0 引言
浅埋暗挖法是在新奥法的基础上发展起来的，目前在我国已经广泛使用，该工法具有经济、灵活的独特优势，适用于各种断面［1］。浅埋暗挖法与盾构法相比，在短距离开挖中有良好的经济效益。其缺点是施工工序多，无法满足现代隧道建设对机械化程度、施工效率、安全性和环境保护的要求［2］; 二次衬砌配套设备复杂，各设备倒运衔接周期较长; 现浇结构钢筋绑扎不到位，易出现施工缝节点止水带不牢渗水; 受入模、捣固影响，现浇混凝土易出现衬砌蜂窝、麻面，拱顶浇筑不密实等现象，施工质量得不到有效保障［3］。盾构法施工中，管片拼装由管片拼装机完成，操作简单，施工速度快，安全性好。因此很有必要将新奥法与盾构管片拼装技术相结合，研究暗挖隧道装配式二次衬砌工艺及设备。目前，许多国家都把构件预制化作为技术发展的一个重要标志。隧道预制按预制比例分为部分预制和全部预制［4］。本文针对的是全构件预制隧道衬砌技术的研究，这方面国内已有相关施工案例。如广东上小洞水库输水涵的改建中应用了装配式马蹄形无压隧道结构，并取得了良好的经济、技术效益［5］;辽宁省白石水库观测廊道打破传统的现浇方法，大胆尝试预制拱圈对接组合方法，技术上取得了成功，同时降低了成本，缩短了工期［6］。然而，目前尚未有针对地铁等隧道暗挖后拼装管片完成隧道二次衬砌的研究，该技术的重点是将施工与配套设备紧密结合，以解决管片密封的防水问题，同时防止管片拼装过程中产生错台，实现二次衬砌管片的快速拼装。
1 管片密封防水问题
隧道采用管片进行永久性支护，其中的关键技术之一是管片纵缝( 环向接触平面) 和横缝( 纵向接触平面) 之间的平面密封材料必须获得足够的挤压力，以产生挤压变形获得抵抗外界水土压力的密封能力。在平衡式盾构的管片拼装中( 见图 1) ，横缝的挤压力来自于推进油缸靴板的顶推，而推进油缸顶推所需的反力又来自于刀盘对开挖面的顶推、土舱的压力以及盾体对开挖面的摩擦力; 管片的环向挤压力来自于管片周边的同步砂浆的注浆压力以及外界水土压力。
图 1 盾构管片拼装
由于暗挖隧道开挖面施作完成后，拼装设备无法通过刀盘对开挖面的挤压、盾体与土层的摩擦以及土舱压力取得预紧反力，另外开挖成型的隧道喷混凝土结构已经支撑了外界的水土压力，外界水土压力不能作用于管片外圆表面获得环向挤压力。因此，暗挖隧道装配式管片的挤压力可考虑由管片螺栓提供( 见图2) ，以满足接缝的防水要求。通过对某地铁盾构区间隧道防水胶条性能测试，得出胶条承受不同压力值所能抵抗的地下水的压力( 见表 1) ，作为拧紧螺栓所需达到的预紧力指标。
图 2 管片纵剖面图
另外，因管片与初期支护断面间隙较大，结合盾构过矿山法施工案例，在管片背后及时充填豆砾石可有效避免管片沉降及侧向错动现象［7］。压注水泥浆的目的是充填豆砾石的空隙，进一步固定管片，同时提供管片的环向挤压力。回填灌浆位置滞后 10 环左右进行，防止浆液前窜。灌浆采用双重标准控制，灌浆压力控制在 0.2 ～ 0.3 MPa。根据实际情况可灌注化学速凝防水型材料［8］，在端面形成密封环，防止浆液前窜，保证注浆压力。注浆顺序与豆砾石回填顺序一致，为底拱—侧拱—顶拱［9］。
2 管片拼装错台问题
在平衡式盾构中，由激光导向系统对刀盘切削进行精确的定位和控制，刀盘切削的轮廓面比较光滑准确，可作为管片对设计轴线的定位基准。因此，盾构推进中的管片拼装不需要进行单独的定位，只需保证对上一环已经安装好的管片进行精确定位，避免错台。
暗挖隧道初期支护断面由开挖后进行喷混凝土施工完成。由于喷混凝土工序本身的尺寸控制精度问题，成型后的隧道轮廓面对应的平均值轴线与隧道标准设计轴线会有偏差，且隧道断面尺寸与实际设计轮廓面也会存在误差( 见图 3) 。因此，拼装设备不能以实际喷混凝土成型的轮廓面作为基准进行管片拼装。与平衡式盾构相比，暗挖隧道管片安装时缺少天然的定位基准。1—隧道实际喷混凝土轮廓; 2—管片; 3—隧道标准设计轴线; 4—成型后的实际轴线。
图 3 隧道轮廓示意
暗挖隧道成洞后，由于隧道初期支护断面凹凸不平，底部预先制作一混凝土平台( 见图 4) ［10］。底部平台施作时可由人工测量控制高程和设置左右偏差的定位点，拼装时底管片直接落在平台上并控制左右偏差，完成管片环的定位，同时依靠调整拼装设备对其他管片进行辅助定位。管片定位见图 4。
图 4 管片定位
3 配套设备构成
暗挖隧道装配式管片拼装设备组成见图 5，主要由履带式行走装置、管片拼装机、大臂、后配套拖车等组成。拼装机轨道梁与履带行走装置举升大臂、拖车相连，管片拼装机沿轨道梁前后移动，并抓取管片进行拼装作业。通过履带行走机构带动拼装机轨道梁上下、左右摆动，实现管片拼装机对隧道中线精确定位。
图 5 暗挖隧道装配式管片拼装设备组成
管片拼装机的主要功能是在特定的空间内完成管片的抓取、提升、定位和拼装工序［11］。由于暗挖隧道多为马蹄形隧道，与圆形隧道相比其下部管片曲线差别较大，给管片的运输、存放、拼装造成一定困难，需要综合考虑抓取点、管片稳定、旋转等问题。该管片拼装机有 6 个自由度，配合履带式行走机构实现平移、回转等动作，满足管片拼装要求。
4 结论与展望
1) 暗挖隧道施作后，采用机械拼装管片，旨在提高工程质量、预防结构渗漏、缩短施工工期，以达到衬砌工厂化、防水标准化、施工集成化的目标。
2) 应同步开展对隧道标准化断面型式及二次衬砌分块、衬砌接头/接缝构造及受力、抗震分析及理论等课题的研究，未来有望实现构件标准化、施工机械化和产业化目标。研制和使用具备一定系统资源整合的管片拼装设备，减少人工投入，低碳环保，保证其能在其他工程中重复使用，充分实现产业化目标。
3) 随着隧道施工机械化的发展，装配式管片拼装技术还有望推广到矿山法施工、隧道修复等领域。