隧道装配式仰拱设计与施工技术标准 征求意见稿编制说明

《隧道装配式仰拱设计与施工技术标准》（征求

意见稿）编制说明

一、工作简况

（一）任务来源

本文件由中铁第一勘察设计院集团有限公司提出，经中国技

术市场协会标准化工作委员会批准，正式列入2022年团体标准

编制修订计划，标准名称为《隧道装配式仰拱设计与施工标准》。

（二）项目背景

本文件是积极落实党中央十九届五中全会精神，响应国家发

改委、市场监管总局联合印发《关于新时代服务业高质量发展的

指导意见》（发改产业〔2019〕1602号）相关要求，加快发展现

代产业体系，推动经济体系优化升级，为更好的规范和指导信息

系统集成和技术服务领域产业链现代化水平，通过加强标准能力

建设，完善产业的质量体系而特别提出。

（三）目的意义

制定本文件的目的是为顺应信息技术服务业发展趋势及市

场需求，维护市场秩序，加强行业自律，促进信息系统服务商系

统集成与技术服务能力的不断提高，增强信息系统服务商创新能

力和国际竞争力，支撑信息系统服务商转型提升发展。帮助企业

根据商业目标和实际需求，实现生产力、质量等相关商业目标的

改善，从而提供高质量的产品，增强企业的竞争能力。

（四）起草单位及起草人名单

本文件主要起草单位：中铁第一勘察设计院集团有限公司、

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石家庄铁道大学、中铁二十局集团有限公司、中铁十四局集团有

