盾構(gòu)隧道管片詳細(xì)設(shè)計(jì)研究

1、<p>　　盾構(gòu)隧道管片詳細(xì)設(shè)計(jì)研究</p><p>　　摘要：盾構(gòu)隧道管片的詳細(xì)設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)規(guī)范可遵循，然而，此項(xiàng)工作卻是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵的一環(huán),其設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到工程的安全、造價(jià)及使用。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)軌道交通工程常用盾構(gòu)管片細(xì)部尺寸的研究及歸納，本文詳細(xì)論述了各尺寸的設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)，包括結(jié)構(gòu)形式、分塊方案、拼裝方式、連接形式、接縫設(shè)計(jì)、手孔設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 </p>

2、<p>　　關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；管片結(jié)構(gòu)；分塊方案；接縫；螺栓； </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：U452.1+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： </p><p><b>　　、概述 </b></p><p>　　盾構(gòu)法施工的隧道在我國(guó)地鐵、鐵路、公路、水利等行業(yè)應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但是關(guān)于盾構(gòu)隧道管片的詳細(xì)

3、設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)規(guī)范可遵循，很多設(shè)計(jì)單位是根據(jù)設(shè)備廠商所提供的方法進(jìn)行設(shè)計(jì),更多的則是采用模仿。然而，此項(xiàng)工作卻是盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵的一環(huán),其設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到工程的安全、造價(jià)及使用,因此，很有必要對(duì)盾構(gòu)管片詳細(xì)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究及歸納。 </p><p>　　、盾構(gòu)管片詳細(xì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 </p><p>　　盾構(gòu)管片詳細(xì)設(shè)計(jì)包括的主要內(nèi)容有如下幾方面：確定隧道內(nèi)部尺寸、管片結(jié)構(gòu)形式

4、、管片厚度、寬度、分塊方案、拼裝方式、楔形量、連接方式、防水設(shè)計(jì)、管片接縫張開(kāi)量、榫槽的設(shè)置、管片螺栓設(shè)計(jì)、管片手孔設(shè)計(jì)等。 </p><p>　　上述項(xiàng)目基本涵蓋了盾構(gòu)管片詳細(xì)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，既以上項(xiàng)目確定后，管片的設(shè)計(jì)工作也就完成了。 </p><p>　　、盾構(gòu)管片詳細(xì)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 </p><p><b>　　盾構(gòu)隧道內(nèi)輪廓 </b>&l

5、t;/p><p>　　對(duì)于地鐵隧道，由建筑限界和車(chē)輛限界決定；對(duì)于鐵路隧道，出了考慮建筑限界外，還要考慮空氣動(dòng)力學(xué)、救援通道、各種附屬設(shè)施等；對(duì)于公路隧道，由車(chē)流量和車(chē)道數(shù)目決定。 </p><p>　　另外盾構(gòu)隧道內(nèi)徑空的確定，還需要考慮施工誤差、測(cè)量誤差、設(shè)計(jì)擬合誤差、不均勻沉降等因素。 </p><p>　　目前國(guó)內(nèi)地鐵大部分均采用A1型車(chē)輛，對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)隧道建筑限

6、界為5200mm[1]。施工誤差、測(cè)量誤差、設(shè)計(jì)擬合誤差一般考慮50～100mm,不均勻沉降一般考慮50mm，因此地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)徑一般為5400mm，如北京地鐵、廣州地鐵、西安地鐵、成都地鐵等；也有采用直徑為5500mm的情況，如上海地鐵、寧波地鐵、天津地鐵等。 </p><p>　　按設(shè)計(jì)速度的不同，單線鐵路盾構(gòu)隧道采用的直徑一般采用如下尺寸：160km/h為7700mm，如珠三角城際鐵路盾構(gòu)隧道；200km/

7、h為8700mm，如深港盾構(gòu)隧道；350km/h為9800mm，如廣深港客運(yùn)專(zhuān)線獅子洋盾構(gòu)隧道。 </p><p>　　公路盾構(gòu)隧道目前多采用雙車(chē)道斷面，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑一般為10000mm，如上海大連路隧道、上海復(fù)興東路隧道、武漢長(zhǎng)江隧道等，也有采用10300mm的情況，如杭州慶春路盾構(gòu)隧道。 </p><p><b>　　管片結(jié)構(gòu)形式 </b></p>

