陳鼐基，張銀屏，胡哲斌

（1.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200125；2.上海建工四建集團有限公司，上海市 201103）

1 背景介紹

土木及建筑結(jié)構(gòu)的預(yù)制化建造，是實現(xiàn)建筑工業(yè)化制造的重要途徑[1]。不僅產(chǎn)品質(zhì)量有保障，還可簡化現(xiàn)場作業(yè)，減少施工噪聲、振動、泥漿等環(huán)境污染，有利于節(jié)能減排與提高效率[2]。然而，道路隧道預(yù)制裝配式施工的成熟做法局限于盾構(gòu)區(qū)間管片，而采用明挖法施工的隧道及隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，仍然以現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主。

另一方面，城市地下道路隧道的施工方法正逐步采用盾構(gòu)法施工，如上海的北橫通道工程[3]、深圳的春風(fēng)隧道工程[4]等。然而，由于城市核心區(qū)周邊建設(shè)成熟，環(huán)境限制條件繁多，盾構(gòu)法隧道在許多時候無法實施。明挖法隧道有著設(shè)置靈活、施工方法成熟等優(yōu)勢，其應(yīng)用仍無法避免。

因此，針對預(yù)制拼裝技術(shù)在明挖法地下道路隧道中的應(yīng)用研究是十分必要的。其中，軟土地區(qū)實現(xiàn)明挖地下道路隧道預(yù)制拼裝技術(shù)是最為困難的，目前國內(nèi)還尚未有類似工程案例。

本文將以《復(fù)雜環(huán)境下明挖隧道工程綠色工業(yè)化智能建造關(guān)鍵技術(shù)研究》科研課題為背景，結(jié)合上海某工程，研究全裝配預(yù)制拼裝技術(shù)在明挖法地下道路隧道應(yīng)用過程中面臨的問題，并提出相應(yīng)解決思路。

2 工程案例簡介

示范工程位于上海市中心城區(qū)內(nèi)，全線采用明挖地道的形式，隧道段總長2.8 km，設(shè)置有2對出入口匝道。其中，全線選取約100 m長的路段作為全裝配式預(yù)制拼裝技術(shù)的示范段。圖1為工程平面布置圖。

圖1 工程平面布置示意圖

該段示范段建設(shè)規(guī)模為雙向4車道，車道凈空為3.5 m，為小車專用道，結(jié)構(gòu)外寬20.2 m，結(jié)構(gòu)總高度6.65 m。線路平面曲線半徑為2 100 m，縱向坡度為0.75%。該段地面紅線寬度為50 m，現(xiàn)狀地面交通為雙向8車道，施工期間縮減為雙向6～7車道。

3 預(yù)制拼裝技術(shù)應(yīng)用難點

軟土地區(qū)明挖法施工的城市隧道若采用預(yù)制拼裝技術(shù)，將面臨諸多新的問題，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）相比于目前廣泛采用預(yù)制拼裝技術(shù)的綜合管廊，道路隧道的尺寸過大，約為管廊尺寸的2倍（以常見的4車道隧道斷面和3艙的綜合管廊斷面比較），隧道結(jié)構(gòu)的輪廓和斷面厚度造成預(yù)制構(gòu)件重量和尺寸過大，難以實現(xiàn)預(yù)制化。

（2）軟土地區(qū)的明挖隧道基坑內(nèi)部支護密集，格構(gòu)柱林立，城市中心的地面交通擁擠，給預(yù)制構(gòu)件的吊裝、運輸造成巨大困難。

基于上述兩點，軟土地區(qū)地下工程預(yù)制拼裝技術(shù)主要包含兩種拼裝模式，分別為全裝配結(jié)構(gòu)和裝配整體式結(jié)構(gòu)[5-6]。本文將僅就全裝配結(jié)構(gòu)進行研究。

4 結(jié)構(gòu)分塊型式研究

全裝配式結(jié)構(gòu)，指將地道結(jié)構(gòu)分解為多個小塊構(gòu)建，在工廠內(nèi)分別預(yù)制相應(yīng)構(gòu)建，最后在現(xiàn)場拼裝的一種模式。

全裝配式的優(yōu)點在于可以根據(jù)基坑圍護結(jié)構(gòu)布置需要，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)預(yù)制的尺寸，來滿足現(xiàn)場吊裝需求。由于均采用工廠化預(yù)制，所有構(gòu)建的質(zhì)量均能得到保證，避免了大面積現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂縫等問題。