限公司、中铁二十二局集团有限公司、中铁长安重工有限公司、

广州市市政总院、中交第二公路工程局有限公司、中铁十一局集

团有限公司五公司、中国建筑第七工程局有限公司、北京工业大

学等。

本文件主要起草人：赵晓勇、高新强、刘建红、王飞、崔润

兵、杨立燃、杨木高等。

（五）主要起草过程

1.文本调研

《隧道装配式仰拱设计与施工标准》于2021年6月启动了

文本的调研工作，并2021年10月完成了相关资料的收集和分析

工作。

2.标准立项

中铁第一勘察设计院集团有限公司向中国技术市场协会标

准化委员会提出申请，于2022年2月获得中国技术市场协会标

准化工作委员会批准立项。

3.组建标准起草工作组

2022年3月10日，召开项目启动会。

2022年3月11日，成立了中铁第一勘察设计院集团有限公

司、石家庄铁道大学、中铁二十局集团有限公司、中铁十四局集

团有限公司、中铁二十二局集团有限公司、中铁长安重工有限公

司、广州市市政总院、中交第二公路工程局有限公司、中铁十一

局集团有限公司五公司、中国建筑第七工程局有限公司、北京工

业大学等组成的标准起草工作组，并讨论标准调研工作事项。

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4.形成标准草案

2022年4月5日，起草组对资料收集情况进行汇报，并对

进行了线上讨论。

2022年4月28日，开展组内讨论，确定了标准框架和主要

内容。

2022年7月14日，对《隧道装配式仰拱设计与施工标准》

起草的标准初稿进行现场讨论，并提出修改意见。

2022年11月30日，对《隧道装配式仰拱设计与施工标准》

起草的标准初稿进行反复讨论，并根据意见多次修改完善文件。

2023年2月20日，起草组根据修改意见进行修改，形成标

准草案。

5.形成征求意见稿

2023年3月10日，对标准草案进行讨论，起草组对草案内

容进行了修改，形成标准征求意见稿。

二、标准编制原则和确定主要内容的论据及解决的主要问题

（一）编制原则

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：

标准化文件的结构和起草规则》以及《中国技术市场协会团体标

准工作程序》的规定起草。

（二）标准主要内容及适用范围

本文件确立了隧道采用装配式仰拱隧道勘察、结构设计、施

工及辅助措施、施工测量、隧道预制构件的制作要求、支护及模

筑衬砌要求、防排水规定、施工运输及构件安装、监控量测及信

息化、工程验收等内容。

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本文件适用于采用装配式仰拱结构施工的新建铁路隧道，包

括采用装配式仰拱结构的铁路隧道的勘察、设计、施工和工程质

量验收。

（三）确定标准主要内容的论据

本文件提出了装配式仰拱铁路隧道勘察、设计、施工和验收

等技术要求，适用于采用装配式仰拱结构施工的新建铁路隧道，

包括TBM法施工及钻爆法施工采用装配式仰拱结构的铁路隧道

的勘察、设计、施工和工程质量验收。

装配式建筑有利于节约资源、减少施工污染、改善作业环境、

提高建造效率，推进标准化施工，从根本上上保证隧道仰拱结构

在全寿命周期内的质量安全。

采用隧道预制装配式仰拱可以满足铁路列车、施工运输车辆

荷载作用下的安全性，在隧道仰拱开挖欠挖可控或者修整开挖轮

廓面可控的情况下，均可采用装配式仰拱结构施工，地质适应性

较为广泛。根据场区单线铁路隧道试验成果，采用装配式仰拱结

构，仰拱施工效率较采用现浇结构施工效率可提升一半以上，同

时，洞内仰拱施工人员可大幅下降。装配式仰拱质量在20t～25t

以内时，在隧道洞内运输、起吊及安装等均可满足要求。

本文件编制过程中通过调研收集资料，分析了装配式仰拱结

构方案，并进行了对比研究，给出了推荐方案。通过数值仿真分

析，对装配式仰拱结构进行了不同工况下的计算分析。

结合工程实际结构，通过建立足尺模型，开展了装配式仰拱

养护过程、吊装过程、纵向拉紧力、拼装机荷载及施工运输车辆

荷载等试验研究。通过在足尺模型试块上设置防水材料，在预制

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仰拱块下方预埋注水管道，仰拱块纵向拉紧并注浆凝固后，通过

注浆泵往仰拱块底部注水，测试预制仰拱块出现渗水时的最大承

水压力，以及预制仰拱块拼装完成后的防水性能测试。

基于模型相似性原理，通过缩尺试验，模拟预制仰拱构件与

预制混凝土衬砌在不同接头型式下的极限承载能力，并通过对比

分析处于不同围压下的结构受力、变形特点，从而选取合理的接

头型式。想要使用相似材料模拟材料原型，不但需要对几何尺寸

进行缩尺，还需要对试验起控制作用的物理量进行缩尺。实验的

原型隧道跨度10.28m，模拟围岩应力下预制仰拱的力学性能，

根据现场实验条件，设定几何相似比为15，依据相似理论各物

理量的相似比例关系确定围岩及衬砌物理力学参数。通过改变配

合比，设计了13组材料配比，经过土工三轴试验，选取了相似

的材料设计配合比，并在此材料基础上开展缩尺模型一系列力学

性能试验。

三、主要试验[或验证]情况分析

通过装配式仰拱足尺试验、缩尺模型试验开展了本文件编制

的试验验证。

通过对仰拱、仰拱填充等结构进行综合研究分析，对板式、

开孔鱼腹式等装配式仰拱结构进行计算分析，从结构形式、受力

性能、制造、运输、施工安全等角度，通过数值分析、受力计算

和试验等手段，进行了研究分析。

装配式仰拱与拱墙连接安全是采用装配式仰拱的关键技术，

通过对平面、L型、V型凸起、半圆形凸起、中间凹凸榫等几种

连接形式进行数值模拟分析，在连接处的凸起位置，存在应力集

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中效应，而且凸起程度越明显，集中应力越大。接触面多为压应

