单线铁路隧道装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构受力特征现场试验对比

Comparing Field Tests on Stress Characteristics of Prefabricated Inverted Arch and Cast-in-Place Inverted Arch Lining Structure of Single-Track Railway Tunnel

摘要

为研究单线铁路隧道装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构受力特征，依托天陇铁路腰坡村隧道，分别对仰拱与垫层（初支）接触压力、拱墙二衬与初支接触压力、二衬钢筋应力、二衬混凝土应力进行现场监测；通过数据分析，得出“预制装配式仰拱+拱墙二衬现浇”“全现浇衬砌”2种结构形式接触压力和应力随时间变化规律及其在隧道横断面上的分布特征，进而对比分析这2种仰拱结构受力特征的变化。结果表明：2种结构各测点的接触压力和应力随时间变化呈先增后减、最后趋于平稳的趋势；2种仰拱结构的底部接触压力具体表现为“仰拱中间部位接触压力最大，越靠近边墙部位接触压力越小”的规律，且接触压力左右对称；2种结构中二衬钢筋与混凝土同步发生受压变形，整体表现出“边墙及墙脚钢筋压应力大、拱部钢筋压应力小”的特征，拱部钢筋更容易受拉，二衬施作时隧道初支结构均已稳定，二衬仅作为安全储备；2种结构中混凝土均以受压为主，部分受拉，且左右受力并不均匀，预制装配式仰拱结构受拉集中在二衬内侧，现浇仰拱衬砌结构受拉集中在拱顶和墙脚，拉应力均小于C40混凝土抗拉强度，处于安全范围内。

Abstract

To study the stress characteristics of assembled inverted arch and cast-in-place inverted arch lining structure of single-track railway tunnel, based on Yaopocun Tunnel of Tianlong Railway, the contact pressure between inverted arch and cushion (primary support), the contact pressure between arch-wall secondary lining and primary support, the stress of secondary lining reinforcement, and the stress of secondary lining concrete were monitored on site. Through data analysis, the variation laws of contact pressure and stress with time and its distribution characteristics on the tunnel cross section were obtained for two structural forms — "prefabricated inverted arch + cast-in-place arch wall secondary lining" and "fully cast-in-place lining". Then, the changes of stress characteristics of these two inverted arch structures were compared and analyzed. The results show that the contact pressure and stress at all measurement points of both structures initially increase, then decrease, and finally tend to be stable over time. The laws of bottom contact pressure distributions of the two inverted arch structures are indicated that the contact pressure is highest at the midspan of the inverted arch and decreases towards the sidewalls, with symmetrical contact pressures. In both structures, the secondary lining reinforcement and concrete exhibit synchronized compressive deformation. The overall performance shows that higher compressive stress occurs in the side walls and wall footings, while lower compressive stress in the arch steel bars, indicating greater susceptibility to tension in the arch reinforcement. When constructing the secondary lining, the primary support structure of the tunnel has already stabilized, with the secondary lining solely serving as a safety redundancy. The concrete in both structures is mainly compressed with localized tension, showing asymmetric lateral stress distribution. Tensile regions in the prefabricated inverted arch structure is concentrated on the inner side of the second lining, whereas the tension of the cast-in-place inverted arch lining structure is concentrated on the vault and wall foot. The tensile stress remains below that of C40 concrete and is within the safe range.

Graphical abstract

关键词

单线铁路隧道 / 装配式仰拱 / 现浇仰拱 / 接触压力 / 二衬受力 / 现场监测

Key words

Single-track railway tunnel / Prefabricated inverted arch / Cast-in-place inverted arch / Contact pressure / Second lining stress / Field monitoring

随着我国经济水平持续提高，国家铁路建设也在同步发展，已逐步从规模速度型转向质量效益型。我国作为世界瞩目的隧道建设大国，铁路隧道水平已经达到了世界一流水准，但在矿山法山岭铁路隧道中，大部分采用的仍是“全现浇”的复合式衬砌结构，此种结构虽可以基本满足隧道质量安全要求，但在施工时由于各种因素影响将造成环境污染大、施工速度慢等弊端，同时可能出现仰拱开裂、变形、上鼓等问题^［1-3］。为了解决这些问题，中铁第一勘测设计院集团有限公司提出了“预制装配式仰拱+拱墙二衬现浇”的结构用于矿山法隧道^［4］。

预制装配式结构具有标准化程度高、对环境污染小、现场施工速度快和现场劳动生产率高等显著优势，并且解决了工程场地受限、材料制备复杂和人员需求量等问题，大大提高了工程的安全、质量和速度^［5-8］，逐渐成为土木工程行业发展方向之一。

目前，国内隧道预制装配式技术主要用于盾构法或全断面硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）法施工的隧道中，如西康铁路秦岭Ⅰ线隧道^［9］、兰渝铁路西秦岭隧道^［10］、新建郑万铁路罗家山隧道横洞^［11］、南疆线中天山隧道^［12］等TBM法施工的隧道均采用了预制仰拱结构；京张高铁清华园隧道采用大直径铁路盾构隧道轨下结构拼装及附属结构拼装的全预制拼装技术^［13］；蒙华铁路白城隧道采用马蹄形盾构施工，衬砌采用全环管片拼装结构，仰拱填充采用了部分拼装结构^［14］。同时，装配式技术在矿山法隧道领域也有研究，张胜龙等^［15］、贾永刚等^［16］和严义招^［17］通过数值分析与模拟试验的方法对矿山法施工的铁路隧道预制衬砌及接头力学特征开展了研究工作；郇星超^［18］同样采用数值模拟的方法对钻爆法施工的公路隧道装配式衬砌结构开展了力学特性研究^［18］。综上所述，在国内铁路隧道建设中采用矿山法装配式仰拱的工程案例较少，对装配式结构受力特征未见现场试验验证的研究。

