地鐵盾構(gòu)法隧道管片設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題

劉世中

地鐵是我國(guó)交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵已在我國(guó)大多數(shù)城市普及。地鐵建設(shè)聯(lián)通了城市的各個(gè)區(qū)域，所以在城市商業(yè)中心區(qū)的地下也要經(jīng)過(guò)地鐵，但地鐵建設(shè)需要地下開(kāi)挖，很容易對(duì)城市地基造成擾動(dòng)，導(dǎo)致地面出現(xiàn)隆沉等問(wèn)題。因此，為了保障地鐵建設(shè)的安全性與穩(wěn)定性，需要對(duì)地鐵隧道中管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行具體的分析，提升管片結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性，從而提升地鐵質(zhì)量，保障城市交通運(yùn)輸安全。

1　管片結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)分析

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)的地鐵施工管片設(shè)計(jì)主要有兩種形式：①通用環(huán)（楔形環(huán)）形式，這種管片結(jié)構(gòu)的形狀為楔形，施工中需要將管片組合起來(lái)放置到相應(yīng)的位置上，這種形式可以貼合地鐵建設(shè)中隧道的線形，所以符合掘進(jìn)施工的特點(diǎn)。②無(wú)楔環(huán)管片形式，這種形式在楔形環(huán)原來(lái)的基礎(chǔ)上，增加了直、曲兩種形式的普通環(huán)，兩者結(jié)合才能完成施工。兩種管片因形式與性能等多方面的差異，在我國(guó)南北方地區(qū)有著不同的適用條件，例如，我國(guó)北京地區(qū)主要使用直、曲組合環(huán)，而在南京、廣州等南方地區(qū)則會(huì)根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合兩種管片形式進(jìn)行施工。這種情況的出現(xiàn)主要是由于南北方在地質(zhì)、地形條件上存在的差異，南方地區(qū)山地、丘陵地帶較多，從力學(xué)的角度來(lái)考慮，隧道的起伏變化都會(huì)對(duì)管片的受力造成影響，所以會(huì)根據(jù)每段地質(zhì)條件的不同選擇管片形式；而我國(guó)北方地區(qū)，地勢(shì)相對(duì)平坦但土質(zhì)差異大，所以施工中采用直、曲集合等方式能夠提升管片的抗力性能。具體的設(shè)計(jì)對(duì)比分析有以下幾方面內(nèi)容：

（1）管片結(jié)構(gòu)形式性能對(duì)比

管片結(jié)構(gòu)在地鐵運(yùn)營(yíng)中主要發(fā)揮的是抗力性能，其抗力性能來(lái)自兩個(gè)方面：①永久荷載帶來(lái)的；②施工荷載帶來(lái)的。所以在我國(guó)地鐵施工中，隧道直徑處于相同的情況時(shí)，使用的管片分塊也應(yīng)處于相同情況，如果采用盾構(gòu)法，管片分塊基本上都以5+1形式為主，也就是將管片分成六塊，施工中使用每個(gè)小的封頂塊直接以軸向方向插入。這種施工方法管片需要承載兩部分抗力，一部分來(lái)自楔形面，另一部分來(lái)自于垂直楔形面的分力，但是采用不同的管片結(jié)構(gòu)形式力的分布情況是不同的，使用通用環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，分離可以均勻的分布到每個(gè)環(huán)片上，但無(wú)楔形環(huán)的方式則不可以實(shí)現(xiàn)，所以從這點(diǎn)上來(lái)看，楔形環(huán)的抗力性能以及荷載能力較強(qiáng)[1]。通常情況下，施工中使用楔形環(huán)管片結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意控制好楔形量以及準(zhǔn)確計(jì)算各個(gè)環(huán)片的受力值。

另外，在地鐵施工中，由于管片斷面不平整的問(wèn)題，使用盾構(gòu)法配合千斤頂?shù)膽?yīng)用，所以極易在施工中出現(xiàn)裂縫，所以，施工中如果施工區(qū)域?yàn)橹本€段，最好采用無(wú)楔形環(huán)管片結(jié)構(gòu)，其抗力性能在這種情況下要優(yōu)于楔形環(huán)。

（2）管片結(jié)構(gòu)形式防水性能對(duì)比

現(xiàn)階段，我國(guó)地鐵工程施工中，防水主要通過(guò)橡膠條密封來(lái)完成，使用的密封材料主要是遇水膨脹橡膠以及三元乙丙彈性橡膠。橡膠的使用要以及管片止水溝槽為依據(jù)，通過(guò)加工制作矩形框條安裝在止水溝槽中，但框條必須完全封閉。由于無(wú)論采用哪種管片結(jié)構(gòu)形式，其斷面都是斜平面，而且具有不完整性，如果使用楔形環(huán)結(jié)構(gòu)，在千斤頂?shù)淖饔孟?，每塊管片會(huì)相互靠近，從而導(dǎo)致縱向裂縫出現(xiàn)，這種裂縫的開(kāi)口要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)無(wú)楔形環(huán)結(jié)構(gòu)，從而無(wú)法利用強(qiáng)度較大的壓縮力擠壓止水橡膠，所以從這點(diǎn)來(lái)看，無(wú)楔形環(huán)結(jié)構(gòu)的防水性能更強(qiáng)[2]。

（3）施工中管片結(jié)構(gòu)占用面積以及組織計(jì)劃

施工中管片結(jié)構(gòu)的用量要根據(jù)施工場(chǎng)地的空間條件、運(yùn)輸條件以及施工任務(wù)量決定，所以在施工組織設(shè)計(jì)上，工作人員要對(duì)管片進(jìn)行具體編號(hào)，然后按照編號(hào)進(jìn)行排放，施工中使用每種結(jié)構(gòu)的管片要由施工工序做決定，所以管片結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)施工進(jìn)度造成影響。由此來(lái)看，施工中兩種管片結(jié)構(gòu)形式在占用面積以及組織計(jì)劃上并無(wú)較大差異。

