盾構隧道內部雙層預制結構關鍵連接技術研究

姜海西

（同濟大學,上海市 200092）

0 引言

目前公路盾構隧道朝著大直徑、雙層方向發展，內部結構越來越復雜，狹小的隧道空間給內部結構的施工帶來諸多不便。隨著裝配式建筑的發展與成熟，內部結構的全預制裝配式是當代隧道建設發展的必然趨勢。

公路隧道內部結構的預制化在實際工程中也有所嘗試。例如：上海延安東路隧道內部結構采用了在T形梁兩側擱置預制車道板的形式[1]；復興東路隧道上層車道采用預制牛腿和預制車道板，下層車道為現澆結構[2-3]；南京緯三路隧道[4-7]采用梁-板-柱體系，上層車道板為預制，梁和柱為現澆結構。總體預制化程度不高，基本屬于半預制化狀態，尚未實現內部結構的全預制裝配化，對施工效率的提高和工期的節省并不顯著。

上海諸光路隧道預制拼裝率達到了90%以上（含襯砌管片）。本文主要針對諸光路隧道，對內部預制結構體系、預制構件之間的連接方式展開研究，主要包括立柱與基座連接、基座與管片的連接、梁與柱的連接。

1 內部結構體系

諸光路隧道是目前國內最大的土壓平衡盾構隧道，隧道直徑為14.45 m。考慮到既要滿足受力需求，又要滿足狹小空間快速施工的需要，將雙層車道結構劃分成如圖1所示的梁-板-柱結構體系。預制構件包括：“π”型件，立柱，上層車道板，兩側蓋板，上層防撞側石；現澆構件包括：“π”型預制構件兩側混凝土填充，下層基座（含下層防撞側石），上層預制車道板兩側后澆梁。下層主要構件為“π”型件。施工期間“π”型件可以充當施工機械的施工便道。“π”型件兩側為現澆混凝土填充及現澆基座，預制立柱置于現澆基座之上，預制車道板通過一定的接頭形式與預制立柱連接。兩側預制蓋板置于后澆梁之上，上層防撞側石通過一定的連接置于車道板之上。

圖1 內部預制結構體系

2 關鍵連接技術

對于預制裝配式結構體系來說，其連接節點至關重要。節點不僅要便于施工，而且還要滿足正常使用狀態及地震作用下保持其完整性。該工程擬采用灌漿套筒[8-12]連接預制立柱與基座間的鋼筋，而現澆基座與管片之間則通過垂直于管片的植筋進行連接，立柱與梁采用后澆濕接頭連接，具體連接構造如下。

2.1 立柱與基座間的連接

立柱通過置于其柱身底部的灌漿套筒連接基座申出的插筋，在套筒與插筋之間灌注高強無收縮水泥灌漿料進行可靠連接。其連接方式如圖2所示。該連接方式的優點是不需要現場澆筑，施工方便，所需施工時間短，但是對施工精度要求較高，特別對于基座的插筋和立柱的安裝定位，如圖3所示。

圖2 灌漿套筒連接

圖3 立柱與基座的連接安裝

為了驗證此種連接方式的可靠性進行了擬靜力試驗。試件尺寸為足尺，試件由3部分組成：柱頭部分尺寸為450 mm×900 mm×900 mm；柱身部分截面尺寸為500 mm×500 mm，高度2 180 mm；基座部分總高度 1 375 mm，試件縱筋和箍筋等級均為 HRB400，混凝土等級為 C50。

加載方式如圖4所示。A面為垂直于加載方向面，B面為平行于加載面方向面。豎向荷載由加載噸位為1 500 kN的千斤頂提供。千斤頂的加載中心對準柱頂截面的形心位置，其反力系統由豎向反力架以及支撐在反力架上的鋼橫梁構成。水平推拉反復荷載由加載噸位為2 000 kN。位移行程為±500 mm的電液伺服作動器施加，水平作動器安裝在反力墻上，且其下方用門式鋼框架固定。加載時，豎向千斤頂先對試件柱頂施加豎向軸力1 000 kN并保持恒定，然后伺服作動器對試件施加水平低周反復荷載。水平加載采用荷載-位移混合控制：前三級加載采用荷載控制，分別為42 kN、84 kN、126 kN，每級循環 2次；然后采用位移控制，位移幅值分別為 10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、60 mm、80 mm，其后以20 mm的幅值遞增，每級荷載循環3次。試驗測試項目包括柱頂水平力、立柱側向位移、縱筋、套筒應變等。

圖4 試驗加載

圖5描述了加載過程中裂紋的分布規律和立柱的破壞形態。位移等級為 10 mm時，A、B面均出現第一道水平裂縫，裂縫位置距柱底約 550 mm（套筒區域正上方），寬度為 0.2 mm。此時，柱底與基座間的砂漿結合層也出現開裂，如圖5（a）所示。位移等級達到20 mm時：A面的水平裂縫繼續增多加寬，但寬度最大的裂縫始終是距柱底約550 mm處的裂縫；B 面開始出現斜裂縫，如圖5（b）（c）所示。

繼續往復加載，混凝土損傷逐步積累。位移等級為60 mm時，柱底的角部附近出現豎向裂縫，距柱底550 mm附近的A面和B面交接處的混凝土出現剝落趨勢。位移等級進一步增加到80 mm時，柱底的角部的混凝土壓碎，距柱底550 mm附近的A面和B面交接處的混凝土出現剝落，套筒外露，如圖5（d）所示。位移等級為120 mm時，A面柱腳混凝土脫落，試件無法繼續加載。試驗結束后，清除包裹灌漿套筒的混凝土，結果顯示灌漿套筒頂部連接鋼筋未產生滑移破壞。

