构形式的基础上，提出预制块结构设计与拼装方法。结果表明：该依托工程的隧道横断面设计为带仰拱的多心圆曲边墙拱形断面形式，以提高明洞的整体稳定性和运营寿命；优化后，单环衬砌设计为3块A型预制块、2块B型预制块和1块C型预制块，衬砌各接头位置处弯矩较小甚至为0；预制块环向间以半圆形榫接头拼接，纵向间以圆台形榫接头拼接，并通过缓膨胀止水条、排水管、排水沟等形式加强衬砌整体防水性能；单环拼装时先拼装仰拱部位的C型预制块，再拼装拱肩部位的B型预制块，最后再拼装拱部的A型预制块，前后相邻预制块对位，以通缝方式完成明洞衬砌整体拼装。

Abstract

Based on a single-tube double-track large-span tunnel project of high-speed railway with a design speed of 350 km ‍· h^-1, the assembled open cut tunnel lining is investigated from 2 aspects of design and construction. Firstly, the inner contour and cross-sectional form of the lining are determined by combining factors such as construction limit and safety evacuation passageway. Subsequently, based on the fundamental principles of plane geometry, a partition method of prefabricated segments considering the geometric parameters of the cross-sectional form of the open cut tunnel lining is proposed. Finally, on the basis of optimizing the structural form, the structural design and assembled method of prefabricated segments are put forward. The results show that the tunnel cross-section of this project is designed as a multi-centered circular curved side wall arch section with an inverted arch, aiming at enhancing the overall stability and operational lifespan of the open cut tunnel. After optimization, the single-ring lining is designed as 3 A-type prefabricated segments, 2 B-type prefabricated segments and 1 C-type prefabricated segment, and the bending moments at each joint of the lining are minimized or even 0. The prefabricated segments are assembled with semi-circular tenon joints in the circumferential direction and frustum-shaped tenon joints in the longitudinal direction. Additionally, the overall waterproofing performance of the lining is enhanced through the use of slow-expanding water stop strips, drainage pipes, and drainage ditches. In the procedure of assembling single-ring, the C-type prefabricated segment at inverted arch are assembled firstly, then the B-type prefabricated segments at arch shoulder are assembled, and finally the A-type prefabricated segments at arch are assembled, in which the front and rear adjacent prefabricated segments are aligned, and the integral assembly of the open-cut tunnel lining is completed by means of through joint.

Graphical abstract

关键词

高速铁路 / 单洞双线大跨度隧道 / 预制拼装式明洞 / 横断面设计 / 新型钢筋混凝土预制块 / 几何参数

Key words

High-speed railway / Single-tube double-track large-span tunnel / Prefabricated and assembled open cut tunnel / Cross-sectional design / Novel reinforced concrete prefabricated segment / Geometric parameters

作为在山岭、水域和城市区域敷设高速铁路时常用的交通工程结构物，隧道主要用于克服线路中高程变化、近邻建构筑物及其基础等带来的障碍，提供快捷而便利的高速列车通行条件。为满足列车高速、安全通行的需要，线路敷设常受到线路坡度的制约，特别是当高速铁路穿越山岭和水域等区域时，受限于坡度，线路往往需要穿越浅埋地层，而在浅埋地层中修建隧道的难度和风险均较高，为此常采用明挖法，以修建明洞的方式完成隧道由地面至地下的过渡段。此外，当隧道全长沿线路方向均处于浅埋状态时，也常采用明洞结构穿越线路中的浅埋地层，以降低隧道的建造难度。明洞在高速铁路工程建设中的应用广泛^［1-2］，但目前明挖法常采用的立模现浇混凝土的施工工艺存在诸多缺点，包括工序多、混凝土养护周期长，以及因浇筑的结构不能立即承受荷载而导致施工效率低和施工质量难以控制等，无法较好地满足当前高效率、高质量建设高速铁路明洞的工程需求。预制拼装式衬砌技术具有施工效率高、施工质量易于控制和对周围环境影响小等显著优点，可为高速铁路明洞的标准化、工业化和机械化建造提供思路，也是实现高速铁路明洞智能建造的重要途径之一^［3-8］。

预制拼装式明洞衬砌的显著特点是将衬砌结构划分为若干个标准的预制块，然后将预制块按一定方式在现场拼装成明洞。因此，要实现高速铁路明洞拼装式衬砌的建造，需要从明洞结构的设计和施工两个方面进行研究。其中设计是施工的前提，具体包括明洞衬砌横断面形式的确定和预制块的划分设计。而对施工技术研究则应包括预制块模具的加工、预制块的制作、运输、吊放、拼装和精度控制以及接缝处防水处理等环节。目前在我国高速铁路建造领域，预制拼装式衬砌技术尚未得到推广，主要是因为明洞衬砌形式和断面的标准化程度较低，以及预制块的制作、运输和拼装需要大型的机械设备和存放场地，会导致建造成本过高等^［6-10］。而使明洞横断面及其衬砌形式的标准化则是降低预制拼装式明洞造价的有效途径^{［4-7，10-12］}。

鉴于目前国内相关研究较少，结合设计时速350 km高速铁路的隧道建筑限界和衬砌内轮廓，研究并提出基于隧道衬砌横断面几何参数的高速铁路单洞双线明洞衬砌预制块划分的设计及拼装方法。

