大盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

姜文星，胡新朋，余 鯨，陳揚(yáng)勛，王振飛

（1. 上海申鐵投資有限公司，上海 200090； 2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063；3. 中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450001）

1 前言

由于傳統(tǒng)暗挖隧道存在作業(yè)環(huán)境差、功效低、施工風(fēng)險(xiǎn)高等缺陷，盾構(gòu)隧道已成為在城市人口密集區(qū)建設(shè)城市軌道交通的首選方法[1]。隨著城市軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展，盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與施工技術(shù)已十分成熟[2-4]。近些年，隨著地下工程預(yù)制拼裝技術(shù)[5]的發(fā)展，大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的預(yù)制化受到了越來(lái)越多的關(guān)注。呂剛等[6]以京張高鐵清華園隧道為例，研究了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝技術(shù)；宋麗姝等[7]以南京緯三路過(guò)江盾構(gòu)隧道工程為例，研究了公路隧道內(nèi)部雙層車(chē)道板結(jié)構(gòu)預(yù)制與梁板柱結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆組合體系拼裝技術(shù)；姜海西[8]以上海諸光路隧道工程為例，研究了預(yù)制π形結(jié)構(gòu)結(jié)合現(xiàn)澆基座組合體系拼裝技術(shù)；禹海濤等[9]以上海某隧道工程為例，研究了預(yù)制、現(xiàn)澆2種形式的內(nèi)部結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能，得到了二者承載能力相當(dāng)，但預(yù)制試件延性和耗能能力弱于現(xiàn)澆試件的結(jié)論。

上述研究表明我國(guó)大盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝施工尚屬半預(yù)制化階段，許多構(gòu)件仍采用現(xiàn)澆形式，如下部結(jié)構(gòu)或采用分塊拼裝或采用中間預(yù)制、邊箱涵現(xiàn)澆施工；中隔墻采用底座現(xiàn)澆，部分墻體采用預(yù)制施工的形式。上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線是目前國(guó)內(nèi)首例大盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝工程，下部結(jié)構(gòu)采用三聯(lián)拱型式全預(yù)制安裝，中隔墻底座與墻體采用整體預(yù)制拼裝，預(yù)制構(gòu)件尺寸和質(zhì)量非常大，需要對(duì)結(jié)構(gòu)模型受力進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)驗(yàn)算；另外，隧道內(nèi)施工空間狹小，拼裝精度要求高，對(duì)拼裝時(shí)設(shè)備的可靠性、安裝精度以及施工工藝都提出更高要求。

2 依托工程概況

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線11標(biāo)工程位于上海市浦東新區(qū)；工程內(nèi)容包括一井一區(qū)間，其中盾構(gòu)區(qū)間全長(zhǎng)4 721.099 m，單洞雙線布置型式，采用一臺(tái)大直徑泥水盾構(gòu)施工。隧道管片外徑13.6 m，內(nèi)徑12.5 m，管片厚度為0.55 m，環(huán)寬2 m。盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)為全預(yù)制結(jié)構(gòu)，共分為4部分，分別為下部結(jié)構(gòu)（弧形件）、中隔墻、頂部連接件和疏散平臺(tái)。

弧形件結(jié)構(gòu)長(zhǎng)9.5 m，高2.834 m，寬2 m。每節(jié)重33.6 t。弧形構(gòu)件與底部管片設(shè)計(jì)有100 mm的間隙，用混凝土填充密實(shí)，以消除管片錯(cuò)臺(tái)變形等因素造成的影響。中隔墻高9.116 m，厚0.4 m，寬2 m，每節(jié)重22.65 t，與下部結(jié)構(gòu)間設(shè)2～3 cm的厚墊層，采用10 個(gè)8.8級(jí)M36螺栓連接；中隔墻縱向連接采用5根8.8級(jí)M30螺栓。相鄰墻體連接設(shè)置33×70 mm十字螺栓孔。

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制件設(shè)計(jì)

全預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力特征與半預(yù)制半現(xiàn)澆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力特征存在差異。為確保施工及運(yùn)營(yíng)安全，需要考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)從拼裝到運(yùn)營(yíng)各個(gè)階段的最不利工況，整個(gè)生命周期采用基于概率理論的極限狀態(tài)法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。施工階段需要考慮結(jié)構(gòu)自重、車(chē)輛荷載、設(shè)備荷載；運(yùn)營(yíng)階段需要考慮結(jié)構(gòu)自重（包含軌道板及墊層、中隔墻）、風(fēng)壓荷載及車(chē)輛荷載。以各個(gè)階段的內(nèi)力包絡(luò)值作為設(shè)計(jì)荷載，所得弧形件內(nèi)力包絡(luò)圖如圖1所示。

此外，對(duì)全預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)展了3個(gè)專(zhuān)項(xiàng)研究。分別是抗震分析、共振分析和堆載分析。

（1）抗震分析。隧道的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)按100年基準(zhǔn)期、超越概率10%進(jìn)行設(shè)計(jì)，按100年基準(zhǔn)期、超越概率2%進(jìn)行驗(yàn)算，按重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)設(shè)防，以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。采用反應(yīng)位移法對(duì)最大埋深及最小埋深狀況下的盾構(gòu)隧道（包括全預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)）進(jìn)行抗震分析，保證全預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性。