本文依托国内首座采用装配式仰拱的矿山法单线铁路隧道——天陇铁路腰坡村隧道，对隧道装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构的受力特征进行现场对比试验，分析仰拱与垫层（初支）接触压力、拱墙二衬与初支接触压力、拱墙二衬钢筋应力和拱墙二衬混凝土应力的分布特征和异同点，验证装配式仰拱结构在矿山法铁路隧道的安全性和可行性。

1 工程概况及测点布置

1.1　工程概况

天陇铁路腰坡村隧道地处陇南市武都区柏林镇柏林初级中学西侧，位于秦岭中山区，安化盆地北侧。隧道为单线铁路隧道，起止里程为DK207+698—DK207+852，全长154 m；隧址处地面高程1 380~1 417 m，相对高差37 m，地层主要为第四系上更新统风积砂质黄土、冲积粉质黏土及上第三系泥岩夹砂岩，隧道洞身穿越的地层岩性主要为上第三系泥岩夹砂岩，均为Ⅴ级围岩。里程DK207+705.85—DK207+785.98采用“预制装配式仰拱+拱墙二砌现浇”施工，其余段落采用“全现浇衬砌”施工。隧道位于R1 600曲线及缓和曲线上，洞内纵坡为长154 m、坡度17.7‰的单面下坡。隧道纵断面

如图1所示。

1.2　预制装配式仰拱技术参数

1）预制仰拱块参数

预制仰拱共计53块，底部为弧形结构，长×宽×高为5.744 m×1.500 m×1.334 m，单个重量为16.12 t。

2）仰拱基底碎石垫层参数

铺设级配良好的3~5 cm碎石或者豆砾石，铺设厚度为15 cm，作为预制仰拱基底垫层。

3）预紧锁定参数

采用ϕ25 mm，屈服强度为785 MPa的预应力精轧螺纹钢筋连接锁紧，挤紧力按350 kN设计。

4）仰拱拼装参数

相邻块的环缝间隙2.0~3.0 mm，竖向高差±2.0 mm，水平向偏差±2.0 mm；纵向预紧装置锁紧轴线定位偏差±5 mm；预制块相对线路中心线偏差±2.0 mm。

1.3　初期支护参数

腰坡村隧道采用的初期支护材料及主要技术指标见表1。

预制仰拱结构与边墙连接处预留植筋孔道，采用A类植筋胶进行植筋锚固，后与边墙钢筋进行螺栓连接固定，浇筑拱墙混凝土衬砌，加强边墙二衬混凝土与预制仰拱之间的连接，增加隧道结构的整体性。

1.4　测点布置

现场试验主要目的是探明矿山法采用装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构的受力特点，在装配式仰拱结构段和现浇仰拱段分别选取3个测试断面，采用双模压力盒测试仰拱与垫层（初支）接触压力和拱墙二衬与初支接触压力，采用钢筋计和埋入式应变计分别测试拱墙二衬钢筋应力和混凝土应力。现浇式仰拱衬砌结构与装配式仅在仰拱结构形式上有所差异，测点布置位置相同，因此仅列出装配式仰拱测点布置图进行说明。装配式仰拱结构断面上测点布置如图2所示。确定进行测试时，装配式仰拱已经预制完成，因此装配式仰拱中的钢筋应力和混凝土应力未测试，待以后工程完善。

由于篇幅所限，装配式仰拱结构段选取DK207+784.48、现浇仰拱衬砌结构段选取DK207+814.80断面测试数据进行对比分析。

2 测试数据分析

2.1　测试数据计算

双模压力盒、钢筋计和埋入式应变计所测得的数据均为应变，则接触压力、钢筋应力和混凝土应力的计算式分别为

F_{\mathrm{1}}=K\left({\epsilon }_{\mathrm{i}}-{\epsilon }_{\mathrm{0}}\right)（1）

F_{\mathrm{2}}=K\left[\left({\epsilon }_{\mathrm{i}}-{\epsilon }_{\mathrm{0}}\right)+\left(K_{\mathrm{钢}\mathrm{1}}-K_{\mathrm{结构}\mathrm{体}}\right)\left(T_{\mathrm{i}}-T_{\mathrm{0}}\right)\right]（2）

F_{\mathrm{3}}=E_{\mathrm{c}}\left[\left({\epsilon }_{\mathrm{i}}-{\epsilon }_{\mathrm{0}}\right)+\left(K_{\mathrm{钢}\mathrm{2}}-K_{\mathrm{结构}\mathrm{体}}\right)\left(T_{\mathrm{i}}-T_{\mathrm{0}}\right)\right]（3）

式中：F₁为仰拱与垫层（初支）及拱墙二衬与初支的接触压力（正值代表压力，负值代表拉力）；F₂为钢筋应力（正值代表拉力，负值代表压力）；F₃为混凝土应力（正值代表拉力，负值代表压力）；K为标定系数；E_c为混凝土弹性模量，C40混凝土取33.5 GPa；ε_i为测试应变；ε₀为将仪器埋设后的初始应变；K_钢1为钢筋计中钢弦的线膨胀系数，取1.22×10^-5 · ℃^-1；K_钢2为混凝土应变计钢弦的线膨胀系数，取1.30×10^-5 · ℃^-1；K_结构体为结构体的线膨胀系数，取1.22×10^-5 · ℃^-1；T_i为测试温度；T₀为将仪器预埋后的初始温度。