8、<p>　　目前絕大多數(shù)盾構(gòu)隧道均采用單層襯砌，也有采用雙層襯砌的情況，如南水北調(diào)穿黃工程盾構(gòu)隧道。 </p><p>　　制作管片的材料有混凝土、鑄鐵、鋼材、復(fù)合材料等。混凝土管片由于具有一定的強(qiáng)度,加工制作比較容易、耐腐蝕、造價(jià)低,從20世紀(jì)60年代以來(lái),盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展為拼裝式的單層鋼筋混凝土管片為主。 </p><p>　　管片的形狀大致分為平板形、箱形、特殊的異

9、形結(jié)構(gòu)等多種形式。平板形管片具有較大的抗彎、抗壓剛度,防水性能也很強(qiáng)。因此，目前應(yīng)用最廣泛為鋼筋混凝土平板型管片[2]。 </p><p>　　由于盾構(gòu)隧道一般情況下都有曲線段存在，因此為了滿足在曲線段的偏轉(zhuǎn)，襯砌環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮楔形量的問(wèn)題。襯砌環(huán)類(lèi)型國(guó)內(nèi)外大多采用如下三種情況： </p><p>　?。?）左轉(zhuǎn)環(huán)、右轉(zhuǎn)環(huán)襯砌與直線襯砌環(huán)的組合，管片需要3種類(lèi)型。 </p>

10、<p>　?。?）左右楔形襯砌環(huán)，管片需要2種類(lèi)型。 </p><p>　?。?）通用型管片，只需要一種管片類(lèi)型，其特點(diǎn)是通過(guò)一種楔形環(huán)管片的不同角度的旋轉(zhuǎn)擬合線路,包括施工糾偏及豎曲線。 </p><p><b>　　管片的厚度 </b></p><p>　　管片厚度與隧道斷面大小的比，主要取決于土質(zhì)條件、覆蓋層厚度等荷載條件，但

11、有時(shí)隧道的使用目的和管片施工條件也起支配作用。 </p><p>　　在日本，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，管片厚度一般為管片外徑的4%左右，但對(duì)于大口徑的，尤其是中子型管片時(shí)，約為5.5%[4]。 </p><p>　　我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，盾構(gòu)隧道襯砌厚度宜為外輪廓直徑的O.05～0.06倍[3]。根據(jù)上述規(guī)定，地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道管片一般為300mm～350mm。 </p><p

12、><b>　　管片的寬度 </b></p><p>　　管片的寬度從便于搬運(yùn)、組裝以及在隧道曲線段上的施工，考慮盾尾長(zhǎng)度等條件，管片寬度小一些為好。但是，從降低隧道總長(zhǎng)的管片制造成本，減少易出現(xiàn)漏水等缺陷的接頭部數(shù)量、提高施工速度等方面考慮，則此寬度大一些好。管片寬度應(yīng)根據(jù)隧道的斷面，結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，選擇在經(jīng)濟(jì)性、施工性方面較合理的尺寸。 </p><p>　

13、　根據(jù)日本迄今為止的工程實(shí)例，管片寬度有擴(kuò)大化的趨勢(shì)，根據(jù)隧道的斷面，一般在300～1600mm范圍之內(nèi)。采用鋼制管片時(shí)，為300～1300mm，采用混凝土類(lèi)的管片時(shí)，多為1000～1200mm。最近，尤其在大截面的隧道上，多采用寬度大的管片，而在小截面的隧道上使用寬度大的管片時(shí)，需要考慮隧道內(nèi)的管片的搬運(yùn)和方向轉(zhuǎn)換等問(wèn)題才能決定[4]。 </p><p>　　我國(guó)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，襯砌環(huán)寬可采用800～15

14、00mm，可能情況下宜選用較大的寬度[3]。南京地鐵一期工程、廣州地鐵1 號(hào)線、北京地鐵盾構(gòu)區(qū)間管片環(huán)寬為1 200 mm,廣州地鐵2號(hào)線、西安地鐵、武漢軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間管片環(huán)寬為1 500 mm。大直徑盾構(gòu)隧道采用2 000 mm環(huán)寬較多，如廣深港獅子洋盾構(gòu)隧道、南京長(zhǎng)江隧道、武漢長(zhǎng)江隧道、上海崇明隧道、荷蘭“綠色心臟”隧道、日本的東京灣隧道等。 </p><p>　　另外，盾構(gòu)管片寬度的確定還與盾構(gòu)機(jī)千

