1、引言

　　盾構工法自問(wèn)世以業(yè)，由于在節約地下空間資源、減少對周邊環(huán)境的影響、降低工程造價(jià)等方面的獨到的優(yōu)勢而逐漸在地鐵、市政等工程建設中得到廣泛應用。

　　本文主要以廣州軌道交通二、八號線(xiàn)廣州新客站~石壁站盾構區間為工程背景，闡述盾構區間設計要點(diǎn)。

　　2、工程概況

　　廣州軌道交通廣州新客站～石壁站區間左線(xiàn)全長(cháng)728.862 m（含長(cháng)鏈0.126）；右線(xiàn)全長(cháng)728.41m；區間全采用盾構施工，其中在Z（Y）CK1+100處設一聯(lián)絡(luò )通道；最小曲線(xiàn)半徑為1500m，最大縱坡為15.668‰，最大坡長(cháng)為530m。

　　廣州新客站~石壁站區間總平面圖

　　廣州新客站~石壁站區間縱斷面圖

　　3、主要設計原則及標準結構設計應滿(mǎn)足施工、運營(yíng)、城市規劃、人防、防水、防火、防迷流的要求；結構應具有足夠的強度和耐久性，以滿(mǎn)足使用期的需要。

　　結構的設計使用年限為100年；結構的安全等級為一級；區間隧道結構防水等級為二級；盾構圓形隧道限界為5200mm.

　　4、工程地質(zhì)與水文地質(zhì)本工程盾構施工穿越的土層為：<3-2> 中粗砂、<4-1>粉質(zhì)粘土、<5-2> 硬塑粉質(zhì)粘土、<7>白堊系紅層強風(fēng)化帶。隧道覆土埋深5m~9m，

　　5、管片構造設計１）隧道內徑：

　　地鐵圓形隧道限界為φ5200mm的圓。隧道內徑的確定應綜合考慮限界、施工誤差、測量誤差、線(xiàn)路擬合誤差、不均勻沉降等因素。

　　結合廣州地鐵的成功經(jīng)驗，隧道的內徑定為5400mm.

　�。玻┕芷�形式及厚度：

　　根據廣州、上海等地地鐵盾構法區間隧道和國外類(lèi)似工程的成功經(jīng)驗，表明采用具有一定剛度的單層柔性襯砌是合理的。其襯砌的變形、接縫張開(kāi)及混凝土裂縫開(kāi)展等均能控制在預期的要求內，完全能滿(mǎn)足地鐵隧道的設計要求；且使用單層襯砌，施工工藝簡(jiǎn)單、工程實(shí)施周期短、投資省。鑒于以上理由，盾構隧道采用單層裝配式襯砌，管片形式選擇當前常用的平板型鋼筋混凝土管片�？紤]結構100年使用壽命及參照已有工程實(shí)例，鋼筋砼襯砌的厚度采用300mm，采用C50混凝土管片。

　�。常┕芷�的寬度及分塊：

　　襯砌環(huán)環(huán)寬越大，即管片寬度越寬，襯砌環(huán)節縫越少，因而漏水環(huán)節、螺栓數量越少，施工速度越快，費用越省。但盾構機千斤頂的行程要大，施工難度亦有一定提高，在小半徑曲線(xiàn)上，1.5m管片比1.2m、1.0m寬管片的設計擬合誤差大，但本工程盾構隧道最小曲線(xiàn)半徑為1500m，擬合誤差很小。

　　與環(huán)寬1.2m的管片相比，采用環(huán)寬1.5m的管片有以下優(yōu)點(diǎn)：一方面，減少了20%的環(huán)向接縫數量，降低了接縫漏水的幾率，提高隧道防水質(zhì)量；另一方面，降低了接縫止水材料和連接螺栓的使用量；此外還可減少20%的拼裝時(shí)間，提高了施工速度。

