地铁盾构法隧道管片设计的主要问题解析

地铁盾构法隧道管片设计的主要问题解析

李斌

天津市市政工程设计研究院天津300051

摘要：本文主要针对地铁盾构法隧道管片设计展开分析，思考了地铁盾构法隧道管片设计的关键性的问题，并对其问题的主要的解决方法进行了分析，希望可以为今后的设计工作带来参考。

关键词：地铁盾构法，隧道管片，设计，问题

前言

在地铁盾构法隧道管片设计的过程中，我们应该充分考虑到设计的重要性，对于设计的一些比较关键的地方进行重点关注，全盘考虑设计的所有问题，提高设计水平。

1、地铁盾构法隧道管片概述

随着各大城市地铁交通的迅猛发展，造价低、机械化程度高的盾构法施工技术应用得越来越广泛，而标志隧道总体质量水平的管片使用数量也越来越多。管片是隧道预制衬砌环的基本单元，管片的类型主要有钢筋混凝土管片、钢纤维混凝土管片、钢管片、铸铁管片、复合管片等。管片按拼装成环后的隧道线形分为：直线段管片、曲线段管片及既能用于直线段又能用于曲线段的通用管片，其中曲线段管片又分为左转弯管片和右转弯管片。

盾构管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最外层屏障，承担着抵抗土层压力、地下水压力以及一些特殊荷载的作用。盾构管片的质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性能及耐久性能，对控制地铁隧道的质量，保持地铁隧道的线形和保证地铁隧道使用寿命起着关键作用。

2、管片结构形式

目前我国地铁工程中，盾构管片主要采取两种形式。一种为楔形环(也称通用环)形式，其主要特点是采用一环具有楔形的管片，施工时通过调整每环之间不同组合的各块环片相对位置，拼装出隧道线形需要的直线段与曲线段隧道。因而理论上只需要一种管片(包括钢模)即可实现任何线形隧道的掘进施工。

另外一种是在直线段隧道使用无楔环管片拼装，曲线段隧道则是在无楔环的基础上，增加有楔环进行组合拼装的直、曲组合环(也称普通环)形式。因此，一般情况下，直、曲组合环形式的盾构管片应需要两种以上的管片(钢模)才能完成曲线隧道的掘进施工。

目前国内几个大城市地铁隧道用的管片形式，上海、北京为直、曲组合环形式；广州、深圳、南京则两种管片形式都采用。从施工的情况看，只要施工企业严于管理，认真操作，工程质量均能满足要求，施工速度看不出有明显差异。如中铁十六局在深圳地铁用盾构施工时，采用楔形环管片，日进尺达24．0m(环宽1．2m，创国内地铁盾构施工纪录)；北京市政集团在北京污水隧道盾构施工时，采用直、曲组合环管片，日进尺达27m(环宽1m，创国内污水隧道盾构施工纪录)。显见，这两种形式的管片在技术上均能达到设计和使用要求，但进一步分析两种结构管片形式的特点，还是存在一些微小差别，在特定的施工条件下，可以进行优选。

3、管片的环宽

设计盾构管片时，设计人员除了需要考虑管片结构必须满足使用要求外，通常还应考虑管片分块的最大重量、拼装难易程度及地铁隧道最小曲线半径等因素。盾构管片的环宽，应从设备和施工两个角度综合考虑。考虑盾构设备的紧凑灵巧，如缩短盾构机盾尾长度，环宽宜短一些；从加快盾构施工速度减少生产管片成本看，则宜长一些。

3.1管片环宽与隧道曲线半径

众所周知，盾构管片环宽越大，盾构法隧道施工所能平顺转弯的最小曲线半径也越大，否则反之。此外，盾构机转弯时，还受盾构机盾尾间隙的大小限制，若每环转弯角度过大，管片容易在盾尾间隙卡住，既增大盾构转弯的推进阻力，管片又会被挤坏。根据目前对世界上近1万台盾构机(含TBM)盾尾间隙大小的统计，盾尾间隙在2．0—4．0cm之间，但大多集中在2．5—3．0em；另据施工实践，每环管片的转弯开口间隙小于20mm时，比较容易控制管片不出现错台，隧道曲线平顺。目前国内地铁盾构法隧道结构外径有两类：上海、南京地铁隧道结构外径为6．2m；北京、深圳、广州地铁隧道结构外径为6．0m。

