地鐵盾構隧道設計探討

劉 偉 高濤濤

（重慶能源職業學院， 重慶 402260）

0 引言

地鐵區間設計是城市地鐵工程項目中的重要內容。在設計內容中，對于所有工程設計參數如管片厚度、配筋率、混凝土強度、環寬等，需將設計模型和地區設計習慣相結合，進行合理的研究，才能實現對盾構區間設計的優化，使工程設計符合工程建設需求。

1 地鐵盾構隧道施工分析

為滿足城市發展要求，現在逐漸有更多的大中型城市建設了地鐵工程，其作為一種新型的公共交通形式，與常規公共交通相比，不占用城市平面的面積，不存在平面的交叉，安全性與效率性更高。但是因為運行環境的特殊性、施工環境對工程地質的高要求、作業范圍對原有地下結構的限制，對施工技術有著十分嚴格的要求。在選擇地鐵隧道施工技術時，不僅要求具有較高的適應性，更重要的是要在保證施工安全與質量的同時，避免對其他項目帶來的干擾。尤其是地鐵工程多處于城市繁華地段，如果所選施工技術不合理，不僅會增大施工難度，還會對地上交通、建筑工程以及管線項目等產生干擾或損壞。基于施工安全性、環境保護以及投資控制等各方面的要求，對地鐵隧道施工方法進行綜合對比，確定盾構隧道存在的技術優勢，逐漸成為地鐵隧道主流施工方法。盾構法施工一般是把盾構機當做隧道掘進的設備，同時應用盾殼做好支護工作，也可以通過前端刀盤將土體進行切削，千斤頂一直想盾構機來不斷推進，并且對開挖面拼裝進行提前將管片預制來作為襯砌，完成隧道施工，對作業技術精確度有著十分嚴格的要求。雖然在長期施工中，地鐵隧道盾構施工積累了大量經驗，但是從整體上來看，目前盾構隧道設計并沒有完全統一的規范標準，理論設計基本上均選擇工程類比法，對于工程投入運用后是否可以滿足永久運行要求還有待商榷。

2 地鐵盾構隧道施工設計

2.1 管片配件設計

在結構設計中管片配筋是最為重要的環節， 其同結構的耐久性以及安全性造成影響， 與此同時也要求對經濟性考慮在內。當前對管片配筋還缺乏一個較為固定的形式。而管片合理配筋形式進行研究中有著良好的意義。比如說在廣州地鐵中2號線赤鷺區間之中應用了歐洲規范，在上下排主筋中使用U型鋼筋來連接；在日本地鐵施工中應用是下排鋼筋向上彎起，同其上排鋼筋點焊形式之間進行連接。目前我國的南京和香港等地都應用了管片 4邊以及加暗梁的形式進行施工。在廣州的地鐵3號線中部分路段施工中，也取消了2號線U型鋼筋連接上下排主筋的形式進行施工。其標準塊在兩端可以沿著環向布置的主筋而提升到 218mm，同時加小箍的形式進行暗梁施工， 其縱向兩端也會加上小箍將其作為暗梁， 提升其整體性。 在迎千斤頂面的暗梁內外兩邊加上一個腰筋，而其背千斤頂面的外部也會加上腰筋。在比較容易發生裂縫的螺栓孔出應該加上螺栓筋或者是吊筋。同時在配筋率變化條件比較小的情況下， 保證鋼筋的受力較為合理。對于盾構管片中的裂縫，一般主要是在進行施工中出現，在配筋設計中，應該對施工地區的工況充分了解， 而在進行掘進中，因為對其姿態控制要求、 圍巖不均、曲線施工以及糾偏等因素， 那么千斤頂其推力分布存在著的一定問題，導致了出現了局部超限拉應力，因此就會出現掉角、破損以及裂縫等情況。同時在官片離開盾尾后，通過新拼管片來將千斤頂的推力進行傳遞，促使其力而逐漸分散，裂縫就會縮小。隨著整個隧道的竣工，則圓型盾構隧道也慢慢進入到一個較為穩定的受力狀態中，在施工過程中裂縫、滲漏消失等情況。在進行具體施工中因為人為和地質條件，一般都會出現出高出強度以及裂縫寬度要求荷載，對于平時出現較少的這種情況，通長要求應用后期管片修補的形式進行彌補， 其回比通過增加配筋要求的費用少很多，而對最小配筋率而言，要求進行進一步的研究。比如說歐洲的管片鋼筋，其含鋼量通常會控制在 80～100kg/m3之間，要求考慮到鋼筋強度等因素，可以將其折算為107～130kg/m3。一般在我國國內都應用的是145～160kg/m3。當前諸多鋼纖維混凝土管片目前已經在諸多地區得到了成功的應用，管片僅僅應用30～60kg/m3的鋼纖維摻量。