　　根據目前廣州的盾構機機械情況，綜合考慮管片的制作、運輸、拼裝及曲線(xiàn)施工的需要，決定采用了1.5m的環(huán)寬。

　　襯砌環(huán)的分塊主要由管片制作、防水、運輸、拼裝、結構受力性能等因素確定。地鐵隧道管片常用分塊數為六塊和七塊兩種。分六塊和分七塊在制作、運輸、施工方面沒(méi)有大的差別。在國內上海地鐵一號線(xiàn)、廣州地鐵一、二、三號線(xiàn)盾構區間隧道都采用六塊方案。

　　根據隧道的實(shí)踐經(jīng)驗，考慮到施工方便以及結構受力的需要，目前封頂塊一般趨向于采用小封頂塊形式。封頂塊的拼裝形式有徑向楔入、縱向插入等幾種。徑向插入者其半徑方向的兩邊邊線(xiàn)必須呈內八字形或者平行，受荷后有向下滑動(dòng)的趨勢，受力不利。采用縱向插入形式的封頂塊受力情況較好，受荷后不易向內滑動(dòng)，其缺點(diǎn)是需加長(cháng)盾構千斤頂的行程。

　　本設計確定采用六塊方案，一塊封頂塊，兩塊鄰接塊，三塊標準塊。

　�。矗┉h(huán)、縱縫及連接構造：

　　管片接縫構造包括密封墊槽、嵌縫槽及凹凸榫的設計，其中前者為通用的構造方式，而凹凸榫的設置與否在不同時(shí)期、不同區域的工程實(shí)踐中有著(zhù)不同的理解。凹凸榫的設置有助于提高接縫剛度、控制不均勻沉降、改善接縫防水性能，也有利于管片拼裝就位，但與此同時(shí)增加了管片制作、拼裝的難度，是拼裝和后期沉降過(guò)程中管片開(kāi)裂的因素之一，客觀(guān)上又削弱了管片防水性能。

　　根據本段地質(zhì)情況同時(shí)考慮降低施工難度，環(huán)縱縫均不設凹凸榫。

　　管片環(huán)面外側設有彈性密封墊槽，內側設嵌縫槽。環(huán)與環(huán)之間以10根M24的縱向螺栓連接，既能適應一定的變形，又能將隧道縱向變形控制在滿(mǎn)足防水要求的范圍內。管片的塊與塊之間以12根M24的環(huán)向螺栓相連，能有效減小縱縫張開(kāi)及結構變形。

　　管片之間及襯砌環(huán)間的連接方式，從力學(xué)特性來(lái)看，可分為柔性連接及剛性連接。實(shí)踐證明，剛性連接不僅拼裝麻煩、造價(jià)高，而且會(huì )在襯砌環(huán)中產(chǎn)生較大的次應力，帶來(lái)不良后果。因此，目前較為通用的是柔性連接。

　　按螺栓連接形狀又可分為彎螺栓連接、直螺栓連接、斜螺栓連接和榫槽加銷(xiāo)軸等方式。彎螺栓連接的接頭具有一定的自由度，十分方便安裝。彎螺栓在德國、法國、英國、新加坡、丹麥等許多國家的地鐵交通項目及國內地鐵中廣泛應用，這種接頭系統都非常成功。直螺栓和斜螺栓是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的管片連接形式，其手孔體積小，管片強度損失很小，而且容易實(shí)現機械快速安裝，但安裝難度較高，施工誤差要求較小。

　　根據廣州地鐵一、二號線(xiàn)及三號線(xiàn)的成功經(jīng)驗，本設計管片塊與塊、環(huán)與環(huán)之間采用在廣州應用比較成熟的彎螺栓連接。

　�。担├�、端肋的構造

　　手孔形式設計時(shí)，為減少更多的手孔處削弱，考慮到環(huán)肋、端肋的設計需要，環(huán)肋、端肋的長(cháng)度約為180mm.

