大斷面水下盾構隧道管片設計參數及其統計分析

晏啟祥,王春艷,鄭代靖,李　燦

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都　610031)

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大斷面水下盾構隧道管片設計參數及其統計分析

晏啟祥,王春艷,鄭代靖,李燦

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都610031)

摘要：以國內大型水下盾構隧道的構造設計為基礎,結合國外典型盾構工程實例,分析我國水下盾構隧道襯砌構造設計現狀,并對管片外徑與管片楔形量、管片厚度、管片分塊數、標準塊圓心角、標準塊重力等襯砌構造設計參數的相關性進行統計分析,論述管片厚度與最大水壓、管片外徑與隧道最小覆蓋層厚度之間的關系。研究表明：我國大型水下盾構隧道接縫構造正在向單道止水密封、非榫槽平順接縫、通用楔形平板型管片錯縫拼裝方面發展；研究還得出管片外徑與管片厚度、管片分塊數和標準塊重力之間呈正相關性等一系列結論。

關鍵詞：水下隧道；盾構隧道；管片襯砌；構造設計；統計分析

目前，國內外大型水下盾構隧道工程越來越多，如國內已經建成武漢長江隧道，南京長江隧道，崇明長江隧道，杭州慶春路隧道，杭州錢江隧道，上海翔殷路隧道、上中路隧道，國外已建成英法海峽隧道、日本東京灣隧道，荷蘭綠色心臟隧道等，大型水下盾構隧道建設方興未艾。未來我國將在長江、黃浦江、珠江、錢塘江、黃河等流域繼續建設水下盾構隧道的同時，發展穿越海灣海峽等近海海底水下盾構隧道工程，特別是穿越渤海灣、杭州灣、膠州灣、北部灣、萊州灣、瓊州海峽、臺灣海峽、東海舟山群島等海域的水下隧道工程已是大勢所趨，盾構法水下隧道已呈現出向大斷面、大幅寬、高水頭、長距離發展的總體趨勢。

伴隨著我國水下盾構隧道的不斷建設，隧道工程界獲得了大量水下盾構法隧道設計與施工的實踐經驗與技術積累。如肖清明[1]等針對南京長江隧道擬定的4種分塊方案進行了綜合分析和選擇；夏松林[2]研究了廣州獅子洋隧道大斷面原型管片襯砌結構通縫式拼裝在不同水土壓作用下的整體受力規律與破壞特征；姜安龍[3]針對滬崇蘇通道南港隧道實際工程，開展了大直徑盾構隧道管片結構理論分析；張建剛[4]等提出了適用于復雜接縫面管片接頭的改進條帶算法，研究了不同螺栓連接方式、不同承壓襯墊方式、不同防水墊方式和不同接觸狀態下管片接頭的力學特征；封坤[5]等對南京長江隧道原型管片襯砌結構進行了試驗研究，探討了大型水下盾構隧道結構在通縫和錯縫拼裝方式下的不同破壞形態；張小冬[6]等結合擬建的哈爾濱松花江隧道，對隧道周圍土體及襯砌變形的力學性狀進行了研究；張冬梅[7]等結合上海長江隧道襯砌結構整環試驗，研究了考慮接頭力學特性的盾構隧道襯砌結構計算方法。上述研究都是針對具體工程對象以揭示其力學行為為主要目的。也有少量針對水下盾構隧道開展宏觀分析和討論的相關研究成果，如王夢恕[8]論述了水下隧道在穿越江河湖海時所有的優勢，討論了水下隧道勘察設計、施工的幾項關鍵技術；何川[9]等分析了大型水下盾構隧道在設計、施工及長期運營階段可能存在的結構問題以及未來亟待解決的關鍵問題；孫鈞[10]總結了國內外跨海隧道工程建設現況及其特色。然而，這些研究基本不涉及國內大型水下盾構隧道的構造設計方面的內容，大型水下盾構隧道的構造設計、特別是接頭細部的構造設計等方面的成果缺乏較為系統的總結和分析。因此，有必要對國內已建或在建的部分大型水下盾構隧道襯砌的構造參數及其細部特性進行闡述和分析，并統計出其對未來結構設計有益的技術成果。