2.2 做好環寬設計

管片環寬的尺寸一般都會對造價、質量以及工期造成較大的影響。。以往，由于配套技術的不足，常采用較小的環寬，一方面可使施工材料的搬運、組裝更方便，另一方面在小半徑內施工可以更省力，但缺點是施工接縫多、螺栓使用量大，常出現較多的接頭滲漏水缺陷。隨著技術的不斷進步，大型管片的應用已成為主流的發展趨勢，較大環寬的管片總體成本更低，還能更好地保證隧道外觀質量，改善隧道的縱向受力條件，再以小半徑環寬進行綜合設計，可在很大程度上加大設計優化的空間。

2.3 襯砌結構設計

在對襯砌結構進行設計時，選擇應用“荷載-結構”模型，即地層除了會對襯砌結構產生主動荷載以外，還會對其產生被動彈性動力，通過彈性地基梁理論課確定彈性抗力，并通過受壓彈簧來模擬結構與地層間相互作用力。另外，對管片接縫位置剛度遠小于正常斷面剛度的特點進行分析，需要對管片剛度進行折減計算，同時還要兼顧錯縫拼裝對內里帶來的影響，計算時需要向結果內引入彎矩增大率對內力進行修正。隧道結構所承受的主要荷載為地層壓力，包括豎向壓力和水平壓力兩種。在進行淺埋處理時，可按照全土柱重量來對計算豎向壓力；深埋處理時，則應按照泰沙基公式來對豎向壓力進行計算，與此同時， 在結構受力特點的影響下，與此同時，在結構受力特點的影響，進而對受力之時地層以及墻體移動彼此之間的作用進行確定，根據靜止土壓力、主動土壓力以及被動土壓力進行計算得到結果。

2.4 工程防水設計

在對管片防水設計時，可以利用高精度、高強度的C50防水混凝土對管片自身進行處理，且結合抗滲標號來確定埋深參數。另外，還需要對襯砌進行。

2.5 耐久性設計方法

混凝土結構的耐久性設計主要可以劃分為的定量計算以及傳統經驗兩種類型。當前在環境的影響下耐久性設計的定量計算還沒有完全成熟，其應用范圍并不普遍。 我國國內外當前的混凝土結構設計規范中主要應用的是傳統形式或者是應用了進行改進的方法。混凝土結構耐久性設計過程中比較常用的方法為可以把環境根據其嚴重性而劃分為若干等級，在工程經驗進行類比經驗基礎上，其對不采用環境作用等級的混凝土結構構件，通過規范可以對混凝土材料的耐久性質量要求進行規定，以及做好鋼筋保護層厚度等相關構造要求。近些年來，我國也慢慢提出提升了對結構設計規范之中對耐久性內容的研究，進而頒布了相關耐久性設計規范，可以推進耐久性中的權重情況。在地鐵隧道施工中，耐久性設計主要是以《混凝土結構設計規范》以及《混凝土結構耐久性設計規范》來不斷推進，進而可以在一定程度上滿足城市軌道交通行業中對結構設計的要求，提升地鐵隧道盾構的質量。

3 結語

盾構隧道施工方法已經被廣泛的應用到我國各大城市的地鐵隧道施工中，盾構技術在國外和國內長期應用中已經逐漸積累了大量的經驗，但是想要充分發揮出施工技術優勢，還需要基于盾構施工技術特點，做好施工過程設計，提高施工綜合質量。還需要從大量的技術資料和經驗中總結出詳盡的技術標準，爭取使其施工技術可以量產化，為更多的城市地鐵工程設計提供技術保障。

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