地鐵大直徑盾構隧道管片結構可行性及經濟性分析研究

張 亮 （東莞市軌道交通有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引 言

目前國內地鐵最高運行速度一般為80～100km/h，盾構隧道內徑以5.4m、5.5m為主，管片厚度一般為30cm或35cm。東莞地鐵2號線設計最高運行速度為120km/h，超出現行地鐵設計規范最高速度限值，若管片內徑仍設計5.4m或5.5m，列車以100～120km/h高速行駛時乘客將會出現較明顯耳鳴耳痛現象，較大影響乘坐舒適度，而通過增大管片襯砌內凈空是緩解這種現象的有效措施之一。為指導2號線設計和建設工作，有必要對內徑大于5.4m盾構隧道管片結構可行性和經濟性進行研究分析。

本文通過對內徑5.4m～6.2m單管單線盾構隧道襯砌結構內力進行計算，并進行配筋分析，以論證各種內徑結構斷面的可行性。基于管片襯砌設計和配筋分析，為表征管片內徑變化對管片襯砌材料造價的影響，以2號線蛤地站～陳屋站區間為工程分析背景，對多種內徑的管片襯砌和盾構隧道每延米土建造價進行了綜合分析比較，重點以內徑6.0m盾構隧道為例進行分析。

1 結構可行性分析

1.1 分塊方案

內徑大于5.4m地鐵盾構隧道管片分塊常采用“1+2+3”模式，即用1個封頂塊、2個鄰接塊和3個標準塊構筑襯砌環。6分塊管片單塊尺寸和重量適中，由于可采用小封頂塊，采用縱向插入拼裝方式改善了結構受力。據國內外調研資料，對時速大于100km/h的單管單線區間隧道，管片內徑通常在5.4m～6.2m之間取值。

1.2 荷載計算

黏性土中水土合算，砂性土中水土分算。垂直土壓根據太沙基松弛土壓力理論計算。對于深埋盾構隧道(埋深大于2倍隧道洞徑D)，若作用在隧道結構上的土壓力值小于2D覆土荷載時，斷面垂直土壓取2D土柱荷載。對于淺埋盾構隧道，垂直土壓按全覆土柱計算。

圖1 荷載－結構模式

管片結構內力及變形計算采用梁—彈簧模型，如圖1所示。梁-彈簧模型將管片主截面簡化為圓弧梁，對于彎矩將管片接頭考慮為旋轉彈簧，將管片環接頭考慮為剪切彈簧。

1.3 內力計算

分別取內徑為 5.4m、5.5m、5.6m、5.7m、5.8m、5.9m、6.0m、6.1m和6.2m，考慮30cm和35cm兩種管片厚度，取管片寬度B=1.5m，對各種內徑的管片內力進行計算。其中6.0m內徑管片內力計算結果如表1所示。

內徑6.0m管片內力計算結果 表1

1.4 配筋分析

考慮管片受力可能最不利截面有正彎矩最大的截面、負彎矩最大的截面、剪力最大的截面。計算模型為偏心受壓構件。保護層厚度考慮防水和耐久性要求，管片內側取30mm，外側取40mm，采用C50混凝土，主筋為HRB335螺紋鋼。

經管片裂縫寬度驗算，內徑6.0m管片的配筋情況如表2所示，該配筋計算是根據是盾構隧道管片襯砌的承載能力（強度）和正常使用（裂縫）要求計算出的理論配筋量。

根據施工經驗，當含筋量小于130kg/m3時，管片襯砌在施工中易出現局部裂縫，因此盾構隧道管片厚度為35cm、內徑在φ5400～6200mm范圍時，其含筋量宜選在130～160kg/m3之間。