1國內大斷面水下盾構隧道管片設計參數介紹

水下隧道襯砌構造設計主要包括管片襯砌環分塊、襯砌內外徑、管片厚度與幅寬、管片拼裝方式、接頭構造與螺栓連接形式、管片楔形量等，這些構造設計基本決定了管片襯砌的整體型式，也是水下盾構隧道設計時需要重點考慮的關鍵因素。由于國內水下盾構隧道襯砌構造設計現狀能反映我國盾構隧道襯砌設計的基本水平，因此，有必要以我國2008年建成的武漢長江隧道、2009年建成的上海崇明越江隧道、2010年建成的南京長江隧道、2011年建成的廣深港客運專線獅子洋隧道和杭州慶春路隧道、2014年建成的錢江隧道和2015年建成的南京緯三路長江隧道等7座標志性水下隧道工程的構造設計現狀進行闡述。

武漢長江隧道盾構段長2.54 km，內徑10.0 m，外徑11.0 m，管片幅寬2.0 m，厚度0.50 m，分塊形式為6B(40°)+2L(40°)+K(40°)，見圖1，采用C50鋼筋混凝土平板型管片，抗滲等級為P12。一環內縱向采用M30型8.8級螺栓插銷式直螺栓36個等圓心角布置，管片在環向接縫處布置M36型8.8級彎螺栓4個。管片楔形量為55 mm。管片接縫處設有環縱向凹凸榫槽，并在凹凸榫槽內外各設1道彈性密封墊，最終在襯砌結構上形成了2道防水線。

圖1　武漢長江隧道管片分塊及接縫構造示意(單位：mm)

南京長江隧道盾構段長3.02 km，內徑13.3 m，外徑14.5 m，管片幅寬2.0 m，厚度0.60 m，管片環由1塊封頂塊管片(F)圓心角為12.86°，7塊標準塊管片(分別為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)圓心角均為38.57°，以及左右各1塊鄰接塊管片(分別為L1、L2)構成，圓心角均為38.57°，見圖2，采用C60鋼筋混凝土平板型管片，抗滲等級為P12。縱向接頭42處，按4°27′和10°37′55.71″的角度交替布置。管片的楔形量為48 mm。接縫部位相對平整，在管片內外側分設2道彈性止水密封墊。

圖2　南京長江隧道管片分塊及接縫構造示意(單位：mm)

上海崇明越江隧道盾構段長7.47 km，采用通用楔形管片作為隧道襯砌。隧道內徑為13.7 m，外徑為15.0 m，管片幅寬2.0 m，厚度0.65 m，每環由10塊管片構成，見圖3。其中標準塊7塊(B)，鄰接塊2塊(L)，封頂塊1塊(F)。采用C50鋼筋混凝土平板型管片，抗滲等級為P12。管片環與環之間用38根斜螺栓相連接，每環管片的塊與塊之間以20根M39環向螺栓連接，采用通用楔形管片錯縫拼裝，管片的楔形量為40 mm。管片接縫構造平順不設榫槽，只在管片外側設置一道防水密封墊。

圖3　上海崇明越江隧道管片分塊及接縫構造示意(單位：mm)

廣深港客運專線獅子洋隧道盾構段長9.34 km，內徑9.8 m，外徑10.8 m，管片幅寬2.0 m，厚度0.50 m，管片環由1塊封頂塊管片(F)圓心角為16.36°，5塊標準塊管片(分別為B1、B2、B3、B4、B5)圓心角均為49.09°以及左右各1塊鄰接塊管片(分別為L1、L2)構成，圓心角均為49.09°，見圖4，采用C50鋼筋混凝土平板型管片，抗滲等級為P12。縱向接頭22處，按16°21′49.09″等角度布置。環向和縱向螺栓均采用6.8級M36型斜螺栓，管片楔形量為24 mm。管片接縫上設置2道彈性密封墊。

圖4　獅子洋隧道管片分塊及接縫構造示意(單位：mm)

杭州慶春路隧道盾構段1.77 km，盾構隧道內徑10.3 m，外徑11.3 m，采用通用楔形管片，管片厚度0.5 m，幅寬2.0 m。每環由9塊管片組成，分塊形式為6B(40°)+2L(40°)+F(40°)，見圖5，采用C50鋼筋混凝土平板型管片，抗滲等級為P12。管片環與環之間采用36根M30斜螺栓連接，塊與塊之間通過2條環向M36斜螺栓連接。管片接縫構造平順不設榫槽，只在管片外側設置1道防水密封墊。

