盾构隧道预制双层车道结构体系特点与设计

宋丽妹，刘 念

（1.上海黄浦江越江设施投资建设发展公司，上海市 200092；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

盾构隧道预制双层车道结构体系特点与设计

宋丽妹1，刘 念2

（1.上海黄浦江越江设施投资建设发展公司，上海市 200092；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

目前盾构隧道内部结构施工基本属于半预制化阶段，许多构件仍采用现浇形式。建设效率低，能耗高，施工慢，产生较多建筑垃圾、对环境污染大，同时局限于盾构隧道有限的施工空间及现场工人的素质，施工质量难以保证。为了实现快速施工、绿色施工，盾构隧道内部结构走向预制化、工业化的道路。通过对比现浇结构受力模型及特点，分析各种盾构隧道预制双层车道结构体系的受力特征及特点。

盾构隧道；内部结构；预制拼装；受力分析

0 引言

随着我国城市化进程不断加快，地上可用空间进一步缩小，地下空间开发力度持续加大。在此背景下，盾构隧道在城市快速路建设中得到了大量的应用。目前国内外大直径盾构公路隧道内部结构多采用双层车道结构形式，并以现浇施工工艺为主要手段。现浇施工工艺建设效率低，能耗高，施工慢，产生较多建筑垃圾、对环境污染大，同时局限于盾构隧道有限的施工空间及现场工人的素质，现浇施工质量难以保证。为了解决这一系列问题，盾构隧道内部结构走向预制化、工业化的道路。据相关研究，预制化、工业化施工较现浇施工，可节约用电，减少建筑垃圾，提高建设效率，缩短建设工期[1]。

1 双层车道结构体系

盾构公路隧道内部结构分单、双层两种车道结构形式。其中，大直径盾构隧道以双层车道结构为主。当前，盾构隧道内部双层车道结构以半预制化施工为主，即预制构件与现浇混凝土相结合的方法。下层车道采用“口”型预制构件或“π”型预制构件，在施工期形成施工通道，满足管片等相关材料的运输，实现同步施工工艺，其余结构以现浇施工为主，预制化程度低。

目前，盾构隧道内部双层车道结构的预制化施工已上海复兴东路隧道和南京纬三路隧道为代表。其中，上海复兴东路隧道采用了带牛腿盾构管片+预制上层车道板的方案，实现了全预制化施工。但带牛腿管片限制了拼装施工的灵活性。同时，大量的铰支座增加了维护成本[2]。

南京纬三路隧道采用现浇框架梁、柱+预制上层车道板的方案，提高了盾构隧道内部结构的预制率，并提供丰富的梁板接头及上层车道板预制技术[3,4]。

2 现浇框架结构体系

目前，国内常用的盾构公路隧道内部双层车道结构体系见图1。此体系，下层车道结构为“π”型（或“口”型）预制构件。上层车道结构为板、梁、柱框架结构体系。上、下层车道结构彼此独立。

图1 盾构隧道现浇双层车道结构

这种结构体系，荷载由板至梁、柱依次传递，具有传力路径明确，受力机理清晰的特点。但此体系中纵梁受弯剪扭共同作用，处于不利状态。由于纵梁抗扭能力不足及立柱刚度远小于上层车道板，纵梁及立柱对上层车道板的约束作用有限，不能形成刚性约束。所以上层车道板的受力特征如同3跨连续梁结构，见图2。

图2 现浇上层车道结构受力简图（车道板）

此外，为了使纵梁满足抗扭最小截面要求，常采用加大梁高的办法，使立柱抗弯刚度远小于纵梁，从而立柱对纵梁的约束作用有限，不能形成刚性连接。所以纵梁的受力特征如同多跨连续梁结构，见图3。

图3 现浇上层车道结构受力简图（纵梁）

3 预制拼装结构体系

由于管片拼装水平有限，上海复兴东路隧道实际效果不佳，“带牛腿盾构管片+预制上层车道板”的预制方法已淡出人们视线。目前，主流的盾构隧道预制双层车道结构体系为预制框架结构体系。即，将前节所述现浇框架结构分解为各个预制构件，通过干、湿接头形成框架结构的方法。其优点在于结构整体性强，抗震性能好，耐久性好，维护成本低。

3.1 预制板、梁、柱构件+后浇接头结构体系

考虑到盾构隧道内部空间狭小，重型设备无法进入内部施工，常将现浇框架结构体系分解多个体积小巧的预制构件，通过后浇接头连接。如图4所示结构体系，预制板、梁、柱构件通过后浇接头连接形成框架结构。

图4 预制板、梁、柱构件+后浇接头结构体系

盾构隧道内部结构有一个显著的特点：桥梁的荷载，民建的尺寸。即构件小，配筋大，从而导致后浇接头过小，钢筋锚固长度不够。其后浇接头的约束介于刚性连接与铰接之间。各构件间犹如采用转动弹簧连接。接头有限转动，承受部分弯矩，见图5。

图5 预制板、梁、柱构件+后浇接头结构受力简图

3.2 预制“U”型梁结构体系

随着施工工艺水平的进步，盾构隧道内起重设备能力的增强。常采取合并预制构件的方式简化预制拼装施工步骤，提高施工能效。考虑到盾构隧道狭小的内部空间，借鉴轨道交通预制“U”型梁结构，将纵梁与上层车道板合并，形成四点简支的预制“U”型梁结构体系，见图6、图7。

图6 预制“U”型梁车道结构

图7 四点简支预制“U”型梁结构

“U”型梁为空间折板的薄壳结构。其荷载通过车道板传递至纵梁（腹板）下部。纵梁（腹板）除产生弯曲变形外，还会发生扭转变形。同时，“U”型梁为开口截面，其抗扭刚度小，弯扭效应明显，受力复杂。预制“U”型梁结构的空间受力简图见图8。

图8 预制“U”型梁受力简图

4 结论

（1）盾构隧道内部现浇框架结构体系具有传力路径明确，受力机理清晰的优点。但现浇施工工艺建设效率低，能耗高，施工慢，产生较多建筑垃圾、对环境污染大，同时局限于盾构隧道有限的施工空间及现场工人的素质，现浇施工质量难以保证。

（2）盾构隧道双层车道结构施工还处于半预制化阶段，但全预制化施工是必然趋势。且随着施工设备的进步与拼装精度的提高，预制构件呈现大尺寸、非标准的特征，接头数量进一步减小。

（3）预制拼装结构接头受力复杂，空间效应明显，需借助有限元等手段进行受力分析。

[1]姚怡文,蒋理华,范益群.地下空间结构预制拼装技术综述[J].城市道桥与防洪,2012(9):286-292,344.

[2]陈国光.上海复兴东路双层越江隧道道路同步施工工艺研究与应用[J].地下工程与隧道,2006(3):43-45,61.

[3]王善高,史世波,舒恒,等.单管双层特长盾构隧道内部结构预制施工技术——以南京纬三路过江盾构隧道工程为例[J].隧道建设,2016(4):451-457.

[4]黄俊,马明,李勇,等.盾构隧道内部双层结构快速化施工方法技术研究[J].公路,2013(3):212-219.

[5]黄俊,徐国平,李勇,等.盾构隧道内部双层车道结构预制化设计技术[M].北京:科学出版社,2014.

[6]林国辉.兰新线槽形梁静载试验架的设计及优化[J].公路与汽运,2013(1):160-162.

[7]宋杰.郑州轨道2号线高架区间U型梁结构计算及试验[J].建设科技,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

上海市科委项目（16DZ1201900）

宋丽妹（1966-），女，上海人，高级工程师，从事隧道、地下工程设计、技术管理工作。