盾构隧道内部双层预制结构关键连接技术研究

姜海西

（同济大学,上海市 200092）

0 引言

目前公路盾构隧道朝着大直径、双层方向发展，内部结构越来越复杂，狭小的隧道空间给内部结构的施工带来诸多不便。随着装配式建筑的发展与成熟，内部结构的全预制装配式是当代隧道建设发展的必然趋势。

公路隧道内部结构的预制化在实际工程中也有所尝试。例如：上海延安东路隧道内部结构采用了在T形梁两侧搁置预制车道板的形式[1]；复兴东路隧道上层车道采用预制牛腿和预制车道板，下层车道为现浇结构[2-3]；南京纬三路隧道[4-7]采用梁-板-柱体系，上层车道板为预制，梁和柱为现浇结构。总体预制化程度不高，基本属于半预制化状态，尚未实现内部结构的全预制装配化，对施工效率的提高和工期的节省并不显著。

上海诸光路隧道预制拼装率达到了90%以上（含衬砌管片）。本文主要针对诸光路隧道，对内部预制结构体系、预制构件之间的连接方式展开研究，主要包括立柱与基座连接、基座与管片的连接、梁与柱的连接。

1 内部结构体系

诸光路隧道是目前国内最大的土压平衡盾构隧道，隧道直径为14.45 m。考虑到既要满足受力需求，又要满足狭小空间快速施工的需要，将双层车道结构划分成如图1所示的梁-板-柱结构体系。预制构件包括：“π”型件，立柱，上层车道板，两侧盖板，上层防撞侧石；现浇构件包括：“π”型预制构件两侧混凝土填充，下层基座（含下层防撞侧石），上层预制车道板两侧后浇梁。下层主要构件为“π”型件。施工期间“π”型件可以充当施工机械的施工便道。“π”型件两侧为现浇混凝土填充及现浇基座，预制立柱置于现浇基座之上，预制车道板通过一定的接头形式与预制立柱连接。两侧预制盖板置于后浇梁之上，上层防撞侧石通过一定的连接置于车道板之上。

图1 内部预制结构体系

2 关键连接技术

对于预制装配式结构体系来说，其连接节点至关重要。节点不仅要便于施工，而且还要满足正常使用状态及地震作用下保持其完整性。该工程拟采用灌浆套筒[8-12]连接预制立柱与基座间的钢筋，而现浇基座与管片之间则通过垂直于管片的植筋进行连接，立柱与梁采用后浇湿接头连接，具体连接构造如下。

2.1 立柱与基座间的连接

立柱通过置于其柱身底部的灌浆套筒连接基座申出的插筋，在套筒与插筋之间灌注高强无收缩水泥灌浆料进行可靠连接。其连接方式如图2所示。该连接方式的优点是不需要现场浇筑，施工方便，所需施工时间短，但是对施工精度要求较高，特别对于基座的插筋和立柱的安装定位，如图3所示。

图2 灌浆套筒连接

图3 立柱与基座的连接安装

为了验证此种连接方式的可靠性进行了拟静力试验。试件尺寸为足尺，试件由3部分组成：柱头部分尺寸为450 mm×900 mm×900 mm；柱身部分截面尺寸为500 mm×500 mm，高度2 180 mm；基座部分总高度 1 375 mm，试件纵筋和箍筋等级均为 HRB400，混凝土等级为 C50。

加载方式如图4所示。A面为垂直于加载方向面，B面为平行于加载面方向面。竖向荷载由加载吨位为1 500 kN的千斤顶提供。千斤顶的加载中心对准柱顶截面的形心位置，其反力系统由竖向反力架以及支撑在反力架上的钢横梁构成。水平推拉反复荷载由加载吨位为2 000 kN。位移行程为±500 mm的电液伺服作动器施加，水平作动器安装在反力墙上，且其下方用门式钢框架固定。加载时，竖向千斤顶先对试件柱顶施加竖向轴力1 000 kN并保持恒定，然后伺服作动器对试件施加水平低周反复荷载。水平加载采用荷载-位移混合控制：前三级加载采用荷载控制，分别为42 kN、84 kN、126 kN，每级循环 2次；然后采用位移控制，位移幅值分别为 10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、60 mm、80 mm，其后以20 mm的幅值递增，每级荷载循环3次。试验测试项目包括柱顶水平力、立柱侧向位移、纵筋、套筒应变等。

图4 试验加载

图5描述了加载过程中裂纹的分布规律和立柱的破坏形态。位移等级为 10 mm时，A、B面均出现第一道水平裂缝，裂缝位置距柱底约 550 mm（套筒区域正上方），宽度为 0.2 mm。此时，柱底与基座间的砂浆结合层也出现开裂，如图5（a）所示。位移等级达到20 mm时：A面的水平裂缝继续增多加宽，但宽度最大的裂缝始终是距柱底约550 mm处的裂缝；B 面开始出现斜裂缝，如图5（b）（c）所示。

