砌塊防水襯砌在地鐵中的應用研究—以莫斯科地鐵為例

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

1 莫斯科地鐵工程地質條件

建筑設計的表面標記在絕對高度144.8-171.3米變化。阿米尼站至里程0253+37,17隧道區段位于具有多種土壤的地段，以淺棕色小粒沙、密實土、灰色軟壤土以及粘質砂土為主。自里程0253+37,17至米丘林隧道區段位于具有多種土壤的地段，以淺棕色小粒沙、密實土、灰色軟壤土以及粘質砂土為主。兩個區段土壤對比無顯著差異。第一含水層5.6-17.4 米深（絕對海拔185.9-175.1 米）,第二含水層20.2-21.9米深（絕對海拔172.59-168.26米），隧道穿過含水土壤的靜水壓頭達0.5-1.9大氣壓。

2 莫斯科地鐵施工技術概述

掘進工程采用盾構機ZTE6250進行，內襯外徑為6米，內徑為5.4米。盾構掘進工程基于特殊技術，在復雜工程地質條件下使用土壓平衡系統和含密封墊防水鋼筋混凝土內襯進行建筑施工。土壓平衡系統將不穩定土壤穩定下來，確保靜水壓力相等，防止倒塌。為了使縱向與橫向偏差最小，該技術基于導向與控制系統采用。

盾構機前面具有旋轉式刀盤。朝相反方向的雙排刀具使刀盤可逆操作。在刀盤外表面裝有開挖面土壤調節系統的噴射孔，還有兩套土質切割工具的磨損傳感器。盾構油缸桿起著盾構機向前推進并拼裝管片的作用，每油缸里的液壓力無級調節，推進油缸桿上安有鉸接撐靴，撐靴頂推在后部已安裝好的管片上，通過控制油缸桿向后伸出可以提供給盾構機向前的掘進力，推進速度可達80毫米/分鐘，通過調整液壓油缸桿的伸出可讓盾構機轉彎。螺旋輸送機設計用于將開挖出的碴土從泥土倉中運輸到皮帶輸送機上，根據螺旋機旋轉的速度，可以調節開挖倉內的壓力。

3 莫斯科地鐵砌塊防水襯砌的工藝細部設計

值得注意的是，區間穿越22層地面建筑，地層主要為黏土以及砂土。根據要求計算分兩種工況：1）先施工盾構區間，再進行地上開發；2）先地上開發，再進行區間隧道施工。

區間穿越22層建筑計算模型共劃分31959個單元。土層采用3D實體單元，管片、基坑圍護以及地上結構等采用殼單元、梁柱單元模擬。土層均采用M-C準則，結構均為彈性本構。

根據場地地質環境，結合地面建筑常見做法，建議地面建筑物基礎型式采用樁筏基礎。根據復合地基承載力要求以及中國的相關工程經驗，求解相應的地層參數。有限元模擬時，在基坑開挖完成后基底部分土層采用復合地基參數進行后續計算。

暫按中國標準計算，恒載荷載分項系數為1.35，核算管片配筋。

拱頂配筋核算，大偏心受壓對稱截面配筋計算受壓區鋼筋面積為指定值。

表1 拱頂配筋核算

表2 大偏心受壓對稱截面配筋計算

裂縫控制按GB50010-2010計算，荷載效應組合比λk為0.77。

表3 受壓區鋼筋面積指定值

這兩種方案各有利弊。通用環的優勢是僅用一套模具即可，封閉塊在內襯內的區域能夠在0°～360°之間調整，不過在線路繁瑣的區間與曲線地段修建隧道的過程中，會從根本影響內襯的拼裝質量。單面楔形的內襯拼裝相對更便捷，因為封閉塊一直保持在水平直徑的上方，但是要使用不同的模具。莫斯科地鐵主要是以拼裝內襯的質量為基本原則，所以擇取單面楔形。

實施內襯斜度計算時，需從根本上分析盾構推進過程中與既有擬定線路存在的偏移問題，在此基礎上將已經偏差的區域逐漸更改為既定的軸線。此時，平面曲線半徑的極限系數為R=240m。

已知內襯的直徑D、內襯寬度W和地鐵隧道平面曲線半徑R，在此基礎上需要獲取內襯斜度系數。已知R=240m，W=1.8m，D=10.5m，環斜C=1839.5-1760.5=79mm。

通過上述計算得出，所設計的斜度匹配于線路平面及斷面指標，可以實施內襯分塊處理，在此基礎上要進一步構建內襯三維建模，設定砌塊在空間的特性軸。

在此基礎上將內襯予以分塊：使用封閉塊拼裝角，同時擬定拼裝螺栓角度、間隔及接頭方式。縱向插入的封閉塊在設計時要存在一定的角度，這樣能夠從根本上弱化縱向力的作用，而且要獲取封閉塊的實際體積，在周圍環轉動二分之一砌塊（30°），進而構建接頭偏差，此偏差能夠保證內襯處于幾何形形態，同時使結構內的力平均分布。內襯環狀物被分為四塊標準塊、兩塊鄰接塊與一塊封閉塊。根據地層—結構模型計算結果，在先隧后開發情況下，配筋為10E25，因此考慮管片箍筋及分布筋，綜合指標約452kg/m3。

此次采用的內襯優勢如下：接頭范圍內安裝了防水條、真空舉重臂對中的埋入式部件與銷釘，而且設計了拼裝時能夠使范圍內砌塊貼合的凹凸構造。以上部件的布置，能夠使砌塊精準結合。

接頭彈性密封條要保證內襯用，要在完成的環端平面上加裝壓力分布系統，布置和千斤頂加載的區域呈正相關。由于這種結構的設計特性，制作內襯砌塊的模具建模，并交由制模廠進行深加工。設計砌塊尺寸時要側重內襯細節的設計，制定鋼筋空間骨架，所以，依附于線路區段最大荷載計算斷面，通過莫斯科地鐵的實際特性構建有限元計算建模。

莫斯科地鐵在既有設計標準的先決條件下，明確砌塊內的鋼筋面積。在此過程中要注意結構計算的特性。由于接頭具有一定的彈性，其抗彎剛度較低，為了從根本提高接頭剛性，所以選用變剛度的接頭模型，即“強生”接頭，彎矩并不是全部受力與接頭區域，而是將內應力平移到附近的環中，附近環因為存在錯縫，所以并未設置接頭。將彎矩內應力加載到附近環，是因為盾構千斤頂在隧道縱向存在一定的壓力，而砌塊間設置了凹凸端，同時有螺栓緊固，在旋緊螺栓的過程中預加壓力。

在工程過程中，所制作的砌塊鋼筋建模均由砌塊預制廠進行生產，同時進行相關的力學試驗，其中包括靜力及耐火試驗。