力状态，L形连接施工难度低、制作简单，但其突出部位位于边

缘，在较大剪切力作用下容易发生破坏，运输时需要做好保护。

半圆形凸起在几种连接形式中应力压应力最大，受力最不利，而

且在接触面中部发生的滑移最大。不同的中部凹凸榫情况，预制

构件上凹榫能够够更大剪切力，同时也存在应力集中现象。预制

构件上凸榫受到的剪切应力相对稍小，滑移成都也最小。V形凸

起连接应力集中现象较弱，但其V形凸起的尖头处为薄弱环节，

容易压溃，因此，应控制其尖角部位，同时因V形凸起接头施工

相对方便，与现浇混凝土容易结合，而且便于设置防水措施，同

时结合以往工程经验，推荐采用V形凸起连接形式。

通过建立仿真模型，制作足尺模型试验，分别对约17.6t鱼

腹式仰拱结构进行拆模、运输及安装吊装试验。分别研究了4个

吊装孔、2个吊装孔和1处吊装起吊时仰拱块的受力特征，以加

速度a=0m/s2来模拟匀速吊装时仰拱块的受力特征，以加速度

a=0.05m/s2、a=0.1m/s2、a=0.15m/s2、a=0.2m/s2来模拟仰拱块加

速吊装时的受力特征。发现4个吊装孔吊装的最大加速度应控制

在a=0.2m/s2以下；2个吊装孔吊装的加速度应控制在a=0.15

m/s2以下；1处吊装的加速度应控制在a=0.1m/s2以下。从吊装

安全性考虑4个吊装孔最有利，左右、前后均对称布置，横向距

离为4.68m，纵向距离为0.90m是合理的，实际情况下，可以

使用3个吊装孔进行吊装也能满足要求。在同一测点位置，吊装

孔处测点应力模拟值均比实测值大，经分析认为原因是试验的时

候吊装荷载作用在吊装孔处，分散在吊装孔的孔壁上，应力相对

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较为分散，而模拟的时候吊装荷载作用在吊装孔周围轮廓的节点

上，相对来说应力更为集中，故造成吊装孔处测点应力模拟值比

实测值大的现象。说明浇筑时预埋吊装孔构件对于仰拱块的起吊

是有利的，能够有效避免吊装过程中吊点处应力过于集中，导致

其应力超过抗拉极限强度发生破坏，同时应注意平衡吊装。

装配式仰拱纵向连接对于装配式仰拱的整体受力和接缝处

防水安全性至关重要。通过采用螺栓连接、纵向拉筋连接在安全

性、施工可行性等进行分析，选择纵向拉筋作为推荐方案。足尺

试块试验中，测试得到单孔纵向拉紧力为373kN（37.3t）时，

总共设置3孔，环向缝可完全封闭，在拼装试验中底部铺碎石质

量控制较好。综合考虑到试验情况，模型足尺试验精度因素，建

议单孔纵向拉紧力设计值不小于35kN。同时可通过改变铺底碎

石粒径，粒径减小，或者拼装时尽量利用拼装机对正，设计单孔

拉紧力可适当减小。装配式仰拱块质量小时，拉紧力可相应减小。

室内模型试验得到了装配式仰拱二衬结构极限承载能力和

接头受力特征：（1）不同接头型式对衬砌的整体承载能力影响不

大。所有接头型式均在第二次加载（加载30kPa，模拟现实中

0.45MPa）或第三次加载（加载45kPa，模拟现实中0.675MPa）

时出现轻微裂缝，在第四次加载时（加载60kPa，模拟现实中

0.90MPa）出现较大破坏，第五次加载时（加载75kPa，模拟现

实中1.125MPa）基本无法承载。（2）预制仰拱接头的存在，并

未改变衬砌整体的最薄弱部位。衬砌最薄弱部位依然为衬砌拱部，

其次才为接头部位。接头连接越强，其破坏形态与刚性接头越接

近。加载过程中裂缝发展过程也基本一致：裂缝均首先出现在衬

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砌拱顶部位，然后扩展至拱腰，再次扩展至接头及仰拱。（3）不