继续往复加载，混凝土损伤逐步积累。位移等级为60 mm时，柱底的角部附近出现竖向裂缝，距柱底550 mm附近的A面和B面交接处的混凝土出现剥落趋势。位移等级进一步增加到80 mm时，柱底的角部的混凝土压碎，距柱底550 mm附近的A面和B面交接处的混凝土出现剥落，套筒外露，如图5（d）所示。位移等级为120 mm时，A面柱脚混凝土脱落，试件无法继续加载。试验结束后，清除包裹灌浆套筒的混凝土，结果显示灌浆套筒顶部连接钢筋未产生滑移破坏。

荷载-位移滞回曲线能够反映试件的抗震性能，包括延性变形、残余变形、耗能能力等。 图6给出了荷载-位移滞回曲线。结果显示：在较低荷载阶段，基本处于弹性阶段；随着混凝土开裂、钢筋的屈服，滞回环逐渐拉开呈现梭形；后滞回环向弓形发展。在整个试验过程中，滞回环较为光滑、饱满，滞回曲线所包裹的面积随位移的增大而增大，耗能能力强，试件为弯曲破坏。

图5 装裂纹分布

图6 柱顶水平推力-柱顶位移关系曲线

将每个循环的峰值点连接起来所形成的包络线即为骨架曲线。骨架曲线的形状与单调加载荷载曲线规律相同，只是极限荷载比实际略低。骨架曲线能够明显地反映构件的初始刚度、屈后刚度、最大荷载、延性等抗震指标。试件骨架曲线如图7所示。

图7 骨骼曲线

根据骨架曲线可确定试件的最大荷载Pmax，以最大荷载的85%作为试件破坏点，由此确定试件的极限位移△μ和极限荷载Pμ，最终通过能量等值法[13]得到屈服位移△y、屈服荷载Py。各特征点结果见表1所示。根据二维计算结果，柱底设计弯矩M为454.68 kN·m，换算为柱顶水平力 得V=M/（2.18+0.225）=189.1 kN。由表1可知，灌浆套筒的连接方式满足设计要求。

表1 特征值

2.2 基座与管片的连接

现浇基座与管片之间则通过垂直于管片的植筋的方式连接。管片植筋方式如图8所示。为验证该植筋方式的可靠性，进行了拟静力试验。为了与实际工况相符合，试件的基座分两次浇筑。先用C60混凝土浇筑圆弧面以下部分，用来模拟管片，凿毛植筋之后，共植5排钢筋，如图8（b）所示；再用C50混凝土浇筑圆弧面以上部分。

图8 管片与基座连接

随着位移等级增加，立柱上的水平裂缝继续增多加宽，但宽度最大的裂缝始终是距柱底约550 mm处的裂缝。位移等级为100 mm时，柱底角部附近出现混凝土压碎剥落现象，距柱底550 mm的裂缝张开近20 mm，其规律与灌浆套筒的连接试件试验相近。整个试验过程中，未观察到基座表面损伤。并且，在设计荷载作用下，基座内植筋应变均未达到屈服应变，表明该植筋连接强于立柱-基座的连接接头。该连接方式可靠，可以优化设计，适当减少植筋数量。图9为管片与基座连接试验。

图9 管片与基座连接试验

2.3 立柱与纵梁间的连接

立柱与纵梁钢筋采用后浇湿接头的形式，如图10所示，两车道板端部预留钢筋相互搭接，立柱顶部钢筋通过预留接驳器连接，箍筋环绕立柱插筋。节点截面尺寸为500 mm×500 mm，施工空间狭小，且钢筋数量多，拼装过程中梁柱钢筋可能相互干扰，对施工精度要求高。

图10 梁-柱节点

现浇节点处梁的纵筋原本通长，但是采用预制时纵筋将在节点处断开，呈现搭接的形式，如图10所示，此时可以通过将搭接钢筋焊接实现等同现浇的效果，但是接头处的钢筋密布，焊接施工难度大，预制拼装快速施工的优点得不到充分发挥，此时在浇筑梁柱节点时，可以在高强混凝土中掺加钢纤维以提高对钢筋的握裹力，既可以达到等同现浇的效果，又可以实现快速施工。采用后浇湿接头的另一个优点是基座插筋、立柱安装所产生的误差可以在湿接头处得到释放。

2.4 车道板之间的连接

为了加强车道板的整体性，参考桥梁工程中的成熟做法，车道板之间采用大铰缝的构造连接方式。如图11所示，车道板端环形筋交错中间插筋，铰缝处浇筑C60混凝土，车道板端部处设计为锯齿形，以加大接触面积，以保证后浇接头的连接强度以及车道板的整体性。

图11 车道板间大铰缝连接

3 结语

对于隧道内部预制结构体系其连接节点至关重要，节点不仅要满足设计需求，而且还要便于施工。针对诸光路盾构隧道分析了预制构件之间的连接方式，主要结论如下：

（1）立柱与基座通过灌浆套筒灌浆连接能够满足设计要求，拟静力试验结果表明此连接方式耗能能力强，满足抗震需求。

（2）基座与管片可以通过管片植筋的方式进行可靠连接。

（3）梁柱节点采用后浇湿接头形式，梁端纵向钢筋只进行搭接，节点处浇筑高强混凝土掺加钢纤维以提高对钢筋的握裹力。这样既可以达到等同现浇的效果，又可以避免纵向钢筋的焊接，提高施工速度。

（4）车道板之间采用大铰缝的构造连接方式，以加强车道板的整体性。