　�。叮┮r砌環(huán)形式及拼裝方式

　　襯砌環(huán)形式：

　　為了滿(mǎn)足盾構隧道在曲線(xiàn)上偏轉及蛇行糾偏的需要，應設計楔形襯砌環(huán)。目前國際上通常采用的襯砌環(huán)類(lèi)型有三種。

　　A）楔形襯砌環(huán)與直線(xiàn)襯砌環(huán)的組合。

　　盾構隧道在曲線(xiàn)上是以若干段折線(xiàn)（最短折線(xiàn)長(cháng)度為一環(huán)襯砌環(huán)寬）來(lái)擬合設計的光滑曲線(xiàn)。設計和施工是采用楔形襯砌環(huán)與直線(xiàn)襯砌環(huán)的優(yōu)選及組合進(jìn)行線(xiàn)路擬合的。根據線(xiàn)路轉彎方向及施工糾偏的需要，設計左轉彎、右轉彎楔形襯砌環(huán)及直線(xiàn)襯砌環(huán)。設計時(shí)根據線(xiàn)路條件進(jìn)行全線(xiàn)襯砌環(huán)的排列，以使隧道設計擬合誤差控制在允許范圍之內。盾構推進(jìn)時(shí)，依據排列圖及當前施工誤差，確定下一環(huán)襯砌類(lèi)型。由于采用的襯砌環(huán)類(lèi)型不完全確定，所以給管片供應帶來(lái)一定難度。

　　B）通用型管片。

　　目前歐洲較為流行通用管片。它只采用一種類(lèi)型的楔形襯砌環(huán)，盾構掘進(jìn)時(shí)通過(guò)盾構機內環(huán)向千斤頂的傳感器的信息確定下環(huán)轉動(dòng)的角度，以使楔形量最大處置于千斤頂行程最長(cháng)處，也就是說(shuō)，管片襯砌環(huán)是可以360°旋轉的。深圳地鐵首次采用通用管片。由于它只需一種管片類(lèi)型，可降低管模成本，不會(huì )因管片類(lèi)型供應不上造成工程質(zhì)量問(wèn)題。但是通用管片拼裝難度較高，需要有經(jīng)驗的盾構機操作人員。

　　C）楔形襯砌環(huán)之間相互組合。

　　這種管片組合形式，國內目前只有在南京地鐵施工中使用。它采用幾種類(lèi)型的楔形襯砌環(huán)，設計和施工是采用楔形襯砌環(huán)與楔形襯砌環(huán)的優(yōu)選及組合進(jìn)行線(xiàn)路擬合的。根據線(xiàn)路偏轉方向及施工糾偏的需要，設計左轉彎、右轉彎楔形襯砌環(huán)，在直線(xiàn)段通過(guò)左轉彎和右轉彎襯砌環(huán)一一對應組合形成直線(xiàn)。設計時(shí)根據線(xiàn)路條件進(jìn)行全線(xiàn)襯砌環(huán)的排列，以使隧道設計擬合誤差控制在允許范圍之內。盾構推進(jìn)時(shí)，依據排列圖及當前施工誤差，確定下一環(huán)襯砌類(lèi)型。由于采用的襯砌環(huán)類(lèi)型不完全確定，所以給管片供應帶來(lái)一定難度。

　　結合廣州的實(shí)際情況，采用標準環(huán)、左轉彎環(huán)、右轉彎環(huán)三種襯砌環(huán)形式，其中轉彎環(huán)用于隧道糾偏。

　�。罚┕芷�拼裝形式：

　　襯砌環(huán)的拼裝形式有錯縫、通縫兩種拼裝形式。錯縫拼裝能使圓環(huán)接縫剛度分布趨于均勻，減少結構變形，可取得較好的空間剛度，但襯砌環(huán)較通縫拼裝內力大，且管片制作精度不夠時(shí)容易在推進(jìn)過(guò)程中被頂裂，甚至頂碎。通縫拼裝施工難度小，襯砌環(huán)內力較錯縫襯砌環(huán)小，可減少管片配筋量，但襯砌空間剛度稍差。