圖5　杭州慶春路隧道管片分塊及接縫構造示意(單位：mm)

上述隧道的構造設計見表1。

這7座隧道管片內徑大致在10～14 m、外徑在11～15 m范圍內，管片厚度50～65 cm，分為8～10分塊，標準塊重力90～160 kN，最高水頭大多處于40～70 m之間。它們的共同點是都采用RC平板型管片，幅寬都為2 m，管片抗滲等級P12，且都采用錯縫拼裝方式；由于各座隧道的曲線半徑要求不同，因此其楔形量差別較大，最小的楔形量為24 mm、最大的達55 mm。值得注意的是，獅子洋隧道局部地段采用了雙層襯砌結構型式，大型水下盾構隧道有采用通用楔形環的趨勢。

上海市黃浦江上的部分大型水下盾構隧道襯砌構造設計見表2。其內徑在8.0～13.5 m，管片厚度在45～60 cm，分塊數8～10塊，標準塊重力50～160 kN。比較表1和表2可以看出，2000年前，水下盾構隧道采用RC箱形管片為主，通縫拼裝，2000年以后，主要以RC平板形管片為主，錯縫拼裝；管片的幅寬以2004年建設的上中路隧道開始，從最初的1.5 m以下提高到了2.0 m。目前國內內徑在8.0 m以上的水下盾構隧道襯砌幅寬基本都采用2.0 m幅寬。

表1　國內典型水下盾構隧道襯砌構造設計

表2　上海黃浦江水下盾構隧道襯砌構造設計

2襯砌構造設計參數統計

2.1　管片厚度與外徑關系

目前，管片厚度一般先根據隧道外徑按經驗確定，然后通過計算，考慮各種因素后綜合確定。也可根據管片襯砌各截面的最大壓應力應小于混凝土襯砌的抗壓強度，即需滿足σθmax≤fck/k加以確定，k為安全系數。如圖6所示的荷載模式，假定管片襯砌為均質圓環，P為徑向外水壓力，q為地層圍巖豎向均布荷載，e為地層圍巖水平側壓力中的矩形部分，Δe為隧道高度上豎向圍巖壓力差引起的水平不均勻側壓力。在彎矩和軸力共同作用下任一截面上的彎矩和軸力分別見式(1)和式(2)，其中，θ為襯砌截面與Y軸正方向的夾角，以順時針旋轉為正；M(θ)為襯砌θ截面所受的彎矩，以內側受拉為正；N(θ)為襯砌θ截面所受的軸力，以受壓為正；r為圓形襯砌截面中性軸所在圓半徑，取隧道內外半徑之和的一半。管片襯砌在地層圍巖和水壓力荷載共同作用下任意截面的最大壓應力見式(3)。Iz為橫截面對中性軸z的慣性矩，Iz為BH3/12，B為管片幅寬，H為管片厚度；y為截面上所求應力點相對中性軸的縱坐標，A為橫截面面積BH，a為隧道襯砌內半徑，b為隧道襯砌外半徑，R為襯砌截面任意點相對圓心半徑。將式(1)、式(2)代入式(3)可以看出，在特定荷載情況下，要將混凝土襯砌的最大壓應力控制在強度允許范圍內，則需要在半徑r增大的同時，增大Iz和A，即增大管片厚度值。因此，可以根據公式(3)確定出特定荷載下不同半徑襯砌所需要的厚度值。

圖6　襯砌環荷載示意

(1)

(2)

(3)

顯然，在特定荷載和管片幅寬情況下，式(3)中y取±H/2，R取襯砌內徑時，各截面σθ極值僅與管片襯砌外徑、厚度以及截面所處的位置角θ有關。選取所有截面σθ極值中的最大值，即為σθmax。根據截面最大壓應力應小于混凝土襯砌的抗壓強度，可獲得管片襯砌外徑與其最小所需厚度的相互關系。

