地鐵大直徑盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)可行性及經(jīng)濟(jì)性分析研究

張 亮 （東莞市軌道交通有限公司，廣東 東莞 523000）

0 引 言

目前國內(nèi)地鐵最高運(yùn)行速度一般為80～100km/h，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑以5.4m、5.5m為主，管片厚度一般為30cm或35cm。東莞地鐵2號線設(shè)計最高運(yùn)行速度為120km/h，超出現(xiàn)行地鐵設(shè)計規(guī)范最高速度限值，若管片內(nèi)徑仍設(shè)計5.4m或5.5m，列車以100～120km/h高速行駛時乘客將會出現(xiàn)較明顯耳鳴耳痛現(xiàn)象，較大影響乘坐舒適度，而通過增大管片襯砌內(nèi)凈空是緩解這種現(xiàn)象的有效措施之一。為指導(dǎo)2號線設(shè)計和建設(shè)工作，有必要對內(nèi)徑大于5.4m盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究分析。

本文通過對內(nèi)徑5.4m～6.2m單管單線盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計算，并進(jìn)行配筋分析，以論證各種內(nèi)徑結(jié)構(gòu)斷面的可行性。基于管片襯砌設(shè)計和配筋分析，為表征管片內(nèi)徑變化對管片襯砌材料造價的影響，以2號線蛤地站～陳屋站區(qū)間為工程分析背景，對多種內(nèi)徑的管片襯砌和盾構(gòu)隧道每延米土建造價進(jìn)行了綜合分析比較，重點(diǎn)以內(nèi)徑6.0m盾構(gòu)隧道為例進(jìn)行分析。

1 結(jié)構(gòu)可行性分析

1.1 分塊方案

內(nèi)徑大于5.4m地鐵盾構(gòu)隧道管片分塊常采用“1+2+3”模式，即用1個封頂塊、2個鄰接塊和3個標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)筑襯砌環(huán)。6分塊管片單塊尺寸和重量適中，由于可采用小封頂塊，采用縱向插入拼裝方式改善了結(jié)構(gòu)受力。據(jù)國內(nèi)外調(diào)研資料，對時速大于100km/h的單管單線區(qū)間隧道，管片內(nèi)徑通常在5.4m～6.2m之間取值。

1.2 荷載計算

黏性土中水土合算，砂性土中水土分算。垂直土壓根據(jù)太沙基松弛土壓力理論計算。對于深埋盾構(gòu)隧道(埋深大于2倍隧道洞徑D)，若作用在隧道結(jié)構(gòu)上的土壓力值小于2D覆土荷載時，斷面垂直土壓取2D土柱荷載。對于淺埋盾構(gòu)隧道，垂直土壓按全覆土柱計算。

圖1 荷載－結(jié)構(gòu)模式

管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計算采用梁—彈簧模型，如圖1所示。梁-彈簧模型將管片主截面簡化為圓弧梁，對于彎矩將管片接頭考慮為旋轉(zhuǎn)彈簧，將管片環(huán)接頭考慮為剪切彈簧。

1.3 內(nèi)力計算

分別取內(nèi)徑為 5.4m、5.5m、5.6m、5.7m、5.8m、5.9m、6.0m、6.1m和6.2m，考慮30cm和35cm兩種管片厚度，取管片寬度B=1.5m，對各種內(nèi)徑的管片內(nèi)力進(jìn)行計算。其中6.0m內(nèi)徑管片內(nèi)力計算結(jié)果如表1所示。

內(nèi)徑6.0m管片內(nèi)力計算結(jié)果 表1

1.4 配筋分析

考慮管片受力可能最不利截面有正彎矩最大的截面、負(fù)彎矩最大的截面、剪力最大的截面。計算模型為偏心受壓構(gòu)件。保護(hù)層厚度考慮防水和耐久性要求，管片內(nèi)側(cè)取30mm，外側(cè)取40mm，采用C50混凝土，主筋為HRB335螺紋鋼。

經(jīng)管片裂縫寬度驗(yàn)算，內(nèi)徑6.0m管片的配筋情況如表2所示，該配筋計算是根據(jù)是盾構(gòu)隧道管片襯砌的承載能力（強(qiáng)度）和正常使用（裂縫）要求計算出的理論配筋量。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含筋量小于130kg/m3時，管片襯砌在施工中易出現(xiàn)局部裂縫，因此盾構(gòu)隧道管片厚度為35cm、內(nèi)徑在φ5400～6200mm范圍時，其含筋量宜選在130～160kg/m3之間。

管片內(nèi)徑與鋼筋含量的關(guān)系見圖2，可知在相同內(nèi)徑情況下，隨著襯砌厚度的增加，含筋量逐步減小；當(dāng)內(nèi)徑為6.1m、管片厚度為30cm時，含筋量達(dá)到最大值。

內(nèi)徑6.0m管片配筋計算表 表2

2 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析

主要對盾構(gòu)隧道區(qū)間工程費(fèi)進(jìn)行對比分析，包括管片襯砌材料費(fèi)、盾構(gòu)機(jī)購置費(fèi)、掘進(jìn)費(fèi)以及渣土處理費(fèi)等。重點(diǎn)以內(nèi)徑6.0m、管片厚度35cm的盾構(gòu)隧道為例進(jìn)行分析。

