小直徑盾構管片設計探討

潘 茜 張曉光

(廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010)

目前盾構法已成為國內地下隧道的主要施工工法，已廣泛應用于地下鐵道等隧道施工中。國內地鐵隧道建筑限界為直徑5.2 m，因此盾構管片內徑多為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地鐵管片的設計經驗，設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10個工作井，為規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，在國內尚屬首例。隧道頂埋深為6.1 m～10.1 m，主要穿越粉質粘土層與砂質粘土層，所處圍巖級別為Ⅰ，Ⅱ級。

2 管片設計

2.1 管片形狀

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

根據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，將盾構管片的內徑定為3.6 m。管片厚度與隧道直徑的比值，取決于覆土深度、周圍環境、工程地質條件，國內地鐵盾構隧道的內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)，管片厚度與其內徑比值為5.56%～6.36%，根據比例相似原則，3 600 mm內徑管片厚度應為200 mm～229 mm。根據《地下工程防水技術規范》防水混凝土結構厚度不應小于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，管片寬度應取小值，但是從結構防水、加快施工進度角度考慮，則應取大值。國內地鐵盾構隧道的管片寬度經歷了一個長期的發展過程，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。國內地鐵盾構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管片寬度應為0.82 m～1.025 m?？紤]到線路最小轉彎半徑僅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隧道的施工經驗，盾構襯砌環仍由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，專門設計了左、右轉彎楔形環。管片之間采用彎曲螺栓連接，共設置12個M24環向螺栓及10個M24縱向螺栓(封頂塊不設置縱向螺栓)。盾構管片拼裝過程中，封頂塊需向左或向右旋轉18°(如圖1所示)。

圖1 盾構管片分塊示意圖

2.2 轉彎環楔形量

楔形量應根據管片種類、管片寬度、管片環外徑、曲線半徑、曲線段楔形管片使用比例確定。由圖2所示，根據簡單的幾何關系可知:

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18°后拼裝，因此管片楔形量Δ為:

式(1)～式(5)中，R為線路轉彎半徑，m;D為管片外徑，m;b2為管片外側寬度，m;b1為管片內側寬度，m;B為管片寬度，m;θ為轉彎角度;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時極限轉彎能力為105 m，滿足最小轉彎半徑要求。

2.3 管片配筋

管片結構的內力及變形計算應采用荷載—結構模式。目前國內外盾構隧道管片襯砌結構的截面內力計算的主要設計方法有修正慣用法、慣用法、多鉸環法與梁—彈簧模型法4種多以經驗性為主的簡化計算法。文中采用修正慣用法:即將襯砌圓環考慮為彈性勻質圓環，用小于1的剛度折減系數η來體現環向接頭的影響，不具體考慮接頭的位置，即僅降低襯砌圓環的整體抗彎剛度;用彎矩的增大率ζ來考慮由接頭所引起的管環的剛度降低和錯縫拼裝所引起的拼接效應;用曲梁單元模擬剛度折減后的襯砌圓。根據國內外經驗在計算中，η 可取 0.55，0.65，0.75 三種參數，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，得到每環盾構管片的內力如圖3，圖4所示(圖中括號內數值為標準值)。管片采用C50防水混凝土制作，抗滲強度等級P12，主筋采用HRB335級鋼，管片主筋保護層厚:外側為40 mm，內側為30 mm。根據現行混凝土設計規范，管片內側配筋為8φ14，管片外側配筋為 10φ14，每環管片配筋率為185.9 kg/m3。

圖3 管片彎矩設計值、標準值（單位：kN·m）

圖4 管片軸力設計值、標準值（單位：kN·m）

3 結語

本文對外徑4.1 m、內徑3.6 m小直徑盾構管片的形狀、轉彎環楔形量、管片配筋等方面的設計進行簡單分析，不足之處請國內外同行批評指正。

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

［2］何 川，曾東洋.盾構隧道結構設計及施工對環境的影響［M］.南京:西南交通大學出版社，2007.

［3］GB 50157-2003，地鐵設計規范［S］.

［4］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［5］GB 50108-2008，地下工程防水技術規范［S］.

［6］［日］土木學會.隧道標準規范(盾構篇)及解說［M］.朱偉，譯.北京:中國建筑工業出版社，2001.