管片內徑與鋼筋含量的關系見圖2，可知在相同內徑情況下，隨著襯砌厚度的增加，含筋量逐步減小；當內徑為6.1m、管片厚度為30cm時，含筋量達到最大值。

內徑6.0m管片配筋計算表 表2

2 結構經濟性分析

主要對盾構隧道區間工程費進行對比分析，包括管片襯砌材料費、盾構機購置費、掘進費以及渣土處理費等。重點以內徑6.0m、管片厚度35cm的盾構隧道為例進行分析。

2.1 材料費用

包括成型管片費用、防水材料（止水帶、止水膠條費用）、接頭螺栓費用。參考華南地區地鐵施工平均費用考慮。

材料費用計算表 表3

2.2 盾構機費用

2.2.1 按下列2種方式分別進行計算

盾構機按10km/臺的使用壽命全部分攤 表4

盾構機在區段中分攤一定比例 表5

圖2 含筋量隨內徑變化曲線

②在2號線盾構區段分攤盾構機全部造價的一定比例，每延米盾構機費，式中：N為在本區段使用的盾構機臺數；L為本區段長度 (m)；η為盾構機在本區段的分攤比例。

2.2.2 德國海瑞克盾構

以德國海瑞克盾構為例，內徑6.0m盾構機價格為6000～7000萬元/臺，計算時大致采用平均價格。對2號線區段進行各種分攤比例計算，取盾構機壽命長度為10km/臺，分攤比例取10%、30%、50%、70%、90%、100%等多種方式，并分別考慮使用4臺、3臺、2臺盾構機計算，為便于對比，各種情況都分析了多種直徑盾構機下的分攤費用。

蛤地站～陳屋站區間采用盾構大斷面長約1.65km，即本區段盾構開挖長度L=3.3km。當使用4臺盾構機時，本區段長度占4臺盾構機全壽命長度的比例為3.3/40=8.25%，即η=8.25%為盾構機費用根據實際掘進長度分攤比例。具體見表4、5。

從隧道施工工期考慮，按大盾構推進速度為150m/月計算，當使用4臺盾構機時，本區段工期約為6個月，工期短；當使用2臺盾構機時，工期約為11個月，工期較長。

2.3 掘進費用

包含棄土外運費、管片拼裝及同步注漿費、掘進開挖及刀具更換費等。參考華南地區地鐵施工平均費用考慮。

2.4 總費用

根據上述各項費用計算得每延米的盾構隧道區間工程費總費用。蛤地站～陳屋站區間若采用2臺內徑6.0m盾構機，以30%在本區段中分攤的總費用約4.8萬/m。

盾構機按10km/臺的全壽命分攤時總費用 表7

3 結 論

①從襯砌結構受力和行業施工經驗綜合考慮，管片厚度為35cm、內徑在5.4m～6.2m范圍的盾構隧道襯砌含筋量設計取值宜控制在130kg/m3～160 kg/m3之間。對于最高設計時速為120km/h的東莞地鐵2號線蛤地站～陳屋站區間，管片襯砌合理設計方案可選擇內徑為6.0m、厚度為35cm、幅寬為1.5m，采用3+2+1分塊方式，管片襯砌含筋量宜控制在130kg/m3～140 kg/m3之間。

盾構機在區段中分攤一定比例時總費用表8

②單從盾構隧道結構經濟性考慮，對于蛤地站～陳屋站大斷面盾構區間，當使用4臺盾構機時，根據實際掘進長度的分攤比例為8.25%；當使用2臺盾構機時，根據實際掘進長度分攤比例為16.5%。綜合經濟性和工期考慮，蛤地站～陳屋站盾構區間的施工可采用2臺盾構機，宜采用16%左右的分攤比例。

③結合實際盾構機的新舊情況，蛤地站～陳屋站盾構區間最終采用的盾構機合理分攤比例可按以下取值：采用2臺盾構機，若盾構機是舊機，或者即使是新機但今后可在其它地方采用時，合理分攤比例取16%左右；當采用新盾構機且目前不具備在其它城市或區段中獲得應用的可能性時，合理分攤比例宜取30%左右。

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