談盾構(gòu)法隧道管片式襯砌設(shè)計(jì)

王 琴

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

21世紀(jì)被稱為“地下空間”的世紀(jì)。我國(guó)隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展和大城市引力的作用，大城市都出現(xiàn)了交通和居住環(huán)境與入口過度集中產(chǎn)生的矛盾。我國(guó)大城市普遍采用修建高架橋和申報(bào)修建各種類型的軌道交通來緩解入口過多帶來的問題。由于地鐵承載能力大、能耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為軌道交通中被普遍采用的方式。地鐵隧道的施工一般分為明挖、蓋挖和暗挖三種開挖形式。明挖法和蓋挖法的隧道開挖形式對(duì)地面上構(gòu)筑物、建筑物和居民日常生產(chǎn)生活影響較大，施工周期和成本會(huì)隨著增加。盾構(gòu)法作為暗挖法的一種，由于對(duì)施工周圍環(huán)境影響小、對(duì)地下管線的干擾小、施工不受天氣影響，施工周期短、便于施工管理等特點(diǎn)，成為隧道施工首選的方法。管片式襯砌作為盾構(gòu)法施工隧道的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)，襯砌的質(zhì)量決定著隧道施工期和運(yùn)行期的安全，因此管片式襯砌的設(shè)計(jì)在盾構(gòu)法隧道施工中尤為重要。

1 襯砌分類

襯砌結(jié)構(gòu)在施工期間保護(hù)開挖面，防止開挖面的土體發(fā)生變形、坍塌破壞和泥水滲入等影響施工的不利因素，并為盾構(gòu)機(jī)提供推進(jìn)反力；在隧道運(yùn)行期，襯砌作為永久性支撐結(jié)構(gòu)，承載著襯砌周圍的土壓力、水壓力及某些特殊荷載。管片式襯砌結(jié)構(gòu)主要包括管片、連接螺栓和防水充填材料等。

1.1 襯砌的形式分類

襯砌按照材料及形式的不同可以分為鋼筋混凝土管片、鑄鐵管片、鋼管片和復(fù)合管片四種。1)鋼筋混凝土管片加工方便、耐腐蝕、造價(jià)較低、有一定的強(qiáng)度；但質(zhì)量大，運(yùn)輸、安裝過程中易損壞，需要進(jìn)行特殊防護(hù)，是目前我國(guó)盾構(gòu)法隧道施工的常用管片型式。2)鑄鐵管片質(zhì)量較輕、耐腐蝕性好、易加工且精度高、防泥水滲漏好；但金屬材料消耗大、造價(jià)高、易脆性破壞、承受沖擊荷載能力差。3)鋼管片質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、運(yùn)輸、安裝方便；但剛度小、耐腐蝕性能差、金屬材料消耗大、造價(jià)高。4)復(fù)合管片一般為鋼板外殼，在內(nèi)部澆筑混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成，重量較鋼筋混凝土管片較輕、剛度較鋼管片大；但鋼外殼耐腐蝕性能差、加工工序較多且復(fù)雜。

盾構(gòu)法施工隧道的斷面一般可分為圓形、矩形、橢圓形、馬蹄形及復(fù)合圓形等形狀，管片的形狀必須根據(jù)開挖隧道的斷面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)。在我國(guó)隧道的斷面形狀常為圓形。因此，鋼筋混凝土管片襯砌按不同的設(shè)計(jì)要求可以分為箱形管片和平板形管片。其中，箱形管片主要運(yùn)用于斷面直徑大的隧道，可以減輕結(jié)構(gòu)自重同時(shí)節(jié)省混凝土材料，但在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中容易開裂，破損。平板形管片主要用于斷面直徑較小的隧道，在盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)過程中對(duì)推力有較強(qiáng)的抵抗能力，不易損壞。在國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)法隧道施工中常采用平板形管片。

襯砌按照形成方式可以分為裝配式襯砌和擠壓混凝土襯砌。裝配式襯砌是由預(yù)制好的混凝土管片分塊在盾構(gòu)機(jī)的尾部進(jìn)行拼裝，拼裝完后能夠立即承受荷載的襯砌。按照管片的位置和拼接順序可將管片分為標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊和封頂塊。擠壓混凝土襯砌是在高壓作用下，盾尾處剛澆筑但未硬化的混凝土作為盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的后座，在推進(jìn)過程中，空隙由混凝土填充，從而形成整體式的襯砌結(jié)構(gòu)。