結合公式(3)中，參照國內外相關規范[11-12]，對某Ⅵ級圍巖深埋水下鐵路隧道，水平側壓力系數取0.5，垂直均布壓力q=γh，h=0.45×2S-1ω，其中ω為寬度影響系數ω=1+i(B-5)；B為坑道寬度；i為B每增減1 m時的圍巖壓力增減率，當B<5 m時，i=0.2；B>5 m時，i=0.1，根據統計數據水壓P取0.65 MPa，混凝土fck/k取25.0 MPa時，計算出了隧道管片襯砌外徑為11.0～16.0 m時管片最小所需厚度見圖7，其斜率為0.034。

圖7　管片外徑與管片所需最小厚度

根據實際工程統計，管片外徑與管片厚度之間的相互關系也列于圖8，其斜率為0.033，且外徑11 m時其管片厚度平均約0.50 m。從圖7和圖8中可以看出工程樣本統計曲線與計算統計曲線斜率較為接近，因此，工程設計時斜率可近似選取為0.03，管片厚度可按以下線性公式確定

(4)

圖8　管片外徑與管片厚度統計

2.2　管片厚度與水壓關系

國外典型水下盾構法隧道有英法海峽隧道、日本東京灣隧道、荷蘭西斯凱爾特隧道、德國易北河隧道等。英法海峽隧道最大埋深100 m，水深40 m；日本東京灣海底公路隧道最大埋深50～60 m，水深20～28 m，最大水壓0.60 MPa；荷蘭西斯凱爾特隧道直徑為11.33 m，地層透水強，考慮到潮位變化，作用在隧道底的最大水壓可達0.65 MPa；德國易北河隧道全長3.1 km，隧道頂距河床底最小覆土約7.0 m，預計隧道承受最大水壓高達0.64 MPa。結合表1和國外典型隧道的最大水壓情況的統計結果，可以繪出管片襯砌厚度與最大水壓的關系如圖9所示。圖9表明，管片襯砌實際的厚度與最大水壓之間沒有明確的相關性，即使水壓較高，若管片襯砌外徑并不大，其對管片襯砌所需厚度的影響并不明顯。

圖9　管片襯砌厚度與最大水壓的關系統計

2.3　管片外徑與埋深關系

合理確定隧道的最小覆蓋厚度是修建水下盾構隧道的關鍵技術之一。如果覆蓋層厚度太小，隧道工作面就有面臨塌方、涌水、開挖面支護壓力不易控制以及隧道上浮等問題。隧道最小覆蓋厚度與巖石強度和基巖以上水深有關，巖石強度高，基巖以上海水淺，最小覆蓋厚度可以降低；此外，最小覆蓋厚度還與灌漿壓力有關，高灌漿壓力則要求有足夠的巖石覆蓋厚度；與此同時，隧道最小覆蓋厚度還應考慮河勢演變，河床沖刷等因素。隧道合理埋置深度的確定可以參照已建隧道的工程設計資料，尤其是對于相同工程地質和水文地質區域內的隧道而言，已建成隧道的成功設計和施工經驗是待建隧道的重要參考。國內外已建典型水下盾構隧道最小埋深如表3所示，最小的7.0 m，最大的達21.0 m，由于覆蓋層最小厚度與隧道所穿越的地層巖性緊密相關，并非呈現出外徑越大，覆蓋層越厚的趨勢。更多的資料匯總后示于圖10。

表3　國內外典型水下盾構隧道最小覆蓋層厚度與管片外徑關系

從圖10可見，根據已建工程實例，水下盾構隧道的平均覆蓋層厚度和最小覆蓋層厚度并沒有隨著隧道外徑的加大而有顯著增長，但考慮盾構施工過程中的頂推隆起等因素的影響，建議最小覆蓋層厚度與盾構隧道外徑之間要呈現正相關關系。大多數隧道的平均覆蓋層厚度在20～30 m，而最小覆蓋層厚度在10～18 m。

圖10　國內外水下盾構隧道埋置深度

2.4　管片分塊數及標準塊重力與外徑關系

對圖11和圖12中管片外徑與管片分塊數、標準塊重力等關系實施擬合，擬合所得曲線的顯著性水平檢驗R2分別為0.92、0.93，表明擬合的趨勢線和統計的公式一定程度上能反映數據的對應關系。從圖11、圖12可見，隨著管片外徑的增大，襯砌環分塊數量、標準塊重力都有增大的趨勢，而標準塊對應的圓心角有減小趨勢。

