大盾構隧道內部結構預制構件設計與施工技術研究

姜文星，胡新朋，余 鯨，陳揚勛，王振飛

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

1 前言

由于傳統暗挖隧道存在作業環境差、功效低、施工風險高等缺陷，盾構隧道已成為在城市人口密集區建設城市軌道交通的首選方法[1]。隨著城市軌道交通建設的不斷發展，盾構隧道管片結構的預制拼裝設計、生產與施工技術已十分成熟[2-4]。近些年，隨著地下工程預制拼裝技術[5]的發展，大直徑盾構隧道內部結構的預制化受到了越來越多的關注。呂剛等[6]以京張高鐵清華園隧道為例，研究了隧道支護結構、軌下結構和附屬結構全預制拼裝技術；宋麗姝等[7]以南京緯三路過江盾構隧道工程為例，研究了公路隧道內部雙層車道板結構預制與梁板柱結構現澆組合體系拼裝技術；姜海西[8]以上海諸光路隧道工程為例，研究了預制π形結構結合現澆基座組合體系拼裝技術；禹海濤等[9]以上海某隧道工程為例，研究了預制、現澆2種形式的內部結構節點力學性能，得到了二者承載能力相當，但預制試件延性和耗能能力弱于現澆試件的結論。

上述研究表明我國大盾構隧道內部結構預制拼裝施工尚屬半預制化階段，許多構件仍采用現澆形式，如下部結構或采用分塊拼裝或采用中間預制、邊箱涵現澆施工；中隔墻采用底座現澆，部分墻體采用預制施工的形式。上海機場聯絡線是目前國內首例大盾構隧道內部結構全預制拼裝工程，下部結構采用三聯拱型式全預制安裝，中隔墻底座與墻體采用整體預制拼裝，預制構件尺寸和質量非常大，需要對結構模型受力進行全新的設計驗算；另外，隧道內施工空間狹小，拼裝精度要求高，對拼裝時設備的可靠性、安裝精度以及施工工藝都提出更高要求。

2 依托工程概況

上海機場聯絡線11標工程位于上海市浦東新區；工程內容包括一井一區間，其中盾構區間全長4 721.099 m，單洞雙線布置型式，采用一臺大直徑泥水盾構施工。隧道管片外徑13.6 m，內徑12.5 m，管片厚度為0.55 m，環寬2 m。盾構隧道內部結構為全預制結構，共分為4部分，分別為下部結構（弧形件）、中隔墻、頂部連接件和疏散平臺。

弧形件結構長9.5 m，高2.834 m，寬2 m。每節重33.6 t。弧形構件與底部管片設計有100 mm的間隙，用混凝土填充密實，以消除管片錯臺變形等因素造成的影響。中隔墻高9.116 m，厚0.4 m，寬2 m，每節重22.65 t，與下部結構間設2～3 cm的厚墊層，采用10 個8.8級M36螺栓連接；中隔墻縱向連接采用5根8.8級M30螺栓。相鄰墻體連接設置33×70 mm十字螺栓孔。

3 內部結構預制件設計

全預制內部結構的受力特征與半預制半現澆內部結構的受力特征存在差異。為確保施工及運營安全，需要考慮內部結構從拼裝到運營各個階段的最不利工況，整個生命周期采用基于概率理論的極限狀態法進行設計計算。施工階段需要考慮結構自重、車輛荷載、設備荷載；運營階段需要考慮結構自重（包含軌道板及墊層、中隔墻）、風壓荷載及車輛荷載。以各個階段的內力包絡值作為設計荷載，所得弧形件內力包絡圖如圖1所示。

此外，對全預制內部結構開展了3個專項研究。分別是抗震分析、共振分析和堆載分析。

（1）抗震分析。隧道的設計地震動參數按100年基準期、超越概率10%進行設計，按100年基準期、超越概率2%進行驗算，按重點設防類設防，以提高結構的整體抗震能力。采用反應位移法對最大埋深及最小埋深狀況下的盾構隧道（包括全預制內部結構）進行抗震分析，保證全預制內部結構在地震作用下的安全性。

（2）共振分析。受列車振動以及活塞風壓的影響，全預制內部結構的盾構隧道可能會產生共振、疲勞等問題。結合相關研究，對列車振動荷載與活塞風壓荷載進行頻域分析，確保內部結構不產生共振。對列車振動荷載與活塞風壓荷載引起的頂部節點水平剪力進行分析，保證頂部螺栓在100年運營時間內，不會遭受疲勞剪切破壞。

（3）堆載分析。在維保階段，隧道上方不可避免地會遇到隧頂堆載的問題。逐步施加隧頂荷載，分析管片、中隔墻和弧形件的受力狀況，得到當其中某一個構件達到承載力極限狀態時的隧頂荷載，對運維階段的隧頂堆載提出限值要求。

4 設備方案

4.1 弧形件安裝機

弧形件體積和質量大，吊裝運輸要求高，有限空間內安裝精度高、難度大，安裝質量直接影響中隔墻的安裝。為不影響其他工序正常作業，弧形件安裝機采用下部穿行式方案進行設計，可實現弧形件安裝與其他工序同步作業。

弧形件安裝機主要由主機架、副機架、微調平臺、液壓系統及智能控制系統等部分組成，設備模型圖見圖2；荷載情況下，主機架應變0.94 mm，副機架應變1.46 mm，微調平臺應變3.3 mm，均滿足施工安全要求。設備采用雙框架式步進結構，動力系統采用液壓驅動，步進行走及弧形件工作平臺姿態調整采用自動化控制，整機具備6自由度的三維姿態精調控制，定位及測量精度達到0.5 mm；另外，設備集成了自動檢測與感知、自動運算與分析處理、自動決策與動作執行、人機交互與信息存儲等智能化施工功能，詳見圖3。

