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地铁区间隧道盾构管片衬砌设计简述西南交通大学
万璐 一、管片设计内容管片结构设计主要包括两个方面：管片的构造设计，结构分析。具体内容见1-1。管片制造费用在盾构隧道工程总投资中所占比重较大，在地铁工程中约为45%，因此合理地选择管片的形式是十分必要的。盾构隧道中，管片衬砌的作用可以总结为：A.足够安全地承受作用于隧道上的荷载；B.具有适应于隧道使用目的的功能；C.具有适合于隧道施工条件的结构形式。二、管片结构型式盾构法隧道衬砌主要有：预制装配式衬砌、模注钢筋混凝土整体衬砌相结合的双层衬砌 、挤压混凝土整体式衬砌三大类。预制装配式衬砌与其它两种衬砌相比较具有以下优点：管片在工厂预制，质量易于保证；安装后能立刻承受地层荷载；施工易于机械化。且随着防水、截水材料质量和施工工艺的提高，采用单层衬砌即可满足强度、刚度及功能的需要。依据国外一些超大断面盾构隧道及国内盾构隧道的成功经验，本隧道采用预制装配式衬砌。按管片的截面形状钢筋混凝土管片又可分为箱形和板形两类。箱形钢筋混凝土管片存在以下的缺点：在千斤顶推力的作用下易开裂，在通风要求很高的隧道的运营通风中通风阻力大，不利于隧道通风，浪费了本已构筑好的地下空间。而板形管片则能很好地满足千斤顶顶推力的要求，同时对已构筑的地下空间无浪费。对于中小直径的盾构隧道，国内外普遍采用平板型管片，因其手孔小对管片截面削弱相对较少，对千斤顶推力有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力也较小。根据目前国内外的实践经验，在成都地铁区间隧道皆采用平板型管片。综合以上分析，本隧道采用单层装配式平板形钢筋混凝土管片衬砌的结构形式。三、管片分块关于国内地铁区间隧道的管片，早期在上海地铁试验段曾进行过四分块的试验，主要考虑管片的接缝位置较好。而且在通缝拼装的情况下 ，管片纵向接缝能够在受力较小的位置；由于分块少，管片的接缝也较少，从防水、节约工程造价考虑有利的，但是，由于管片较大，运输、拼装作业相对不便。而盾构施工的一个发展趋势是快速拼装，因此四分块方案现在已经淘汰。现在在国内的地铁区间隧道全部采用六分块方案：一块封顶块+二块邻接块+三块标准块。在成都地铁中，衬砌环采用3标准块+2邻接块+1封顶块的分块方式。四、管片厚度确定管片厚度为0.3m，则得管片外径为6m。五、管片幅宽依据类似的盾构工程，同时从考虑运输、吊装、装配等方面进行综合分析比较，最终确定管片的幅宽为1.2m。六、管片接头构造管片衬砌接头构造包括接头连接方式、接头面构造形式、防水凹槽形式等几方面内容。 1）衬砌接头连接方式选择（1）纵向接头管片采用错缝拼装方式拼装。这里纵向接头选择弯螺栓接头结构。接头均采用M24型5.6级螺栓，每个接缝在幅宽方向布置一排，每个接缝处共2个螺栓，一环内共布置10个接头螺栓。（2）环向接头环向接头采用M24型5.6级螺栓12个，等圆心角布置。2）接头面构造形式由于管片拼装时不可避免地存在一定误差，接头面的四个周边容易产生应力集中而被破坏。故在接头面周边设置退缝槽以解决因应力集中而产生的管片破损问题。3）防水凹槽形式根据接头防水的需要，一般地铁盾构管片中在环缝和纵缝靠近外弧侧处设一条止水条槽，在内弧侧设嵌缝槽即可满足结构防水要求。在成都地铁工程中，在靠近外弧侧设置一条止水条槽，同时在内弧侧设置嵌缝槽。七、管片拼装方式管片的拼装方式有两种：通缝拼装和错缝拼装。在国内，上海的盾构隧道一般采用通缝拼装；广州地铁、深圳地铁、成都地铁五号线试验段和南京地铁一号线皆采用错缝拼装。在国外，不管欧美，还是日本，一般皆采用错缝拼装。