（2）共振分析。受列車(chē)振動(dòng)以及活塞風(fēng)壓的影響，全預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)隧道可能會(huì)產(chǎn)生共振、疲勞等問(wèn)題。結(jié)合相關(guān)研究，對(duì)列車(chē)振動(dòng)荷載與活塞風(fēng)壓荷載進(jìn)行頻域分析，確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生共振。對(duì)列車(chē)振動(dòng)荷載與活塞風(fēng)壓荷載引起的頂部節(jié)點(diǎn)水平剪力進(jìn)行分析，保證頂部螺栓在100年運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)，不會(huì)遭受疲勞剪切破壞。

（3）堆載分析。在維保階段，隧道上方不可避免地會(huì)遇到隧頂堆載的問(wèn)題。逐步施加隧頂荷載，分析管片、中隔墻和弧形件的受力狀況，得到當(dāng)其中某一個(gè)構(gòu)件達(dá)到承載力極限狀態(tài)時(shí)的隧頂荷載，對(duì)運(yùn)維階段的隧頂堆載提出限值要求。

4 設(shè)備方案

4.1 弧形件安裝機(jī)

弧形件體積和質(zhì)量大，吊裝運(yùn)輸要求高，有限空間內(nèi)安裝精度高、難度大，安裝質(zhì)量直接影響中隔墻的安裝。為不影響其他工序正常作業(yè)，弧形件安裝機(jī)采用下部穿行式方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)弧形件安裝與其他工序同步作業(yè)。

弧形件安裝機(jī)主要由主機(jī)架、副機(jī)架、微調(diào)平臺(tái)、液壓系統(tǒng)及智能控制系統(tǒng)等部分組成，設(shè)備模型圖見(jiàn)圖2；荷載情況下，主機(jī)架應(yīng)變0.94 mm，副機(jī)架應(yīng)變1.46 mm，微調(diào)平臺(tái)應(yīng)變3.3 mm，均滿(mǎn)足施工安全要求。設(shè)備采用雙框架式步進(jìn)結(jié)構(gòu)，動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)行走及弧形件工作平臺(tái)姿態(tài)調(diào)整采用自動(dòng)化控制，整機(jī)具備6自由度的三維姿態(tài)精調(diào)控制，定位及測(cè)量精度達(dá)到0.5 mm；另外，設(shè)備集成了自動(dòng)檢測(cè)與感知、自動(dòng)運(yùn)算與分析處理、自動(dòng)決策與動(dòng)作執(zhí)行、人機(jī)交互與信息存儲(chǔ)等智能化施工功能，詳見(jiàn)圖3。

4.2 中隔墻安裝機(jī)

中隔墻安裝機(jī)應(yīng)用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制件中隔墻的安裝。整機(jī)設(shè)計(jì)在中隔墻抓取、旋轉(zhuǎn)、行走、微調(diào)等工況中具備安全性和穩(wěn)定性。為保證施工運(yùn)輸車(chē)輛正常通行，安裝機(jī)門(mén)架采用穿行式大凈空設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足施工車(chē)輛通行空間要求。

安裝機(jī)主要由主架總成、抓取機(jī)構(gòu)（可擺動(dòng)微調(diào)）、伸縮機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、液壓及電控系統(tǒng)、工作平臺(tái)等部分組成，采用門(mén)架軌行式結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足施工車(chē)輛通行空間需求，設(shè)備模型圖見(jiàn)圖4。荷載情況下，主架最大變形量9.8 mm、旋轉(zhuǎn)起吊裝置最大變形量0.9 mm，滿(mǎn)足施工安全要求。動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，安裝機(jī)的控制采用聯(lián)動(dòng)+單動(dòng)、無(wú)線遙控+本地聯(lián)合控制方式，具備6自由度的三維姿態(tài)精調(diào)控制，定位及測(cè)量精度達(dá)到0.5 mm；另外，設(shè)備集成了自動(dòng)檢測(cè)與感知、自動(dòng)運(yùn)算與分析處理、自動(dòng)決策與動(dòng)作執(zhí)行、人機(jī)交互與信息存儲(chǔ)等智能化施工功能，見(jiàn)圖5。

5 施工工藝

5.1 弧形件安裝工藝流程

弧形件吊運(yùn)到位后，按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，安裝機(jī)立即開(kāi)始按施工順序自動(dòng)安裝弧形件。施工順序分為安裝機(jī)步進(jìn)姿態(tài)調(diào)整→微調(diào)平臺(tái)姿態(tài)調(diào)整→弧形件姿態(tài)調(diào)整與安裝→安裝機(jī)歸位姿態(tài)調(diào)整；安裝結(jié)束后，安裝機(jī)自動(dòng)退回至已經(jīng)安裝好的弧形件內(nèi)部，等待下一個(gè)工序。施工工藝流程見(jiàn)圖6。

