宋麗妹，劉 念

（1.上海黃浦江越江設(shè)施投資建設(shè)發(fā)展公司，上海市 200092；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

盾構(gòu)隧道預(yù)制雙層車道結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)與設(shè)計(jì)

宋麗妹1，劉 念2

（1.上海黃浦江越江設(shè)施投資建設(shè)發(fā)展公司，上海市 200092；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

目前盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工基本屬于半預(yù)制化階段，許多構(gòu)件仍采用現(xiàn)澆形式。建設(shè)效率低，能耗高，施工慢，產(chǎn)生較多建筑垃圾、對(duì)環(huán)境污染大，同時(shí)局限于盾構(gòu)隧道有限的施工空間及現(xiàn)場(chǎng)工人的素質(zhì)，施工質(zhì)量難以保證。為了實(shí)現(xiàn)快速施工、綠色施工，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)走向預(yù)制化、工業(yè)化的道路。通過(guò)對(duì)比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)受力模型及特點(diǎn)，分析各種盾構(gòu)隧道預(yù)制雙層車道結(jié)構(gòu)體系的受力特征及特點(diǎn)。

盾構(gòu)隧道；內(nèi)部結(jié)構(gòu)；預(yù)制拼裝；受力分析

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，地上可用空間進(jìn)一步縮小，地下空間開發(fā)力度持續(xù)加大。在此背景下，盾構(gòu)隧道在城市快速路建設(shè)中得到了大量的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外大直徑盾構(gòu)公路隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)多采用雙層車道結(jié)構(gòu)形式，并以現(xiàn)澆施工工藝為主要手段?，F(xiàn)澆施工工藝建設(shè)效率低，能耗高，施工慢，產(chǎn)生較多建筑垃圾、對(duì)環(huán)境污染大，同時(shí)局限于盾構(gòu)隧道有限的施工空間及現(xiàn)場(chǎng)工人的素質(zhì)，現(xiàn)澆施工質(zhì)量難以保證。為了解決這一系列問(wèn)題，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)走向預(yù)制化、工業(yè)化的道路。據(jù)相關(guān)研究，預(yù)制化、工業(yè)化施工較現(xiàn)澆施工，可節(jié)約用電，減少建筑垃圾，提高建設(shè)效率，縮短建設(shè)工期[1]。

1 雙層車道結(jié)構(gòu)體系

盾構(gòu)公路隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)分單、雙層兩種車道結(jié)構(gòu)形式。其中，大直徑盾構(gòu)隧道以雙層車道結(jié)構(gòu)為主。當(dāng)前，盾構(gòu)隧道內(nèi)部雙層車道結(jié)構(gòu)以半預(yù)制化施工為主，即預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土相結(jié)合的方法。下層車道采用“口”型預(yù)制構(gòu)件或“π”型預(yù)制構(gòu)件，在施工期形成施工通道，滿足管片等相關(guān)材料的運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)同步施工工藝，其余結(jié)構(gòu)以現(xiàn)澆施工為主，預(yù)制化程度低。

目前，盾構(gòu)隧道內(nèi)部雙層車道結(jié)構(gòu)的預(yù)制化施工已上海復(fù)興東路隧道和南京緯三路隧道為代表。其中，上海復(fù)興東路隧道采用了帶牛腿盾構(gòu)管片+預(yù)制上層車道板的方案，實(shí)現(xiàn)了全預(yù)制化施工。但帶牛腿管片限制了拼裝施工的靈活性。同時(shí)，大量的鉸支座增加了維護(hù)成本[2]。

南京緯三路隧道采用現(xiàn)澆框架梁、柱+預(yù)制上層車道板的方案，提高了盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的預(yù)制率，并提供豐富的梁板接頭及上層車道板預(yù)制技術(shù)[3,4]。

2 現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)體系

目前，國(guó)內(nèi)常用的盾構(gòu)公路隧道內(nèi)部雙層車道結(jié)構(gòu)體系見圖1。此體系，下層車道結(jié)構(gòu)為“π”型（或“口”型）預(yù)制構(gòu)件。上層車道結(jié)構(gòu)為板、梁、柱框架結(jié)構(gòu)體系。上、下層車道結(jié)構(gòu)彼此獨(dú)立。

圖1 盾構(gòu)隧道現(xiàn)澆雙層車道結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)體系，荷載由板至梁、柱依次傳遞，具有傳力路徑明確，受力機(jī)理清晰的特點(diǎn)。但此體系中縱梁受彎剪扭共同作用，處于不利狀態(tài)。由于縱梁抗扭能力不足及立柱剛度遠(yuǎn)小于上層車道板，縱梁及立柱對(duì)上層車道板的約束作用有限，不能形成剛性約束。所以上層車道板的受力特征如同3跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 現(xiàn)澆上層車道結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖（車道板）

此外，為了使縱梁滿足抗扭最小截面要求，常采用加大梁高的辦法，使立柱抗彎剛度遠(yuǎn)小于縱梁，從而立柱對(duì)縱梁的約束作用有限，不能形成剛性連接。所以縱梁的受力特征如同多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，見圖3。

圖3 現(xiàn)澆上層車道結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖（縱梁）

3 預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)體系

由于管片拼裝水平有限，上海復(fù)興東路隧道實(shí)際效果不佳，“帶牛腿盾構(gòu)管片+預(yù)制上層車道板”的預(yù)制方法已淡出人們視線。目前，主流的盾構(gòu)隧道預(yù)制雙層車道結(jié)構(gòu)體系為預(yù)制框架結(jié)構(gòu)體系。即，將前節(jié)所述現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)分解為各個(gè)預(yù)制構(gòu)件，通過(guò)干、濕接頭形成框架結(jié)構(gòu)的方法。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，抗震性能好，耐久性好，維護(hù)成本低。