4.2 中隔墻安裝機

中隔墻安裝機應用于內部結構預制件中隔墻的安裝。整機設計在中隔墻抓取、旋轉、行走、微調等工況中具備安全性和穩定性。為保證施工運輸車輛正常通行，安裝機門架采用穿行式大凈空設計，滿足施工車輛通行空間要求。

安裝機主要由主架總成、抓取機構（可擺動微調）、伸縮機構、旋轉機構、平移機構、液壓及電控系統、工作平臺等部分組成，采用門架軌行式結構，滿足施工車輛通行空間需求，設備模型圖見圖4。荷載情況下，主架最大變形量9.8 mm、旋轉起吊裝置最大變形量0.9 mm，滿足施工安全要求。動力系統采用液壓驅動，安裝機的控制采用聯動+單動、無線遙控+本地聯合控制方式，具備6自由度的三維姿態精調控制，定位及測量精度達到0.5 mm；另外，設備集成了自動檢測與感知、自動運算與分析處理、自動決策與動作執行、人機交互與信息存儲等智能化施工功能，見圖5。

5 施工工藝

5.1 弧形件安裝工藝流程

弧形件吊運到位后，按下設備啟動按鈕，安裝機立即開始按施工順序自動安裝弧形件。施工順序分為安裝機步進姿態調整→微調平臺姿態調整→弧形件姿態調整與安裝→安裝機歸位姿態調整；安裝結束后，安裝機自動退回至已經安裝好的弧形件內部，等待下一個工序。施工工藝流程見圖6。

安裝原則是確保弧形件安裝位置姿態數據與成型管片位置姿態數據一致。安裝過程中，在直線段，根據弧形件安裝位置前后10環成型管片的軸線確定弧形件的軸線位置（左右錯邊不大于8 mm）；根據弧形件安裝位置前后10環的成型管片底標高（考慮錯臺的工況）確定弧形件的水平高程（上下錯臺不大于8 mm、弧形件與管片間隙6～10 cm）；在曲線段（平曲線和豎曲線），根據設計轉彎半徑和坡度，計算弧形件安裝位置前后10 環的仰、傾角和轉角，進行預排版；再根據成型管片的線性及坡度，進行實時調整。最后，通過拼裝機的前后移動，擠壓弧形件間隙，確保滿足塊間間隙不大于 10 mm。

5.2 中隔墻安裝工藝流程

中隔墻運輸至待抓取位置后，按下設備啟動按鈕，安裝機開始自動安裝中隔墻。中隔墻施工順序分為：中隔墻平行姿態調整（定位抓取孔）→中隔墻抓取及翻轉 →中隔墻姿態精調及拼裝→安裝機歸位姿態調整。施工工藝流程見圖7。

6 應用分析

6.1 工序分析

據統計，現場弧形件安裝工序時耗約35 min，第一階段安裝機步進姿態調整6 min，第二階段微調平臺姿態調整7 min，第三階段弧形件姿態調整與安裝15 min，第四階段安裝機歸位姿態調整7 min，共計35 min /件。

中隔墻第一階段中隔墻平行姿態調整15 min，第二階段中隔墻抓舉及翻轉10 min，第三階段中隔墻姿態精調及拼裝18 min，第四階段安裝機歸位姿態調整7 min。安裝工序耗時共計約50 min。

6.2 質量統計

上海機場聯絡線11標弧形件現場安裝效果見圖8。1 ～50環弧形件安裝質量驗收數據統計見圖9。安裝質量檢查項主要為5大項，包括上下錯臺不大于8 mm、左右錯邊不大于8 mm、環間縫隙不大于10 mm、中線偏差不大于5 mm和底部間隙60 ～100 mm。其中左右錯邊、環間縫隙和中線偏差檢查數據均滿足設計及業主文件要求，上下錯臺和底部間隙各出現2環數值超出文件要求，整體安裝質量合格率高達 96%。

6.3 效益分析

（1）隧道內部結構弧形件施工。弧形件與盾構掘進、管片安裝同步進行，盾構掘進月平均進度300 m，即5環/天，高峰期可達到10環/天，現場工序熟練后，弧形件安裝工序時間可達25 min/件，達到36件/天的安裝進度，完全滿足盾構施工進度要求。

（2）隧道內部結構中隔墻施工。中隔墻預制拼裝施工進度約50 min/件，可達到24件/天的安裝進度，理論上月進度720件，即1 440 m/月。參考同類工程施工案例，其中隔墻現澆施工進度平均490 m/月，總體來說中隔墻預制拼裝施工是現澆施工進度的2.9倍。因此，以4 721 m盾構隧道為例，中隔墻預制安裝相比現澆施工可節約6.3個月的工期時間。

綜上所述，隧道內部結構預制拼裝施工具有施工效率高、預制件質量穩定、污染小及對周邊環境影響小等特點，可實現快速施工、綠色施工，具有顯著的經濟、社會和環境效益。

6 結論

（1）針對大盾構隧道內部結構全預制拼裝設計，建立預制拼裝結構模型，驗算設計方案的安全性和可行性；并有針對性地對內部結構運營期的抗震、共振和堆載設計進行專項研究；結果表明相應設計均能夠滿足規范要求。

（2）通過有針對性地研制預制件智能安裝設備，解決預制構件安裝精度要求高的問題，實現盾構掘進與預制構件安裝同步施工，大幅節約工期和成本。