安裝原則是確?；⌒渭惭b位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與成型管片位置姿態(tài)數(shù)據(jù)一致。安裝過(guò)程中，在直線段，根據(jù)弧形件安裝位置前后10環(huán)成型管片的軸線確定弧形件的軸線位置（左右錯(cuò)邊不大于8 mm）；根據(jù)弧形件安裝位置前后10環(huán)的成型管片底標(biāo)高（考慮錯(cuò)臺(tái)的工況）確定弧形件的水平高程（上下錯(cuò)臺(tái)不大于8 mm、弧形件與管片間隙6～10 cm）；在曲線段（平曲線和豎曲線），根據(jù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎半徑和坡度，計(jì)算弧形件安裝位置前后10 環(huán)的仰、傾角和轉(zhuǎn)角，進(jìn)行預(yù)排版；再根據(jù)成型管片的線性及坡度，進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。最后，通過(guò)拼裝機(jī)的前后移動(dòng)，擠壓弧形件間隙，確保滿(mǎn)足塊間間隙不大于 10 mm。

5.2 中隔墻安裝工藝流程

中隔墻運(yùn)輸至待抓取位置后，按下設(shè)備啟動(dòng)按鈕，安裝機(jī)開(kāi)始自動(dòng)安裝中隔墻。中隔墻施工順序分為：中隔墻平行姿態(tài)調(diào)整（定位抓取孔）→中隔墻抓取及翻轉(zhuǎn) →中隔墻姿態(tài)精調(diào)及拼裝→安裝機(jī)歸位姿態(tài)調(diào)整。施工工藝流程見(jiàn)圖7。

6 應(yīng)用分析

6.1 工序分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)弧形件安裝工序時(shí)耗約35 min，第一階段安裝機(jī)步進(jìn)姿態(tài)調(diào)整6 min，第二階段微調(diào)平臺(tái)姿態(tài)調(diào)整7 min，第三階段弧形件姿態(tài)調(diào)整與安裝15 min，第四階段安裝機(jī)歸位姿態(tài)調(diào)整7 min，共計(jì)35 min /件。

中隔墻第一階段中隔墻平行姿態(tài)調(diào)整15 min，第二階段中隔墻抓舉及翻轉(zhuǎn)10 min，第三階段中隔墻姿態(tài)精調(diào)及拼裝18 min，第四階段安裝機(jī)歸位姿態(tài)調(diào)整7 min。安裝工序耗時(shí)共計(jì)約50 min。

6.2 質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線11標(biāo)弧形件現(xiàn)場(chǎng)安裝效果見(jiàn)圖8。1 ～50環(huán)弧形件安裝質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖9。安裝質(zhì)量檢查項(xiàng)主要為5大項(xiàng)，包括上下錯(cuò)臺(tái)不大于8 mm、左右錯(cuò)邊不大于8 mm、環(huán)間縫隙不大于10 mm、中線偏差不大于5 mm和底部間隙60 ～100 mm。其中左右錯(cuò)邊、環(huán)間縫隙和中線偏差檢查數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及業(yè)主文件要求，上下錯(cuò)臺(tái)和底部間隙各出現(xiàn)2環(huán)數(shù)值超出文件要求，整體安裝質(zhì)量合格率高達(dá) 96%。

6.3 效益分析

（1）隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)弧形件施工?；⌒渭c盾構(gòu)掘進(jìn)、管片安裝同步進(jìn)行，盾構(gòu)掘進(jìn)月平均進(jìn)度300 m，即5環(huán)/天，高峰期可達(dá)到10環(huán)/天，現(xiàn)場(chǎng)工序熟練后，弧形件安裝工序時(shí)間可達(dá)25 min/件，達(dá)到36件/天的安裝進(jìn)度，完全滿(mǎn)足盾構(gòu)施工進(jìn)度要求。

（2）隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)中隔墻施工。中隔墻預(yù)制拼裝施工進(jìn)度約50 min/件，可達(dá)到24件/天的安裝進(jìn)度，理論上月進(jìn)度720件，即1 440 m/月。參考同類(lèi)工程施工案例，其中隔墻現(xiàn)澆施工進(jìn)度平均490 m/月，總體來(lái)說(shuō)中隔墻預(yù)制拼裝施工是現(xiàn)澆施工進(jìn)度的2.9倍。因此，以4 721 m盾構(gòu)隧道為例，中隔墻預(yù)制安裝相比現(xiàn)澆施工可節(jié)約6.3個(gè)月的工期時(shí)間。

綜上所述，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)制拼裝施工具有施工效率高、預(yù)制件質(zhì)量穩(wěn)定、污染小及對(duì)周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速施工、綠色施工，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)大盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝設(shè)計(jì)，建立預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)模型，驗(yàn)算設(shè)計(jì)方案的安全性和可行性；并有針對(duì)性地對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)期的抗震、共振和堆載設(shè)計(jì)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究；結(jié)果表明相應(yīng)設(shè)計(jì)均能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）通過(guò)有針對(duì)性地研制預(yù)制件智能安裝設(shè)備，解決預(yù)制構(gòu)件安裝精度要求高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)與預(yù)制構(gòu)件安裝同步施工，大幅節(jié)約工期和成本。