3.2管片的环宽与施工速度

盾构施工以Et进尺为施工组织的管理目标，相应的配套设备、各施工工序及人员安排均围绕此目标展开。分析盾构的施工过程可知，每环管片的进尺掘进、管片拼装和出土为盾构施工的主循环，缩短此循环的时间或增加每次循环的掘进长度，都可以达到加快施工速度的目的。

根据笔者盾构施工的经验和统计，对于地铁隧道的盾构法施工，完成一环管片进尺的掘进，一个主循环大约需要时间100～120min。下面以此作为依据，说明管片环宽对施工速度的影响。普通盾构机推进千斤顶的设计推进速度为50—100mm／min，正常推进时，平均推进速度为3O～40mm／min。

随着盾构管片环宽增加，每环进尺掘进时间延长，每环隧道进尺也随之增加，而且隧道进尺增加的幅度远大于时间增长幅度。考虑到盾构施工的掘进、管片拼装及出土等均依靠设备来实现，从施工工序看，增加管片环宽，除增加掘进时间外，其他工序不增加时间，只需相应提高设备的综合能力即可。故通过增加管片环宽，提高盾构法隧道的施工速度，应是一个较好的方法。若调整地铁隧道最小曲线半径大于500m，盾构管片采用1．8m的环宽，盾构法隧道的施工速度可提高50％以上。

4、管片合理配筋讨论

欧洲的管片其含钢量一般处于80-100kg／m，考虑钢筋强度等因素，折算含钢量约为107～130kg／m.另外，目前已有不少的钢纤维混凝土管片成功应用的经验，其管片仅采用30—60kg／m3的钢纤维掺量，来代替普通的钢筋混凝土管片。相对国内目前通常采用的145-160kg／m含钢量，管片的合理含钢量应做进一步的研究。

计算表明，管片在软弱围岩下，其正常使用状态下承受的顶部荷载较大，侧限也较小力较大，对圆形结构的承载能力影响不大。而在硬岩中，侧压力较小，但其顶部荷载较小，对圆形结构的承载能力影响也不大。

根据作者收集的资料，目前盾构管片的裂缝主要是在施工过程中产生的，特别是管片拼装完毕，开始下一环掘进时。当管片离开盾尾后，由新拼装完毕的管片来传递盾构千斤顶的顶推力时，由于千斤顶的力得到了分散，其裂缝会变小。其主要原因是由于管片环面不平、千斤顶推力分布很不均匀(在围岩不均匀、纠偏及曲线施工时容易出现)，导致管片出现了局部超限的拉应力。随着隧道的修建完毕，圆形的盾构隧道逐步转入比较稳定的受力状态，施工期出现的裂缝大部分都变小。

在设计中，对在永久荷载、可变荷载及偶然荷载作用下管片的强度和裂缝宽度进行验算，但在实际施工中，由于条件所限或人为因素、有时也会出现超出强度和裂缝宽度要求的荷载，但是施工中偶尔出现的问题，通过后期修补解决其费用相对所有管片均增加配筋所需的费用要小的多。

参考国内外做法，同时结合施工经验，管片配筋设计，建议取消u型钢筋连接上下排主筋的做法，在管片四边沿环及纵向布置暗梁，使其整体性加强，同时在迎千斤顶面的暗梁内外两侧设置腰筋，背千斤顶面的外侧设置腰筋；在容易出现裂缝的环向螺栓孔处设置吊筋及螺旋筋。优化钢筋的布置型式后，在每立方米含钢量不变的情况下，使钢筋的受力更加合理；更有效地承担施工过程中千斤顶荷载，对解决施工期出现裂缝的问题会有较大的改善。

结束语

综上所述，只有真正做到了有效的设计，提出了更好的设计方案，才能够保证设计的质量，本文总结了地铁盾构法隧道管片设计的主要问题，提出了一些重要的思路，可供参考。

参考文献：

[1]王立新.太原地铁2号线盾构隧道管片规格研究[J].铁道工程学报.2016(08)：15

[2]杨群,谢立广.关于盾构隧道管片尺寸的解析[J].现代隧道技术.2017(04)：26