错缝拼装可提高管片接头刚度，加强结构的整体性，这点在国内有着统一的认识。从结构受力分析考虑，采用错缝拼装的管片相对于通缝拼装而言一般结构计算内力要大一些，是管片配筋经常由最小配筋率控制，因此整个结构的配筋量未必会加大。从具体的施工管理看，错缝拼装相对复杂一些，管片的拼装需要按三维进行，环面的平整度以及千斤顶的行程控制需要相对难一些。若施工中部分环节控制不当，管片错台会大一些、开裂也相对多一些。但现在管片生产一般采用高精度刚模，盾构机系统配备也很先进，施工技术也日趋完善，错缝拼装的经验越来越丰富。预计在以后的盾构工程中，错缝拼装将是主流趋势。从这里看，区间隧道衬砌采用错缝拼装。八、衬砌环组合形式区间盾构隧道的线路拟合是通过不同的管片衬砌环组合来实现的。线路的拟合包括平、竖曲线两个方面。一般有三种管片组合方法来模拟线路。这三种管片组合方法应该说都是可行的。采用哪一种方法，一方面取决于设计施工习惯，另一方面取决于区间的线路曲线情况。一般而言，采用标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合施工更方便，但管片的生产数量控制相对复杂一些，管片模具的利用率可能低一些；采用万能管片，由于只需要一种模具，模具的利用率高，管片的生产控制单一，但管片的拼装相对复杂；采用左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合可以算是以上两种方法的综合，可在以后的设计和施工中进行实践。在本工程中采用标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环。参考文献：[1]曾艳华 王明年.计算机在地下工程中的运用.成都：西南交通大学出版社，2004；[2]杨其新 王明年.地下工程施工与管理.成都：西南交通大学出版社，2002；[3]张凤祥 朱合华 傅德明.盾构隧道.成都：人民交通出版社，2004；
万璐 一、管片设计内容管片结构设计主要包括两个方面：管片的构造设计，结构分析。具体内容见1-1。管片制造费用在盾构隧道工程总投资中所占比重较大，在地铁工程中约为45%，因此合理地选择管片的形式是十分必要的。盾构隧道中，管片衬砌的作用可以总结为：A.足够安全地承受作用于隧道上的荷载；B.具有适应于隧道使用目的的功能；C.具有适合于隧道施工条件的结构形式。二、管片结构型式盾构法隧道衬砌主要有：预制装配式衬砌、模注钢筋混凝土整体衬砌相结合的双层衬砌 、挤压混凝土整体式衬砌三大类。预制装配式衬砌与其它两种衬砌相比较具有以下优点：管片在工厂预制，质量易于保证；安装后能立刻承受地层荷载；施工易于机械化。且随着防水、截水材料质量和施工工艺的提高，采用单层衬砌即可满足强度、刚度及功能的需要。依据国外一些超大断面盾构隧道及国内盾构隧道的成功经验，本隧道采用预制装配式衬砌。按管片的截面形状钢筋混凝土管片又可分为箱形和板形两类。箱形钢筋混凝土管片存在以下的缺点：在千斤顶推力的作用下易开裂，在通风要求很高的隧道的运营通风中通风阻力大，不利于隧道通风，浪费了本已构筑好的地下空间。而板形管片则能很好地满足千斤顶顶推力的要求，同时对已构筑的地下空间无浪费。对于中小直径的盾构隧道，国内外普遍采用平板型管片，因其手孔小对管片截面削弱相对较少，对千斤顶推力有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力也较小。根据目前国内外的实践经验，在成都地铁区间隧道皆采用平板型管片。综合以上分析，本隧道采用单层装配式平板形钢筋混凝土管片衬砌的结构形式。三、管片分块关于国内地铁区间隧道的管片，早期在上海地铁试验段曾进行过四分块的试验，主要考虑管片的接缝位置较好。