盾構隧道預制雙層車道結構體系特點與設計

宋麗妹，劉 念

（1.上海黃浦江越江設施投資建設發展公司，上海市 200092；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

盾構隧道預制雙層車道結構體系特點與設計

宋麗妹1，劉 念2

（1.上海黃浦江越江設施投資建設發展公司，上海市 200092；2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

目前盾構隧道內部結構施工基本屬于半預制化階段，許多構件仍采用現澆形式。建設效率低，能耗高，施工慢，產生較多建筑垃圾、對環境污染大，同時局限于盾構隧道有限的施工空間及現場工人的素質，施工質量難以保證。為了實現快速施工、綠色施工，盾構隧道內部結構走向預制化、工業化的道路。通過對比現澆結構受力模型及特點，分析各種盾構隧道預制雙層車道結構體系的受力特征及特點。

盾構隧道；內部結構；預制拼裝；受力分析

0 引言

隨著我國城市化進程不斷加快，地上可用空間進一步縮小，地下空間開發力度持續加大。在此背景下，盾構隧道在城市快速路建設中得到了大量的應用。目前國內外大直徑盾構公路隧道內部結構多采用雙層車道結構形式，并以現澆施工工藝為主要手段。現澆施工工藝建設效率低，能耗高，施工慢，產生較多建筑垃圾、對環境污染大，同時局限于盾構隧道有限的施工空間及現場工人的素質，現澆施工質量難以保證。為了解決這一系列問題，盾構隧道內部結構走向預制化、工業化的道路。據相關研究，預制化、工業化施工較現澆施工，可節約用電，減少建筑垃圾，提高建設效率，縮短建設工期[1]。

1 雙層車道結構體系

盾構公路隧道內部結構分單、雙層兩種車道結構形式。其中，大直徑盾構隧道以雙層車道結構為主。當前，盾構隧道內部雙層車道結構以半預制化施工為主，即預制構件與現澆混凝土相結合的方法。下層車道采用“口”型預制構件或“π”型預制構件，在施工期形成施工通道，滿足管片等相關材料的運輸，實現同步施工工藝，其余結構以現澆施工為主，預制化程度低。

目前，盾構隧道內部雙層車道結構的預制化施工已上海復興東路隧道和南京緯三路隧道為代表。其中，上海復興東路隧道采用了帶牛腿盾構管片+預制上層車道板的方案，實現了全預制化施工。但帶牛腿管片限制了拼裝施工的靈活性。同時，大量的鉸支座增加了維護成本[2]。

南京緯三路隧道采用現澆框架梁、柱+預制上層車道板的方案，提高了盾構隧道內部結構的預制率，并提供豐富的梁板接頭及上層車道板預制技術[3,4]。

2 現澆框架結構體系

目前，國內常用的盾構公路隧道內部雙層車道結構體系見圖1。此體系，下層車道結構為“π”型（或“口”型）預制構件。上層車道結構為板、梁、柱框架結構體系。上、下層車道結構彼此獨立。

圖1 盾構隧道現澆雙層車道結構

這種結構體系，荷載由板至梁、柱依次傳遞，具有傳力路徑明確，受力機理清晰的特點。但此體系中縱梁受彎剪扭共同作用，處于不利狀態。由于縱梁抗扭能力不足及立柱剛度遠小于上層車道板，縱梁及立柱對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跨連續梁結構，見圖2。

圖2 現澆上層車道結構受力簡圖（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，使立柱抗彎剛度遠小于縱梁，從而立柱對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梁結構，見圖3。

圖3 現澆上層車道結構受力簡圖（縱梁）

3 預制拼裝結構體系

由于管片拼裝水平有限，上海復興東路隧道實際效果不佳，“帶牛腿盾構管片+預制上層車道板”的預制方法已淡出人們視線。目前，主流的盾構隧道預制雙層車道結構體系為預制框架結構體系。即，將前節所述現澆框架結構分解為各個預制構件，通過干、濕接頭形成框架結構的方法。其優點在于結構整體性強，抗震性能好，耐久性好，維護成本低。

3.1 預制板、梁、柱構件+后澆接頭結構體系

考慮到盾構隧道內部空間狹小，重型設備無法進入內部施工，常將現澆框架結構體系分解多個體積小巧的預制構件，通過后澆接頭連接。如圖4所示結構體系，預制板、梁、柱構件通過后澆接頭連接形成框架結構。

圖4 預制板、梁、柱構件+后澆接頭結構體系

盾構隧道內部結構有一個顯著的特點：橋梁的荷載，民建的尺寸。即構件小，配筋大，從而導致后澆接頭過小，鋼筋錨固長度不夠。其后澆接頭的約束介于剛性連接與鉸接之間。各構件間猶如采用轉動彈簧連接。接頭有限轉動，承受部分彎矩，見圖5。

圖5 預制板、梁、柱構件+后澆接頭結構受力簡圖

3.2 預制“U”型梁結構體系

隨著施工工藝水平的進步，盾構隧道內起重設備能力的增強。常采取合并預制構件的方式簡化預制拼裝施工步驟，提高施工能效。考慮到盾構隧道狹小的內部空間，借鑒軌道交通預制“U”型梁結構，將縱梁與上層車道板合并，形成四點簡支的預制“U”型梁結構體系，見圖6、圖7。

圖6 預制“U”型梁車道結構

圖7 四點簡支預制“U”型梁結構

“U”型梁為空間折板的薄殼結構。其荷載通過車道板傳遞至縱梁（腹板）下部。縱梁（腹板）除產生彎曲變形外，還會發生扭轉變形。同時，“U”型梁為開口截面，其抗扭剛度小，彎扭效應明顯，受力復雜。預制“U”型梁結構的空間受力簡圖見圖8。

圖8 預制“U”型梁受力簡圖

4 結論

（1）盾構隧道內部現澆框架結構體系具有傳力路徑明確，受力機理清晰的優點。但現澆施工工藝建設效率低，能耗高，施工慢，產生較多建筑垃圾、對環境污染大，同時局限于盾構隧道有限的施工空間及現場工人的素質，現澆施工質量難以保證。

（2）盾構隧道雙層車道結構施工還處于半預制化階段，但全預制化施工是必然趨勢。且隨著施工設備的進步與拼裝精度的提高，預制構件呈現大尺寸、非標準的特征，接頭數量進一步減小。

（3）預制拼裝結構接頭受力復雜，空間效應明顯，需借助有限元等手段進行受力分析。

[1]姚怡文,蔣理華,范益群.地下空間結構預制拼裝技術綜述[J].城市道橋與防洪,2012(9):286-292,344.

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

[3]王善高,史世波,舒恒,等.單管雙層特長盾構隧道內部結構預制施工技術——以南京緯三路過江盾構隧道工程為例[J].隧道建設,2016(4):451-457.

[4]黃俊,馬明,李勇,等.盾構隧道內部雙層結構快速化施工方法技術研究[J].公路,2013(3):212-219.

[5]黃俊,徐國平,李勇,等.盾構隧道內部雙層車道結構預制化設計技術[M].北京:科學出版社,2014.

[6]林國輝.蘭新線槽形梁靜載試驗架的設計及優化[J].公路與汽運,2013(1):160-162.

[7]宋杰.鄭州軌道2號線高架區間U型梁結構計算及試驗[J].建設科技,2015(9):136-138.

TU93

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1009-7716（2017）09-0220-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.067

2017-05-08

上海市科委項目（16DZ1201900）

宋麗妹（1966-），女，上海人，高級工程師，從事隧道、地下工程設計、技術管理工作。