地鐵盾構法隧道管片設計的幾個問題

劉世中

地鐵是我國交通運輸體系的重要組成部分，隨著社會經濟的發展，地鐵已在我國大多數城市普及。地鐵建設聯通了城市的各個區域，所以在城市商業中心區的地下也要經過地鐵，但地鐵建設需要地下開挖，很容易對城市地基造成擾動，導致地面出現隆沉等問題。因此，為了保障地鐵建設的安全性與穩定性，需要對地鐵隧道中管片結構設計進行具體的分析，提升管片結構的可靠性與安全性，從而提升地鐵質量，保障城市交通運輸安全。

1　管片結構形式設計分析

現階段，國內的地鐵施工管片設計主要有兩種形式：①通用環（楔形環）形式，這種管片結構的形狀為楔形，施工中需要將管片組合起來放置到相應的位置上，這種形式可以貼合地鐵建設中隧道的線形，所以符合掘進施工的特點。②無楔環管片形式，這種形式在楔形環原來的基礎上，增加了直、曲兩種形式的普通環，兩者結合才能完成施工。兩種管片因形式與性能等多方面的差異，在我國南北方地區有著不同的適用條件，例如，我國北京地區主要使用直、曲組合環，而在南京、廣州等南方地區則會根據實際情況結合兩種管片形式進行施工。這種情況的出現主要是由于南北方在地質、地形條件上存在的差異，南方地區山地、丘陵地帶較多，從力學的角度來考慮，隧道的起伏變化都會對管片的受力造成影響，所以會根據每段地質條件的不同選擇管片形式；而我國北方地區，地勢相對平坦但土質差異大，所以施工中采用直、曲集合等方式能夠提升管片的抗力性能。具體的設計對比分析有以下幾方面內容：

（1）管片結構形式性能對比

管片結構在地鐵運營中主要發揮的是抗力性能，其抗力性能來自兩個方面：①永久荷載帶來的；②施工荷載帶來的。所以在我國地鐵施工中，隧道直徑處于相同的情況時，使用的管片分塊也應處于相同情況，如果采用盾構法，管片分塊基本上都以5+1形式為主，也就是將管片分成六塊，施工中使用每個小的封頂塊直接以軸向方向插入。這種施工方法管片需要承載兩部分抗力，一部分來自楔形面，另一部分來自于垂直楔形面的分力，但是采用不同的管片結構形式力的分布情況是不同的，使用通用環結構時，分離可以均勻的分布到每個環片上，但無楔形環的方式則不可以實現，所以從這點上來看，楔形環的抗力性能以及荷載能力較強[1]。通常情況下，施工中使用楔形環管片結構時，要注意控制好楔形量以及準確計算各個環片的受力值。

另外，在地鐵施工中，由于管片斷面不平整的問題，使用盾構法配合千斤頂的應用，所以極易在施工中出現裂縫，所以，施工中如果施工區域為直線段，最好采用無楔形環管片結構，其抗力性能在這種情況下要優于楔形環。

（2）管片結構形式防水性能對比

現階段，我國地鐵工程施工中，防水主要通過橡膠條密封來完成，使用的密封材料主要是遇水膨脹橡膠以及三元乙丙彈性橡膠。橡膠的使用要以及管片止水溝槽為依據，通過加工制作矩形框條安裝在止水溝槽中，但框條必須完全封閉。由于無論采用哪種管片結構形式，其斷面都是斜平面，而且具有不完整性，如果使用楔形環結構，在千斤頂的作用下，每塊管片會相互靠近，從而導致縱向裂縫出現，這種裂縫的開口要遠遠超過無楔形環結構，從而無法利用強度較大的壓縮力擠壓止水橡膠，所以從這點來看，無楔形環結構的防水性能更強[2]。

（3）施工中管片結構占用面積以及組織計劃

施工中管片結構的用量要根據施工場地的空間條件、運輸條件以及施工任務量決定，所以在施工組織設計上，工作人員要對管片進行具體編號，然后按照編號進行排放，施工中使用每種結構的管片要由施工工序做決定，所以管片結構不會對施工進度造成影響。由此來看，施工中兩種管片結構形式在占用面積以及組織計劃上并無較大差異。