2.2　装配式仰拱衬砌结构受力测试

2.2.1　接触压力及应力

1）仰拱与垫层（初支）接触压力

装配式仰拱与垫层接触压力随时间变化曲线如图3所示。图中：Ⅰ表示1月20日对初支与仰拱之间的工字钢进行焊接；Ⅱ表示1月20日负载23 t挖掘机；Ⅲ表示1月26日浇筑矮边墙混凝土；Ⅳ表示3月17日对仰拱块基底进行注浆；Ⅴ表示5月7日二衬模板台车就位；①表示5月8日里程DK207+784.48处断面浇筑混凝土；②表示5月13日里程DK207+791.565处断面浇筑混凝土；③表示5月25日里程DK207+815处断面浇筑混凝土。1月26日—3月22日未进行数据监测。

从图3可以看出以下结论。

（1）装配式仰拱与垫层接触压力区间为3.83~59.09 kPa，全部受压。

（2）最大压力发生在仰拱右2仰拱块基底注浆后第27天，为59.09 kPa；最小压力发生在仰拱左1拱墙二衬浇筑完成后第10天，为3.83 kPa。

（3）在负载23 t挖掘机时，仰拱左1和左2压力明显增加，挖掘机移走后恢复正常；仰拱块基底注浆后，仰拱与垫层间的接触压力短时间内迅速增大，然后变化速率减慢；该断面浇筑拱墙二衬浇筑完成后，接触压力再次发生较大改变，其中仰拱左1和右1改变最为明显，压力出现大幅度减小；最终仰拱与垫层接触压力趋于平稳。其余工况对仰拱与垫层接触压力无明显影响。

（4）在拱墙二衬浇筑完成25天后，仰拱与垫层的接触压力基本趋于稳定。

（5）相比仰拱其他位置，仰拱左1和右1与垫层间的接触压力变化较为明显，可能是由于这2个位置与拱墙二衬距离最为接近，拱墙二衬的施工对其影响较大。

2）拱墙二衬与初支接触压力

装配式仰拱结构的拱墙二衬与初支接触压力随时间变化曲线如图4所示。图中：①表示5月8日里程DK207+784.48处断面浇筑混凝土；②表示5月13日里程DK207+791.565处断面浇筑混凝土；③表示5月25日里程DK207+815处断面浇筑混凝土。

从图4可以看出以下结论。

（1）装配式仰拱结构的拱墙二衬与初支接触压力区间为18.49~104.25 kPa，全部受压。

（2）最大接触压力发生在右边墙拱墙二衬浇筑完成后第5天，为104.25 kPa；最小接触压力发生在左拱腰拱墙二衬浇筑完成后第8天，为18.49 kPa。

（3）本断面拱墙二衬浇筑完成后，拱墙二衬与初支接触压力发生较大幅度改变，其中右边墙变化最为明显，压力出现大幅度增加，这是由于二次衬砌浇筑完成后，混凝土的强度和刚度迅速提高，同时模板台车也起到了一定的支撑作用，导致拱墙二衬与初支接触压力迅速提高，在一段时间后趋于平稳，在此期间模板台车的存在使二衬处于一种3向受力状态，给二衬的支撑作用相当于为二衬提供了一定的预应力，当模板拆除后，二衬的受力状态从3向受力状态变为2向受力状态，应力不断释放，拱墙二衬与初支接触压力变化速率减慢，变化趋势逐渐平稳。拱墙二衬与初支的接触压力、拱墙二衬钢筋应力、拱墙二衬混凝土应力的变化在各自断面拱墙二衬浇筑完成后，接触压力和应力的改变都与此原因有关。下一板拱墙二衬浇筑对该板拱墙二衬与初支接触压力基本无影响。

（4）在本断面拱墙二衬浇筑完成40天后，拱墙二衬与初支接触压力趋于稳定。

3）拱墙二衬钢筋应力

装配式仰拱结构的拱墙二衬内外侧钢筋应力随时间变化曲线分别如图5和图6所示。图中：①表示5月8日里程DK207+784.48处断面浇筑混凝土；②表示5月13日里程DK207+791.565处断面浇筑混凝土；③表示5月25日里程DK207+815处断面浇筑混凝土。

从图5和图6可以看出以下结论。

（1）装配式仰拱结构的拱墙二衬内外侧钢筋应力区间为-31.51~0.14 MPa，钢筋整体受压，外侧钢筋压应力大于内侧，说明二衬内侧更容易受拉。只有左拱腰内侧钢筋在本断面拱墙二衬浇筑完成后第10天出现1次受拉情况，拉应力仅为0.14 MPa。

（2）拱墙二衬钢筋最大压应力发生在右墙脚外侧拱墙二衬浇筑完成后第50天，为-31.51 MPa；最小压应力发生在左拱腰内侧拱墙二衬浇筑完成后第25天，为-0.14 MPa。

（3）本断面拱墙二衬浇筑完成后，钢筋应力发生较大幅度改变，其中左、右墙脚处变化最为明显，应力出现大幅度增加；下一板拱墙二衬浇筑对拱墙二衬钢筋应力基本无影响。

（4）整体看，在本断面拱墙二衬浇筑完成25天后，拱墙二衬钢筋应力趋于稳定。

4）拱墙二衬混凝土应力

装配式仰拱结构的拱墙二衬内外侧混凝土应力随时间变化曲线分别如图7和图8所示。图中：①表示5月8日里程DK207+784.48处断面浇筑混凝土；②表示5月13日里程DK207+791.565处断面浇筑混凝土；③表示5月25日里程DK207+815处断面浇筑混凝土。