1 依托工程概况

以某高速铁路山岭隧道为工程依托。该隧道拟设计为单洞双线大跨度隧道，隧道内列车的行驶速度为350 km · h^-1。隧址区内地貌属于丘陵山地，隧道全长740 m，进出口起止里程为DK15+600—DK16+340，自进口至出口为单面下坡，坡度为1.3%。隧道穿越的地层岩性自上而下分别为粉质黏土（Q{}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{e}\mathrm{l}+\mathrm{d}\mathrm{l}}）、粗角砾石（Q{}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{a}\mathrm{l}+\mathrm{p}\mathrm{l}}）和强风化泥岩（S₁C），岩层为缓倾斜地层，岩层的倾角为5°~8°。地下水为基岩裂隙水，地下水位于地面以下2.5~3.0 m。隧道围岩级别为Ⅴ级。全隧道沿其轴线方向上拱部岩体的覆盖层厚度在5.5~9.8 m。拟建隧道的纵剖面图^［13］如图1所示，其所穿越的地层岩性和设计拟采用的隧道衬砌横剖面图^［13］如图2所示。由图1可知，隧道纵剖面中地面最高点和进出口段的地面高程差在6.7~6.8 m，即隧道穿越段地层的地面起伏不大。由图2可知，拟建隧道需要开挖的最大跨度为14.9 m，开挖断面积达到156.2 m²。

根据铁路隧道深浅埋的判定方法^［14］，计算得到拟建隧道在Ⅴ级围岩中深浅埋的分界深度为35.8 m。由于该隧道全长范围内拱部岩体覆盖层厚度在5.5~9.8 m且岩层覆盖厚度最大为9.8 m，判断全隧道沿线路方向均处于超浅埋状态。若采用基于新奥法的钻爆法修建，则建造难度大且风险和成本高。考虑到拟建隧道所穿越区域为丘陵山地且地面无建筑物，确定采用明挖法修建，即以明洞方式穿越该段丘陵山地。借鉴国内外采用盾构法修建山岭隧道或越江盾构隧道的成功经验^［15-18］，考虑采用预制的钢筋混凝土管片组装隧道衬砌，既保证隧道衬砌的厚度和强度均能达到设计要求，又有效地避免采用模筑施工工艺修建隧道时因衬砌厚度和强度不足而引发的衬砌质量缺陷问题^［9-12］，兼顾隧道的施工效率、施工质量和建设工期。

2 明洞衬砌横断面结构设计考虑因素

2.1　我国高速铁路单洞双线隧道衬砌建筑限界及技术指标

明洞的建筑限界和钢筋混凝土衬砌的内轮廓应与线路中隧道的建筑限界和衬砌内轮廓保持一致。因此在开展高速铁路明洞衬砌及其预制块划分方法研究时，首先须考虑高速铁路隧道的建筑限界。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》，高速铁路区间线路中的隧道建筑限界^［19］如图3所示，主要技术指标包括隧道内轨顶面以上的高度和建筑限界中心线至限界左、右两侧边的宽度，这2个技术指标在数值上分别为7 250和2 440 mm^［19］。

高速铁路正线应设计为双线电气化铁路，且线间距须满足规范取值^［19］，见表1。

还需要考虑高速列车驶入隧道时所产生的空气动力学效应。我国高速铁路设计规范中规定了基于隧道空气动力学效应的隧道有效横断面面积标准。对于单洞双线隧道，当其内行驶列车的速度在300~350 km · h^-1时，隧道内轨顶面以上的净空有效面积不应小于100 m^2［19］。

此外，为保障隧道内发生事故或列车突发紧急状况时司乘及救援人员的安全，隧道两侧应各设置一条宽1 500 mm、高2 200 mm的安全疏散通道，且疏散通道的底面须高出内轨顶面300 mm；隧道衬砌内轮廓还应满足隧道内工程技术作业所需要的空间，且该空间还可作为预留空间，以便隧道衬砌发生病害时施作内衬或安装隔声板等设备，该作业空间的厚度不小于350 mm^［19-21］。

根据隧道建筑限界、正线线间距、隧道内轨顶面以上净空有效面积和安全疏散通道及预留空间等的设置，即可得到适用于时速350 km高速铁路的单洞双线隧道衬砌内轮廓及其主要设计参数，具体技术指标^［19-21］如图4所示。图中：O为衬砌拱部和边墙脚的内轮廓所在单心圆的圆心，对应半径为6 650 mm。

2.2　明洞衬砌横断面结构特点及设计参数

国内外高速铁路隧道的横断面形式主要有多圆心的曲边墙拱形结构和直边墙矩形框架结构2种。与矩形框架结构的衬砌相比，曲边墙的拱形衬砌具有较高的承载安全性和耐久性，因此实践中常采用多心圆的曲边墙且拱形断面带仰拱的结构。此外，结合国内已运营高铁隧道的围岩地质状况分析发现，采用明洞衬砌穿越浅埋地层时，所穿越的围岩大多属于Ⅵ~Ⅴ级，明洞衬砌需要承受较大的荷载，前述的曲边墙拱形衬砌更有利于提高明洞的整体稳定性和运营寿命，因此基于图2和图4所示的隧道衬砌内轮廓，将明洞衬砌横断面设计为带仰拱的曲边墙拱形衬砌形式^［19-21］。

明洞衬砌横断面几何参数应综合相应列车速度目标值下的高速铁路隧道衬砌建筑限界和衬砌内轮廓及其技术指标加以确定。以依托工程中Ⅴ级围岩浅埋单洞双线隧道为例，当设计时速为350 km时，结合图3和图4所示的高速铁路隧道建筑限界和衬砌内轮廓，可设计得到适用于明挖法建造的明洞衬砌横断面及其主要设计参数^［19-21］，如图5所示。图中：O₁为明洞衬砌拱部和边墙的内侧圆弧所在单心圆圆心，对应半径6 650 mm；O₂为明洞衬砌仰拱部位的内侧圆弧所在单心圆圆心，对应半径17 200 mm；O₃和O₄分别为明洞左、右侧拱脚部位与仰拱和边墙圆弧相切的内侧圆弧所在单心圆圆心，对应半径2 200 mm。

