淺淡盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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　　1、引言

　　盾構(gòu)工法自問(wèn)世以業(yè)，由于在節(jié)約地下空間資源、減少對(duì)周邊環(huán)境的影響、降低工程造價(jià)等方面的獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)而逐漸在地鐵、市政等工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

　　本文主要以廣州軌道交通二、八號(hào)線廣州新客站~石壁站盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，闡述盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

　　2、工程概況

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

　　廣州新客站~石壁站區(qū)間總平面圖

　　廣州新客站~石壁站區(qū)間縱斷面圖

　　3、主要設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足施工、運(yùn)營(yíng)、城市規(guī)劃、人防、防水、防火、防迷流的要求；結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和耐久性，以滿足使用期的需要。

　　結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年；結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)；區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為二級(jí)；盾構(gòu)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(gòu)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(qiáng)風(fēng)化帶。隧道覆土埋深5m~9m，

　　5、管片構(gòu)造設(shè)計(jì)１）隧道內(nèi)徑：

　　地鐵圓形隧道限界為φ5200mm的圓。隧道內(nèi)徑的確定應(yīng)綜合考慮限界、施工誤差、測(cè)量誤差、線路擬合誤差、不均勻沉降等因素。

　　結(jié)合廣州地鐵的成功經(jīng)驗(yàn)，隧道的內(nèi)徑定為5400mm.

　?。玻┕芷问郊昂穸龋?/p>

　　根據(jù)廣州、上海等地地鐵盾構(gòu)法區(qū)間隧道和國(guó)外類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，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、接縫張開及混凝土裂縫開展等均能控制在預(yù)期的要求內(nèi)，完全能滿足地鐵隧道的設(shè)計(jì)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(gòu)隧道采用單層裝配式襯砌，管片形式選擇當(dāng)前常用的平板型鋼筋混凝土管片。考慮結(jié)構(gòu)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。

　　３）管片的寬度及分塊：

　　襯砌環(huán)環(huán)寬越大，即管片寬度越寬，襯砌環(huán)節(jié)縫越少，因而漏水環(huán)節(jié)、螺栓數(shù)量越少，施工速度越快，費(fèi)用越省。但盾構(gòu)機(jī)千斤頂?shù)男谐桃?，施工難度亦有一定提高，在小半徑曲線上，1.5m管片比1.2m、1.0m寬管片的設(shè)計(jì)擬合誤差大，但本工程盾構(gòu)隧道最小曲線半徑為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(shù)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(jù)目前廣州的盾構(gòu)機(jī)機(jī)械情況，綜合考慮管片的制作、運(yùn)輸、拼裝及曲線施工的需要，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(yùn)輸、拼裝、結(jié)構(gòu)受力性能等因素確定。地鐵隧道管片常用分塊數(shù)為六塊和七塊兩種。分六塊和分七塊在制作、運(yùn)輸、施工方面沒(méi)有大的差別。在國(guó)內(nèi)上海地鐵一號(hào)線、廣州地鐵一、二、三號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道都采用六塊方案。

　　根據(jù)隧道的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，考慮到施工方便以及結(jié)構(gòu)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必須呈內(nèi)八字形或者平行，受荷后有向下滑動(dòng)的趨勢(shì)，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(nèi)滑動(dòng)，其缺點(diǎn)是需加長(zhǎng)盾構(gòu)千斤頂?shù)男谐獭?/p>

　　本設(shè)計(jì)確定采用六塊方案，一塊封頂塊，兩塊鄰接塊，三塊標(biāo)準(zhǔn)塊。

　?。矗┉h(huán)、縱縫及連接構(gòu)造：

　　管片接縫構(gòu)造包括密封墊槽、嵌縫槽及凹凸榫的設(shè)計(jì)，其中前者為通用的構(gòu)造方式，而凹凸榫的設(shè)置與否在不同時(shí)期、不同區(qū)域的工程實(shí)踐中有著不同的理解。凹凸榫的設(shè)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)程中管片開裂的因素之一，客觀上又削弱了管片防水性能。

