浅论盾构区间结构设计

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    1、引言

    盾构工法自问世以业,由于在节约地下空间资源、减少对周边环境的影响、降低工程造价等方面的独到的优势而逐渐在地铁、市政等工程建设中得到广泛应用。

    本文主要以广州轨道交通二、八号线广州新客站~石壁站盾构区间为工程背景,阐述盾构区间设计要点。

    2、工程概况

    广州轨道交通广州新客站~石壁站区间左线全长728.862 m(含长链0.126);右线全长728.41m;区间全采用盾构施工,其中在Z(Y)CK1+100处设一联络通道;最小曲线半径为1500m,最大纵坡为15.668‰,最大坡长为530m。

    广州新客站~石壁站区间总平面图

    广州新客站~石壁站区间纵断面图

    3、主要设计原则及标准结构设计应满足施工、运营、城市规划、人防、防水、防火、防迷流的要求;结构应具有足够的强度和耐久性,以满足使用期的需要。

    结构的设计使用年限为100年;结构的安全等级为一级;区间隧道结构防水等级为二级;盾构圆形隧道限界为5200mm.

    4、工程地质与水文地质本工程盾构施工穿越的土层为:<3-2> 中粗砂、<4-1>粉质粘土、<5-2> 硬塑粉质粘土、<7>白垩系红层强风化带。隧道覆土埋深5m~9m,

    5、管片构造设计1)隧道内径:

    地铁圆形隧道限界为φ5200mm的圆。隧道内径的确定应综合考虑限界、施工误差、测量误差、线路拟合误差、不均匀沉降等因素。

    结合广州地铁的成功经验,隧道的内径定为5400mm.

    2)管片形式及厚度:

    根据广州、上海等地地铁盾构法区间隧道和国外类似工程的成功经验,表明采用具有一定刚度的单层柔性衬砌是合理的。其衬砌的变形、接缝张开及混凝土裂缝开展等均能控制在预期的要求内,完全能满足地铁隧道的设计要求;且使用单层衬砌,施工工艺简单、工程实施周期短、投资省。鉴于以上理由,盾构隧道采用单层装配式衬砌,管片形式选择当前常用的平板型钢筋混凝土管片。考虑结构100年使用寿命及参照已有工程实例,钢筋砼衬砌的厚度采用300mm,采用C50混凝土管片。

    3)管片的宽度及分块:

    衬砌环环宽越大,即管片宽度越宽,衬砌环节缝越少,因而漏水环节、螺栓数量越少,施工速度越快,费用越省。但盾构机千斤顶的行程要大,施工难度亦有一定提高,在小半径曲线上,1.5m管片比1.2m、1.0m宽管片的设计拟合误差大,但本工程盾构隧道最小曲线半径为1500m,拟合误差很小。

    与环宽1.2m的管片相比,采用环宽1.5m的管片有以下优点:一方面,减少了20%的环向接缝数量,降低了接缝漏水的几率,提高隧道防水质量;另一方面,降低了接缝止水材料和连接螺栓的使用量;此外还可减少20%的拼装时间,提高了施工速度。

    根据目前广州的盾构机机械情况,综合考虑管片的制作、运输、拼装及曲线施工的需要,决定采用了1.5m的环宽。

    衬砌环的分块主要由管片制作、防水、运输、拼装、结构受力性能等因素确定。地铁隧道管片常用分块数为六块和七块两种。分六块和分七块在制作、运输、施工方面没有大的差别。在国内上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线盾构区间隧道都采用六块方案。

    根据隧道的实践经验,考虑到施工方便以及结构受力的需要,目前封顶块一般趋向于采用小封顶块形式。封顶块的拼装形式有径向楔入、纵向插入等几种。径向插入者其半径方向的两边边线必须呈内八字形或者平行,受荷后有向下滑动的趋势,受力不利。采用纵向插入形式的封顶块受力情况较好,受荷后不易向内滑动,其缺点是需加长盾构千斤顶的行程。

    本设计确定采用六块方案,一块封顶块,两块邻接块,三块标准块。

    4)环、纵缝及连接构造:

    管片接缝构造包括密封垫槽、嵌缝槽及凹凸榫的设计,其中前者为通用的构造方式,而凹凸榫的设置与否在不同时期、不同区域的工程实践中有着不同的理解。凹凸榫的设置有助于提

www.fang668.com 高接缝刚度、控制不均匀沉降、改善接缝防水性能,也有利于管片拼装就位,但与此同时增加了管片制作、拼装的难度,是拼装和后期沉降过程中管片开裂的因素之一,客观上又削弱了管片防水性能。

    根据本段地质情况同时考虑降低施工难度,环纵缝均不设凹凸榫。

    管片环面外侧设有弹性密封垫槽,内侧设嵌缝槽。环与环之间以10根M24的纵向螺栓连接,既能适应一定的变形,又能将隧道纵向变形控制在满足防水要求的范围内。管片的块与块之间以12根M24的环向螺栓相连,能有效减小纵缝张开及结构变形。

    管片之间及衬砌环间的连接方式,从力学特性来看,可分为柔性连接及刚性连接。实践证明,刚性连接不仅拼装麻烦、造价高,而且会在衬砌环中产生较大的次应力,带来不良后果。因此,目前较为通用的是柔性连接。

    按螺栓连接形状又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接、斜螺栓连接和榫槽加销轴等方式。弯螺栓连接的接头具有一定的自由度,十分方便安装。弯螺栓在德国、法国、英国、新加坡、丹麦等许多国家的地铁交通项目及国内地铁中广泛应用,这种接头系统都非常成功。直螺栓和斜螺栓是近年来发展起来的管片连接形式,其手孔体积小,管片强度损失很小,而且容易实现机械快速安装,但安装难度较高,施工误差要求较小。

    根据广州地铁一、二号线及三号线的成功经验,本设计管片块与块、环与环之间采用在广州应用比较成熟的弯螺栓连接。

    5)肋、端肋的构造

    手孔形式设计时,为减少更多的手孔处削弱,考虑到环肋、端肋的设计需要,环肋、端肋的长度约为180mm.

    6)衬砌环形式及拼装方式

    衬砌环形式:

    为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要,应设计楔形衬砌环。目前国际上通常采用的衬砌环类型有三种。

    A)楔形衬砌环与直线衬砌环的组合。

    盾构隧道在曲线上是以若干段折线(最短折线长度为一环衬砌环宽)来拟合设计的光滑曲线。设计和施工是采用楔形衬砌环与直线衬砌环的优选及组合进行线路拟合的。根据线路转弯方向及施工纠偏的需要,设计左转弯、右转弯楔形衬砌环及直线衬砌环。设计时根据线路条件进行全线衬砌环的排列,以使隧道设计拟合误差控制在允许范围之内。盾构推进时,依据排列图及当前施工误差,确定下一环衬砌类型。由于采用的衬砌环类型不完全确定,所以给管片供应带来一定难度。

    B)通用型管片。

    目前欧洲较为流行通用管片。它只采用一种类型的楔形衬砌环,盾构掘进时通过盾构机内环向千斤顶的传感器的信息确定下环转动的角度,以使楔形量最大处置于千斤顶行程最长处,也就是说,管片衬砌环是可以360°旋转的。深圳地铁首次采用通用管片。由于它只需一种管片类型,可降低管模成本,不会因管片类型供应不上造成工程质量问题。但是通用管片拼装难度较高,需要有经验的盾构机操作人员。

    C)楔形衬砌环之间相互组合。

    这种管片组合形式,国内目前只有在南京地铁施工中使用。它采用几种类型的楔形衬砌环,设计和施工是采用楔形衬砌环与楔形衬砌环的优选及组合进行线路拟合的。根据线路偏转方向及施工纠偏的需要,设计左转弯、右转弯楔形衬砌环,在直线段通过左转弯和右转弯衬砌环一一对应组合形成直线。设计时根据线路条件进行全线衬砌环的排列,以使隧道设计拟合误差控制在允许范围之内。盾构推进时,依据排列图及当前施工误差,确定下一环衬砌类型。由于采用的衬砌环类型不完全确定,所以给管片供应带来一定难度。