同接头型式对衬砌的整体破坏形态影响较大。对于平接头及V型

接头，由于接头链接较弱，几乎无法传递弯矩及剪力，故加载过

程中仰拱并未出现破坏，仅在加载过程中接头部位出现错动。对

于Z型接头及凸型接头，由于连接较强，加载过程接头部位均出

现压溃、剪切破坏等现象，且仰拱也均出现了明显的破坏。（4）

上部结构承担围岩压力占实际加载的百分比基本一致。不同接头

型式下，上部结构承担围岩压力占实际加载的百分比基本一致，

均分布在50～60%之间。由于围岩的承载作用以及拱部变形开裂

的卸载作用，上部结构承受围岩压力均小于实际加载压力。（5）

接头处应力集中现象明显。接头处应力集中现象明显，特别是Z

型接头及凸接头，与数值计算结果基本一致。但仰拱上板与中隔

间连接处也会出现明显的应力集中现象，此现象在数值计算中未

发现，且上板承受拉应力也较大。（6）从衬砌整体受力及接头受

力角度，接头处理越接近刚接其受力性能越好，承载能力越大。

（7）综合衬砌受力、破坏状态、裂缝发展、接头错动情况，推

荐接头连接型式顺序：Z型接头、V型接头（需基于计算情况改

进）、凸接头、平接头、刚接头。

装配式仰拱结构仰拱下垫层的施工，对装配式仰拱结构施工

期间及运营安全是需要考虑的地方。为了严格控制装配式仰拱下

方垫层与装配式仰拱结构形状吻合，设计了一种隧道仰拱垫层施

工用布料斗铺设碎石方案，并带有振捣功能，边铺设边振捣，铺

设出来的碎石层面密实，且与仰拱预制块密切贴合。完成预制块

拼装，待纵向张拉完成后，通过预留注浆孔对垫层进行注浆，能

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较好满足装配式仰拱与围岩间的密贴，保证结构安全。

在TBM隧道施工时，采用预制仰拱块结构，施工后能很快起

到承载作用，便于施工期间的运输，取得了较好的效果，其在全

断面机械开挖下，仰拱开挖轮廓平整性好控制，具备一定的优势。

在山岭隧道矿山法（钻爆法）施工还未见有采用仰拱预制装配结

构，仰拱结构形式均未与仰拱填充一起考虑。在国内外修建隧道

时，已经有采用装配式拱墙或明挖结构箱型预制构件的案例。隧

道或地下工程采用预制结构已经取得了一定的研究成果，但在采

用传统矿山法（钻爆法）施工的隧道，采用预制装配仰拱的研究

比较少。矿山法（钻爆法）隧道将装配式仰拱结构+仰拱填充一

体化考虑，可以增加仰拱的有效高度，采用开孔鱼腹式结构形式，

从计算结果看，受力也更加有利，开孔有助于减轻重量，控制成

本。同时考虑到目前的技术装备水平的发展，仰拱开挖精度的控

制与装配式仰拱的拼装施工也已具备条件，因此，矿山法（钻爆

法）隧道采用装配式仰拱结构施工，在技术上是完全可行的。

隧道仰拱直接影响到行车安全性，特别一些面临高地应力、

高地温、高水压、冰冻灾害等隧道，仰拱面临更不利环境风险。

不良地质条件下，隧道仰拱施工质量不到位，极容易在后期运营

中发生翻浆冒泥、突水、仰拱变形等病害，这在以往已开通运营

的隧道中也不鲜见。隧道施工采用装配式结构，工厂化施工，现

场拼装，施工质量更加可控，仰拱的安全性将有一个质的提高，

从工程全寿命周期成本考虑，采用装配式仰拱结构，可以说具有

一定的经济优势。

装配式仰拱结构可采用机械进行快速施工，节约洞内劳动强

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度，在我国目前人力成本急剧上升的情况下，特别是在高原低氧