由图5可知，明洞衬砌横断面的设计特点为：明洞衬砌的内轮廓由4个圆心位置不同、圆心对应半径不同的8段圆弧相切而组成，并以明洞中心线为轴呈左右对称；该明洞衬砌的内部净宽度和净高度分别为13 300 和10 853 mm，明洞内轨顶面以上有效的净空面积为100.10 m²。

3 考虑明洞衬砌横断面几何参数的预制块分块方法

3.1　预制块划分思路

拼装式明洞衬砌预制块的数量不仅与明洞衬砌内轮廓有关，还需要考虑预制块加工、制作、运输、吊放和拼装的便利性，以及明洞衬砌的防水性能和拱部接触网安装的可行性等因素^{［5-7，15-18］}。若某一环衬砌采用较多的预制块进行拼装，虽然单个预制块的质量较小，但拼装后明洞衬砌上预制块之间的接缝较多，势必会影响衬砌防水性能；反之，若采用较少的预制块进行拼装，则拼装后明洞衬砌上的接缝相对较少，有利于降低渗漏水的风险，但此时单个预制块的质量势必增加，会对预制块的加工、制作、运输和现场拼装带来困难。

国内外划分预制拼装式隧道衬砌预制块的思路是：将预制块在环向相互拼接的接触面或接头设置在隧道衬砌承受地层压力和地下水压力等荷载作用而引起的0弯矩截面处^［6-11］。但分析实际盾构法拼装隧道时预制管片及相应接缝设置的情况发现，预制管片拼装成环后，环向管片接触面处或接头处的弯矩并非为0，即按前述思路划分预制块并不符合工程实际。因此在划分依托工程明洞衬砌的预制块时，不再将预制块之间的接触面或接头设置在衬砌的0弯矩处，仅考虑明洞衬砌满足其承载安全性要求即可。理论上拼装式明洞衬砌预制块的接触面或接头可设置在衬砌的任意部位，但考虑到高速铁路明洞拱顶须安装向列车供电的接触网，若预制块拼装后的接头位于安装接触网的区域内，则运营期拱顶接头处发生的渗漏水势必影响列车的安全运行。尤其当隧道位于高海拔地区或寒区时，拱部接缝处的渗漏水还会形成对列车运行安全影响较大的“挂冰”，因此在划分明洞衬砌拱顶预制块时，需要将接头设置在安装接触网的区域以外。

在图4所示高速铁路单洞双线隧道建筑限界和衬砌内轮廓的基础上，以图5所示的Ⅴ级围岩明洞衬砌横断面为例，用待定参数标示明洞衬砌的几何尺寸设计值，得到高速铁路拱形明洞衬砌的横断面设计如图6所示。图中：点A，B，C和D分别为过圆心O₁所做水平直线与明洞衬砌内、外侧圆弧的交点；R₁，R₃，R₅和R₇分别为圆心O₁，O₂，O₃和O₄所对应的、组成明洞衬砌内侧圆弧所在圆的半径；R₂，R₄，R₆和R₈分别为圆心O₁，O₂，O₃和O₄所对应的组成明洞衬砌外侧圆弧所在圆的半径；w和h分别为明洞衬砌的内部净宽度和净高度；t为明洞衬砌的设计厚度。

3.2　全环划分方案

参考国内盾构法修建的越江隧道预制钢筋混凝土管片的设计和分块模式^［15-18］，进一步研究明洞衬砌拱顶和拱肩、拱脚以及仰拱部位预制块划分的设计方法。

3.2.1　拱顶和拱肩部位预制块划分

为便于对比分析，取预制块的宽度即其沿明洞线路轴线方向上的幅宽W=2 000 mm，明洞衬砌的厚度t=700 mm，将图6中明洞衬砌在水平直径AB以上的拱顶和拱肩部位的衬砌划分为1~4块预制块，并按此提出4种不同的预制块划分方案，各方案中单个预制块的体积和质量、预制块间接头数量以及预制块圆心角的设计参数对比见表2。

由表2可知：方案1中明洞衬砌拱部虽无接头，但整块预制块的体积和质量最大，这势必会对预制块的制作、运输和吊装造成困难；方案2中预制块拼装后明洞衬砌的拱部正中间将存在1个接头，这会影响接触网及其槽道的安装，且一旦运营期接头部位发生渗漏水并滴落至接触网，还会对列车的安全运行构成威胁；方案4中虽然单块预制块的体积和质量均最小，但拼装后明洞衬砌的拱部将存在3个接头，势必增加明洞衬砌拱部防水的难度；相比之下，方案3无明显缺陷且能回避其余方案中存在的问题，可视为一种优选方案。

考虑到运营期间，接触网区域内发生渗漏水会影响高速列车的安全运行，明洞衬砌拱部预制块的数量不宜过多，最好拱顶中部无预制块接头。为更好地考察方案3的可行性与合理性，将图3所示的高速铁路隧道的建筑限界引入图6明洞衬砌横断面中，并将水平直径AB以上的拱顶和拱肩部位的衬砌三等分，以此对应表2中的方案3，如图7所示。图中：点E，F，G和H分别为水平直径AB以上明洞衬砌拱部外侧和内侧圆弧的三等分点；α为明洞衬砌内侧圆弧\stackrel{̑}{CG}，\stackrel{̑}{GH}和\stackrel{̑}{HD}所对应的圆心角，α=60°。