从图7和图8可以看出以下结论。

（1）装配式仰拱结构的拱墙二衬内外侧混凝土应力区间为-7.67~1.47 MPa，左墙脚和左边墙内侧混凝土受拉，其余位置受压。

（2）拱墙二衬混凝土最大压应力发生在右墙脚内侧拱墙二衬浇筑完成后第5天，为-7.67 MPa；最小压应力发生在左墙脚内侧拱墙二衬浇筑完成后第5天，为-0.005 MPa；最大拉应力发生在左边墙内侧拱墙二衬浇筑完成后第11天，为1.47 MPa；最小拉应力发生在左墙脚内侧拱墙二衬浇筑完成后第6天，为0.19 MPa。

（3）拱墙二衬浇筑完成后，混凝土应力发生较大幅度改变，其中右墙脚内侧混凝土应力变化最为明显，压应力出现大幅度增加；下一板拱墙二衬浇筑对拱墙二衬混凝土应力基本无影响。

（4）整体看，在本断面拱墙二衬浇筑完成35天后，拱墙二衬混凝土应力趋于稳定。

2.2.2　接触压力及钢筋和混凝土应力

1）仰拱与垫层（初支）及拱墙二衬与初支接触压力

装配式仰拱与垫层接触压力及拱墙二衬与初支接触压力在断面上的分布特征如图9所示。

从图9可以看出以下结论。

（1）仰拱与垫层间接触压力左右基本对称，拱墙二衬与初支接触压力左右也基本对称。

（2）仰拱与垫层最大接触压力发生在仰拱中间，为48.36 kPa；最小接触压力在左1，为19.14 kPa；平均接触压力为35.27 kPa。

（3）拱墙二衬与初支最大接触压力发生在拱顶，为88.68 kPa，最小接触压力在右墙脚，为25.26 kPa，平均接触压力为62.05 kPa。拱墙二衬与初支接触压力整体表现为“墙脚较小，边墙与拱顶较大”的特征。

2）拱墙二衬钢筋应力

装配式仰拱结构的拱墙二衬钢筋应力在断面上的分布特征如图10所示。图中：蓝色数字和红色数字分别为仰拱测点位置拱墙二衬外侧和内侧钢筋应力。

从图10可以看出以下结论。

（1）装配式仰拱结构拱墙二衬钢筋全部处于受压状态，左右2侧钢筋应力分布基本对称。

（2）内侧钢筋最大应力发生在右拱腰，为-13.55 MPa；外侧钢筋最大应力发生在右墙脚，为-31.51 MPa；内侧钢筋最小应力发生在左拱腰；外侧钢筋最小应力发生在拱顶；内侧钢筋应力平均值为-8.97 MPa，外侧钢筋应力平均值为-14.73 MPa，内侧钢筋压应力小于外侧钢筋压应力。

（3）墙脚处钢筋应力最大，拱腰及拱顶处钢筋应力较小。

3）拱墙二衬混凝土应力

装配式仰拱结构的拱墙二衬混凝土应力在断面上的分布特征如图11所示。

从图11可以看出以下结论。

（1）装配式仰拱结构拱墙二衬混凝土除左墙脚内侧和左边墙内侧，其余位置均处于受压状态，左右2侧混凝土应力分布不完全对称。

（2）内侧混凝土最大压应力发生在右墙脚，为-6.84 MPa；外侧混凝土最大压应力发生在拱顶，为-6.51 MPa；内侧混凝土最小压应力发生在左墙脚；外侧混凝土最小压应力发生在左边墙；内侧混凝土应力平均值为-1.75 MPa，外侧拱墙二衬混凝土应力平均值为-3.94 MPa，内侧混凝土压应力小于外侧混凝土压应力。

（3）拱墙二衬混凝土受拉在左边墙和左墙脚处，但均小于混凝土抗拉强度，处于安全范围内。

2.3　现浇式仰拱衬砌结构受力测试

2.3.1　接触压力及应力

1）仰拱与垫层（初支）接触压力

现浇仰拱和初支接触压力随时间变化曲线如图12所示。图中：Ⅰ表示4月2日开挖下一板仰拱；Ⅱ表示5月27日二衬模板台车就位；①表示5月28日里程DK207+814.8处断面浇筑混凝土；②表示6月1日里程DK207+826.7处断面浇筑混凝土；③表示6月5日里程DK207+835.25处断面浇筑混凝土。

从图12可以看出以下结论。

（1）现浇仰拱与初支接触压力区间为1.40~227.15 kPa，全部受压。

（2）最大压力发生在左2仰拱浇筑混凝土时，为227.15 kPa；最小压力发生在右2二衬模板台车就位时，为1.40 kPa。

（3）仰拱浇筑混凝土后，随着混凝土的凝固，仰拱与初支间的压力发生较大改变，其中左2位置的变化最为明显，压力出现大幅度减小；在相邻一板仰拱开挖后，压力小幅度减小；在拱墙衬模板台车就位后，压力再次发生较大幅度变化，其中左1位置变化最为明显，压力出现较大幅度增加；拱墙二衬浇筑后，压力持续小幅度变化；模板台车移至下一板，其他的拱墙二衬浇筑对仰拱与初支接触压力基本无影响。

（4）在拱墙二衬浇筑完成20天后，仰拱与初支接触压力基本趋于稳定。

2）拱墙二衬与初支接触压力

现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬与初支接触压力随时间变化曲线如图13所示。图中：①表示5月28日里程DK207+814.8处断面浇筑混凝土；②表示6月1日里程DK207+826.7处断面浇筑混凝土；③表示6月5日里程DK207+835.25处断面浇筑混凝土。

