盾構(gòu)隧道內(nèi)部雙層預(yù)制結(jié)構(gòu)關(guān)鍵連接技術(shù)研究

姜海西

（同濟(jì)大學(xué),上海市 200092）

0 引言

目前公路盾構(gòu)隧道朝著大直徑、雙層方向發(fā)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，狹小的隧道空間給內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工帶來諸多不便。隨著裝配式建筑的發(fā)展與成熟，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全預(yù)制裝配式是當(dāng)代隧道建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。

公路隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的預(yù)制化在實際工程中也有所嘗試。例如：上海延安東路隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用了在T形梁兩側(cè)擱置預(yù)制車道板的形式[1]；復(fù)興東路隧道上層車道采用預(yù)制牛腿和預(yù)制車道板，下層車道為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)[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(yù)制，梁和柱為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)?？傮w預(yù)制化程度不高，基本屬于半預(yù)制化狀態(tài)，尚未實現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的全預(yù)制裝配化，對施工效率的提高和工期的節(jié)省并不顯著。

上海諸光路隧道預(yù)制拼裝率達(dá)到了90%以上（含襯砌管片）。本文主要針對諸光路隧道，對內(nèi)部預(yù)制結(jié)構(gòu)體系、預(yù)制構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)體系

諸光路隧道是目前國內(nèi)最大的土壓平衡盾構(gòu)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(jié)構(gòu)劃分成如圖1所示的梁-板-柱結(jié)構(gòu)體系。預(yù)制構(gòu)件包括：“π”型件，立柱，上層車道板，兩側(cè)蓋板，上層防撞側(cè)石；現(xiàn)澆構(gòu)件包括：“π”型預(yù)制構(gòu)件兩側(cè)混凝土填充，下層基座（含下層防撞側(cè)石），上層預(yù)制車道板兩側(cè)后澆梁。下層主要構(gòu)件為“π”型件。施工期間“π”型件可以充當(dāng)施工機(jī)械的施工便道?！唉小毙图蓚?cè)為現(xiàn)澆混凝土填充及現(xiàn)澆基座，預(yù)制立柱置于現(xiàn)澆基座之上，預(yù)制車道板通過一定的接頭形式與預(yù)制立柱連接。兩側(cè)預(yù)制蓋板置于后澆梁之上，上層防撞側(cè)石通過一定的連接置于車道板之上。

圖1 內(nèi)部預(yù)制結(jié)構(gòu)體系

2 關(guān)鍵連接技術(shù)

對于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系來說，其連接節(jié)點至關(guān)重要。節(jié)點不僅要便于施工，而且還要滿足正常使用狀態(tài)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(yù)制立柱與基座間的鋼筋，而現(xiàn)澆基座與管片之間則通過垂直于管片的植筋進(jìn)行連接，立柱與梁采用后澆濕接頭連接，具體連接構(gòu)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(qiáng)無收縮水泥灌漿料進(jìn)行可靠連接。其連接方式如圖2所示。該連接方式的優(yōu)點是不需要現(xiàn)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(jìn)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?shù)募虞d中心對準(zhǔn)柱頂截面的形心位置，其反力系統(tǒng)由豎向反力架以及支撐在反力架上的鋼橫梁構(gòu)成。水平推拉反復(fù)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(fù)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(huán) 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(huán)3次。試驗測試項目包括柱頂水平力、立柱側(cè)向位移、縱筋、套筒應(yīng)變等。

圖4 試驗加載

圖5描述了加載過程中裂紋的分布規(guī)律和立柱的破壞形態(tài)。位移等級為 10 mm時，A、B面均出現(xiàn)第一道水平裂縫，裂縫位置距柱底約 550 mm（套筒區(qū)域正上方），寬度為 0.2 mm。此時，柱底與基座間的砂漿結(jié)合層也出現(xiàn)開裂，如圖5（a）所示。位移等級達(dá)到20 mm時：A面的水平裂縫繼續(xù)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(xiàn)斜裂縫，如圖5（b）（c）所示。

繼續(xù)往復(fù)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(xiàn)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(xiàn)剝落趨勢。位移等級進(jìn)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(xiàn)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(xù)加載。試驗結(jié)束后，清除包裹灌漿套筒的混凝土，結(jié)果顯示灌漿套筒頂部連接鋼筋未產(chǎn)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(jié)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(huán)逐漸拉開呈現(xiàn)梭形；后滯回環(huán)向弓形發(fā)展。在整個試驗過程中，滯回環(huán)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(qiáng)，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(guān)系曲線

將每個循環(huán)的峰值點連接起來所形成的包絡(luò)線即為骨架曲線。骨架曲線的形狀與單調(diào)加載荷載曲線規(guī)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(gòu)件的初始剛度、屈后剛度、最大荷載、延性等抗震指標(biāo)。試件骨架曲線如圖7所示。

圖7 骨骼曲線

根據(jù)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(jié)果見表1所示。根據(jù)二維計算結(jié)果，柱底設(shè)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(shè)計要求。

表1 特征值

2.2 基座與管片的連接

現(xiàn)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(jìn)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(xù)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(xiàn)混凝土壓碎剝落現(xiàn)象，距柱底550 mm的裂縫張開近20 mm，其規(guī)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(shè)計荷載作用下，基座內(nèi)植筋應(yīng)變均未達(dá)到屈服應(yīng)變，表明該植筋連接強(qiáng)于立柱-基座的連接接頭。該連接方式可靠，可以優(yōu)化設(shè)計，適當(dāng)減少植筋數(shù)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(yù)留鋼筋相互搭接，立柱頂部鋼筋通過預(yù)留接駁器連接，箍筋環(huán)繞立柱插筋。節(jié)點截面尺寸為500 mm×500 mm，施工空間狹小，且鋼筋數(shù)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(jié)點

現(xiàn)澆節(jié)點處梁的縱筋原本通長，但是采用預(yù)制時縱筋將在節(jié)點處斷開，呈現(xiàn)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(xiàn)等同現(xiàn)澆的效果，但是接頭處的鋼筋密布，焊接施工難度大，預(yù)制拼裝快速施工的優(yōu)點得不到充分發(fā)揮，此時在澆筑梁柱節(jié)點時，可以在高強(qiáng)混凝土中摻加鋼纖維以提高對鋼筋的握裹力，既可以達(dá)到等同現(xiàn)澆的效果，又可以實現(xiàn)快速施工。采用后澆濕接頭的另一個優(yōu)點是基座插筋、立柱安裝所產(chǎn)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(qiáng)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(gòu)造連接方式。如圖11所示，車道板端環(huán)形筋交錯中間插筋，鉸縫處澆筑C60混凝土，車道板端部處設(shè)計為鋸齒形，以加大接觸面積，以保證后澆接頭的連接強(qiáng)度以及車道板的整體性。

圖11 車道板間大鉸縫連接

3 結(jié)語

對于隧道內(nèi)部預(yù)制結(jié)構(gòu)體系其連接節(jié)點至關(guān)重要，節(jié)點不僅要滿足設(shè)計需求，而且還要便于施工。針對諸光路盾構(gòu)隧道分析了預(yù)制構(gòu)件之間的連接方式，主要結(jié)論如下：

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

（2）基座與管片可以通過管片植筋的方式進(jìn)行可靠連接。

（3）梁柱節(jié)點采用后澆濕接頭形式，梁端縱向鋼筋只進(jìn)行搭接，節(jié)點處澆筑高強(qiáng)混凝土摻加鋼纖維以提高對鋼筋的握裹力。這樣既可以達(dá)到等同現(xiàn)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(gòu)造連接方式，以加強(qiáng)車道板的整體性。