从图7可以看出：2个接头所在位置（线段EG和FH），均位于左线和右线中心线以外，且预制块内侧圆弧对应弦（线段GH）的长度L大于左、右线中心线之间的距离，因此拼装后形成的2个接头不会影响拱顶接触网及其槽道的安装；即便运营期间接头出现渗漏水并滴落，滴落位置也不在接触网附近，不会影响列车的安全运行；方案3中3块预制块的形式相同，可使用1套模具进行预制，有利于减少模具数量和降低工程造价。

综合预制块制作、运输和组装的便利性、明洞内拱顶处接触网设置和接缝防水等因素可得，方案3不仅在4种方案中最具优势，而且具有较好的可行性与合理性。由此，考虑以方案3作为明洞拱部和拱肩部位预制块的分块模式。方案3的明洞衬砌横断面及拱部预制块划分如图8所示，拱部预制块的分块见图8中的阴影区域。

3.2.2　拱脚和仰拱部位预制块划分

基于方案3，进一步研究拱脚和仰拱部位预制块的划分以及全环预制块的划分设计。为便于分析，在图8的基础上作辅助线：将明洞中心线O₂O₁延长，并与明洞仰拱外侧和内侧的圆弧相交，交点分别为I和J；将明洞仰拱内侧和外侧圆弧所对应半径（R₃和R₄）与仰拱内侧和外侧的圆弧相交，交点分别为K₁，K₂，K₃和K₄；将R₅和R₆与左拱脚部位内侧和外侧圆弧相交，交点分别为K₅和K₆；将R₇和R₈与右拱脚部位内侧和外侧圆弧相交，交点分别为K₇和K₈；过点K₁作线段K₁N垂直于半径O₁A，垂足为N；过点K₅作线段K₅M垂直于半径O₁A，垂足为M。得到的明洞衬砌横断面如图9所示。图中：a为铁路隧道内机车车辆限界的宽度（线段NO₁）；b为隧道内安全疏散通道的宽度（线段MN）；c为隧道内设置工程技术作业空间所需要的宽度（线段MC）；d为圆心O₁到线段O₃O₄的距离（线段O₁P₁）；e为明洞仰拱的矢高（线段JP₂）；P₁为线段O₃O₄与O₁I的交点；P₂为线段K₁K₃与O₁I的交点；β为明洞衬砌左、右拱脚部位内侧圆弧\stackrel{̑}{C{K}_{\mathrm{5}}}和\stackrel{̑}{D{K}_{\mathrm{7}}}所对应的圆心角；θ为明洞衬砌左、右拱脚部位内侧圆弧\stackrel{̑}{K_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{5}}}和\stackrel{̑}{K_{\mathrm{3}}{K}_{\mathrm{7}}}所对应的圆心角；ω₁和ω₂分别为O₁K₁与K₁P₂和K₁O₂间的夹角；δ为明洞衬砌仰拱部位内侧圆弧\stackrel{̑}{J{K}_{\mathrm{1}}}和\stackrel{̑}{J{K}_{\mathrm{3}}}所对应的圆心角。考虑到图9横断面以其中心线左右对称，分析推导时仅结合其左侧的几何关系进行。推导详见参考文献［11］。

已知三角形内角之和为180°，且在△O₁O₂O₃中有\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{3}}{O}_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{2}}=\mathrm{\angle }N{O}_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}+\mathrm{90}°，得到角度设计参数β，δ和θ之间的函数关系式，即

\beta +\delta +\theta =\mathrm{90}°（1）

Rt△O₁K₅M中斜边O₁K₅的长度即为明洞衬砌拱部内侧圆弧\stackrel{̑}{C{K}_{\mathrm{5}}}所对应的半径R₁，而Rt△O₁K₅M中与β相邻的直边为MO₁，可得

\left\{\begin{array}{l}{O}_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{5}}=R_{\mathrm{1}}=a+b+c\\ M{O}_{\mathrm{1}}=a+b\end{array}\right.（2）

根据Rt△O₁K₅M的3边关系可得直角边MK₅为

M{K}_{\mathrm{5}}=\sqrt[]{O_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{5}}^{\mathrm{2}}-M{O}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}=\sqrt[]{c^{\mathrm{2}}+\mathrm{2}c\left(a+b\right)}（3）

在Rt△O₁K₅M中，根据三角函数正切关系，有

\beta =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{\sqrt[]{c^{\mathrm{2}}+\mathrm{2}c\left(a+b\right)}}{a+b}\right)（4）

Rt△O₁O₃P₁中的∠O₁O₃P₁和Rt△O₁MK₅中的∠MO₁K₅互为内错角，即

\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}{P}_{\mathrm{1}}=\mathrm{\angle }M{O}_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{5}}=\beta（5）

在Rt△O₁O₃P₁中，根据三角函数正弦关系并分析变换，得到线段O₁O₃为

O_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}=\frac{O_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{1}}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta }=O_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta（6）

Rt△O₁K₁P₂中，直角边K₁P₂与线段NO₁等长，而NO₁的长度就是高速铁路隧道建筑限界的宽度，故有

K_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}=N{O}_{\mathrm{1}}=a（7）

在Rt△O₁K₁P₂中，直角边O₁P₂的长度可由线段JP₃，O₁P₃和JP₂之间的几何关系得到。线段JP₃的长度就是明洞衬砌内净空的高度h，线段O₁P₃的长度则为明洞衬砌拱部内侧圆弧所对应的半径R₁，且有JP₂=e，可得

O_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}=J{P}_{\mathrm{3}}-O_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{3}}-J{P}_{\mathrm{2}}=h-R_{\mathrm{1}}-e（8）

