談盾構法隧道管片式襯砌設計

王 琴

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030012)

21世紀被稱為“地下空間”的世紀。我國隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展和大城市引力的作用，大城市都出現了交通和居住環(huán)境與入口過度集中產生的矛盾。我國大城市普遍采用修建高架橋和申報修建各種類型的軌道交通來緩解入口過多帶來的問題。由于地鐵承載能力大、能耗低、速度快等優(yōu)點，成為軌道交通中被普遍采用的方式。地鐵隧道的施工一般分為明挖、蓋挖和暗挖三種開挖形式。明挖法和蓋挖法的隧道開挖形式對地面上構筑物、建筑物和居民日常生產生活影響較大，施工周期和成本會隨著增加。盾構法作為暗挖法的一種，由于對施工周圍環(huán)境影響小、對地下管線的干擾小、施工不受天氣影響，施工周期短、便于施工管理等特點，成為隧道施工首選的方法。管片式襯砌作為盾構法施工隧道的主要支護結構，襯砌的質量決定著隧道施工期和運行期的安全，因此管片式襯砌的設計在盾構法隧道施工中尤為重要。

1 襯砌分類

襯砌結構在施工期間保護開挖面，防止開挖面的土體發(fā)生變形、坍塌破壞和泥水滲入等影響施工的不利因素，并為盾構機提供推進反力；在隧道運行期，襯砌作為永久性支撐結構，承載著襯砌周圍的土壓力、水壓力及某些特殊荷載。管片式襯砌結構主要包括管片、連接螺栓和防水充填材料等。

1.1 襯砌的形式分類

襯砌按照材料及形式的不同可以分為鋼筋混凝土管片、鑄鐵管片、鋼管片和復合管片四種。1)鋼筋混凝土管片加工方便、耐腐蝕、造價較低、有一定的強度；但質量大，運輸、安裝過程中易損壞，需要進行特殊防護，是目前我國盾構法隧道施工的常用管片型式。2)鑄鐵管片質量較輕、耐腐蝕性好、易加工且精度高、防泥水滲漏好；但金屬材料消耗大、造價高、易脆性破壞、承受沖擊荷載能力差。3)鋼管片質量輕、強度高、運輸、安裝方便；但剛度小、耐腐蝕性能差、金屬材料消耗大、造價高。4)復合管片一般為鋼板外殼，在內部澆筑混凝土或鋼筋混凝土構成，重量較鋼筋混凝土管片較輕、剛度較鋼管片大；但鋼外殼耐腐蝕性能差、加工工序較多且復雜。

盾構法施工隧道的斷面一般可分為圓形、矩形、橢圓形、馬蹄形及復合圓形等形狀，管片的形狀必須根據開挖隧道的斷面形狀進行設計。在我國隧道的斷面形狀常為圓形。因此，鋼筋混凝土管片襯砌按不同的設計要求可以分為箱形管片和平板形管片。其中，箱形管片主要運用于斷面直徑大的隧道，可以減輕結構自重同時節(jié)省混凝土材料，但在盾構機推進過程中容易開裂，破損。平板形管片主要用于斷面直徑較小的隧道，在盾構機的推進過程中對推力有較強的抵抗能力，不易損壞。在國內外盾構法隧道施工中常采用平板形管片。

襯砌按照形成方式可以分為裝配式襯砌和擠壓混凝土襯砌。裝配式襯砌是由預制好的混凝土管片分塊在盾構機的尾部進行拼裝，拼裝完后能夠立即承受荷載的襯砌。按照管片的位置和拼接順序可將管片分為標準塊、鄰接塊和封頂塊。擠壓混凝土襯砌是在高壓作用下，盾尾處剛澆筑但未硬化的混凝土作為盾構機向前推進的后座，在推進過程中，空隙由混凝土填充，從而形成整體式的襯砌結構。

1.2 襯砌的構造分類

襯砌按照構造形式可以分為單層襯砌和雙層襯砌。單層襯砌多為鋼筋混凝土管片拼裝組成的襯砌結構。在滿足設計受力和耐久性的前提下，由于施工工藝簡便、施工周期短、工程造價低及防滲漏效果較好被普遍使用。雙層襯砌由外層裝配式襯砌結構和內層混凝土或鋼筋混凝土層共同構成的襯砌結構。由于施工開挖斷面大、施工工藝復雜、施工周期較長、造價較高但由于良好的防水性能，多被用于飽和含水軟土層內的隧道。

