大盾构隧道内部结构预制构件设计与施工技术研究

姜文星，胡新朋，余 鲸，陈扬勋，王振飞

（1. 上海申铁投资有限公司，上海 200090； 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；3. 中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450001）

1 前言

由于传统暗挖隧道存在作业环境差、功效低、施工风险高等缺陷，盾构隧道已成为在城市人口密集区建设城市轨道交通的首选方法[1]。随着城市轨道交通建设的不断发展，盾构隧道管片结构的预制拼装设计、生产与施工技术已十分成熟[2-4]。近些年，随着地下工程预制拼装技术[5]的发展，大直径盾构隧道内部结构的预制化受到了越来越多的关注。吕刚等[6]以京张高铁清华园隧道为例，研究了隧道支护结构、轨下结构和附属结构全预制拼装技术；宋丽姝等[7]以南京纬三路过江盾构隧道工程为例，研究了公路隧道内部双层车道板结构预制与梁板柱结构现浇组合体系拼装技术；姜海西[8]以上海诸光路隧道工程为例，研究了预制π形结构结合现浇基座组合体系拼装技术；禹海涛等[9]以上海某隧道工程为例，研究了预制、现浇2种形式的内部结构节点力学性能，得到了二者承载能力相当，但预制试件延性和耗能能力弱于现浇试件的结论。

上述研究表明我国大盾构隧道内部结构预制拼装施工尚属半预制化阶段，许多构件仍采用现浇形式，如下部结构或采用分块拼装或采用中间预制、边箱涵现浇施工；中隔墙采用底座现浇，部分墙体采用预制施工的形式。上海机场联络线是目前国内首例大盾构隧道内部结构全预制拼装工程，下部结构采用三联拱型式全预制安装，中隔墙底座与墙体采用整体预制拼装，预制构件尺寸和质量非常大，需要对结构模型受力进行全新的设计验算；另外，隧道内施工空间狭小，拼装精度要求高，对拼装时设备的可靠性、安装精度以及施工工艺都提出更高要求。

2 依托工程概况

上海机场联络线11标工程位于上海市浦东新区；工程内容包括一井一区间，其中盾构区间全长4 721.099 m，单洞双线布置型式，采用一台大直径泥水盾构施工。隧道管片外径13.6 m，内径12.5 m，管片厚度为0.55 m，环宽2 m。盾构隧道内部结构为全预制结构，共分为4部分，分别为下部结构（弧形件）、中隔墙、顶部连接件和疏散平台。

弧形件结构长9.5 m，高2.834 m，宽2 m。每节重33.6 t。弧形构件与底部管片设计有100 mm的间隙，用混凝土填充密实，以消除管片错台变形等因素造成的影响。中隔墙高9.116 m，厚0.4 m，宽2 m，每节重22.65 t，与下部结构间设2～3 cm的厚垫层，采用10 个8.8级M36螺栓连接；中隔墙纵向连接采用5根8.8级M30螺栓。相邻墙体连接设置33×70 mm十字螺栓孔。

3 内部结构预制件设计

全预制内部结构的受力特征与半预制半现浇内部结构的受力特征存在差异。为确保施工及运营安全，需要考虑内部结构从拼装到运营各个阶段的最不利工况，整个生命周期采用基于概率理论的极限状态法进行设计计算。施工阶段需要考虑结构自重、车辆荷载、设备荷载；运营阶段需要考虑结构自重（包含轨道板及垫层、中隔墙）、风压荷载及车辆荷载。以各个阶段的内力包络值作为设计荷载，所得弧形件内力包络图如图1所示。

此外，对全预制内部结构开展了3个专项研究。分别是抗震分析、共振分析和堆载分析。

（1）抗震分析。隧道的设计地震动参数按100年基准期、超越概率10%进行设计，按100年基准期、超越概率2%进行验算，按重点设防类设防，以提高结构的整体抗震能力。采用反应位移法对最大埋深及最小埋深状况下的盾构隧道（包括全预制内部结构）进行抗震分析，保证全预制内部结构在地震作用下的安全性。

（2）共振分析。受列车振动以及活塞风压的影响，全预制内部结构的盾构隧道可能会产生共振、疲劳等问题。结合相关研究，对列车振动荷载与活塞风压荷载进行频域分析，确保内部结构不产生共振。对列车振动荷载与活塞风压荷载引起的顶部节点水平剪力进行分析，保证顶部螺栓在100年运营时间内，不会遭受疲劳剪切破坏。

（3）堆载分析。在维保阶段，隧道上方不可避免地会遇到隧顶堆载的问题。逐步施加隧顶荷载，分析管片、中隔墙和弧形件的受力状况，得到当其中某一个构件达到承载力极限状态时的隧顶荷载，对运维阶段的隧顶堆载提出限值要求。

4 设备方案

4.1 弧形件安装机

弧形件体积和质量大，吊装运输要求高，有限空间内安装精度高、难度大，安装质量直接影响中隔墙的安装。为不影响其他工序正常作业，弧形件安装机采用下部穿行式方案进行设计，可实现弧形件安装与其他工序同步作业。

弧形件安装机主要由主机架、副机架、微调平台、液压系统及智能控制系统等部分组成，设备模型图见图2；荷载情况下，主机架应变0.94 mm，副机架应变1.46 mm，微调平台应变3.3 mm，均满足施工安全要求。设备采用双框架式步进结构，动力系统采用液压驱动，步进行走及弧形件工作平台姿态调整采用自动化控制，整机具备6自由度的三维姿态精调控制，定位及测量精度达到0.5 mm；另外，设备集成了自动检测与感知、自动运算与分析处理、自动决策与动作执行、人机交互与信息存储等智能化施工功能，详见图3。