此外，Rt△O₁K₁P₂的斜边O₁K₁与2条直边K₁P₂和O₁P₂之间的关系为

\begin{array}{l}{O}_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{1}}=\sqrt[]{O_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}+K_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}\\ =\sqrt[]{{\left(h-R_{\mathrm{1}}-e\right)}^{\mathrm{2}}+a^{\mathrm{2}}}\end{array}（9）

在Rt△O₁K₁P₂中，根据三角函数正切关系可得

{\omega }_{\mathrm{1}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{O_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}}{K_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}}\right)=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)（10）

线段O₁K₅的长度即为明洞衬砌拱部和拱腰部位内侧圆弧\stackrel{̑}{CG}所对应的半径R₁。根据线段O₁K₅和线段O₁O₃之间的几何关系，以及△O₁O₃K₁一边O₃K₁的边长即为明洞左拱脚部位内侧圆弧\stackrel{̑}{K_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{5}}}所对应的半径R₅，可得

O_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{5}}-O_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}=O_{\mathrm{3}}{K}_{\mathrm{1}}=O_{\mathrm{3}}{K}_{\mathrm{5}}=R_{\mathrm{5}}（11）

线段O₁K₅的长度即为明洞衬砌拱部和拱腰部位内侧圆弧\stackrel{̑}{CG}所对应的半径R₁，有

O_{\mathrm{3}}{K}_{\mathrm{1}}=R_{\mathrm{5}}=R_{\mathrm{1}}-O_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}（12）

在△O₁O₃K₁中，根据余弦定理，可得ω₂的余弦为

\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\omega }_{\mathrm{2}}=\frac{O_{\mathrm{3}}{K}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+O_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}-O_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}\times O_{\mathrm{3}}{K}_{\mathrm{1}}\times O_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{1}}}（13）

将O_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}=d\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta代入式（13）并化简，得到ω₂的计算式为

{\omega }_{\mathrm{2}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)（14）

其中，

\left\{\begin{array}{l}{\psi }_{\mathrm{1}}=R_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}+a^{\mathrm{2}}+{\left(h-R_{\mathrm{1}}-e\right)}^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}{R}_{\mathrm{1}}d\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta \\ {\psi }_{\mathrm{2}}=\mathrm{2}\left(R_{\mathrm{1}}-d\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta \right)\sqrt[]{{\left(h-R_{\mathrm{1}}-e\right)}^{\mathrm{2}}+a^{\mathrm{2}}}\end{array}\right.

式中：\psi₁和\psi₂均为中间参数。

根据Rt△O₂K₁P₂中的角度关系\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}=\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}+\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{3}}，得到

\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}={\omega }_{\mathrm{1}}+{\omega }_{\mathrm{2}}（15）

将式（10）和式（14）代入式（15），化简后可得

\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)（16）

在Rt△O₂K₁P₂中，由∠O₂K₁P₂的余弦关系和正切关系可得

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}=\frac{K_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}}{O_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{1}}}\\ \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{\angle }{O}_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}=\frac{O_{\mathrm{2}}{P}_{\mathrm{2}}}{K_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}}\end{array}\right.（17）

将式（7）和式（16）代入式（17）并化简，得到

\left\{\begin{array}{l}{O}_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{1}}=a\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{c}\left(\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)\right)\\ O_{\mathrm{2}}{P}_{\mathrm{2}}=a\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)\right)\end{array}\right.（18）

式（18）中，线段O₂K₁的长度即为明洞衬砌仰拱部位内侧圆弧\stackrel{̑}{K_{\mathrm{1}}{K}_{\mathrm{3}}}所对应的半径R₃。

将线段O₂P₂，O₁O₂和O₁P₂的几何关系以及线段P₃J，P₃O₁和P₂J的几何关系带入式（18），可得

\begin{array}{l}{O}_{\mathrm{1}}{O}_{\mathrm{2}}=O_{\mathrm{2}}{P}_{\mathrm{2}}-O_{\mathrm{1}}{P}_{\mathrm{2}}\\ =O_{\mathrm{2}}{P}_{\mathrm{2}}-\left(P_{\mathrm{3}}J-P_{\mathrm{3}}{O}_{\mathrm{1}}-P_{\mathrm{2}}J\right)\\ =O_{\mathrm{2}}{P}_{\mathrm{2}}-\left[\left(h-R_{\mathrm{1}}\right)-e\right]\\ =a\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)\right)-\\ \left(h-R_{\mathrm{1}}-e\right)\end{array}（19）

由此得到线段O₁O₂的长度，为确定圆心O₂的位置提供了计算依据。

至此，基于各设计参数间的几何关系，即可通过明洞衬砌净宽w和净高h确定预制拼装式明洞衬砌横断面中划分预制块几何参数的计算式，即组成明洞衬砌的8段圆弧所对应的8个半径分别为

\left\{\begin{array}{l}{R}_{\mathrm{1}}=a+b+c\\ R_{\mathrm{2}}=a+b+c+t\\ R_{\mathrm{3}}=a\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{c}\left(\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)\right)\\ R_{\mathrm{4}}=a\mathrm{s}\mathrm{e}\mathrm{c}\left(\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)\right)+t\\ R_{\mathrm{5}}=a+b+c-d\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta \\ R_{\mathrm{6}}=a+b+c-d\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta +t\\ R_{\mathrm{7}}=a+b+c-d\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta \\ R_{\mathrm{8}}=a+b+c-d\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{c}\beta +t\end{array}\right.（20）

此外，根据Rt△O₂K₁P₂中3个内角间的关系以及式（10）和式（14），得到δ的计算式为

\delta =\mathrm{90}°-\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)-\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)（21）