3.1 預(yù)制板、梁、柱構(gòu)件+后澆接頭結(jié)構(gòu)體系

考慮到盾構(gòu)隧道內(nèi)部空間狹小，重型設(shè)備無(wú)法進(jìn)入內(nèi)部施工，常將現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)體系分解多個(gè)體積小巧的預(yù)制構(gòu)件，通過(guò)后澆接頭連接。如圖4所示結(jié)構(gòu)體系，預(yù)制板、梁、柱構(gòu)件通過(guò)后澆接頭連接形成框架結(jié)構(gòu)。

圖4 預(yù)制板、梁、柱構(gòu)件+后澆接頭結(jié)構(gòu)體系

盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：橋梁的荷載，民建的尺寸。即構(gòu)件小，配筋大，從而導(dǎo)致后澆接頭過(guò)小，鋼筋錨固長(zhǎng)度不夠。其后澆接頭的約束介于剛性連接與鉸接之間。各構(gòu)件間猶如采用轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧連接。接頭有限轉(zhuǎn)動(dòng)，承受部分彎矩，見圖5。

圖5 預(yù)制板、梁、柱構(gòu)件+后澆接頭結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

3.2 預(yù)制“U”型梁結(jié)構(gòu)體系

隨著施工工藝水平的進(jìn)步，盾構(gòu)隧道內(nèi)起重設(shè)備能力的增強(qiáng)。常采取合并預(yù)制構(gòu)件的方式簡(jiǎn)化預(yù)制拼裝施工步驟，提高施工能效?？紤]到盾構(gòu)隧道狹小的內(nèi)部空間，借鑒軌道交通預(yù)制“U”型梁結(jié)構(gòu)，將縱梁與上層車道板合并，形成四點(diǎn)簡(jiǎn)支的預(yù)制“U”型梁結(jié)構(gòu)體系，見圖6、圖7。

圖6 預(yù)制“U”型梁車道結(jié)構(gòu)

圖7 四點(diǎn)簡(jiǎn)支預(yù)制“U”型梁結(jié)構(gòu)

“U”型梁為空間折板的薄殼結(jié)構(gòu)。其荷載通過(guò)車道板傳遞至縱梁（腹板）下部。縱梁（腹板）除產(chǎn)生彎曲變形外，還會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。同時(shí)，“U”型梁為開口截面，其抗扭剛度小，彎扭效應(yīng)明顯，受力復(fù)雜。預(yù)制“U”型梁結(jié)構(gòu)的空間受力簡(jiǎn)圖見圖8。

圖8 預(yù)制“U”型梁受力簡(jiǎn)圖

4 結(jié)論

（1）盾構(gòu)隧道內(nèi)部現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)體系具有傳力路徑明確，受力機(jī)理清晰的優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)澆施工工藝建設(shè)效率低，能耗高，施工慢，產(chǎn)生較多建筑垃圾、對(duì)環(huán)境污染大，同時(shí)局限于盾構(gòu)隧道有限的施工空間及現(xiàn)場(chǎng)工人的素質(zhì)，現(xiàn)澆施工質(zhì)量難以保證。

（2）盾構(gòu)隧道雙層車道結(jié)構(gòu)施工還處于半預(yù)制化階段，但全預(yù)制化施工是必然趨勢(shì)。且隨著施工設(shè)備的進(jìn)步與拼裝精度的提高，預(yù)制構(gòu)件呈現(xiàn)大尺寸、非標(biāo)準(zhǔn)的特征，接頭數(shù)量進(jìn)一步減小。

（3）預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)接頭受力復(fù)雜，空間效應(yīng)明顯，需借助有限元等手段進(jìn)行受力分析。

[1]姚怡文,蔣理華,范益群.地下空間結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝技術(shù)綜述[J].城市道橋與防洪,2012(9):286-292,344.

[2]陳國(guó)光.上海復(fù)興東路雙層越江隧道道路同步施工工藝研究與應(yīng)用[J].地下工程與隧道,2006(3):43-45,61.

[3]王善高,史世波,舒恒,等.單管雙層特長(zhǎng)盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制施工技術(shù)——以南京緯三路過(guò)江盾構(gòu)隧道工程為例[J].隧道建設(shè),2016(4):451-457.

[4]黃俊,馬明,李勇,等.盾構(gòu)隧道內(nèi)部雙層結(jié)構(gòu)快速化施工方法技術(shù)研究[J].公路,2013(3):212-219.

[5]黃俊,徐國(guó)平,李勇,等.盾構(gòu)隧道內(nèi)部雙層車道結(jié)構(gòu)預(yù)制化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2014.

[6]林國(guó)輝.蘭新線槽形梁靜載試驗(yàn)架的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J].公路與汽運(yùn),2013(1):160-162.

[7]宋杰.鄭州軌道2號(hào)線高架區(qū)間U型梁結(jié)構(gòu)計(jì)算及試驗(yàn)[J].建設(shè)科技,2015(9):136-138.

TU93

B

1009-7716（2017）09-0220-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.067

2017-05-08

上海市科委項(xiàng)目（16DZ1201900）

宋麗妹（1966-），女，上海人，高級(jí)工程師，從事隧道、地下工程設(shè)計(jì)、技術(shù)管理工作。