从图13可以看出以下结论。

（1）现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬与初支接触压力区间为0~253.99 kPa，全部受压。

（2）最大接触压力发生在右墙脚拱墙二衬浇筑完成后第30天，为253.99 kPa；最小接触压力发生在右拱腰拱墙二衬浇筑完成后第20天，为45.20 kPa。

（3）本断面拱墙二衬浇筑完成后，拱墙二衬与初支接触压力发生较大幅度改变，其中左边墙应力变化最为明显，压力出现大幅度增加；下一板拱墙二衬浇筑对拱墙二衬与初支接触压力基本无影响。

（4）在本断面拱墙二衬浇筑完成30天后，拱墙二衬与初支接触压力趋于稳定。

3）拱墙二衬钢筋应力

现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬内外侧钢筋应力随时间变化曲线分别如图14和图15所示。图中：①表示5月28日里程DK207+814.8处断面浇筑混凝土；②表示6月1日里程DK207+826.7处断面浇筑混凝土；③表示6月5日里程DK207+835.25处断面浇筑混凝土。

从图14和图15可以看出以下结论。

（1）现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬内外侧钢筋应力区间为22.80~0.28 MPa，钢筋整体受压，只有拱顶外侧钢筋在本断面拱墙二衬浇筑完成后第7天和第15天出现过2次受拉情况，拉应力分别为0.14和0.28 MPa。

（2）拱墙二衬钢筋最大压应力发生在右墙脚外侧拱墙二衬浇筑完成后第30天，为-22.80 MPa；最小压应力发生在拱顶外侧拱墙二衬浇筑完成后第18天，为-0.84 MPa。

（3）本断面拱墙二衬浇筑完成后，钢筋应力发生较大幅度改变，其中左墙脚和左边墙内侧钢筋应力变化最为明显，应力出现大幅度增加；下一板拱墙二衬浇筑对拱墙二衬钢筋应力基本无影响。

（4）整体看，在本断面拱墙二衬浇筑完成25天后，拱墙二衬钢筋应力趋于稳定。

4）拱墙二衬混凝土应力

现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬内外侧混凝土应力随时间变化的曲线分别如图16和图17所示。图中：①表示5月28日里程DK207+814.8处断面浇筑混凝土；②表示6月1日里程DK207+826.7处断面浇筑混凝土；③表示6月5日里程DK207+835.25处断面浇筑混凝土。

从图16和图17可以看出以下结论。

（1）现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬内外侧混凝土应力区间为-11.52~3.23 MPa，拱顶内外侧、右边墙内侧混凝土受拉，左边墙内外侧、左墙脚外侧混凝土先受拉后受压，其余位置均受压。

（2）拱墙二衬混凝土最大压应力发生在左拱腰内侧拱墙二衬浇筑完成后第3天，为-11.52 MPa；最小压应力发生在左墙脚外侧拱墙二衬浇筑完成后第20天，为-0.03 MPa；最大拉应力发生在右边墙内侧拱墙二衬浇筑完成后第16天，为3.23 MPa；最小拉应力发生在左边墙内侧拱墙二衬浇筑完成后第16天。

（3）本断面拱墙二衬浇筑完成后，混凝土应力发生较大幅度改变，其中左拱腰内外侧与右边墙外侧应力变化最为明显，应力出现大幅度增加，下一板拱墙二衬浇筑对拱墙二衬混凝土应力基本无影响。

（4）整体看，在本断面拱墙二衬浇筑完成25天后，拱墙二衬混凝土应力趋于稳定。

2.3.2　接触压力及钢筋和混凝土应力

1）仰拱与垫层（初支）及拱墙二衬与初支接触压力

现浇仰拱衬砌结构的二衬与初支接触压力在断面上的分布特征如图18所示。

从图18可以看出以下结论。

（1）仰拱与初支接触压力左右基本对称，拱墙二衬与初支接触压力左右不完全对称。

（2）仰拱与初支最大接触压力发生在仰拱中间，为210.69 kPa；最小接触压力在右1，为16.16 kPa；平均接触压力为71.28 kPa。

（3）拱墙二衬与初支最大接触压力发生在右墙脚，为253.99 kPa；最小接触压力发生在右拱腰，为45.20 kPa；平均接触压力为124.16 kPa。拱墙二衬与初支接触压力整体表现为“拱部较小，边墙与墙脚较大”的特征。

（4）仰拱与初支接触压力大小为：仰拱中心>仰拱左右2侧>左右接头处，且仰拱左侧受力略大于右侧，说明此断面地质情况不均匀。

2）拱墙二衬钢筋应力

现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬钢筋应力在断面上的分布特征如图19所示。

从图19可以看出以下结论。

（1）现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬钢筋全部处于受压状态，左右2侧钢筋应力分布基本对称。

（2）内侧钢筋最大应力发生在左墙脚，为-19.42 MPa；外侧钢筋最大应力发生在右拱脚，为-22.80 MPa；内侧钢筋最小应力发生在左拱腰，外侧钢筋最小应力发生在拱顶；内侧钢筋应力平均值为-11.40 MPa，外侧钢筋应力平均值为-11.87 MPa，内外侧钢筋应力基本相等。

（3）墙脚处钢筋应力最大，拱腰和拱顶处钢筋应力较小。

3）拱墙二衬混凝土应力

现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬混凝土应力在断面上的分布特征如图20所示。

从图20可以看出以下结论。

（1）现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬混凝土除拱顶、右边墙外侧，均处于受压状态，左右2侧混凝土应力分布不完全对称。