15、斤頂行程、盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度等密切相關(guān)，這些均是管片寬度確定需要考慮的因素。 </p><p><b>　　管片分塊方案 </b></p><p>　?。?）管片分塊影響因素及經(jīng)驗(yàn)方案 </p><p>　　管片分塊需要考慮的因素包括管片的拼裝方式、盾構(gòu)機(jī)的拼裝能力、縱向螺栓的分布方式[2]、管片的生產(chǎn)、糾偏、對(duì)滲漏水和結(jié)構(gòu)剛度的影響等。管片環(huán)一般由

16、數(shù)塊標(biāo)準(zhǔn)型管片（A型管片）、兩塊相鄰型管片（B型管片）和一塊可在最后拼裝的K型管片組成。管片分割的數(shù)目越少越好，但考慮到搬運(yùn)、施工方便組裝等因素，一般有如下的經(jīng)驗(yàn)分塊方案。 </p><p>　　混凝土平板型管片的經(jīng)驗(yàn)分塊方案 表1 </p><p>　　管片的分塊方案主要有等分方案、1 /2封頂塊方案及1 /3封頂塊方案3種。目前,國(guó)內(nèi)軌道交通工程地鐵盾構(gòu)區(qū)間管片基本均采用1 /3封頂塊

17、方案, 大直徑盾構(gòu)隧道3種分塊方案均有采用,其中以1 /3封頂塊方案最多。 </p><p>　　《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：襯砌環(huán)的分塊，應(yīng)根據(jù)管片制作、運(yùn)輸、盾構(gòu)設(shè)備、施工方法和受力要求確定。單線區(qū)間隧道可采用6～8塊；雙線區(qū)間隧道為8～12塊[3]。我國(guó)地鐵盾構(gòu)區(qū)間管片分塊數(shù)基本均為6塊，即3塊標(biāo)準(zhǔn)塊+2塊鄰接塊+1塊K型塊。早期在上海地鐵試驗(yàn)段曾進(jìn)行過(guò)四分塊的試驗(yàn)，但是實(shí)踐中由于管片較大，運(yùn)輸、拼裝作業(yè)相對(duì)不便

18、，因此此種方案已經(jīng)被淘汰。 </p><p>　?。?）K型塊插入方式的確定及詳細(xì)尺寸的設(shè)計(jì) </p><p>　　封頂塊的拼裝方式可采用徑向插入、縱向插入及先徑向再縱向插入等方式。以往徑向插入是比較多用的形式，其應(yīng)用實(shí)例較多，但是在B-K間的接頭由于半徑方向的斜度作用，作用于接頭處的軸向力的分力將以剪力形式出現(xiàn)（將該比率稱(chēng)之為鍵系數(shù)），這樣K型管片將易于產(chǎn)生掉到隧道內(nèi)側(cè)等問(wèn)題。如果使用縱

19、向插入方式，則需要較大的千斤頂行程,盾構(gòu)的尾部將邊長(zhǎng)，增加了盾構(gòu)機(jī)的造價(jià)，且往往出現(xiàn)操作性不好的情況。 </p><p>　　如果是徑向插入型管片，對(duì)于其中的K型管片的接頭角度（）依下式計(jì)算： </p><p><b>　　= （1） </b></p><p>　　上式中是便于K型管片插入所需要的富余角度，一般采用2.5～5.5°，但

20、是在不妨礙操作的前提下，小一些為好。另外，K型管片的中心角，一般來(lái)說(shuō)對(duì)于混凝土管片以?xún)?nèi)徑為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于鋼管片以外徑為標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　如果是縱向插入型管片，K型管片的插入角度（），考慮包括盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度在內(nèi)的施工條件和管片接頭與管片環(huán)之間的干擾確定。插入角度多取決于施工條件，以1∶7～1∶10為宜。 </p><p><b>　　管片的拼裝方式 </b><

21、/p><p>　　管片的拼裝方式有通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝兩種。 </p><p>　　錯(cuò)縫拼裝的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使圓環(huán)接縫剛度分布均勻，提高了管片襯砌的縱向剛度，減少接縫及整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形[4]。同時(shí)由于接縫形式不再是“十”字形，縱環(huán)縫相交處僅有三縫交匯，因此增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性，提高了防水性能。 </p><p><b>　　管片的楔形量 </b></