圖11　管片外徑與管片分塊數統計

圖12　管片外徑與標準塊管片重力統計

2.5　管片楔形量與外徑關系

代表性水下隧道工程的管片外徑與管片楔形量統計關系見圖13，統計數據含復興東路隧道管片楔形量66 mm、上中路隧道管片楔形量40 mm的樣本等8座隧道的樣本，其中含重合樣本2座。從圖13可以看出，對于隧道管片環外徑大于10 m的大型水下盾構隧道，楔形量通常在40～70 mm。

圖13　管片外徑與管片楔形量統計圖

管片的楔形量由隧道平面曲線半徑、豎曲線半徑及路線糾偏需要等因素綜合確定，其計算公式為Δ=B×D/R，其中B為管片環寬；D為隧道襯砌外徑；R為隧道轉彎半徑。由公式可知，楔形量與管片外徑存在明確的關系，只是為了考慮糾偏要求，需要根據經驗采用一個較小的隧道轉彎半徑來計算。

3結論與建議

通過我國大型水下盾構隧道的構造設計現狀及其相關參數的統計分析可以看出：我國大型水下盾構隧道接縫防水型式逐步簡化，從2道彈性防水密封墊減少為1道，說明盾構隧道單道防水設計已經能夠滿足工程要求；接縫端面逐漸平順化，放棄了凹凸榫槽等強化接頭剛度的構造措施；盾構隧道管片襯砌基本固化

為RC平板型襯砌，并大量采用通用楔形環錯縫拼裝；在管片襯砌厚度和外徑自由變化的同時，管片幅寬提高到2.0 m后基本維持不變；另外，水下盾構隧道已經開始出現雙層襯砌結構形式。從管片外徑與管片楔形量、管片厚度、管片分塊數、標準塊圓心角、標準塊重力等襯砌構造設計參數的相關性進行統計分析看出，管片外徑與管片厚度、管片分塊數和標準塊重力之間呈正相關性，而與標準塊圓心角和楔形量之間的相關性不明顯；管片襯砌厚度與最大水壓之間也沒有明確的相關性；與此同時，盾構隧道外徑與隧道的平均覆蓋層厚度和最小覆蓋層厚度之間相關性不明顯，盾構隧道平均覆蓋層厚度和最小覆蓋層厚度主要受穿越地層巖性及其圍巖級別的影響，但鑒于盾構施工過程中頂推隆起等因素會誘發施工安全等問題，建議最小覆蓋層厚度與盾構隧道外徑之間應呈現正相關關系；目前大多數水下盾構隧道的平均覆蓋層厚度在20～30 m，而最小覆蓋層厚度在10～18 m。

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Conformation Design and Statistical Analysis of Large Underwater Shield TunnelYAN Qi-xiang, WANG Chun-yan, ZHENG Dai-jing, LI Can

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：Based on conformation design of large underwater shield tunnel at home, combined with typical engineering practice of shield construction abroad, this paper analyzes current conformation design of underwater shield tunnel in our country; statistically analyzes the correlation between segment external diameter and constitution design parameters of lining concerning segment wedge, lining thickness, segment partition number, central angle of standard piece and standard weight; discusses the relationship between segment thickness and maximum water pressure, between diameter of tunnel external segment and minimum thickness of covering layer. The research results show that the joint structure of large underwater shield tunnel in China tends to employ single sealing, smooth joint without rabbet, and universal wedge-shaped segment of plate type and staggered assembling; the external diameter of segment ring positively correlates to segment thickness, number of blocks and standard weight of segment.

Key words：Underwater tunnel; Shield tunnel; Segment lining; Conformation design; Statistical analysis

中圖分類號：U455.43

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.021

文章編號：1004-2954(2016)02-0099-06

作者簡介：晏啟祥(1971—)，男，教授，博士，研究方向為盾構法隧道理論與新技術。

基金項目：國家自然科學基金項目(51178400，51278425)，教育部新世紀人才支持項目(NCET-11-0713)

收稿日期：2015-04-14； 修回日期：2015-05-28