1.2 襯砌的構(gòu)造分類

襯砌按照構(gòu)造形式可以分為單層襯砌和雙層襯砌。單層襯砌多為鋼筋混凝土管片拼裝組成的襯砌結(jié)構(gòu)。在滿足設(shè)計(jì)受力和耐久性的前提下，由于施工工藝簡(jiǎn)便、施工周期短、工程造價(jià)低及防滲漏效果較好被普遍使用。雙層襯砌由外層裝配式襯砌結(jié)構(gòu)和內(nèi)層混凝土或鋼筋混凝土層共同構(gòu)成的襯砌結(jié)構(gòu)。由于施工開挖斷面大、施工工藝復(fù)雜、施工周期較長(zhǎng)、造價(jià)較高但由于良好的防水性能，多被用于飽和含水軟土層內(nèi)的隧道。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

2.1 管片環(huán)寬

襯砌的管片環(huán)寬直接影響著施工周期的長(zhǎng)短、施工進(jìn)度的快慢以及施工的經(jīng)濟(jì)性的高低。應(yīng)綜合考慮多方面因素，既要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件又要考慮設(shè)施設(shè)備的承載能力和施工難易程度等，從而得到較合理的管片環(huán)寬。施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件往往從隧道的曲線半徑、管片的大小、形狀以及吊裝的占地情況；設(shè)施設(shè)備的承載能力往往要考慮盾構(gòu)機(jī)的最大推進(jìn)力和承載能力，千斤頂?shù)淖畲蠊ぷ骶嚯x等；施工的難易程度往往為管片的拼接裝配難易程度、施工工藝是否提高等考慮。

根據(jù)研究和現(xiàn)場(chǎng)理論經(jīng)驗(yàn)可知，盾構(gòu)施工橫截面受力與管片環(huán)寬的關(guān)系不大；管片環(huán)寬的增大，使整個(gè)襯砌的剛度增大及環(huán)向接縫變少，有效控制部分不均勻沉降和防滲漏，提高施工速度；但由于受到現(xiàn)場(chǎng)施工和機(jī)械設(shè)備的影響，管片環(huán)寬不能一味的增大。隧道盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)彎最小曲線半徑對(duì)管片環(huán)寬的約束較大。在盾構(gòu)機(jī)工作轉(zhuǎn)彎期間，若受盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙過大即每環(huán)片轉(zhuǎn)彎角度過大，管片在盾尾已被卡住，增大盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力，從而造成管片的損壞。根據(jù)式(1)，隧道曲線半徑、管片環(huán)寬及轉(zhuǎn)彎開口間隙的關(guān)系，可以得出較符合實(shí)際盾構(gòu)機(jī)工作運(yùn)行的管片環(huán)寬。

δ=B×D外/ρ

(1)

其中，δ為每環(huán)管片轉(zhuǎn)彎開口間隙，mm；B為管片環(huán)寬，m；D外為隧道結(jié)構(gòu)外徑，m；ρ為隧道曲線最小半徑，m。

2.2 選型與分塊

2.2.1管片選型

管片選型的正確與否直接影響著工程的進(jìn)度和施工質(zhì)量，是評(píng)價(jià)隧道工程成敗的關(guān)鍵指標(biāo)。錯(cuò)誤的管片選型往往會(huì)導(dǎo)致各種施工問題的發(fā)生，大致可以分為以下幾種:1)管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、破損及裂縫等；2)易造成隧道滲漏水；3)管片走向與盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向不一致，盾尾間隙較小，管片組合安裝困難，并易造成盾尾裝置的損壞。合理的管片選型可以使隧道軸線偏差較小、襯砌的整體性好；盾尾間隙均勻，千斤頂行程小，節(jié)省動(dòng)力。