将式（4）和式（21）同时代入式（1），得到θ的计算式为

\begin{array}{l}\theta =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{h-R_{\mathrm{1}}-e}{a}\right)+\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{{\psi }_{\mathrm{1}}}{{\psi }_{\mathrm{2}}}\right)-\\ \mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{\sqrt[]{c^{\mathrm{2}}+\mathrm{2}c\left(a+b\right)}}{a+b}\right)\end{array}（22）

通过式（19）—式（22）以及式（4）可计算得到设计时速350 km高速列车的单洞双线明洞衬砌横断面的几何设计参数O₁O₂，R₁—R₈，δ，θ和β，并据此设计和绘制相应的明洞衬砌横断面图。图9中，在拱脚和仰拱部位划分出的4块预制块具体位置分别为：线段AC、内侧圆弧\stackrel{̑}{C{K}_{\mathrm{5}}{K}_{\mathrm{1}}}、线段K₁K₂和外侧圆弧\stackrel{̑}{K_{\mathrm{2}}{K}_{\mathrm{6}}A}所围成的区域为左拱脚预制块；线段DB、外侧圆弧\stackrel{̑}{B{K}_{\mathrm{8}}{K}_{\mathrm{4}}}、线段K₄K₃和内侧圆弧\stackrel{̑}{K_{\mathrm{3}}{K}_{\mathrm{7}}D}所围成的区域为右拱脚预制块；线段K₁K₂、外侧圆弧\stackrel{̑}{K_{\mathrm{2}}I}、线段IJ和内侧圆弧\stackrel{̑}{J{K}_{\mathrm{1}}}所围成的区域为左侧仰拱预制块；线段K₃K₄、外侧圆弧\stackrel{̑}{K_{\mathrm{4}}I}、线段IJ和内侧圆弧\stackrel{̑}{J{K}_{\mathrm{3}}}所围成的区域为左侧仰拱预制块。

以上计算式推导和拱顶、仰拱与拱脚预制块的划分表明，当已知高速铁路隧道内机车车辆限界宽度a、隧道内安全疏散通道宽度b、隧道内工程技术作业空间宽度c以及隧道净宽度w和净高度h等基本几何参数时，就可以利用式（4）、式（19）—式（22）计算得到单洞双线明洞衬砌横断面的几何设计参数值，并划分得到明洞衬砌左、右拱脚和仰拱部位的预制块。显然所提方法具有设计参数少、简洁易懂和计算简便的优点，便于实现明洞衬砌横断面的数字化设计，并可为高速铁路明洞横断面衬砌及其预制块的智能化设计提供依据。

3.2.3　全环预制块分块及接头位置的确定

根据上述预制块划分结果，完成对明洞衬砌全环预制块的划分，即：将明洞衬砌的一圈划分为7块预制块，其中拱顶和拱肩部位为3块相同的A型预制块，左拱脚和右拱脚部位各为1块B型预制块，而仰拱部位为2块相同的C型预制块。拼装成型后的明洞衬砌横断面以及预制块之间的接缝位置如图10所示。可以看出：制作全部7块、3种预制块共需要加工模具3套；拼装后的接头共有7处，即线段AC，BD，EG，FH，K₁K₂，IJ和K₃K₄。按此方案得到的预制块分块有利于减少加工预制块模具的数量，且制作的预制块便于运输、吊放和拼装，有利于降低工程的造价。

3.3　依托工程中明洞衬砌预制块划分方案

根据设计时速350 km高速铁路的隧道相关技术标准和设计参数^［19-21］，按所提预制块划分方法，先得到依托工程拟建单洞双线明洞衬砌在Ⅴ级围岩浅埋地层中的基本几何参数设计值见表3；再根据表3，计算得到对应明洞衬砌横剖面的几何参数设计值见表4；最后结合表3和表4数据，设计并绘制依托工程中拼装式明洞衬砌横断面以及明洞衬砌的预制块划分方式，如图11所示。

按图11中的明洞衬砌预制块划分进行预制，取钢筋混凝土强度等级为C50，各预制块均取t=700 mm，W=2 000 mm，得到各预制块的质量、数量和厚度等数据见表5。至此得到了拟建高速铁路单洞双线拼装式明洞衬砌预制块的划分结果。

3.4　与基于明洞模筑衬砌0弯矩点的预制块划分模式对比

为将所提方法与国内外常用的依据隧道衬砌0弯矩点划分预制块的方法进行对比，需要进一步分析明洞衬砌在回填土体压力作用下的内力状况。暂不考虑预制块分块及其接头设置，重点结合明洞模筑衬砌中弯矩的分布状况，分析用所提方法得到的预制块分块及其接头位置的合理性。

由图2和图11可知，明洞衬砌所承担的荷载主要为回填土体的土压力。根据该明洞所穿越地层的围岩地质条件可知，该明洞衬砌采用立模现浇方式浇筑完毕后，需要用粉质黏土、粗粒角砾岩和强风化泥岩等混合土体回填明挖基槽至原地面线，因此明洞基槽内回填的土体不再是原状土。考虑到拟建明洞所穿越地层的围岩级别为Ⅴ级，则明洞模筑衬砌洞顶所承受的回填土体的竖向压力^［14］为

q_i=\gamma h_i（23）

式中：γ为明洞衬砌拱圈以上回填土体的容重，kN · m^-3；h_i 为明洞衬砌拱圈处任意计算点i至地表面的覆土厚度，m。

明洞左、右边墙所承受的回填土体的侧向主动土压力^［14］为

e_i={\lambda }_{\mathrm{a}}\gamma h_i（24）

其中，

{\lambda }_{\mathrm{a}}=\frac{\mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }{\mathrm{1}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }=\mathrm{t}\mathrm{a}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\left(\mathrm{45}°-\frac{\phi }{\mathrm{2}}\right)