22、p><p>　　在楔形管片環(huán)中最大寬度及最小寬度之差稱(chēng)之為楔形量。襯砌環(huán)楔形量應(yīng)根據(jù)隧道平面曲線半徑、豎曲線半徑及線路糾偏需要等因素確定。 </p><p>　　楔形量的計(jì)算當(dāng)以楔形環(huán)的最大寬度為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可用下式計(jì)算[7]： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中―楔形量（mm）； <

23、/p><p>　　―隧道中心曲線半徑（mm）； </p><p><b>　　―楔形環(huán)數(shù)； </b></p><p><b>　　―普通環(huán)數(shù)； </b></p><p>　　―楔形環(huán)的最大寬度（mm）； </p><p>　　―普通環(huán)的寬度（mm）； </p>&l

24、t;p>　　―管片外徑（mm）。 </p><p>　　當(dāng)選擇一定轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)楔形環(huán)時(shí),管片環(huán)楔形量近似計(jì)算公式如下： </p><p><b>　　（3） </b></p><p><b>　　管片連接方式 </b></p><p>　　在隧道橫斷面上連接管片環(huán)的部分稱(chēng)為管片接頭，既縱縫。在

25、隧道縱斷面上連接管片環(huán)形成隧道的部分稱(chēng)為管片環(huán)接頭，既環(huán)縫。早期的管片接頭多為剛性的，認(rèn)為越剛越安全， 通過(guò)長(zhǎng)期的實(shí)踐和研究，這種觀念逐漸為后來(lái)的柔性結(jié)構(gòu)思想所替代。 </p><p>　　接頭結(jié)構(gòu)常采用的種類(lèi)有:螺栓接頭、鉸接頭、銷(xiāo)插入型接頭、楔形接頭、榫接頭等多種類(lèi)型。目前我國(guó)交通類(lèi)盾構(gòu)隧道大多修建于軟土地區(qū)，地層一般承載力較低，不宜采用剛度較大的接頭，一般均采用永久性連接的螺栓接頭。 </p>

26、<p>　　目前,國(guó)內(nèi)外隧道工程常用的螺栓連接主要有5種: 單彎螺栓、短直雙頭螺栓、組合螺栓、斜螺栓、短直單頭螺栓。斜螺栓手孔面積最小,對(duì)管片損傷最小,施工較為方便,目前大型盾構(gòu)隧道管片多采用斜螺栓連接形式;但地鐵盾構(gòu)區(qū)間等小直徑盾構(gòu)隧道由于管片厚度較薄,不適宜采用斜螺栓形式,多采用彎螺栓結(jié)構(gòu)形式，上海地鐵等軟土盾構(gòu)隧道也有采用短直雙頭螺栓的實(shí)例。 </p><p><b>　　管片防水設(shè)計(jì)

27、 </b></p><p>　　管片防水設(shè)計(jì)主要包括管片的自防水及接縫防水、螺栓密封防水等內(nèi)容。 </p><p>　　《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》明確規(guī)定盾構(gòu)隧道管片混凝土標(biāo)號(hào)不能低于C50，防水混凝土抗?jié)B等級(jí)不得小于P8。 </p><p>　　管片接縫防水包括管片間的密封墊防水、隧道內(nèi)側(cè)相鄰管片間的嵌縫防水以及必要時(shí)向接縫內(nèi)注漿等，其中密封墊防水最重要也最可靠

28、，是接縫防水的重點(diǎn)。管片接縫一般設(shè)置1～2道密封墊防水措施，其中城市地鐵根據(jù)規(guī)范規(guī)定至少設(shè)置1道，公路、鐵路過(guò)江、過(guò)海等水壓較高的盾構(gòu)隧道一般設(shè)置2道密封墊。 </p><p>　　在管片內(nèi)側(cè)接縫一般均設(shè)置嵌縫槽，其深寬比大于2.5，槽深宜為25 ～55 mm，單面槽寬宜為3～10mm。 </p><p>　　管片接縫張開(kāi)量的計(jì)算 </p><p>　　在荷載作用下

29、管片接縫張開(kāi)量的大小是控制管片接縫防水最直接的要素。目前接縫張開(kāi)量一般先采用理論公式進(jìn)行計(jì)算，然后再進(jìn)行管片原型加載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。 </p><p>　　管片縱縫張開(kāi)量計(jì)算可以根據(jù)接縫處計(jì)算內(nèi)力、，把管片等效成鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，按照鋼筋混凝土截面核算辦法進(jìn)行，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。 </p><p>　　圖1 縱縫張開(kāi)量計(jì)算簡(jiǎn)圖 </p><p><b>