（2）内侧混凝土最大压应力发生在左拱腰，为-10.85 MPa；外侧混凝土最大压应力发生在右边墙，为-3.13 MPa；内侧混凝土最小压应力发生在左边墙；外侧混凝土最小压应力发生在左墙脚；内侧混凝土应力平均值为-2.59 MPa，外侧混凝土应力平均值为-1.02 MPa，内侧混凝土的压应力大于外侧混凝土的压应力。

（3）拱顶内外侧混凝土均处于受拉状态，最大拉应力为1.87 MPa，但小于混凝土抗拉强度，处于安全范围内。

2.4　变形控制现场测试分析

为了对比“预制装配式仰拱+现浇”结构与“全现浇衬砌”结构隧道稳定性的差异，在腰坡隧道的施工中，对DK207+698—DK207+705.85段和DK207+785.98—DK207+852段采用“全现浇衬砌”结构及DK207+705.85—DK207+785.98段采用“预制装配式仰拱+现浇”结构的隧道施工期间的变形进行了监控量测。2种结构的测点布置位置相同，仰拱结构形式上存在差异，因此仅列出预制装配式段测点布置图进行说明，测点布置如图21所示。图中：“GD”代表拱顶，“SL”代表收敛；01—06代表测点编号。

选取“预制装配式仰拱+现浇衬砌”断面（里程DK207+740）和“全现浇式衬砌”断面（里程DK207+800）的拱顶沉降（测点号GD）和水平收敛（测线号SL01—SL02）监测数据进行对比分析。2个断面的拱顶沉降和水平变形变化规律如图22所示。

根据得到的2种结构形式的变形拟合曲线，将拟合曲线的横纵坐标代入斜率公式即可求出变形速率的数值，得到变形速率的演变规律如图23所示。

从图22和图23可以看出：全现浇式衬砌的变形量均大于预制装配式仰拱+现浇结构的变形量；预制装配式仰拱+现浇结构的变形速率与全现浇式衬砌结构的变形速率对比也可以看出，前者趋于零的时间更早，表明预制装配式仰拱结构在施工期间更快趋于稳定。

3 装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构对比分析

通过接触压力和应力随时间变化情况及断面分布特征，对装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构的仰拱与垫层（初支）接触压力、拱墙二衬与初支接触压力、二衬钢筋应力、二衬混凝土应力进行对比分析。

3.1　仰拱与垫层（初支）接触压力

（1）根据仰拱与垫层（初支）接触压力随时间变化来看，装配式仰拱与垫层接触压力在仰拱基底注浆后以及现浇仰拱与初支接触压力在浇筑混凝土后，均在短期内变化明显。现浇仰拱与初支接触压力比装配式仰拱与垫层接触压力早5天左右趋于稳定。

（2）根据仰拱与垫层（初支）接触压力断面分布特征来看，装配式仰拱与垫层及现浇仰拱与初支的接触压力均左右对称，表现出“仰拱中间部位接触压力最大，越靠近边墙部位接触压力越小”的规律。装配式仰拱与垫层接触压力平均值比现浇仰拱与初支接触压力平均值小50.52%，且分布均匀。

3.2　拱墙二衬与初支接触压力

（1）根据拱墙二衬与初支接触压力随时间变化来看，2种结构随时间的变化趋势基本一致，表现为“先增后减，最后趋于平稳”的变化趋势，拱墙二衬与初支接触压力现浇仰拱衬砌比装配式仰拱衬砌早10天左右趋于稳定。

（2）根据拱墙二衬与初支接触压力断面分布特征来看，2种结构受力均左右基本对称，装配式仰拱结构受力最大发生在拱顶，现浇仰拱衬砌结构受力最大发生在右墙脚，装配式仰拱结构除右拱腰及拱顶外，其余部位受力均小于现浇仰拱衬砌结构。装配式仰拱结构拱墙二衬与初支接触压力平均值比现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬与初支接触压力平均值小50.02%，且分布较均匀。

3.3　拱墙二衬钢筋应力

（1）根据拱墙二衬钢筋应力随时间变化来看，拱墙二衬钢筋应力随时间变化基本呈现出“先增后减，最后趋于平稳”的变化趋势，现浇仰拱衬砌结构与装配式仰拱结构的拱墙二衬钢筋稳定时间基本一致。

（2）根据拱墙二衬钢筋应力断面上分布特征来看，2种结构中拱墙二衬钢筋均处于受压状态，受力均左右基本对称，内侧钢筋最大应力分别发生在右拱腰及左墙脚，最小应力均发生在左拱腰，外侧钢筋受力最大均发生在右墙脚，受力最小均发生在拱顶。

装配式仰拱结构拱墙二衬内侧钢筋平均应力比外侧钢筋平均应力小39.10%，现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬内侧钢筋平均应力比外侧钢筋平均应力小3.96%。装配式仰拱结构比现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬内侧钢筋平均应力小21.32%，外侧钢筋平均应力大24.09%。

2种结构钢筋在墙脚处受力较大，基本表现出“边墙及墙脚钢筋应力大，拱部钢筋应力小”的特征。

3.4　拱墙二衬混凝土应力

（1）根据拱墙二衬混凝土应力随时间变化来看，2种结构中混凝土应力表现出“先增后减，最后趋于平稳”的变化趋势，现浇仰拱衬砌结构比装配式仰拱结构的二衬混凝土早5天左右趋于稳定。