式中：λ_a为回填土体的主动侧压力系数；φ为明洞背后回填土体的计算摩擦角，（°）。

参考铁路隧道设计规范，得到明洞基槽内回填土体的物理力学参数见表6。

为便于计算和分析，假定明洞衬砌左边墙和右边墙所承受的侧向土压力相等。先根据图2和表6，利用式（23）和式（24）计算得到明洞衬砌拱圈和左、右边墙所承受的土压力；再根据图11中的曲边墙带仰拱的明洞模筑衬砌，采用ANSYS有限元软件并根据荷载与结构模型，计算得到拱形明洞模筑衬砌在土压力作用下的内力分布，结果如图12所示。图中：弯矩以朝向洞内一侧为正，反之为负；轴力以朝向洞内一侧为负，反之为正。图12（b）中衬砌的轴力均为负值，表明明洞衬砌均处于受压状态。

正、负弯矩之间必定有弯矩值为0的部位，因此可将这一部位或者靠近这一部位的区域作为明洞衬砌预制块的接缝位置。依据图12中的弯矩分布特点，选取0弯矩点或弯矩较小位置处将拟建明洞衬砌划分为7块预制块，各个预制块及其接头的位置及弯矩分布状况如图13所示。

图13确定的预制块分块方式考虑了明洞模筑衬砌在回填土体作用下引起的弯矩分布状况，该分块方式与图11所示的明洞衬砌分块方式基本一致，表明前文所提的预制块划分方法不仅考虑了横断面几何参数，而且得到的分块能够确保接头位置处的隧道衬砌弯矩较小甚至为0。需要指出的是，所提方法着重考虑了高速铁路明洞衬砌的建筑限界和内轮廓尺寸以及预制块施工、拼装式衬砌防水性能以及拱部接触网安装的便利性，预制块在划分时并未完全参照明洞衬砌的内力尤其是衬砌中弯矩的分布状况。而在满足明洞衬砌承载可靠性的前提下进行预制块划分，接头既可设置在衬砌0弯矩处，也可以不考虑弯矩分布，表明所提方法具有较强灵活性，便于工程应用。

4 明洞衬砌预制块结构设计与拼装方法

4.1　预制块结构形式优化

图11和图13中的仰拱均由2块相同的C型预制块拼装而成，但采用这种拼装方式还需要考虑两个问题。一是圆弧形的仰拱预制块会增加基槽开挖的难度，用于拼装明洞衬砌预制块的基槽须采用明挖法、按照竖向分层纵向分段的原则进行开挖，即基坑的底面须开挖成与仰拱外侧圆弧面一致的形状，这样一来，进行开挖并在其内吊装2块C型预制块的难度较大。二是2块C型预制块拼装后，会在仰拱中间部位出现铰接点，一旦预制块基底的岩土体因承载力发生变化而引发沉降，其一侧的预制块可能会沿铰接点发生转动，这势必影响仰拱上部道床和轨道的稳定性，进而影响高速列车的安全运行，并增大仰拱中部接缝处发生渗漏水的可能性。

针对以上两个问题对仰拱预制块的结构形式进行优化。对于问题一，就明挖基槽的施工工艺而言，将基槽底面开挖成平面要比开挖成圆弧面更容易实施。对于问题二，考虑将2块单独的C型预制块合并为1块，以消除沉降引发单侧预制块沿中间铰接点转动以及中间接缝处渗漏水的可能性。具体的做法是：在不减少C型预制块厚度、不降低其承载能力与刚度的前提下，将明洞的仰拱设计为1块预制块；在保持仰拱预制块内侧圆弧面不变的基础上，将外侧圆弧面优化为由1个平面和2个圆弧面相组合的曲面。优化前后的C型预制块横断面图如图14所示。

对比图14中2种C型预制块的形状发现，优化后，外侧平面降低了开挖基槽底面及在其内拼装预制块的难度，中间接缝消除后，不仅降低了渗漏水的可能性，还利于保障仰拱预制块整块的承载能力和稳定性。但优化后C型预制块的质量和体积均有所增加，质量由35 t增至44 t，横截面外侧圆弧长度为10.55 m，会加大预制块制作、运输和吊装的难度。结合国内外铁路和公路隧道预制拼装式衬砌的工程实践，可对仰拱单独采用立模现浇的工艺进行浇筑。尽管立模现浇则无法实现明洞衬砌的全环拼装式建造且偏离研究重点，但若采用此种工艺，前文所提的预制块划分及其设计参数的计算方法仍然适用。

为减少整体式仰拱预制块的质量和体积，考虑适当减少预制块幅宽，即在保持表5中预制块厚度、强度不变的前提下，仅调整其纵向上的长度，将预制块沿明洞轴线方向上的长度缩短至2.0 m以下，同时降低3种预制块的质量。然而缩短预制块纵向长度势必增加线路轴线方向上明洞衬砌预制块及其接缝的数量，因此认为其纵向长度不宜大于2.0 m，但也不宜小于1.5 m。若将纵向长度优化为1.5和1.8 m，则C型仰拱预制块质量可降低至33和39 t。基于前文预制块分块方案，对C型预制块优化后得到的拼装式明洞衬砌横断面如图15所示。

4.2　全环预制块结构设计方案

预制块拼装时，借鉴国内外盾构法隧道中预制管片拼接的做法，在各预制块上设置纵、环向的螺栓孔、注浆孔以及安装缓膨胀止水条的高精度凹槽，或者在各预制块的纵、环向上设置榫形接头并与螺栓孔及螺栓相结合，从而实现预制块之间的拼接和防水^［15-18］。基于图15中明洞衬砌预制块的划分模式，给出适用于高速铁路大跨度单洞双线拼装式明洞衬砌的新型钢筋混凝土预制块结构形式，3种新型预制块的结构形式分别如图16—图18所示。