30、　?。?） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中―接縫張開(kāi)量； </p><p><b>　　―接縫張開(kāi)角； </b></p><p><b>

31、;　　―計(jì)算彎矩； </b></p><p><b>　　―管片彈性模量； </b></p><p><b>　　―管片慣性矩。 </b></p><p>　　管片環(huán)縫張開(kāi)量需要根據(jù)隧道縱向變形進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。 </p><p>　　圖2 環(huán)縫張開(kāi)量計(jì)算簡(jiǎn)圖 </p&

32、gt;<p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中―環(huán)縫中彈性防水密封墊在設(shè)計(jì)水壓力作用下，允許的張開(kāi)值（mm）； </p><p>　　―管片環(huán)寬（mm）； </p><p>　　―隧道外徑（mm）； </p><p>　　―生產(chǎn)及施工造成的環(huán)縫間隙； </p><p

33、>　　―隧道鄰近建筑物及樁基沉降等引起的隧道撓曲和接縫張開(kāi)值（mm）； </p><p>　　―隧道縱向變形曲線最小曲線半徑（mm）。 </p><p>　　、盾構(gòu)管片細(xì)部設(shè)計(jì) </p><p><b>　　榫槽的設(shè)置 </b></p><p>　　榫槽的設(shè)置必須根據(jù)所處的地層條件確定，同時(shí)還要考慮到管片和管模的生

34、產(chǎn)。榫槽的設(shè)置提高了接縫剛度，有利于控制不均勻沉降，在管片拼裝中起到正確的定位作用，同時(shí)在管片不被擠裂的情況下，也提高了管片接縫的防水效果。但榫槽的設(shè)置增加了管模的制作成本，對(duì)高精度管片的生產(chǎn)也有一定影響，同時(shí)也是拼裝和后期沉降過(guò)程中管片開(kāi)裂的因素之一，客觀上又削弱了管片的防水性能。國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是在富水的軟流塑地層中一般都會(huì)設(shè)置榫槽。 </p><p><b>　　管片螺栓設(shè)計(jì) </b>&

35、lt;/p><p>　　管片螺栓的設(shè)計(jì)主要包括抗拉及抗剪設(shè)計(jì)。其中抗剪設(shè)計(jì)是根據(jù)管片結(jié)構(gòu)受所受剪力檢驗(yàn)截面所配螺栓是否可以承擔(dān)。 </p><p>　　管片螺栓的抗拉設(shè)計(jì)可參考鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。首先應(yīng)判斷在所受彎矩及軸力條件下，截面是大偏心還是小偏心受壓構(gòu)件，然后根據(jù)力矩及力平衡方程推導(dǎo)出螺栓所受拉力，最后根據(jù)所配螺栓的個(gè)數(shù)及等級(jí)進(jìn)行螺栓的抗拉強(qiáng)度檢算。一般情況下螺栓的安全系

36、數(shù)應(yīng)大于1.5。部分軌道交通盾構(gòu)隧道螺栓設(shè)置情況列于表2，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參考。 </p><p><b>　　管片手孔設(shè)計(jì) </b></p><p>　　國(guó)內(nèi)的地鐵盾構(gòu)大約6米的直徑，管片聯(lián)結(jié)螺栓一般采用27~36mm，螺栓孔與螺栓的間隙不能太大，太大則易發(fā)生管片錯(cuò)臺(tái)，受力情況不好，如果太小，對(duì)拼裝十分不利，一般來(lái)說(shuō)間隙以3~5mm為佳。手孔各部分尺寸詳見(jiàn)圖3，其

37、中d為螺栓直徑，D為螺帽對(duì)角線尺寸。 </p><p>　　圖3 手孔各部分尺寸 </p><p>　　部分軌道交通盾構(gòu)隧道螺栓設(shè)置情況表 表2 </p><p><b>　　、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)軌道交通工程常用盾構(gòu)管片細(xì)部尺寸的研究及歸納，本文詳細(xì)論述了各尺寸的設(shè)計(jì)方法及注意事項(xiàng)，為盾構(gòu)管片

38、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供了一些思路，同時(shí)可供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參考。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. CJJ 96―2003 地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003. </p><p>　　[2] 裴利華.盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009（12）