管片的選型既要符合隧道的設(shè)計(jì)線路又要符合盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行姿態(tài)。管片選型的正確主要從以下幾方面綜合考慮：1)根據(jù)設(shè)計(jì)線路進(jìn)行預(yù)排版；2)千斤頂?shù)男谐蹋?)盾尾間隙；4)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向與設(shè)計(jì)軸向的相關(guān)關(guān)系；5)鉸接油缸行程。

2.2.2管片分塊

襯砌環(huán)管片塊數(shù)指組成一環(huán)襯砌所需的管片數(shù)量。管片分為標(biāo)準(zhǔn)塊、鄰接塊和封頂塊三類。一個(gè)襯砌環(huán)往往由數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2個(gè)鄰接塊和1個(gè)封頂塊組成。國(guó)內(nèi)單線地鐵的襯砌環(huán)管片一般為6塊～8塊，雙線地鐵的一般為8塊～10塊。目前國(guó)內(nèi)普遍采用6塊管片組合的襯砌環(huán)，由1個(gè)封頂塊、2個(gè)鄰接塊和3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊組成。1個(gè)封頂塊的中心角為22.5°，2塊鄰接塊的中心角為67.5°，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊的中心角為67.5°。

2.3 封頂管片插入形式與搭接長(zhǎng)度

綜合考慮施工的難易程度和受力的影響，盾構(gòu)法隧道施工管片式襯砌的封頂多采用小封頂形式。封頂塊一般有兩種插入拼接方式：徑向楔入方式和軸向插入方式。軸向插入方式考慮了插入管片和相鄰管片的相互作用，使得封頂塊的受力較好，形成的襯砌結(jié)構(gòu)較可靠；徑向楔入方式的封頂管片形狀簡(jiǎn)單、易于拼裝。但在推進(jìn)力較大或注漿壓力較大時(shí)，封頂塊需承受兩側(cè)管片帶來的較大剪切力，封頂塊易被擠出。國(guó)內(nèi)盾構(gòu)法隧道多采用軸向插入方式進(jìn)行襯砌的封頂。

封閉塊管片與兩側(cè)鄰接塊管片搭接長(zhǎng)度的長(zhǎng)短，不僅與管片式襯砌的拼裝速度直接相關(guān)，還與盾構(gòu)機(jī)的總長(zhǎng)度和千斤頂?shù)男谐滔嚓P(guān)，故搭接長(zhǎng)度一般越長(zhǎng)越好。根據(jù)式(2)，可以得出與較符合盾構(gòu)法隧道施工需要的搭接長(zhǎng)度。

(2)

其中，X為封閉塊管片的搭接長(zhǎng)度，m；B為管片環(huán)寬，m；L1=2R外×sin(θ/2)，m；L1=2R內(nèi)×sin(θ/2)，m；R外為隧道管片結(jié)構(gòu)外徑，m；R內(nèi)為隧道管片結(jié)構(gòu)外徑，m；θ為封閉塊管片角度，一般取17°～24°；δ為管片縱向插入施工間隙,一般取50 mm；A為封閉塊管片楔形量，一般取60 mm～80 mm。

2.4 拼接方式

盾構(gòu)法隧道管片式襯砌相鄰兩環(huán)拼接縫位置的不同，主要有通縫拼接和錯(cuò)縫拼接兩種拼接方式。襯砌的縱縫環(huán)環(huán)相連接，形成一條條直線的為通縫拼接；襯砌的縱縫相互錯(cuò)開，成“丁”字型的為錯(cuò)縫拼接。通縫拼接施工方便，管片易拼接，接縫處防水易處理；但在承受千斤頂?shù)目v向推進(jìn)力較弱。錯(cuò)縫拼接施工復(fù)雜，環(huán)面的平整度要求較高，施工不當(dāng)易出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)或開裂；但拼接后整體性強(qiáng)，強(qiáng)度較高，承受千斤頂?shù)目v向推進(jìn)力較強(qiáng)。國(guó)內(nèi)通縫拼接和錯(cuò)縫拼接均有采用，國(guó)外多采用錯(cuò)縫拼接。

3 施工質(zhì)量控制

盾構(gòu)法隧道施工拼裝過程中往往會(huì)遇到管片錯(cuò)臺(tái)、管片破損及管片滲漏等問題，找到發(fā)生問題的原因，并從根源進(jìn)行糾正，才能保證施工進(jìn)度和施工質(zhì)量?jī)刹徽`。