由图16—图18可以看出：明洞衬砌环向预制块之间采用半圆形的榫形接头，纵向预制块之间采用圆台型的凹槽和凸台形榫接头；在A型和B型预制块朝向岩土体的外侧面设置2根肋条，以弥补在预制块单侧设置凹槽后带来的影响，防止预制块刚度和强度的降低；在C型预制块靠近岩土体一侧的底面上设置底座，作为安装仰拱预制块时的定位。各预制块更详细的构造参见文献［22］。

4.3　结构防水和排水构造

当明洞衬砌预制块拼装完毕后，预制块纵向和环向之间形成的接缝就成为衬砌防水的薄弱部位。参考目前国内外盾构法隧道中预制管片在接缝部位的防水构造和做法^{［6，10，15-18，20-21］}，设置明洞衬砌预制块环向和纵向接缝之间的防水构造如图19所示。为防止渗漏水而采用的手段主要有：在各预制块纵向和环向上预埋的注浆管，向预制块纵、环缝的接触部位压注包括水泥浆和水泥与水玻璃双液浆的等浆液，防止接缝处地下水渗漏；在A型和B型预制块外侧的肋条上设置螺栓孔，通过安装纵向螺栓或预应力锚索等方式，加强相邻预制块之间的纵向连接；在各预制块内、外侧沿周向通长设置2道“︺”型的高精度凹槽，并在其内粘贴包含缓膨胀橡胶和三元乙丙橡胶（EPDM）的止水条。此外，为防治运营期间明洞衬砌背后因地下水水位的上升而导致的施加到明洞衬砌上的静水压力增大，在B型预制块上还设置有泄水孔，并通过泄水孔内安装的排水盲管，将地下水引排至明洞内两侧水沟和中心排水沟，泄水孔的设置方式如图17所示。

4.4　拼装方法

首先，在已开挖好的基槽内架设起吊质量不低于50 t的门架式吊车，并安装用I18等制作的钢架。门架式吊车和钢架的安装位置如图20所示。图中Φ为直径。

然后，通过门架式吊车吊放和组装预制块。先吊装仰拱部位改进的C型预制块，再分别吊装明洞左拱脚和右拱脚部位的2块B型预制块；B型预制块组装就位后，吊装左、右拱肩部位的A型预制块，但明洞衬砌尚未封闭成环时，这2块A型预制块处于悬臂状态，易向洞内倾倒，为此，可在I18钢架上每间隔一定距离设置横向的拉杆和支撑，用于固定拱肩部位的A型预制块并确保其稳定、安全；待拱肩部位A型预制块全部固定完毕后，再吊装拱顶部位的A型预制块，如此即可完成明洞衬砌一圈共6块预制块的吊放和组装。用钢架固定A型预制块的做法如图20所示。完成单圈吊放和组装后的拼装式明洞衬砌横剖面图如图21所示。在基槽内沿明洞轴线方向上，按此步骤逐环拼装，并将前后环的预制块相互对位，形成通缝拼装的明洞衬砌，直至达到设计的明洞长度。

最后，在明洞内部回填仰拱，设置排水沟和铺设道床与钢轨，并在基槽内回填土体至地面，恢复原地貌。回填完成后，明洞衬砌及洞内横向排水管、排水沟的横断面如图22所示。

5 结论

（1）以某设计时速350 km高速铁路单洞双线大跨度隧道工程为依托，在重点关注列车运行安全、预制块施工便利性、拼装式衬砌防排水性能的基础上提出了考虑隧道横断面几何参数的高速铁路预制拼装式明洞衬砌预制块设计和拼装方法。

（2）综合考虑高速铁路隧道建筑限界、正线线间距、隧道内轨顶面以上净空有效面积和安全疏散通道及预留空间等因素，确定隧道衬砌内轮廓，以及多心圆的曲边墙且拱形断面带仰拱的隧道横断形式，提高明洞的整体稳定性和运营寿命。

（3）结合高速铁路建筑限界、隧道内人员安全疏散通道宽度和隧道内工程技术作业空间等参数，提出考虑明洞衬砌横断面的设计参数计算和预制块划分方法，该方法遵循平面几何基本原理，预制块划分所需设计参数较少，计算过程简洁、易懂，有利于实现明洞衬砌的数字化设计，并可为高速铁路隧道拼装式明洞衬砌预制块的智能设计提供依据。

（4）在优化预制块结构形式的基础上，提出单洞双线明洞预制块结构设计与拼装方法。优化后，依托工程的拼装式明洞衬砌单环可由3块A型预制块、2块B型预制块和1块C型预制块拼装成型，衬砌各接头位置处弯矩较小甚至为0；C型预制块外侧面为由平直面和圆弧面相组合的曲面，有利于提高拼装效率和降低工程造价；预制块环向间以半圆形榫接头对接，纵向间以圆台形榫接头对接；A型和B型预制块的外侧设置肋条以增强其刚度和强度；各预制块内、外侧沿其周向通长设置2道缓膨胀止水条，内侧面设置斜螺栓孔和螺旋套筒以加强预制块纵向之间的拼接。

（5）单环拼装时，先拼装仰拱部位C型预制块，再拼装拱脚部位的B型预制块和拱肩部位的A型预制块，最后拼装拱顶部位的A型预制块；沿明洞纵向拼装预制块时，前后相邻预制块相互对位，以通缝方式完成全部拼装。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51378436)

四川省重点研发计划项目(2019YFG001)