而且在通缝拼装的情况下 ，管片纵向接缝能够在受力较小的位置；由于分块少，管片的接缝也较少，从防水、节约工程造价考虑有利的，但是，由于管片较大，运输、拼装作业相对不便。而盾构施工的一个发展趋势是快速拼装，因此四分块方案现在已经淘汰。现在在国内的地铁区间隧道全部采用六分块方案：一块封顶块+二块邻接块+三块标准块。在成都地铁中，衬砌环采用3标准块+2邻接块+1封顶块的分块方式。四、管片厚度确定管片厚度为0.3m，则得管片外径为6m。五、管片幅宽依据类似的盾构工程，同时从考虑运输、吊装、装配等方面进行综合分析比较，最终确定管片的幅宽为1.2m。六、管片接头构造管片衬砌接头构造包括接头连接方式、接头面构造形式、防水凹槽形式等几方面内容。 1）衬砌接头连接方式选择（1）纵向接头管片采用错缝拼装方式拼装。这里纵向接头选择弯螺栓接头结构。接头均采用M24型5.6级螺栓，每个接缝在幅宽方向布置一排，每个接缝处共2个螺栓，一环内共布置10个接头螺栓。（2）环向接头环向接头采用M24型5.6级螺栓12个，等圆心角布置。2）接头面构造形式由于管片拼装时不可避免地存在一定误差，接头面的四个周边容易产生应力集中而被破坏。故在接头面周边设置退缝槽以解决因应力集中而产生的管片破损问题。3）防水凹槽形式根据接头防水的需要，一般地铁盾构管片中在环缝和纵缝靠近外弧侧处设一条止水条槽，在内弧侧设嵌缝槽即可满足结构防水要求。在成都地铁工程中，在靠近外弧侧设置一条止水条槽，同时在内弧侧设置嵌缝槽。七、管片拼装方式管片的拼装方式有两种：通缝拼装和错缝拼装。在国内，上海的盾构隧道一般采用通缝拼装；广州地铁、深圳地铁、成都地铁五号线试验段和南京地铁一号线皆采用错缝拼装。在国外，不管欧美，还是日本，一般皆采用错缝拼装。错缝拼装可提高管片接头刚度，加强结构的整体性，这点在国内有着统一的认识。从结构受力分析考虑，采用错缝拼装的管片相对于通缝拼装而言一般结构计算内力要大一些，是管片配筋经常由最小配筋率控制，因此整个结构的配筋量未必会加大。从具体的施工管理看，错缝拼装相对复杂一些，管片的拼装需要按三维进行，环面的平整度以及千斤顶的行程控制需要相对难一些。若施工中部分环节控制不当，管片错台会大一些、开裂也相对多一些。但现在管片生产一般采用高精度刚模，盾构机系统配备也很先进，施工技术也日趋完善，错缝拼装的经验越来越丰富。预计在以后的盾构工程中，错缝拼装将是主流趋势。从这里看，区间隧道衬砌采用错缝拼装。八、衬砌环组合形式区间盾构隧道的线路拟合是通过不同的管片衬砌环组合来实现的。线路的拟合包括平、竖曲线两个方面。一般有三种管片组合方法来模拟线路。这三种管片组合方法应该说都是可行的。采用哪一种方法，一方面取决于设计施工习惯，另一方面取决于区间的线路曲线情况。一般而言，采用标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合施工更方便，但管片的生产数量控制相对复杂一些，管片模具的利用率可能低一些；采用万能管片，由于只需要一种模具，模具的利用率高，管片的生产控制单一，但管片的拼装相对复杂；采用左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合可以算是以上两种方法的综合，可在以后的设计和施工中进行实践。在本工程中采用标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环。参考文献：[1]曾艳华 王明年.计算机在地下工程中的运用.成都：西南交通大学出版社，2004；[2]杨其新 王明年.地下工程施工与管理.成都：西南交通大学出版社，2002；[3]张凤祥 朱合华 傅德明.盾构隧道.成都：人民交通出版社，2004；