地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

帥彬

摘要：在地鐵隧中盾構(gòu)法施工已經(jīng)有了較為普遍的應(yīng)用，作為暗挖法施工中的一種，有著良好的適應(yīng)性，對(duì)周邊影響較小，保證隧道如期貫通等特點(diǎn)，基于此，本文通過(guò)論述分析國(guó)內(nèi)外已建及在建的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)，為今后的盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出有益的建議，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)；隧道；設(shè)計(jì)

1管片配筋設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中管片配筋是最為重要的環(huán)節(jié)，其會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性以及安全性造成影響，與此同時(shí)也需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行考慮。當(dāng)前對(duì)管片配筋還缺乏一個(gè)較為統(tǒng)一的型式，而國(guó)內(nèi)外地鐵區(qū)間隧道大都采用盾構(gòu)法施工，因此對(duì)管片合理配筋進(jìn)行研究有著重要的意義。在早前的廣州地鐵中2號(hào)線赤鷺區(qū)間之中應(yīng)用了歐洲規(guī)范，在上下排主筋中使用U型鋼筋來(lái)連接；在日本地鐵中應(yīng)用是下排鋼筋向上彎起，將其與上排鋼筋以點(diǎn)焊形式進(jìn)行連接。目前我國(guó)大部分城市都通過(guò)對(duì)管片四周加暗梁的形式進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，在比較容易發(fā)生裂縫的螺栓孔處附加螺旋筋或者是吊筋，提升其整體性。而在濟(jì)南地鐵R2線管片配筋設(shè)計(jì)中還采用了分段配筋，在不同埋深、地層下按A～D型四種類型主筋配筋，并由此統(tǒng)計(jì)各類型管片的每立方混凝土的含鋼量。同時(shí)在配筋率變化條件比較小的情況下，為了保證管片受力合理，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，使管片內(nèi)側(cè)配筋量大于管片外側(cè)配筋量，對(duì)管片配筋進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于管片的含鋼量確定，通常國(guó)外的管片其含鋼量會(huì)控制在80～100kg/m3之間，要求考慮到鋼筋強(qiáng)度等因素，可以將其折算為107～130kg/m3。一般在我國(guó)國(guó)內(nèi)大部分城市都應(yīng)用的是145～160kg/m3的含鋼量。新型的鋼纖維混凝土管片目前也已經(jīng)在諸多城市得到了成功的應(yīng)用，管片僅僅應(yīng)用30～60kg/m3的鋼纖維摻量。由此，對(duì)于確定管片合理的含鋼量在管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有著重要意義。

2做好環(huán)寬設(shè)計(jì)

管片的環(huán)寬尺寸一般會(huì)對(duì)工程造價(jià)、質(zhì)量以及工期造成較大的影響。以往，由于配套技術(shù)的不足，常采用較小的環(huán)寬，一方面可使施工材料的搬運(yùn)、組裝更方便，另一方面在小半徑內(nèi)施工可以更省力，但缺點(diǎn)是施工接縫多、螺栓使用量大、常出現(xiàn)較多的接頭滲漏水缺陷。隨著施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，大環(huán)寬管片的應(yīng)用已成為主流的發(fā)展趨勢(shì)，較大環(huán)寬的管片能夠提高整體結(jié)構(gòu)縱、橫向剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，減少環(huán)縫數(shù)量，對(duì)結(jié)構(gòu)防水有利，同時(shí)能夠降低造價(jià)。目前國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道通常是采用1.2m、1.5m環(huán)寬，其中采用1.2m環(huán)寬的較多，如：北京、上海、南京等采用的1.2m環(huán)寬；天津是1.2m與1.5m環(huán)寬配合使用，曲線地段用1.2m環(huán)寬；廣州、武漢、鄭州采用1.5m環(huán)寬的管片。

3襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)模式主要以“荷載-結(jié)構(gòu)”計(jì)算模式為主。即地層除了會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主動(dòng)荷載以外，還會(huì)對(duì)其產(chǎn)生被動(dòng)力，通過(guò)考慮地層抗力對(duì)襯砌變形的約束作用。沿區(qū)間縱向取單位長(zhǎng)度的主體結(jié)構(gòu)，把主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為放置于彈性地基上的平面框架梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)，用布置于各節(jié)點(diǎn)上的彈簧單元來(lái)模擬圍巖與襯砌的相互約束；另外，假定彈簧不承受拉力，彈簧受壓時(shí)的反力即為圍巖對(duì)襯砌的彈性抗力。隧道結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載為地層壓力，包括豎向壓力和水平壓力兩種。在進(jìn)行淺埋處理時(shí)，可按照全土柱重量來(lái)對(duì)計(jì)算豎向壓力；深埋處理時(shí)，則應(yīng)按照泰沙基公式來(lái)對(duì)豎向壓力進(jìn)行計(jì)算，與此同時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)而對(duì)受力之時(shí)地層以及結(jié)構(gòu)移動(dòng)彼此之間的作用進(jìn)行確定，根據(jù)靜止土壓力、主動(dòng)土壓力以及被動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算得到結(jié)果。

4管片裂縫控制合理性建議

管片的裂縫控制是管片設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，不僅僅是關(guān)于受力安全和耐久性的考慮，還有經(jīng)濟(jì)效益的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)施工地區(qū)的地質(zhì)情況、施工技術(shù)充分了解。配筋也要在保證受力安全的同時(shí)，注意裂縫的情況。盾構(gòu)管片中的裂縫，一般是在進(jìn)行施工中出現(xiàn)，而在盾構(gòu)掘進(jìn)中，因?yàn)閷?duì)其姿態(tài)控制要求、圍巖不均、曲線施工以及糾偏等因素，那么千斤頂其推力分布存在著的一定問(wèn)題，導(dǎo)致了出現(xiàn)局部超限拉應(yīng)力，因此管片會(huì)出現(xiàn)掉角、破損以及裂縫等情況。同時(shí)在管片離開(kāi)盾尾后，通過(guò)新拼管片來(lái)將千斤頂?shù)耐屏M(jìn)行傳遞，促使其力而逐漸分散，裂縫就會(huì)縮小。隨著整個(gè)隧道的竣工，圓型盾構(gòu)隧道也慢慢進(jìn)入到一個(gè)較為穩(wěn)定的受力狀態(tài)中，在施工過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫、滲漏等情況也會(huì)逐漸消失。在進(jìn)行具體施工中因?yàn)槿藶楹偷刭|(zhì)條件的變化，一般都會(huì)出現(xiàn)出高出設(shè)計(jì)強(qiáng)度以及裂縫寬度要求的荷載，對(duì)于出現(xiàn)的這種情況，通過(guò)后期管片修補(bǔ)的形式進(jìn)行彌補(bǔ)，比通過(guò)增加配筋要求的費(fèi)用少很多。

從綜合的角度來(lái)看，單純的提高管片配筋率并不是一個(gè)控制裂縫的有效方法。需要結(jié)合多種合理化的配置方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)已有的理論研究并根據(jù)以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管片設(shè)計(jì)中裂縫控制提出以下建議：1）根據(jù)不同的地質(zhì)類型，研究各種情況下的管片受力機(jī)理，通過(guò)合理的計(jì)算模型選擇，使得配筋和管片尺寸配置更加合理。2）管片鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度迎水面取35mm，背水面25mm，管片最大計(jì)算裂縫允許寬度為0.2mm。3）鋼筋加工與安裝位置的允許誤差應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。 4）合理分析經(jīng)濟(jì)效益和襯砌安全的平衡點(diǎn)，避免不合理的加大管片鋼筋，和前期節(jié)約資金造成后期處理費(fèi)用加大的情況。建議在管片局部改善配筋方式使其受力性能改善，增加螺栓孔、手孔處抵抗開(kāi)裂的能力。同時(shí)，在普通鋼筋混凝土的管片基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)低配筋率鋼纖維鋼筋混凝土也是目前國(guó)外及香港地區(qū)較為普遍的設(shè)計(jì)思路。

5結(jié)束語(yǔ)

地鐵隧道施工在我國(guó)大部分城市都采用了盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)技術(shù)在國(guó)外和國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期應(yīng)用中已經(jīng)逐漸積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但是想要充分發(fā)揮出盾構(gòu)法優(yōu)勢(shì)，還需要基于盾構(gòu)法隧道的技術(shù)特點(diǎn)和各地實(shí)際情況做好管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在盾構(gòu)隧道施工前選取合適的施工技術(shù)和施工工藝，從而確保安全、經(jīng)濟(jì)的推進(jìn)地鐵工程建設(shè)。

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（作者單位：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）