    结合广州的实际情况,采用标准环、左转弯环、右转弯环三种衬砌环形式,其中转弯环用于隧道纠偏。

    7)管片拼装形式:

    衬砌环的拼装形式有错缝、通缝两种拼装形式。错缝拼装能使圆环接缝刚度分布趋于均匀,减少结构变形,可取得较好的空间刚度,但衬砌环较通缝拼装内力大,且管片制作精度不够时容易在推进过程中被顶裂,甚至顶碎。通缝拼装施工难度小,衬砌环内力较错缝衬砌环小,可减少管片配筋量,但衬砌空间刚度稍差。

    根据广州地铁一、二及三号线的成功经验及现有的管片制作精度水平,本工程确定管片拼装方式采用错缝拼装。

    8)管片标示

    每环管片分为六块,即三块标准块(A1、A2、A3),两块邻接块(B,C)和一块封顶块(K)。衬砌环的种类有标准环(P)、左转弯(L)和右转弯楔形环(R)。

    管片标示分为永久标示和临时标示。永久标示在钢模制造时就镜像铸于钢模上的,主要反映管片环类型(标准环、左转弯环、右转弯环)、块类型(标准块、邻接块、封顶块)、管片端面对接标志及螺栓孔对接标志。临时标示为管片脱模后喷涂的,主要标示管片流水号码、生产日期。

　９）特殊管片设计

　　紧急疏散联络通道及废水泵房通道与正线隧道相接

www.fang668.com 处的管片，设计为可以在正线隧道内部拆除局部管片的特殊管片环。

　　特殊管片采用钢管片时，临时钢管片拆卸方便，但加工难度大，成本高；采用钢筋混凝土管片虽拆卸难度较高，但成本低，制作简单。钢筋混凝土切割和植筋技术的发展已经非常普遍，建议采用钢筋混凝土特殊管片。

　　6、管片结构设计

　　6.1计算原则

　　１）砂性土中采用水土分算计算水土压力，粘性土中采用水土合算计算水土压力；

　　２）竖直荷载考虑上覆土重。地层反力与竖向水土压力、衬砌自重和地面超载相平衡；

　　３）侧向荷载根据地层的侧压力系数或c、φ角计算；地面超载采用20KPa；

　　４）地震作用与主要荷载组合进行结构验算，并提高接头的整体抗震能力；

　　５）衬砌计算中考虑接头刚度的影响以及拼装应力、盾构千斤顶力的影响等施工荷载。

　　６）结构抗浮安全系数：考虑摩阻力时≥1.15，不考虑摩阻力时≥1.05

　　７）管片裂缝宽度≤0.2mm.

　　6.2计算荷载盾构隧道结构设计主要考虑以下荷载：

　　﹒地面超载（一般情况下按20kpa计）

　　﹒结构自重G

　　﹒垂直和水平土压力Q1、E1-E2

　　﹒水压力

　　﹒侧向地层抗力

　　﹒地层反力

　　﹒施工荷载（盾构千斤顶力）

　　﹒结构内部荷载

　　﹒特殊荷载（地震荷载、人防荷载）

　　结构设计时，分别就施工阶段、正常运行阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝宽度验算。但特殊荷载阶段每次仅对一种特殊荷载进行组合，并考虑材料强度综合调整系数（不需验算裂缝宽度）。

　　6.3计算简图计算断面采用YCK1+400处断面，埋深约9m，计算荷载采用标准值，计算结果见图4.1-2：

　　图1计算模型

　　6.4分析

　　配筋情况（每环）：

　　环向钢筋：12φ18；纵向钢筋：18￠10.具体配筋见下图：

    管片标准块配筋图

    7、结论1、盾构隧道采用单层衬砌柔性结构可以满足结构受力及变形等要求;

    2、管片配筋含钢量154.5kg/m3,即保证了结构承载要求,同时又具有一定的经济性。

    参考文献

    1.《地铁设计规范》(GB50157-2003),北京:中国计划出版社,2003
    2.《地下铁道工程施工及验收规范》(GB50299-1999),北京:中国计划出版社,1999

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