對于小尺寸地下結(jié)構(gòu)，全裝配式結(jié)構(gòu)可以預(yù)制整個斷面，保證斷面的整體性，現(xiàn)場僅需進行縱向拼裝即可形成完整的結(jié)構(gòu)。小斷面的地下綜合管廊常采用該種技術(shù)，如圖2所示。

圖2 地下綜合管廊全裝配式結(jié)構(gòu)

但地下道路隧道結(jié)構(gòu)尺寸斷面較大，一般單相雙室的隧道結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)總跨度在20 m以上，隨著車道數(shù)量的增加結(jié)構(gòu)跨度甚至?xí)^30 m。以20 m跨度的結(jié)構(gòu)進行計算，全斷面預(yù)制時，每延米結(jié)構(gòu)自重接近100 t，對現(xiàn)場吊裝要求極高。地下道路通常建設(shè)在城市核心地區(qū)，周邊建設(shè)條件受到諸多限制，因此全斷面預(yù)制的可行性并不高，需將結(jié)構(gòu)切分為更小的小塊進行預(yù)制。

以雙向4車道斷面為例，將每個斷面地道分解為上下兩塊結(jié)構(gòu)，形成兩個“山字形”構(gòu)建，構(gòu)建寬度為2.5 m，高度為2～4 m，頂部設(shè)置橫梁和通風(fēng)井結(jié)構(gòu)，如圖3所示。構(gòu)件防水采用彈性密封墊的方式止水，隧道縱向采用預(yù)應(yīng)力張拉壓緊，上下構(gòu)件采用斜螺栓抗剪，預(yù)留手孔操作。

圖3 全預(yù)制裝配式分塊型式

5 結(jié)構(gòu)預(yù)制技術(shù)

預(yù)制管節(jié)鋼筋在工廠胎架上綁扎，胎架精度要求控制在±2 m m范圍內(nèi)。為滿足管節(jié)拼裝的要求，在胎架固定側(cè)模設(shè)置有限位裝置對縱向波紋管進行定位，保證安裝精度控制在±2 m m范圍內(nèi)，管節(jié)鋼筋籠成型采用點焊和綁扎。管節(jié)鋼筋成型后安裝波紋管定位，保護層墊塊和波紋管在出廠前安裝位，澆筑混凝土前，在波紋管內(nèi)插入加勁管防止變形。圖4為鋼筋加工廠。

圖4 鋼筋加工廠

混凝土澆筑采用短線法生產(chǎn)。短線法生產(chǎn)可以在既有模板精度的條件下，最大限度減少因模板誤差造成的結(jié)構(gòu)拼裝困難，更利于現(xiàn)場吊裝作業(yè)。具體生產(chǎn)流程如下：生產(chǎn)第一榀管節(jié)N-S#（第N節(jié)上部）時，一側(cè)用固定端模，另一側(cè)用活動端模，混凝土澆搗并養(yǎng)護后，拆除活動端模，移出第一榀管節(jié)N-S#→吊運第二榀管節(jié)（N+1-S#）底模及鋼筋籠就位到固定端模的一側(cè)→將第一榀管節(jié)N-S#已養(yǎng)護好的管節(jié)移回到原活動端模的位置代替活動端模，密貼澆搗第二榀管節(jié)（N+1-S#）并養(yǎng)護→將已養(yǎng)護好的第二榀管節(jié)（N+1-S#）移出，再吊運第三榀管節(jié)（N+2-S#）底模及鋼筋籠仍就位到固定端?！鷮⒁佯B(yǎng)護好的第二榀管節(jié)（N+1-S#）的節(jié)段梁移回到原活動端模的位置，即密貼澆搗第三榀管節(jié)。如此，反復(fù)循環(huán)進行密貼澆搗生產(chǎn)。圖5為全預(yù)制裝配式混凝土澆筑方案。