　　根據廣州地鐵一、二及三號線(xiàn)的成功經(jīng)驗及現有的管片制作精度水平，本工程確定管片拼裝方式采用錯縫拼裝。

　�。福┕芷瑯耸�

　　每環(huán)管片分為六塊，即三塊標準塊（A1、A2、A3），兩塊鄰接塊（B，C）和一塊封頂塊（K）。襯砌環(huán)的種類(lèi)有標準環(huán)（P）、左轉彎（L）和右轉彎楔形環(huán)（R）。

　　管片標示分為永久標示和臨時(shí)標示。永久標示在鋼模制造時(shí)就鏡像鑄于鋼模上的，主要反映管片環(huán)類(lèi)型（標準環(huán)、左轉彎環(huán)、右轉彎環(huán)）、塊類(lèi)型（標準塊、鄰接塊、封頂塊）、管片端面對接標志及螺栓孔對接標志。臨時(shí)標示為管片脫模后噴涂的，主要標示管片流水號碼、生產(chǎn)日期。

　�。梗┨厥夤芷�設計

　　緊急疏散聯(lián)絡(luò )通道及廢水泵房通道與正線(xiàn)隧道相接處的管片，設計為可以在正線(xiàn)隧道內部拆除局部管片的特殊管片環(huán)。

　　特殊管片采用鋼管片時(shí)，臨時(shí)鋼管片拆卸方便，但加工難度大，成本高；采用鋼筋混凝土管片雖拆卸難度較高，但成本低，制作簡(jiǎn)單。鋼筋混凝土切割和植筋技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常普遍，建議采用鋼筋混凝土特殊管片。

　　6、管片結構設計

　　6.1計算原則

　�。保┥靶酝林胁捎盟�土分算計算水土壓力，粘性土中采用水土合算計算水土壓力；

　�。玻┴Q直荷載考慮上覆土重。地層反力與豎向水土壓力、襯砌自重和地面超載相平衡；

　�。常﹤认蚝奢d根據地層的側壓力系數或c、φ角計算；地面超載采用20KPa；

　�。矗┑卣鹱饔门c主要荷載組合進(jìn)行結構驗算，并提高接頭的整體抗震能力；

　�。担┮r砌計算中考慮接頭剛度的影響以及拼裝應力、盾構千斤頂力的影響等施工荷載。

　�。叮┙Y構抗浮安全系數：考慮摩阻力時(shí)≥1.15，不考慮摩阻力時(shí)≥1.05

　�。罚┕芷�裂縫寬度≤0.2mm.

　　6.2計算荷載盾構隧道結構設計主要考慮以下荷載：

　　﹒地面超載（一般情況下按20kpa計）

　　﹒結構自重G

　　﹒垂直和水平土壓力Q1、E1-E2

　　﹒水壓力

　　﹒側向地層抗力

　　﹒地層反力

　　﹒施工荷載（盾構千斤頂力）

　　﹒結構內部荷載

　　﹒特殊荷載（地震荷載、人防荷載）

　　結構設計時(shí)，分別就施工階段、正常運行階段可能出現的最不利荷載組合進(jìn)行結構強度、剛度和裂縫寬度驗算。但特殊荷載階段每次僅對一種特殊荷載進(jìn)行組合，并考慮材料強度綜合調整系數（不需驗算裂縫寬度）。

　　6.3計算簡(jiǎn)圖計算斷面采用YCK1+400處斷面，埋深約9m，計算荷載采用標準值，計算結果見(jiàn)圖4.1-2：

　　圖1計算模型

　　6.4分析

　　配筋情況（每環(huán)）：

　　環(huán)向鋼筋：12φ18；縱向鋼筋：18￠10.具體配筋見(jiàn)下圖：

　　管片標準塊配筋圖

　　7、結論1、盾構隧道采用單層襯砌柔性結構可以滿(mǎn)足結構受力及變形等要求；

　　2、管片配筋含鋼量154.5kg/m3，即保證了結構承載要求，同時(shí)又具有一定的經(jīng)濟性。

　　參考文獻

　　1.《地鐵設計規范》（GB50157-2003），北京：中國計劃出版社，2003

　　2.《地下鐵道工程施工及驗收規范》（GB50299-1999），北京：中國計劃出版社，1999