含量地区，具有重要的经济意义。同时，对改善作业环境、降低

隧道洞内工作量，从一定程度上也可节省成本，降低社会成本、

环境成本；预制结构拼装时无需养护，拼装完成后可立即起到承

载作用，从而节省支护费用。隧道洞内作业资源投入的减少不仅

能降低成本，还能显著降低人员施工的潜在人为风险。

装配式仰拱可以在工厂批量生产和养护，并在隧道修建过程

中进行机械化、自动化组装，从而能够有效减少隧道衬砌施工时

间，从而提高隧道工程的建设速度。隧道一般是控制性工程，隧

道工程的早日贯通，对早日通车，一般具有决定性作用，存在着

显著的社会价值。

四、采用国际标准和国内外先进标准的程度

本文件为首次自主制定，参考了TB10003铁路隧道设计规

范、TB3353铁路隧道钢筋混凝土管片、GB50111铁路工程抗震

设计规范、GB50446盾构法隧道施工及验收规范、GB/T50214组

合钢模板技术规范等国家标准相关内容要求。本文件不涉及国际

国外标准的采标情况。

五、重大分歧意见处理经过及依据

本文件在制定过程中未出现重大分歧意见。

六、与现行相关法律、法规、规章及相关标准的协调性

本文件符合国家现行法律、法规、规章和强制性国家标准的

要求，本文件有助于隧道行业等标准的实施。

本文件的实施不涉及对现行标准的废止情况。

七、知识产权情况说明

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采用预制仰拱模块的隧道，专利号ZL202010608408.2，

专利权人中铁第一勘察设计院集团有限公司

采用预制仰拱模块的隧道施工方法，专利号ZL20201

0609499.1，专利权人中铁第一勘察设计院集团有限公司

一种采用预制装配仰拱的钻爆法隧道结构，专利号

ZL201822233553.8，专利权人中铁第一勘察设计院集团有限公司

在《隧道装配式仰拱设计与施工标准》编制过程中，因以上

专利与本文件的编制关系相关性比较大，参考了以上专利文件的

相关内容。

八、其他应予说明的事项

无。

《隧道装配式仰拱设计与施工标准》

团体标准工作组

2023年4月20日

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《隧道装配式仰拱设计与施工技术标准》（征求

意见稿）编制说明

一、工作简况

（一）任务来源

本文件由中铁第一勘察设计院集团有限公司提出，经中国技

术市场协会标准化工作委员会批准，正式列入2022年团体标准

编制修订计划，标准名称为《隧道装配式仰拱设计与施工标准》。

（二）项目背景

本文件是积极落实党中央十九届五中全会精神，响应国家发

改委、市场监管总局联合印发《关于新时代服务业高质量发展的

指导意见》（发改产业〔2019〕1602号）相关要求，加快发展现

代产业体系，推动经济体系优化升级，为更好的规范和指导信息

系统集成和技术服务领域产业链现代化水平，通过加强标准能力

建设，完善产业的质量体系而特别提出。

（三）目的意义

制定本文件的目的是为顺应信息技术服务业发展趋势及市

场需求，维护市场秩序，加强行业自律，促进信息系统服务商系

统集成与技术服务能力的不断提高，增强信息系统服务商创新能

力和国际竞争力，支撑信息系统服务商转型提升发展。帮助企业

根据商业目标和实际需求，实现生产力、质量等相关商业目标的

改善，从而提供高质量的产品，增强企业的竞争能力。

（四）起草单位及起草人名单

本文件主要起草单位：中铁第一勘察设计院集团有限公司、

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石家庄铁道大学、中铁二十局集团有限公司、中铁十四局集团有

限公司、中铁二十二局集团有限公司、中铁长安重工有限公司、

广州市市政总院、中交第二公路工程局有限公司、中铁十一局集

团有限公司五公司、中国建筑第七工程局有限公司、北京工业大

学等。

本文件主要起草人：赵晓勇、高新强、刘建红、王飞、崔润

兵、杨立燃、杨木高等。

（五）主要起草过程

1.文本调研

《隧道装配式仰拱设计与施工标准》于2021年6月启动了

文本的调研工作，并2021年10月完成了相关资料的收集和分析

工作。

2.标准立项