　　根據(jù)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(shè)凹凸榫。

　　管片環(huán)面外側(cè)設(shè)有彈性密封墊槽，內(nèi)側(cè)設(shè)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(yīng)一定的變形，又能將隧道縱向變形控制在滿足防水要求的范圍內(nèi)。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及結(jié)構(gòu)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(yīng)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(guó)、法國(guó)、英國(guó)、新加坡、丹麥等許多國(guó)家的地鐵交通項(xiàng)目及國(guó)內(nèi)地鐵中廣泛應(yīng)用，這種接頭系統(tǒng)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(qiáng)度損失很小，而且容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械快速安裝，但安裝難度較高，施工誤差要求較小。

　　根據(jù)廣州地鐵一、二號(hào)線及三號(hào)線的成功經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)管片塊與塊、環(huán)與環(huán)之間采用在廣州應(yīng)用比較成熟的彎螺栓連接。

　　５）肋、端肋的構(gòu)造

　　手孔形式設(shè)計(jì)時(shí)，為減少更多的手孔處削弱，考慮到環(huán)肋、端肋的設(shè)計(jì)需要，環(huán)肋、端肋的長(zhǎng)度約為180mm.

　?。叮┮r砌環(huán)形式及拼裝方式

　　襯砌環(huán)形式：

　　為了滿足盾構(gòu)隧道在曲線上偏轉(zhuǎn)及蛇行糾偏的需要，應(yīng)設(shè)計(jì)楔形襯砌環(huán)。目前國(guó)際上通常采用的襯砌環(huán)類型有三種。

　　A）楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的組合。

　　盾構(gòu)隧道在曲線上是以若干段折線（最短折線長(zhǎng)度為一環(huán)襯砌環(huán)寬）來(lái)擬合設(shè)計(jì)的光滑曲線。設(shè)計(jì)和施工是采用楔形襯砌環(huán)與直線襯砌環(huán)的優(yōu)選及組合進(jìn)行線路擬合的。根據(jù)線路轉(zhuǎn)彎方向及施工糾偏的需要，設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎楔形襯砌環(huán)及直線襯砌環(huán)。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)線路條件進(jìn)行全線襯砌環(huán)的排列，以使隧道設(shè)計(jì)擬合誤差控制在允許范圍之內(nèi)。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，依據(jù)排列圖及當(dāng)前施工誤差，確定下一環(huán)襯砌類型。由于采用的襯砌環(huán)類型不完全確定，所以給管片供應(yīng)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。它只采用一種類型的楔形襯砌環(huán)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)通過(guò)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)環(huán)向千斤頂?shù)膫鞲衅鞯男畔⒋_定下環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，以使楔形量最大處置于千斤頂行程最長(zhǎng)處，也就是說(shuō)，管片襯砌環(huán)是可以360°旋轉(zhuǎn)的。深圳地鐵首次采用通用管片。由于它只需一種管片類型，可降低管模成本，不會(huì)因管片類型供應(yīng)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(yàn)的盾構(gòu)機(jī)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(guó)內(nèi)目前只有在南京地鐵施工中使用。它采用幾種類型的楔形襯砌環(huán)，設(shè)計(jì)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)行線路擬合的。根據(jù)線路偏轉(zhuǎn)方向及施工糾偏的需要，設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎楔形襯砌環(huán)，在直線段通過(guò)左轉(zhuǎn)彎和右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)一一對(duì)應(yīng)組合形成直線。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)線路條件進(jìn)行全線襯砌環(huán)的排列，以使隧道設(shè)計(jì)擬合誤差控制在允許范圍之內(nèi)。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，依據(jù)排列圖及當(dāng)前施工誤差，確定下一環(huán)襯砌類型。由于采用的襯砌環(huán)類型不完全確定，所以給管片供應(yīng)帶來(lái)一定難度。