圖5 全預(yù)制裝配式混凝土澆筑方案

6 節(jié)段拼裝

6.1 節(jié)段拼裝主要步驟

節(jié)段拼裝主要采用頂進的形式，分為以下步驟：（1）施工地道圍護結(jié)構(gòu)，等其強度達到相應(yīng)要求后，進行基坑開挖；（2）基坑開挖出25 m后，施工基坑墊層、鋼筋混凝土基礎(chǔ)，布置滑軌；（3）將單個管節(jié)（2.5 m）吊至拼裝平臺，由液壓千斤頂將管片平移2.5 m，吊裝下一片管片，直至拼裝成25 m；（4）將10榀管節(jié)固定，進行預(yù)應(yīng)力等張拉，形成一個施工段；（5）基坑開挖與底板澆筑、滑軌布置等施工繼續(xù)進行；（6）施工反力后靠背，安裝千斤頂，將拼裝完成的25 m通道段沿已施工完成的鋼筋混凝土基礎(chǔ)及滑軌向東頂推；（7）逐節(jié)拼裝，直至全部管節(jié)頂推平移至設(shè)計位置；（8）澆筑滑軌至底板間混凝土，裝配式地下通道實現(xiàn)貫通。

6.2 滑道布置

頂推時滑道布置是關(guān)鍵。對基坑底部利用旋噴樁對地基進行處理，然后施工滑移筏板，筏板配筋考慮施工管片荷載和平移時需要提供的頂推反力。筏板高度為1 100 m m，頂推反力后背鋼筋與筏板頂部鋼筋綜合考慮，這樣平移推力和自身的摩擦力形成一個自平衡受力體系。此種反力后背在房屋平移中已有成熟并成功的應(yīng)用先例。下軌道施工時，要嚴格控制滑道預(yù)埋鋼板的平整度，相鄰2 m范圍內(nèi)，平整度高差應(yīng)為2 m m。

在管節(jié)底部設(shè)置定制的四氟滑板，單塊滑板用5 m m四氟板、5 m m鋼板及橡膠在支座廠定制而成，成品厚度為15 m m，以保證四氟板的性能穩(wěn)定，不至于在滑移過程中產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象而失效。該種滑移塊在重量5萬t的大同展覽館平移中有過成功應(yīng)用。四氟滑板與滑道預(yù)埋鋼板間涂抹硅脂油，作為滑移面。每個管片下布置5塊滑塊，單塊滑塊平面尺寸為300 m m×2 500 m m×15 m m?；瑝K與管片底部利用粘鋼膠粘結(jié)，以保證平移時不至于滑脫。圖6為四氟滑板及頂推的工程實例。

圖6 四氟滑板及頂推的工程實例

根據(jù)道路縱坡計算管節(jié)平行和垂直于滑移面的兩個分力。垂直滑移面的分力是產(chǎn)生摩阻力的來源，平行于滑移面的分力將成為管節(jié)向東滑行的牽引力。根據(jù)兩個分力的大小，選擇摩擦系數(shù)適宜的滑板，將管節(jié)與滑軌之間的摩擦力人為控制在管理重力平行于滑軌分力的1.5位左右。

考慮混凝土局壓等影響，在每個滑道布置2臺200 t的液壓千斤頂，沿管節(jié)全寬安裝10臺200 t千斤頂，保證千斤頂頂力軸線走向與滑軌一致。頂推施工采用PLC同步控制系統(tǒng)進行控制，確保頂力與油缸行程完全一致。

7 結(jié)論

（1）全裝配式預(yù)制拼裝技術(shù)是實現(xiàn)明挖地下道路隧道工業(yè)化制造的途徑之一，不僅可以提高結(jié)構(gòu)本體質(zhì)量，還可簡化現(xiàn)場作業(yè)，減少施工噪聲、振動、泥漿等環(huán)境污染，有利于節(jié)能減排與提高效率。

（2）全裝配式結(jié)構(gòu)分塊型式應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)斷面型式而定。對于小斷面結(jié)構(gòu)可以采用全斷面預(yù)制的型式；對于大斷面結(jié)構(gòu)，則需要根據(jù)斷面尺寸將結(jié)構(gòu)進一步拆分；對于雙向4車道斷面，將每個斷面地道分解為上下兩塊結(jié)構(gòu)，形成兩個“山字形”構(gòu)建，構(gòu)建寬度為2.5 m，高度為2～4 m。

（3）采用短線法生產(chǎn)管節(jié)，在模板精度一定的條件下，最大限度減少因模板誤差造成的結(jié)構(gòu)拼裝困難，更利于現(xiàn)場吊裝作業(yè)。