2 設計參數的確定

2.1 管片環(huán)寬

襯砌的管片環(huán)寬直接影響著施工周期的長短、施工進度的快慢以及施工的經濟性的高低。應綜合考慮多方面因素，既要結合施工現場的實際條件又要考慮設施設備的承載能力和施工難易程度等，從而得到較合理的管片環(huán)寬。施工現場實際條件往往從隧道的曲線半徑、管片的大小、形狀以及吊裝的占地情況；設施設備的承載能力往往要考慮盾構機的最大推進力和承載能力，千斤頂的最大工作距離等；施工的難易程度往往為管片的拼接裝配難易程度、施工工藝是否提高等考慮。

根據研究和現場理論經驗可知，盾構施工橫截面受力與管片環(huán)寬的關系不大；管片環(huán)寬的增大，使整個襯砌的剛度增大及環(huán)向接縫變少，有效控制部分不均勻沉降和防滲漏，提高施工速度；但由于受到現場施工和機械設備的影響，管片環(huán)寬不能一味的增大。隧道盾構機的轉彎最小曲線半徑對管片環(huán)寬的約束較大。在盾構機工作轉彎期間，若受盾構機盾尾間隙過大即每環(huán)片轉彎角度過大，管片在盾尾已被卡住，增大盾構機的推進力，從而造成管片的損壞。根據式(1)，隧道曲線半徑、管片環(huán)寬及轉彎開口間隙的關系，可以得出較符合實際盾構機工作運行的管片環(huán)寬。

δ=B×D外/ρ

(1)

其中，δ為每環(huán)管片轉彎開口間隙，mm；B為管片環(huán)寬，m；D外為隧道結構外徑，m；ρ為隧道曲線最小半徑，m。

2.2 選型與分塊

2.2.1管片選型

管片選型的正確與否直接影響著工程的進度和施工質量，是評價隧道工程成敗的關鍵指標。錯誤的管片選型往往會導致各種施工問題的發(fā)生，大致可以分為以下幾種:1)管片發(fā)生錯臺、破損及裂縫等；2)易造成隧道滲漏水；3)管片走向與盾構機掘進方向不一致，盾尾間隙較小，管片組合安裝困難，并易造成盾尾裝置的損壞。合理的管片選型可以使隧道軸線偏差較小、襯砌的整體性好；盾尾間隙均勻，千斤頂行程小，節(jié)省動力。

管片的選型既要符合隧道的設計線路又要符合盾構機的運行姿態(tài)。管片選型的正確主要從以下幾方面綜合考慮：1)根據設計線路進行預排版；2)千斤頂的行程；3)盾尾間隙；4)盾構機掘進方向與設計軸向的相關關系；5)鉸接油缸行程。

2.2.2管片分塊

襯砌環(huán)管片塊數指組成一環(huán)襯砌所需的管片數量。管片分為標準塊、鄰接塊和封頂塊三類。一個襯砌環(huán)往往由數個標準塊、2個鄰接塊和1個封頂塊組成。國內單線地鐵的襯砌環(huán)管片一般為6塊～8塊，雙線地鐵的一般為8塊～10塊。目前國內普遍采用6塊管片組合的襯砌環(huán)，由1個封頂塊、2個鄰接塊和3個標準塊組成。1個封頂塊的中心角為22.5°，2塊鄰接塊的中心角為67.5°，3個標準塊的中心角為67.5°。

2.3 封頂管片插入形式與搭接長度

綜合考慮施工的難易程度和受力的影響，盾構法隧道施工管片式襯砌的封頂多采用小封頂形式。封頂塊一般有兩種插入拼接方式：徑向楔入方式和軸向插入方式。軸向插入方式考慮了插入管片和相鄰管片的相互作用，使得封頂塊的受力較好，形成的襯砌結構較可靠；徑向楔入方式的封頂管片形狀簡單、易于拼裝。但在推進力較大或注漿壓力較大時，封頂塊需承受兩側管片帶來的較大剪切力，封頂塊易被擠出。國內盾構法隧道多采用軸向插入方式進行襯砌的封頂。

封閉塊管片與兩側鄰接塊管片搭接長度的長短，不僅與管片式襯砌的拼裝速度直接相關，還與盾構機的總長度和千斤頂的行程相關，故搭接長度一般越長越好。根據式(2)，可以得出與較符合盾構法隧道施工需要的搭接長度。

(2)