2.1 材料費(fèi)用

包括成型管片費(fèi)用、防水材料（止水帶、止水膠條費(fèi)用）、接頭螺栓費(fèi)用。參考華南地區(qū)地鐵施工平均費(fèi)用考慮。

材料費(fèi)用計算表 表3

2.2 盾構(gòu)機(jī)費(fèi)用

2.2.1 按下列2種方式分別進(jìn)行計算

盾構(gòu)機(jī)按10km/臺的使用壽命全部分?jǐn)?表4

盾構(gòu)機(jī)在區(qū)段中分?jǐn)傄欢ū壤?表5

圖2 含筋量隨內(nèi)徑變化曲線

②在2號線盾構(gòu)區(qū)段分?jǐn)偠軜?gòu)機(jī)全部造價的一定比例，每延米盾構(gòu)機(jī)費(fèi)，式中：N為在本區(qū)段使用的盾構(gòu)機(jī)臺數(shù)；L為本區(qū)段長度 (m)；η為盾構(gòu)機(jī)在本區(qū)段的分?jǐn)偙壤?/p>

2.2.2 德國海瑞克盾構(gòu)

以德國海瑞克盾構(gòu)為例，內(nèi)徑6.0m盾構(gòu)機(jī)價格為6000～7000萬元/臺，計算時大致采用平均價格。對2號線區(qū)段進(jìn)行各種分?jǐn)偙壤嬎悖《軜?gòu)機(jī)壽命長度為10km/臺，分?jǐn)偙壤?0%、30%、50%、70%、90%、100%等多種方式，并分別考慮使用4臺、3臺、2臺盾構(gòu)機(jī)計算，為便于對比，各種情況都分析了多種直徑盾構(gòu)機(jī)下的分?jǐn)傎M(fèi)用。

蛤地站～陳屋站區(qū)間采用盾構(gòu)大斷面長約1.65km，即本區(qū)段盾構(gòu)開挖長度L=3.3km。當(dāng)使用4臺盾構(gòu)機(jī)時，本區(qū)段長度占4臺盾構(gòu)機(jī)全壽命長度的比例為3.3/40=8.25%，即η=8.25%為盾構(gòu)機(jī)費(fèi)用根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)長度分?jǐn)偙壤＞唧w見表4、5。

從隧道施工工期考慮，按大盾構(gòu)推進(jìn)速度為150m/月計算，當(dāng)使用4臺盾構(gòu)機(jī)時，本區(qū)段工期約為6個月，工期短；當(dāng)使用2臺盾構(gòu)機(jī)時，工期約為11個月，工期較長。

2.3 掘進(jìn)費(fèi)用

包含棄土外運(yùn)費(fèi)、管片拼裝及同步注漿費(fèi)、掘進(jìn)開挖及刀具更換費(fèi)等。參考華南地區(qū)地鐵施工平均費(fèi)用考慮。

2.4 總費(fèi)用

根據(jù)上述各項(xiàng)費(fèi)用計算得每延米的盾構(gòu)隧道區(qū)間工程費(fèi)總費(fèi)用。蛤地站～陳屋站區(qū)間若采用2臺內(nèi)徑6.0m盾構(gòu)機(jī)，以30%在本區(qū)段中分?jǐn)偟目傎M(fèi)用約4.8萬/m。

盾構(gòu)機(jī)按10km/臺的全壽命分?jǐn)倳r總費(fèi)用 表7

3 結(jié) 論

①從襯砌結(jié)構(gòu)受力和行業(yè)施工經(jīng)驗(yàn)綜合考慮，管片厚度為35cm、內(nèi)徑在5.4m～6.2m范圍的盾構(gòu)隧道襯砌含筋量設(shè)計取值宜控制在130kg/m3～160 kg/m3之間。對于最高設(shè)計時速為120km/h的東莞地鐵2號線蛤地站～陳屋站區(qū)間，管片襯砌合理設(shè)計方案可選擇內(nèi)徑為6.0m、厚度為35cm、幅寬為1.5m，采用3+2+1分塊方式，管片襯砌含筋量宜控制在130kg/m3～140 kg/m3之間。

盾構(gòu)機(jī)在區(qū)段中分?jǐn)傄欢ū壤龝r總費(fèi)用表8

②單從盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性考慮，對于蛤地站～陳屋站大斷面盾構(gòu)區(qū)間，當(dāng)使用4臺盾構(gòu)機(jī)時，根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)長度的分?jǐn)偙壤秊?.25%；當(dāng)使用2臺盾構(gòu)機(jī)時，根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)長度分?jǐn)偙壤秊?6.5%。綜合經(jīng)濟(jì)性和工期考慮，蛤地站～陳屋站盾構(gòu)區(qū)間的施工可采用2臺盾構(gòu)機(jī)，宜采用16%左右的分?jǐn)偙壤?/p>

③結(jié)合實(shí)際盾構(gòu)機(jī)的新舊情況，蛤地站～陳屋站盾構(gòu)區(qū)間最終采用的盾構(gòu)機(jī)合理分?jǐn)偙壤砂匆韵氯≈担翰捎?臺盾構(gòu)機(jī)，若盾構(gòu)機(jī)是舊機(jī)，或者即使是新機(jī)但今后可在其它地方采用時，合理分?jǐn)偙壤?6%左右；當(dāng)采用新盾構(gòu)機(jī)且目前不具備在其它城市或區(qū)段中獲得應(yīng)用的可能性時，合理分?jǐn)偙壤巳?0%左右。

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