3.1 管片錯(cuò)臺(tái)

根據(jù)管片錯(cuò)臺(tái)的方向不同，可分為環(huán)向錯(cuò)臺(tái)和縱向錯(cuò)臺(tái)兩種。管片錯(cuò)臺(tái)如果不及時(shí)進(jìn)行糾正或重新拼接可能造成管片滲漏、管片開裂和破損等新的影響施工質(zhì)量的問題。根據(jù)眾多隧道實(shí)例得出，引起管片錯(cuò)臺(tái)的原因主要為管片拼裝不規(guī)范、注漿控制不當(dāng)以及最小曲線半徑的設(shè)定不合理等。

1)管片拼裝不規(guī)范。

管片拼裝前對(duì)管片進(jìn)行仔細(xì)檢查，將在制作、運(yùn)輸期間損壞的管片及時(shí)進(jìn)行更換；拼裝過程中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工規(guī)范操作；對(duì)管片或盾構(gòu)機(jī)盾尾處遺留的雜物及時(shí)清理，保證管片表面的干凈。

2)注漿控制不當(dāng)。

選用經(jīng)驗(yàn)豐富的工人進(jìn)行注漿操作，保證注漿壓力和注漿量的均勻穩(wěn)定，使得管片不會(huì)因?yàn)槭艿阶{壓力的不均勻造成管片發(fā)生偏移；盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度與注漿速度相協(xié)調(diào)，保證管片在承受荷載時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

3)最小平曲線半徑的設(shè)計(jì)。

盾構(gòu)機(jī)工作的掘進(jìn)軸線盡量與隧道軸線相重合，綜合考慮工程地質(zhì)條件、千斤頂行程、盾尾間隙等方面，盡可能選擇出合理的管型；根據(jù)施工的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際掘進(jìn)情況，在小半徑曲線段適當(dāng)安裝轉(zhuǎn)彎環(huán)并選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)，保證襯砌的穩(wěn)定。

3.2 管片的破損

盾構(gòu)法隧道管片的破損主要表現(xiàn)為管片存在崩角、崩邊及裂紋等現(xiàn)象。由于管片的強(qiáng)度不夠、運(yùn)輸過程中保護(hù)措施不到位及吊裝或盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中等造成管片破損。管片制作過程中嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，保證混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，養(yǎng)護(hù)到位；在管片的運(yùn)輸過程中嚴(yán)格管理，在管片間添加緩沖墊木；提前沿設(shè)計(jì)的施工軸線對(duì)施工掘進(jìn)過程進(jìn)行擬合，根據(jù)合理的掘進(jìn)參數(shù)在掘進(jìn)過程中保持勤測(cè)量，及時(shí)糾偏，保證掘進(jìn)軸線的準(zhǔn)確。

3.3 管片滲漏

根據(jù)管片滲漏位置的不同，管片滲漏主要包括管片接縫滲漏、螺栓孔滲漏等。造成管片滲漏的原因主要為防水材料的防水效果差、拼裝質(zhì)量差等。在管片的運(yùn)輸、拼裝和推進(jìn)過程中保證管片的完整，以使止水條與管片的密貼；止水條要保證質(zhì)量以及拼裝過程中損壞止水條；管片在拼裝后保證防水膠圈與管片的接觸完整后，及時(shí)緊固螺栓。

4 結(jié)語(yǔ)

管片式襯砌作為盾構(gòu)法施工隧道的主要支護(hù)結(jié)構(gòu)，襯砌的質(zhì)量決定著隧道施工期和運(yùn)行期的安全。襯砌的設(shè)計(jì)是多因素、多方面相互影響，相互作用的共同體。在管片式襯砌的設(shè)計(jì)過程中，從襯砌的分類開始，經(jīng)過襯砌設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵影響參數(shù)和襯砌結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量控制，由表及里，統(tǒng)籌兼顧，才能為隧道工程設(shè)計(jì)出適合特定工程的襯砌結(jié)構(gòu)，從而降低隧道工程的施工周期和施工成本，提高施工質(zhì)量。