（2）根据拱墙二衬混凝土应力断面分布特征来看，2种结构中拱墙二衬混凝土均以受压为主，部分受拉，装配式仰拱结构受拉部位全部处于隧道二衬内侧，拉应力最大处位于左边墙内侧，为0.99 MPa；现浇仰拱衬砌结构拱顶内外侧均受拉，拉应力最大处位于右边墙内侧，为2.69 MPa，混凝土拉应力均小于混凝土抗拉强度，处于安全范围内。拱墙二衬混凝土在2种结构中受力对称情况不同，在装配式仰拱结构中受力左右不完全对称；在现浇仰拱衬砌中，除边墙位置外，其余位置左右基本对称。

装配式仰拱结构拱墙二衬内侧混凝土平均应力比外侧混凝土平均应力小55.58%，现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬内侧混凝土平均应力比外侧混凝土平均应力大153.92%。装配式仰拱结构比现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬内侧混凝土平均应力小32.43%，外侧混凝土平均应力大286.27%。

3.5　结构变形控制效果

（1）从位移变化方面可以看出，2个断面在拱顶沉降和水平收敛的变化规律为：“逐渐增加-缓慢增加-收敛”。

（2）从位移变化速率方面可以看出，2个断面在拱顶沉降和水平收敛的变化规律为：“达到速率变化的最大值-逐渐降低-零”。

（3）从2种结构形式的数据变化情况也可以看出，由于装配式仰拱开挖后整体施作，支护封闭的时间更短，故而施工期间隧道的稳定性略有提高。

4 结 论

（1）装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构中仰拱与垫层（初支）接触压力、拱墙二衬与初支接触压力、拱墙二衬钢筋应力、拱墙二衬混凝土应力在随时间增加，先增后减，最后趋于平稳，并且现浇仰拱衬砌比装配式仰拱结构中的接触压力及应力更早稳定。

（2）装配仰拱结构中仰拱与垫层及拱墙二衬与初支接触压力左右基本对称，现浇仰拱衬砌结构中二衬与初支接触压力左右基本对称。2种结构仰拱部位均表现出“仰拱中间部位接触压力最大，越靠近边墙部位接触压力越小”的规律。装配式仰拱与垫层及拱墙二衬与初支接触压力平均值分别为现浇仰拱衬砌结构的仰拱与初支及拱墙二衬与初支的接触压力平均值的0.5倍左右，且分布比较均匀。

（3）装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构中拱墙二衬钢筋均受压，说明钢筋在二衬结构中并没有很好地发挥作用，与混凝土同步发生了受压变形，同时表明，二衬施作时隧道初支结构均已稳定，二衬仅作为安全储备。装配式仰拱与现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬内侧钢筋平均应力均小于外侧钢筋平均应力；装配式仰拱结构比现浇仰拱结构的拱墙二衬内侧钢筋平均应力小，外侧钢筋平均应力大。拱墙二衬墙脚处钢筋应力较大，整体表现出“边墙及墙脚钢筋应力大，拱部钢筋应力小”的特征，拱部钢筋更容易受拉。

（4）2种结构中拱墙二衬混凝土均以受压为主，部分受拉，受拉混凝土基本位于二衬内侧，且左右受力并不对称；装配式仰拱结构拱墙二衬混凝土受拉集中在隧道二衬左侧内部，现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬混凝土受拉集中在拱顶与边墙，拉应力均小于混凝土抗拉强度，处于安全范围内。装配式仰拱结构拱墙二衬内侧混凝土平均应力小于外侧混凝土平均应力，现浇仰拱衬砌结构拱墙二衬内侧混凝土平均应力大于外侧混凝土平均应力；装配式仰拱结构比现浇仰拱衬砌结构的拱墙二衬内侧混凝土平均应力小，外侧混凝土平均应力大。

（5）“预制装配式仰拱+拱墙二衬现浇”结构在稳定周期和速率方面均优于“全现浇式衬砌”结构。

参考文献

[1] 刘耿仁，龙称心.甜永高速公路某黄土隧道仰拱开裂原因分析及处置措施［J］.路基工程，2020（3）：230-234.

[2] LIU Gengren， LONG Chenxin. Cause Analysis of Inverted Arch Cracking at a Loess Tunnel on Tianshuibao-Yonghe Highway and the Treatment Measures ［J］. Subgrade Engineering， 2020 （3）： 230-234. in Chinese

[3] 魏强，汪旵生.高速铁路隧道仰拱隆起病害分析及整治方案［J］.铁道建筑，2020，60（2）：56-60.

[4] WEI Qiang， WANG Chansheng. Cause Analysis and Treatment Scheme of Inverted Arch Heave for High Speed Railway Tunnel ［J］. Railway Engineering， 2020， 60 （2）： 56-60. in Chinese

[5] 马凌宇.京包线旗下营隧道基底结构病害整治对策探讨［J］.铁道建筑，2015，55（2）：76-78.

[6] MA Lingyu. Discussion on Treatment Countermeasures of Basement Structure Diseases of Qixiaying Tunnel on Beijing-Baotou Line ［J］. Railway Engineering， 2015， 55 （2）： 76-78. in Chinese

[7] 刘建红.钻爆法单线铁路隧道装配式仰拱结构形式研究［J］.铁道标准设计，2021，65（8）：101-106.

[8] LIU Jianhong. Research on the Block Form of Prefabricated Invert for Single-Track Railway by Drilling and Blasting Method ［J］. Railway Standard Design， 2021， 65 （8）： 101-106. in Chinese

[9] 孙会彬，李术才，王琦，等.大断面隧道装配式约束混凝土施工体系研究与应用［J］.中国公路学报，2018，31（10）：320-327.

