小直徑盾構(gòu)管片設(shè)計探討

潘 茜 張曉光

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

目前盾構(gòu)法已成為國內(nèi)地下隧道的主要施工工法，已廣泛應(yīng)用于地下鐵道等隧道施工中。國內(nèi)地鐵隧道建筑限界為直徑5.2 m，因此盾構(gòu)管片內(nèi)徑多為5.4 m(如廣州、北京等地)或5.5 m(如上海、天津等地)。筆者綜合參考了國內(nèi)地鐵管片的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計了適用于電纜隧道的小直徑管片。

1 工程概況

該電力隧道全長3.983 km，共設(shè)10個工作井，為規(guī)避交通疏解困難的問題以及下穿建筑物的難題，線路半徑最小半徑為120 m，在國內(nèi)尚屬首例。隧道頂埋深為6.1 m～10.1 m，主要穿越粉質(zhì)粘土層與砂質(zhì)粘土層，所處圍巖級別為Ⅰ，Ⅱ級。

2 管片設(shè)計

2.1 管片形狀

確定管片形狀時主要需要確定以下尺寸:管片的內(nèi)徑與外徑、管片寬度、管片厚度、管片的分塊。

根據(jù)電纜隧道使用的凈空要求，并且考慮到施工單位使用臺車運輸管片時需滿足3塊管片放置高度要求，將盾構(gòu)管片的內(nèi)徑定為3.6 m。管片厚度與隧道直徑的比值，取決于覆土深度、周圍環(huán)境、工程地質(zhì)條件，國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道的內(nèi)徑與厚度主要有以下情況:5 400 mm+300 mm(北京、廣州)，5 500 mm+350 mm(上海、天津、杭州)，管片厚度與其內(nèi)徑比值為5.56%～6.36%，根據(jù)比例相似原則，3 600 mm內(nèi)徑管片厚度應(yīng)為200 mm～229 mm。根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》防水混凝土結(jié)構(gòu)厚度不應(yīng)小于250 mm，故電纜隧道管片厚度定為250 mm。

從管片搬運、拼裝以及曲線段的施工等角度出發(fā)，管片寬度應(yīng)取小值，但是從結(jié)構(gòu)防水、加快施工進度角度考慮，則應(yīng)取大值。國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道的管片寬度經(jīng)歷了一個長期的發(fā)展過程，從上海地鐵的1 m寬逐步加寬到廣州地鐵二號線的1.5 m寬。其中南京地鐵一號線、廣州地鐵一號線、深圳地鐵和北京地鐵五號線等又都采用了1.2 m的寬度。國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道管片寬度與直徑的比值基本維持在0.2～0.25之間，按照比例相似原則，外徑4.1 m管片寬度應(yīng)為0.82 m～1.025 m?？紤]到線路最小轉(zhuǎn)彎半徑僅120 m，管片寬度選用1 m。

對于管片分塊綜合考慮廣州等地地鐵盾構(gòu)隧道的施工經(jīng)驗，盾構(gòu)襯砌環(huán)仍由6塊組成(1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標準塊)。為滿足曲線模擬和施工糾偏的需要，專門設(shè)計了左、右轉(zhuǎn)彎楔形環(huán)。管片之間采用彎曲螺栓連接，共設(shè)置12個M24環(huán)向螺栓及10個M24縱向螺栓(封頂塊不設(shè)置縱向螺栓)。盾構(gòu)管片拼裝過程中，封頂塊需向左或向右旋轉(zhuǎn)18°(如圖1所示)。

圖1 盾構(gòu)管片分塊示意圖

2.2 轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量

楔形量應(yīng)根據(jù)管片種類、管片寬度、管片環(huán)外徑、曲線半徑、曲線段楔形管片使用比例確定。由圖2所示，根據(jù)簡單的幾何關(guān)系可知:

圖2 楔形量計算示意圖

從而得到:

考慮到封頂塊需向左或向右旋轉(zhuǎn)18°后拼裝，因此管片楔形量Δ為:

式(1)～式(5)中，R為線路轉(zhuǎn)彎半徑，m;D為管片外徑，m;b2為管片外側(cè)寬度，m;b1為管片內(nèi)側(cè)寬度，m;B為管片寬度，m;θ為轉(zhuǎn)彎角度;Δ為管片楔形量，m。將D=4.1 m，B=1 m，R=120 m代入式(5)中，得到Δ=35.9 mm，考慮到需要預(yù)留一定富余量，取Δ=41 mm。通過式(5)也得到楔形量為41 mm時極限轉(zhuǎn)彎能力為105 m，滿足最小轉(zhuǎn)彎半徑要求。

2.3 管片配筋

管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形計算應(yīng)采用荷載—結(jié)構(gòu)模式。目前國內(nèi)外盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力計算的主要設(shè)計方法有修正慣用法、慣用法、多鉸環(huán)法與梁—彈簧模型法4種多以經(jīng)驗性為主的簡化計算法。文中采用修正慣用法:即將襯砌圓環(huán)考慮為彈性勻質(zhì)圓環(huán)，用小于1的剛度折減系數(shù)η來體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響，不具體考慮接頭的位置，即僅降低襯砌圓環(huán)的整體抗彎剛度;用彎矩的增大率ζ來考慮由接頭所引起的管環(huán)的剛度降低和錯縫拼裝所引起的拼接效應(yīng);用曲梁單元模擬剛度折減后的襯砌圓。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗在計算中，η 可取 0.55，0.65，0.75 三種參數(shù)，ζ可取為120%～130%。

隧道頂埋深為6.1 m～10.1 m，選取埋深10.1 m斷面為最不利斷面進行計算，得到每環(huán)盾構(gòu)管片的內(nèi)力如圖3，圖4所示(圖中括號內(nèi)數(shù)值為標準值)。管片采用C50防水混凝土制作，抗?jié)B強度等級P12，主筋采用HRB335級鋼，管片主筋保護層厚:外側(cè)為40 mm，內(nèi)側(cè)為30 mm。根據(jù)現(xiàn)行混凝土設(shè)計規(guī)范，管片內(nèi)側(cè)配筋為8φ14，管片外側(cè)配筋為 10φ14，每環(huán)管片配筋率為185.9 kg/m3。

圖3 管片彎矩設(shè)計值、標準值（單位：kN·m）

圖4 管片軸力設(shè)計值、標準值（單位：kN·m）

3 結(jié)語

本文對外徑4.1 m、內(nèi)徑3.6 m小直徑盾構(gòu)管片的形狀、轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量、管片配筋等方面的設(shè)計進行簡單分析，不足之處請國內(nèi)外同行批評指正。

［1］劉 釗，余才高，周振強.地鐵設(shè)計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］何 川，曾東洋.盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工對環(huán)境的影響［M］.南京:西南交通大學(xué)出版社，2007.

［3］GB 50157-2003，地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［5］GB 50108-2008，地下工程防水技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］［日］土木學(xué)會.隧道標準規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說［M］.朱偉，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.