地鐵隧道的結構設計分析

王宇斌

【摘要】隨著時代的與時俱進，現如今，地鐵建設項目在我國大中型城市相繼展開，盾構隧道具備安全性好、成本低等多重優勢，是現階段地鐵隧道項目中極為主流的技術形式。但現階段盾構隧道設計依然未形成規范，普遍采取的是工程類比法等，與地鐵項目所提出的運營要求存在一定的差距，且是否具備充足的安全儲備也是現階段人們重點關注的話題。在此背景下，本文針對已經投入運營的隧道工程展開對比分析，對相關問題做出總結，以期給盾構隧道設計工作提供一些指導。

【關鍵詞】地鐵工程;結構設計;管片選型;參數分析

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.24.

隨著城市交通事業的快速發展，大量地鐵工程得到了建設。管片接頭是地鐵盾構隧道裝配式襯砌管片結構的重要組成部分，在地鐵盾構隧道設計期間，其對結構受力和配筋會產生重要的影響。因此，在管片襯砌結構設計階段，還應考慮接頭作用等因素，實現結構的合理設計。

1、設計荷載取值

盾構隧道設計的核心要點在于模擬隧道圍巖壓力，所得的結果應該足夠準確，若選取的荷載缺乏合理性，后續施工中極容易引發工程風險。對此，設計人員應充分考慮地質情況、埋深等多方面的因素，提升設計荷載取值的可行性?，F階段，盾構隧道設計荷載的可行方式較多，若采取隧道規范公式的方式，則重點考慮的是圍巖壓力計算高度ha，以此為基準對覆土區分類，若具備25ha≥H≥ha的關系則視為淺埋區;若具備H>25ha的關系則被視為深埋區。根據工程經驗，淺埋荷載計算方法易受到多方面因素的影響。

若采取泰沙基理論則存在適用性不足的問題，相較于規范淺埋公式的方法而言其荷載相對更小，但其理論計算值略微更大一些。

2、設計工況

在設計盾構隧道時，需要充分考慮到以下三方面因素：（1）盾構隧道因其采用預制拼裝工藝，建設周圍環境的改變對其有較大的影響，因為必須對設計工況作嚴謹的思考，充分考慮各因素的影響;（2）如果隧道穿過的區域為經濟待開發區，則需要考慮到物業基坑開挖的情況，基坑的開挖對地底結構影響較大，需要引起重視;（3）對于隧道上方為高差變化較大地塊且地鐵監管困難時，地面超載按大值取。

3、結構設計問題

在地鐵區間盾構隧道設計階段，管片襯砌結構設計容易出現結構計算模型采用不合理的問題，造成管片配筋設計不科學，給管片預制和工程造價帶來不良影響?，F階段，常用隧道結構計算模型包含均質圓環模型、殼-彈簧模型以及多鉸圓環模型等。采用均質圓環模型，即采用修正慣用法。作為常用方法，修正慣性法的應用需要利用小于1的剛度折減系數對管片接頭影響展開分析，在不考慮接頭位置的基礎上，利用曲梁單位對剛度折減后的襯砌圓進行模擬，然后根據三角形抗力模擬結構計算單環管片，得到結構彎矩，最后利用彎矩增大系數進行分配。在均質圓環模型中，需要依靠經驗進行彎曲剛度有效值、彎矩提高率等參數的取值，將導致結構設計準確性降低。在圍巖條件較好且地層穩定情況下，可以采用多鉸圓環模型，存在計算結果偏小的問題。采用殼-彈簧模型，將管片斷面看成是彎曲應變狀態，需要對邊緣彎曲應力集中情況進行反映，但計算較為復雜。

4、管片構造設計參數

諸多因素均會對管片構造設計合理性造成影響，常見有管片內徑、厚度、寬度等。盾構隧道施工中，內徑的選擇主要受到限界的影響，通常而言盾構隧道限界為5200mm，與此同時還要考慮施工誤差、不均勻沉降等多方面因素，因此，要設置部分余量，提升內徑的合理性。

從現階段各地的地質情況來看，某地的地質狀況較為優良，各項誤差都可控制在100mm內，從而確定隧道的內徑，即5400mm。所在區域為穩定性不足的軟土地區，此時可放寬考慮，即在既有限界基礎上外放100mm，可將隧道內徑設置為5500mm。當然，從某地鐵建設經驗來看，該處盾構隧道工程中依然要適當擴大內徑，通常情況下不可低于5500mm。

具體原因有：

（1）施工環節產生的偏差。由于施工中伴隨明顯的隧道沉降現象，通常該值會達到±200mm，若現場為軟土地層還將存在盾構橢變現象，因此，管片開裂、錯臺等質量問題屢見不鮮。

（2）周邊物業的開發。在各項施工作業的影響下致使管片出現開裂等問題。對此可適當加大隧道內徑，以便給后續加固作業創造充足的空間。從我國臺灣捷運隧道來看，則將內徑設置為5600mm;新加坡地鐵工程建設中將隧道內徑設置為5800mm，設置了單層襯砌，根據實際使用需求設計年限為50年，到期后在原有基礎上增設二襯，以達到100年的設計壽命;日本方面則在工程初期便施作了二次襯砌，可達到防腐、防水的效果，發揮出補強一次襯砌的作用。關于螺栓連接措施，彎螺栓連接是較為典型的形式，所使用的接頭具備足夠的自由度，可提升安裝效率。除此之外直螺栓與剎螺栓也是較為典型的方式，可為管片的穩定連接提供支持，并達到機械快速安裝的效果，但此類方法難度較大，對技術水平提出較高要求。從抗彎與抗裂的角度來看，較為可行的是直螺栓的形式，其應用效果明顯優于彎螺栓和剎螺栓。綜合考慮本文所提出的工程案例，若在軟弱地層中展開施工作業，較為可行的是直螺栓的連接形式。

結語：

綜上所述，地鐵盾構隧道的結構設計具有十分重要的意義，能夠很好的保證我國地鐵隧道的安全性，并且盾構隧道的施工快速，不受天氣的影響、不影響地面的交通環境、工作強度也不高，是地鐵隧道設計的首選設計方法。

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