[10] SUN Huibin， LI Shucai， WANG Qi， et al. Research and Application of Fabricated Confined Concrete Construction System for Large Cross Section Tunnel ［J］. China Journal of Highway and Transport， 2018， 31 （10）： 320-327. in Chinese

[11] 黄明利，杨 泽，谭忠盛，等.明挖法地下装配式结构接缝防水技术探讨［J］.中国工程科学，2017，19（6）：131-139.

[12] HUANG Mingli， YANG Ze， TAN Zhongsheng， et al. Waterproofing Technology for Underground Fabricated Structure Joints Based on the Open Cut Method ［J］. Strategic Study of CAE， 2017， 19 （6）： 131-139. in Chinese

[13] 计中彦，张学民，陈进，等.高速公路隧道装配式仰拱结构施工技术研究［J］.铁道科学与工程学报，2021，18（4）：983-990.

[14] JI Zhongyan， ZHANG Xuemin， CHEN Jin， et al. Research on Construction Technology of Highway Tunnel Fabricated Invert Structure ［J］. Journal of Railway Science and Engineering， 2021， 18 （4）： 983-990. in Chinese

[15] 李兆平，王臣，苏会锋，等.预制装配式地铁车站结构榫槽式接头力学性能研究［J］.中国铁道科学，2015，36（5）：7-11.

[16] LI Zhaoping， WANG Chen， SU Huifeng， et al. Mechanical Property of Tenon-Groove Joints for Metro Station Constructed by Prefabricated Structure ［J］. China Railway Science， 2015， 36 （5）： 7-11. in Chinese

[17] 杨书江.秦岭Ⅰ线隧道仰拱预制块施工技术［J］.西部探矿工程，2002，14（增1）：308-310.

[18] Yang Shujiang. Construction Technology of Prefabricated Invert Segment for Qinling No. 1 Tunnel ［J］. West-China Exploration Engineering， 2002， 14 （）： 308-310. in Chinese

[19] 李国良，司剑钧，李宁.兰渝铁路西秦岭特长隧道方案研究［J］.现代隧道技术，2014，51（3）：7-14.

[20] LI Guoliang， SI Jianjun， LI Ning. Construction Scheme of the West Qinling Extra-Long Tunnel on the Lanzhou-Chongqing Railway ［J］. Modern Tunnelling Technology， 2014， 51 （3）： 7-14. in Chinese

[21] 赵有明，王志伟，王子洪.铁路隧道预制装配式建造技术研究与展望［J］.中国铁路，2020（12）：51-60.

[22] ZHAO Youming， WANG Zhiwei， WANG Zihong. Research and Prospect on Prefabricated Structure of Railway Tunnel ［J］. China Railway， 2020 （12）： 51-60. in Chinese

[23] 魏文杰.中天山隧道TBM施工关键技术应用［J］.建筑机械化，2014，35（3）：64-68.

[24] WEI Wenjie. The Key Technology Application of TBM Tunnel Construction in the Tianshan Mountains ［J］. Construction Mechanization， 2014， 35 （3）： 64-68. in Chinese

[25] 张宇宁，岳岭，刘方，等.大直径盾构隧道全预制结构拼装技术实践［J］.铁道标准设计，2020，64（1）：147-152.

[26] ZHANG Yuning， YUE Ling， LIU Fang， et al.The Practice of Fully-Prefabricated Construction in Large-Diameter Shield Tunnels ［J］. Railway Standard Design， 2020， 64 （1）： 147-152. in Chinese

[27] 申志军，姚智文，郑余朝，等.蒙华铁路白城隧道马蹄形盾构设计施工关键技术［J］.现代隧道技术，2024，61（2）：254-262.

[28] SHEN Zhijun， YAO Zhiwen， ZHENG Yuchao， et al. Key Technologies for Design and Construction of Horseshoe-Shaped Shield Used in Baicheng Tunnel on Menghua Railway ［J］. Modern Tunnelling Technology， 2024， 61 （2）： 254-262. in Chinese

[29] 张胜龙，刘艳青，王志伟，等.单线隧道预制装配式衬砌结构选型及接头参数敏感性分析［J］.铁道建筑，2019，59（12）：43-46.

[30] ZHANG Shenglong， LIU Yanqing， WANG Zhiwei， et al. Selection of Prefabricated Assembly Lining Structure and Sensitivity Analysis of Joint Parameters for Single Track Tunnel ［J］. Railway Engineering， 2019， 59 （12）： 43-46. in Chinese

[31] 贾永刚，王明年.装配式衬砌接头的接触力学模型研究［J］.都市快轨交通，2004，17（1）：38-41.

[32] JIA Yonggang， WANG Mingnian. A Study on the Contact Mechanics Model of Fabricated Lining Connections ［J］. Urban Rapid Rail Transit， 2004， 17 （1）： 38-41. in Chinese

[33] 严义招.高速铁路大跨度双线隧道矿山法施工的装配式衬砌力学特性研究［D］.成都：西南交通大学，2008.

[34] YAN Yizhao. Research on Mechanical Characteristic of Fabricated Lining of High Speed Railway Long Span Two-Line Tunnel Constructed by Mining Method ［D］. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2008. in Chinese

[35] 郇星超.公路隧道装配式衬砌结构研究［D］.西安：长安大学，2013.

[36] XUN Xingchao. Research on Assembled Lining Structure of Highway Tunnel ［D］. Xi'an： Chang'an University， 2013. in Chinese

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