其中，X為封閉塊管片的搭接長度，m；B為管片環(huán)寬，m；L1=2R外×sin(θ/2)，m；L1=2R內×sin(θ/2)，m；R外為隧道管片結構外徑，m；R內為隧道管片結構外徑，m；θ為封閉塊管片角度，一般取17°～24°；δ為管片縱向插入施工間隙,一般取50 mm；A為封閉塊管片楔形量，一般取60 mm～80 mm。

2.4 拼接方式

盾構法隧道管片式襯砌相鄰兩環(huán)拼接縫位置的不同，主要有通縫拼接和錯縫拼接兩種拼接方式。襯砌的縱縫環(huán)環(huán)相連接，形成一條條直線的為通縫拼接；襯砌的縱縫相互錯開，成“丁”字型的為錯縫拼接。通縫拼接施工方便，管片易拼接，接縫處防水易處理；但在承受千斤頂的縱向推進力較弱。錯縫拼接施工復雜，環(huán)面的平整度要求較高，施工不當易出現管片錯臺或開裂；但拼接后整體性強，強度較高，承受千斤頂的縱向推進力較強。國內通縫拼接和錯縫拼接均有采用，國外多采用錯縫拼接。

3 施工質量控制

盾構法隧道施工拼裝過程中往往會遇到管片錯臺、管片破損及管片滲漏等問題，找到發(fā)生問題的原因，并從根源進行糾正，才能保證施工進度和施工質量兩不誤。

3.1 管片錯臺

根據管片錯臺的方向不同，可分為環(huán)向錯臺和縱向錯臺兩種。管片錯臺如果不及時進行糾正或重新拼接可能造成管片滲漏、管片開裂和破損等新的影響施工質量的問題。根據眾多隧道實例得出，引起管片錯臺的原因主要為管片拼裝不規(guī)范、注漿控制不當以及最小曲線半徑的設定不合理等。

1)管片拼裝不規(guī)范。

管片拼裝前對管片進行仔細檢查，將在制作、運輸期間損壞的管片及時進行更換；拼裝過程中嚴格按照設計施工規(guī)范操作；對管片或盾構機盾尾處遺留的雜物及時清理，保證管片表面的干凈。

2)注漿控制不當。

選用經驗豐富的工人進行注漿操作，保證注漿壓力和注漿量的均勻穩(wěn)定，使得管片不會因為受到注漿壓力的不均勻造成管片發(fā)生偏移；盾構機的掘進速度與注漿速度相協(xié)調，保證管片在承受荷載時達到設計強度值。

3)最小平曲線半徑的設計。

盾構機工作的掘進軸線盡量與隧道軸線相重合，綜合考慮工程地質條件、千斤頂行程、盾尾間隙等方面，盡可能選擇出合理的管型；根據施工的現場實際掘進情況，在小半徑曲線段適當安裝轉彎環(huán)并選擇合適的掘進參數，保證襯砌的穩(wěn)定。

3.2 管片的破損

盾構法隧道管片的破損主要表現為管片存在崩角、崩邊及裂紋等現象。由于管片的強度不夠、運輸過程中保護措施不到位及吊裝或盾構機掘進時產生應力集中等造成管片破損。管片制作過程中嚴把質量關，保證混凝土強度達標，養(yǎng)護到位；在管片的運輸過程中嚴格管理，在管片間添加緩沖墊木；提前沿設計的施工軸線對施工掘進過程進行擬合，根據合理的掘進參數在掘進過程中保持勤測量，及時糾偏，保證掘進軸線的準確。

3.3 管片滲漏

根據管片滲漏位置的不同，管片滲漏主要包括管片接縫滲漏、螺栓孔滲漏等。造成管片滲漏的原因主要為防水材料的防水效果差、拼裝質量差等。在管片的運輸、拼裝和推進過程中保證管片的完整，以使止水條與管片的密貼；止水條要保證質量以及拼裝過程中損壞止水條；管片在拼裝后保證防水膠圈與管片的接觸完整后，及時緊固螺栓。

4 結語

管片式襯砌作為盾構法施工隧道的主要支護結構，襯砌的質量決定著隧道施工期和運行期的安全。襯砌的設計是多因素、多方面相互影響，相互作用的共同體。在管片式襯砌的設計過程中，從襯砌的分類開始，經過襯砌設計的幾個關鍵影響參數和襯砌結構的施工質量控制，由表及里，統(tǒng)籌兼顧，才能為隧道工程設計出適合特定工程的襯砌結構，從而降低隧道工程的施工周期和施工成本，提高施工質量。