4.2 中隔墙安装机

中隔墙安装机应用于内部结构预制件中隔墙的安装。整机设计在中隔墙抓取、旋转、行走、微调等工况中具备安全性和稳定性。为保证施工运输车辆正常通行，安装机门架采用穿行式大净空设计，满足施工车辆通行空间要求。

安装机主要由主架总成、抓取机构（可摆动微调）、伸缩机构、旋转机构、平移机构、液压及电控系统、工作平台等部分组成，采用门架轨行式结构，满足施工车辆通行空间需求，设备模型图见图4。荷载情况下，主架最大变形量9.8 mm、旋转起吊装置最大变形量0.9 mm，满足施工安全要求。动力系统采用液压驱动，安装机的控制采用联动+单动、无线遥控+本地联合控制方式，具备6自由度的三维姿态精调控制，定位及测量精度达到0.5 mm；另外，设备集成了自动检测与感知、自动运算与分析处理、自动决策与动作执行、人机交互与信息存储等智能化施工功能，见图5。

5 施工工艺

5.1 弧形件安装工艺流程

弧形件吊运到位后，按下设备启动按钮，安装机立即开始按施工顺序自动安装弧形件。施工顺序分为安装机步进姿态调整→微调平台姿态调整→弧形件姿态调整与安装→安装机归位姿态调整；安装结束后，安装机自动退回至已经安装好的弧形件内部，等待下一个工序。施工工艺流程见图6。

安装原则是确保弧形件安装位置姿态数据与成型管片位置姿态数据一致。安装过程中，在直线段，根据弧形件安装位置前后10环成型管片的轴线确定弧形件的轴线位置（左右错边不大于8 mm）；根据弧形件安装位置前后10环的成型管片底标高（考虑错台的工况）确定弧形件的水平高程（上下错台不大于8 mm、弧形件与管片间隙6～10 cm）；在曲线段（平曲线和竖曲线），根据设计转弯半径和坡度，计算弧形件安装位置前后10 环的仰、倾角和转角，进行预排版；再根据成型管片的线性及坡度，进行实时调整。最后，通过拼装机的前后移动，挤压弧形件间隙，确保满足块间间隙不大于 10 mm。

5.2 中隔墙安装工艺流程

中隔墙运输至待抓取位置后，按下设备启动按钮，安装机开始自动安装中隔墙。中隔墙施工顺序分为：中隔墙平行姿态调整（定位抓取孔）→中隔墙抓取及翻转 →中隔墙姿态精调及拼装→安装机归位姿态调整。施工工艺流程见图7。

6 应用分析

6.1 工序分析

据统计，现场弧形件安装工序时耗约35 min，第一阶段安装机步进姿态调整6 min，第二阶段微调平台姿态调整7 min，第三阶段弧形件姿态调整与安装15 min，第四阶段安装机归位姿态调整7 min，共计35 min /件。

中隔墙第一阶段中隔墙平行姿态调整15 min，第二阶段中隔墙抓举及翻转10 min，第三阶段中隔墙姿态精调及拼装18 min，第四阶段安装机归位姿态调整7 min。安装工序耗时共计约50 min。

6.2 质量统计

上海机场联络线11标弧形件现场安装效果见图8。1 ～50环弧形件安装质量验收数据统计见图9。安装质量检查项主要为5大项，包括上下错台不大于8 mm、左右错边不大于8 mm、环间缝隙不大于10 mm、中线偏差不大于5 mm和底部间隙60 ～100 mm。其中左右错边、环间缝隙和中线偏差检查数据均满足设计及业主文件要求，上下错台和底部间隙各出现2环数值超出文件要求，整体安装质量合格率高达 96%。

6.3 效益分析

（1）隧道内部结构弧形件施工。弧形件与盾构掘进、管片安装同步进行，盾构掘进月平均进度300 m，即5环/天，高峰期可达到10环/天，现场工序熟练后，弧形件安装工序时间可达25 min/件，达到36件/天的安装进度，完全满足盾构施工进度要求。

（2）隧道内部结构中隔墙施工。中隔墙预制拼装施工进度约50 min/件，可达到24件/天的安装进度，理论上月进度720件，即1 440 m/月。参考同类工程施工案例，其中隔墙现浇施工进度平均490 m/月，总体来说中隔墙预制拼装施工是现浇施工进度的2.9倍。因此，以4 721 m盾构隧道为例，中隔墙预制安装相比现浇施工可节约6.3个月的工期时间。

综上所述，隧道内部结构预制拼装施工具有施工效率高、预制件质量稳定、污染小及对周边环境影响小等特点，可实现快速施工、绿色施工，具有显著的经济、社会和环境效益。

6 结论

（1）针对大盾构隧道内部结构全预制拼装设计，建立预制拼装结构模型，验算设计方案的安全性和可行性；并有针对性地对内部结构运营期的抗震、共振和堆载设计进行专项研究；结果表明相应设计均能够满足规范要求。

（2）通过有针对性地研制预制件智能安装设备，解决预制构件安装精度要求高的问题，实现盾构掘进与预制构件安装同步施工，大幅节约工期和成本。