2　管片環(huán)寬設(shè)計(jì)分析

（1）管片環(huán)寬設(shè)計(jì)與隧道曲線半徑的關(guān)系

管片環(huán)寬與隧道曲線半徑之間呈現(xiàn)的是正比例關(guān)系，由于隧道曲線位置受盾尾處間隙的影響，所以，如果轉(zhuǎn)彎位置的寬度過(guò)大，地鐵轉(zhuǎn)彎時(shí)的阻力就會(huì)增加，導(dǎo)致盾尾處間隙位置出現(xiàn)被卡住的情況，從而破壞管片。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，盾尾間隙處于2.0～4.0cm的范圍內(nèi)最為合適，以2cm為例，如果盾尾間隙為2cm，那么管片環(huán)寬在設(shè)計(jì)上應(yīng)為1m，而曲線半徑應(yīng)控制在300m[3]。但現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)地鐵施工曲線半徑基本要在500m以上，所以要適當(dāng)調(diào)節(jié)管片環(huán)寬以及盾尾間隙。

（2）管片環(huán)寬設(shè)計(jì)與施工速度關(guān)系

地鐵施工采用盾構(gòu)法時(shí)，其施工進(jìn)度管理目標(biāo)依據(jù)是每日工作量，所以在施工現(xiàn)場(chǎng)的資源配置以及施工工序的組織計(jì)劃上都要以這個(gè)目標(biāo)為核心進(jìn)行。每日施工內(nèi)容為進(jìn)尺掘進(jìn)、出土盾構(gòu)施工、管片拼裝，所以提升施工進(jìn)度可以采取延長(zhǎng)施工長(zhǎng)度以及縮短施工時(shí)間兩種方法。通過(guò)實(shí)際施工統(tǒng)計(jì)，以上述三項(xiàng)內(nèi)容為一個(gè)施工循環(huán)，每個(gè)循環(huán)施工所花費(fèi)的時(shí)間在2h左右，如果在施工中借助千斤頂?shù)脑挘糠N施工速度要快于正常施工2～6cm[4]。而隨著管片環(huán)寬的增加，施工循環(huán)的內(nèi)容也會(huì)增加，從而導(dǎo)致施工時(shí)間上升，為此，施工進(jìn)度控制必須要考慮到管片環(huán)寬這項(xiàng)因素，盡量將環(huán)寬控制在1.8m左右，這樣能夠有效的提高施工速度。

3　封頂塊管片插入設(shè)計(jì)分析

盾構(gòu)法地鐵隧道施工管片插入方式有兩種：①?gòu)较蚴讲迦?；②軸向式插入。其中徑向式在管片形狀上存在優(yōu)勢(shì)，由于其形狀簡(jiǎn)單，方便管片拼裝；而軸向式結(jié)構(gòu)可靠性較高，管片之間可以相互作用。但由于施工中，在軸力和注漿壓力的雙重作用下，管片截面會(huì)有剪切力產(chǎn)生，如果一旦隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，管片就會(huì)被擠出，所以國(guó)內(nèi)地鐵施工主要采用的是軸向式。軸向式封頂塊管片插入設(shè)計(jì)長(zhǎng)度計(jì)算公式為L(zhǎng)表示的是管片的長(zhǎng)度、B表示的是管片環(huán)寬、H1表示的隧道管片結(jié)構(gòu)外部的周長(zhǎng)；H2表示的隧道管片結(jié)構(gòu)內(nèi)部的周長(zhǎng)、A表示的是管片的楔形量、δ表示的是插入中施工的間隙[5]。在施工中給定確定參數(shù)后，可以根據(jù)此公式計(jì)算出封頂塊管片的插入長(zhǎng)度，長(zhǎng)度計(jì)算要保障準(zhǔn)確性，這會(huì)影響到施工質(zhì)量以及施工小，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，插入長(zhǎng)度越長(zhǎng)，施工速度越快；另外，施工中必須保障施工操作規(guī)范，保證管片的抗力性能，從而提升管片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，地鐵盾構(gòu)法隧道管片設(shè)計(jì)是關(guān)系到地鐵運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性的一項(xiàng)施工內(nèi)容，而從當(dāng)前兩種管片結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，每種都可以滿足我國(guó)地鐵隧道施工，但出于對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益、安全性、舒適性等多角度因素的考慮，施工中盡量選擇直線段施工方式，隧道曲線半徑也要盡可能擴(kuò)大，而且從性能等多角度因素上，最好采用無(wú)楔形環(huán)管片結(jié)構(gòu)形式；另外，要注意管片插入長(zhǎng)度的計(jì)算，從而保障施工質(zhì)量，為地鐵運(yùn)營(yíng)營(yíng)造安全、穩(wěn)定的環(huán)境。

[1]王夢(mèng)恕.中國(guó)盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題及發(fā)展思路[J].隧道建設(shè)，2014，27（3）：179～187.

[2]杜峰.深圳地鐵9號(hào)線盾構(gòu)法隧道管片預(yù)埋滑槽設(shè)計(jì)研究及探討[J].隧道建設(shè)，2014，22（3）：249～253.

[3]張常光，趙均海，張慶賀.盾構(gòu)通過(guò)礦山法隧道復(fù)合支護(hù)的管片內(nèi)力解析解及應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2014，28（2）：95～100，114.

[4]樓朝偉，趙冬旭.地鐵隧道下穿淤泥地層工法比選及技術(shù)探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2016，30（12）：99～103.

[5]王立新.地鐵盾構(gòu)隧道與礦山法隧道接口段抗震計(jì)算研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017，33（3）：97～103.