　　結(jié)合廣州的實(shí)際情況，采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)三種襯砌環(huán)形式，其中轉(zhuǎn)彎環(huán)用于隧道糾偏。

　?。罚┕芷囱b形式：

　　襯砌環(huán)的拼裝形式有錯(cuò)縫、通縫兩種拼裝形式。錯(cuò)縫拼裝能使圓環(huán)接縫剛度分布趨于均勻，減少結(jié)構(gòu)變形，可取得較好的空間剛度，但襯砌環(huán)較通縫拼裝內(nèi)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(nèi)力較錯(cuò)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(jù)廣州地鐵一、二及三號(hào)線的成功經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有的管片制作精度水平，本工程確定管片拼裝方式采用錯(cuò)縫拼裝。

　?。福┕芷瑯?biāo)示

　　每環(huán)管片分為六塊，即三塊標(biāo)準(zhǔn)塊（A1、A2、A3），兩塊鄰接塊（B，C）和一塊封頂塊（K）。襯砌環(huán)的種類有標(biāo)準(zhǔn)環(huán)（P）、左轉(zhuǎn)彎（L）和右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)（R）。

　　管片標(biāo)示分為永久標(biāo)示和臨時(shí)標(biāo)示。永久標(biāo)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)類型（標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)）、塊類型（標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊、封頂塊）、管片端面對(duì)接標(biāo)志及螺栓孔對(duì)接標(biāo)志。臨時(shí)標(biāo)示為管片脫模后噴涂的，主要標(biāo)示管片流水號(hào)碼、生產(chǎn)日期。

　　９）特殊管片設(shè)計(jì)

　　緊急疏散聯(lián)絡(luò)通道及廢水泵房通道與正線隧道相接處的管片，設(shè)計(jì)為可以在正線隧道內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　6.1計(jì)算原則

　?。保┥靶酝林胁捎盟练炙阌?jì)算水土壓力，粘性土中采用水土合算計(jì)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﹤?cè)向荷載根據(jù)地層的側(cè)壓力系數(shù)或c、φ角計(jì)算；地面超載采用20KPa；

　　４）地震作用與主要荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，并提高接頭的整體抗震能力；

　　５）襯砌計(jì)算中考慮接頭剛度的影響以及拼裝應(yīng)力、盾構(gòu)千斤頂力的影響等施工荷載。

　?。叮┙Y(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)：考慮摩阻力時(shí)≥1.15，不考慮摩阻力時(shí)≥1.05

　?。罚┕芷芽p寬度≤0.2mm.

　　6.2計(jì)算荷載盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮以下荷載：

　　﹒地面超載（一般情況下按20kpa計(jì)）

　　﹒結(jié)構(gòu)自重G

　　﹒垂直和水平土壓力Q1、E1-E2

　　﹒水壓力

　　﹒側(cè)向地層抗力

　　﹒地層反力

　　﹒施工荷載（盾構(gòu)千斤頂力）

　　﹒結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載

　　﹒特殊荷載（地震荷載、人防荷載）

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，分別就施工階段、正常運(yùn)行階段可能出現(xiàn)的最不利荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和裂縫寬度驗(yàn)算。但特殊荷載階段每次僅對(duì)一種特殊荷載進(jìn)行組合，并考慮材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)（不需驗(yàn)算裂縫寬度）。

　　6.3計(jì)算簡(jiǎn)圖計(jì)算斷面采用YCK1+400處斷面，埋深約9m，計(jì)算荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4.1-2：

　　圖1計(jì)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(biāo)準(zhǔn)塊配筋圖

　　7、結(jié)論1、盾構(gòu)隧道采用單層襯砌柔性結(jié)構(gòu)可以滿足結(jié)構(gòu)受力及變形等要求；

　　2、管片配筋含鋼量154.5kg/m3，即保證了結(jié)構(gòu)承載要求，同時(shí)又具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

　　參考文獻(xiàn)

　　1.《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2003），北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003

　　2.《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50299-1999），北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999