荷載-位移滯回曲線能夠反映試件的抗震性能，包括延性變形、殘余變形、耗能能力等。 圖6給出了荷載-位移滯回曲線。結果顯示：在較低荷載階段，基本處于彈性階段；隨著混凝土開裂、鋼筋的屈服，滯回環逐漸拉開呈現梭形；后滯回環向弓形發展。在整個試驗過程中，滯回環較為光滑、飽滿，滯回曲線所包裹的面積隨位移的增大而增大，耗能能力強，試件為彎曲破壞。

圖5 裝裂紋分布

圖6 柱頂水平推力-柱頂位移關系曲線

將每個循環的峰值點連接起來所形成的包絡線即為骨架曲線。骨架曲線的形狀與單調加載荷載曲線規律相同，只是極限荷載比實際略低。骨架曲線能夠明顯地反映構件的初始剛度、屈后剛度、最大荷載、延性等抗震指標。試件骨架曲線如圖7所示。

圖7 骨骼曲線

根據骨架曲線可確定試件的最大荷載Pmax，以最大荷載的85%作為試件破壞點，由此確定試件的極限位移△μ和極限荷載Pμ，最終通過能量等值法[13]得到屈服位移△y、屈服荷載Py。各特征點結果見表1所示。根據二維計算結果，柱底設計彎矩M為454.68 kN·m，換算為柱頂水平力 得V=M/（2.18+0.225）=189.1 kN。由表1可知，灌漿套筒的連接方式滿足設計要求。

表1 特征值

2.2 基座與管片的連接

現澆基座與管片之間則通過垂直于管片的植筋的方式連接。管片植筋方式如圖8所示。為驗證該植筋方式的可靠性，進行了擬靜力試驗。為了與實際工況相符合，試件的基座分兩次澆筑。先用C60混凝土澆筑圓弧面以下部分，用來模擬管片，鑿毛植筋之后，共植5排鋼筋，如圖8（b）所示；再用C50混凝土澆筑圓弧面以上部分。

圖8 管片與基座連接

隨著位移等級增加，立柱上的水平裂縫繼續增多加寬，但寬度最大的裂縫始終是距柱底約550 mm處的裂縫。位移等級為100 mm時，柱底角部附近出現混凝土壓碎剝落現象，距柱底550 mm的裂縫張開近20 mm，其規律與灌漿套筒的連接試件試驗相近。整個試驗過程中，未觀察到基座表面損傷。并且，在設計荷載作用下，基座內植筋應變均未達到屈服應變，表明該植筋連接強于立柱-基座的連接接頭。該連接方式可靠，可以優化設計，適當減少植筋數量。圖9為管片與基座連接試驗。

圖9 管片與基座連接試驗

2.3 立柱與縱梁間的連接

立柱與縱梁鋼筋采用后澆濕接頭的形式，如圖10所示，兩車道板端部預留鋼筋相互搭接，立柱頂部鋼筋通過預留接駁器連接，箍筋環繞立柱插筋。節點截面尺寸為500 mm×500 mm，施工空間狹小，且鋼筋數量多，拼裝過程中梁柱鋼筋可能相互干擾，對施工精度要求高。

圖10 梁-柱節點

現澆節點處梁的縱筋原本通長，但是采用預制時縱筋將在節點處斷開，呈現搭接的形式，如圖10所示，此時可以通過將搭接鋼筋焊接實現等同現澆的效果，但是接頭處的鋼筋密布，焊接施工難度大，預制拼裝快速施工的優點得不到充分發揮，此時在澆筑梁柱節點時，可以在高強混凝土中摻加鋼纖維以提高對鋼筋的握裹力，既可以達到等同現澆的效果，又可以實現快速施工。采用后澆濕接頭的另一個優點是基座插筋、立柱安裝所產生的誤差可以在濕接頭處得到釋放。

2.4 車道板之間的連接

為了加強車道板的整體性，參考橋梁工程中的成熟做法，車道板之間采用大鉸縫的構造連接方式。如圖11所示，車道板端環形筋交錯中間插筋，鉸縫處澆筑C60混凝土，車道板端部處設計為鋸齒形，以加大接觸面積，以保證后澆接頭的連接強度以及車道板的整體性。

圖11 車道板間大鉸縫連接

3 結語

對于隧道內部預制結構體系其連接節點至關重要，節點不僅要滿足設計需求，而且還要便于施工。針對諸光路盾構隧道分析了預制構件之間的連接方式，主要結論如下：

（1）立柱與基座通過灌漿套筒灌漿連接能夠滿足設計要求，擬靜力試驗結果表明此連接方式耗能能力強，滿足抗震需求。

（2）基座與管片可以通過管片植筋的方式進行可靠連接。

（3）梁柱節點采用后澆濕接頭形式，梁端縱向鋼筋只進行搭接，節點處澆筑高強混凝土摻加鋼纖維以提高對鋼筋的握裹力。這樣既可以達到等同現澆的效果，又可以避免縱向鋼筋的焊接，提高施工速度。

（4）車道板之間采用大鉸縫的構造連接方式，以加強車道板的整體性。