2　管片環寬設計分析

（1）管片環寬設計與隧道曲線半徑的關系

管片環寬與隧道曲線半徑之間呈現的是正比例關系，由于隧道曲線位置受盾尾處間隙的影響，所以，如果轉彎位置的寬度過大，地鐵轉彎時的阻力就會增加，導致盾尾處間隙位置出現被卡住的情況，從而破壞管片。通過研究發現，盾尾間隙處于2.0～4.0cm的范圍內最為合適，以2cm為例，如果盾尾間隙為2cm，那么管片環寬在設計上應為1m，而曲線半徑應控制在300m[3]。但現階段，國內地鐵施工曲線半徑基本要在500m以上，所以要適當調節管片環寬以及盾尾間隙。

（2）管片環寬設計與施工速度關系

地鐵施工采用盾構法時，其施工進度管理目標依據是每日工作量，所以在施工現場的資源配置以及施工工序的組織計劃上都要以這個目標為核心進行。每日施工內容為進尺掘進、出土盾構施工、管片拼裝，所以提升施工進度可以采取延長施工長度以及縮短施工時間兩種方法。通過實際施工統計，以上述三項內容為一個施工循環，每個循環施工所花費的時間在2h左右，如果在施工中借助千斤頂的話，每種施工速度要快于正常施工2～6cm[4]。而隨著管片環寬的增加，施工循環的內容也會增加，從而導致施工時間上升，為此，施工進度控制必須要考慮到管片環寬這項因素，盡量將環寬控制在1.8m左右，這樣能夠有效的提高施工速度。

3　封頂塊管片插入設計分析

盾構法地鐵隧道施工管片插入方式有兩種：①徑向式插入；②軸向式插入。其中徑向式在管片形狀上存在優勢，由于其形狀簡單，方便管片拼裝；而軸向式結構可靠性較高，管片之間可以相互作用。但由于施工中，在軸力和注漿壓力的雙重作用下，管片截面會有剪切力產生，如果一旦隧道結構出現不穩定的情況，管片就會被擠出，所以國內地鐵施工主要采用的是軸向式。軸向式封頂塊管片插入設計長度計算公式為L表示的是管片的長度、B表示的是管片環寬、H1表示的隧道管片結構外部的周長；H2表示的隧道管片結構內部的周長、A表示的是管片的楔形量、δ表示的是插入中施工的間隙[5]。在施工中給定確定參數后，可以根據此公式計算出封頂塊管片的插入長度，長度計算要保障準確性，這會影響到施工質量以及施工小，根據施工經驗總結，插入長度越長，施工速度越快；另外，施工中必須保障施工操作規范，保證管片的抗力性能，從而提升管片結構的穩定性。

4　結束語

綜上所述，地鐵盾構法隧道管片設計是關系到地鐵運行穩定性與安全性的一項施工內容，而從當前兩種管片結構形式來看，每種都可以滿足我國地鐵隧道施工，但出于對地鐵運營經濟效益、安全性、舒適性等多角度因素的考慮，施工中盡量選擇直線段施工方式，隧道曲線半徑也要盡可能擴大，而且從性能等多角度因素上，最好采用無楔形環管片結構形式；另外，要注意管片插入長度的計算，從而保障施工質量，為地鐵運營營造安全、穩定的環境。

[1]王夢恕.中國盾構和掘進機隧道技術現狀、存在的問題及發展思路[J].隧道建設，2014，27（3）：179～187.

[2]杜峰.深圳地鐵9號線盾構法隧道管片預埋滑槽設計研究及探討[J].隧道建設，2014，22（3）：249～253.

[3]張常光，趙均海，張慶賀.盾構通過礦山法隧道復合支護的管片內力解析解及應用[J].現代隧道技術，2014，28（2）：95～100，114.

[4]樓朝偉，趙冬旭.地鐵隧道下穿淤泥地層工法比選及技術探討[J].鐵道標準設計，2016，30（12）：99～103.

[5]王立新.地鐵盾構隧道與礦山法隧道接口段抗震計算研究[J].鐵道標準設計，2017，33（3）：97～103.