軌道交通盾構隧道結構設計的應用分析

黃新華

目前城市軌道交通區間隧道盾構法施工因其高效且環保安全等諸多優點而得到廣泛應用，可是現階段盾構法具有較高的施工成本，在盾構法施工整體費用中管片制作費約占45%。選擇合理的管片結構設計方法對于盾構隧道結構設計尤為關鍵。基于此，文章將對設計軌道交通盾構隧道結構相關要點加以簡要分析。

隨著城市化進程不斷推進，國內很多城市均已相繼開展城市軌道建設，盾構隧道因具有成本投入低、施工干擾小、安全性好等多種優勢，成為當前軌道交通隧道項目認可度最高的技術形式。可實際上盾構隧道設計卻沒有形成規范，通常采用的是工程類比法，這和軌道交通項目實際運營要求之間存在明顯差距，同時其安全儲備是否充足也是人們現下的關注要點。

一、荷載取值設計

設計軌道交通盾構隧道的核心關鍵在于針對隧道圍巖壓力進行模擬，其最后所得結果需保證準確，要是沒有選取合理性保證的荷載，在后期施工過程中極易導致不必要的工程風險。對此，相關設計人員需重點考慮埋深、地質情況等各種因素，讓荷載取值設計更具合理性。當前，軌道交通盾構隧道設計荷載有很多方式，要是采用規范公式需重點分析圍巖壓力計算高度ha，在此基礎上對覆土區進行分類，以2.5ha≥H≥ha的視為淺埋區；H＞2.5ha的視為深埋區。依據實際工程經驗，計算淺埋荷載的方法容易受到很多因素影響，要是在泰沙基理論基礎上會存在嚴重的適用性不足問題，和規范淺埋公式相比雖然荷載會更小一些，可是理論計算值略大。

二、管片配筋

盾構隧道設計中管片配筋是一個重要環節，不僅直接關乎著結構的耐久性與安全性，而且要兼顧經濟性帶來的影響，現階段還沒有固定的管片配筋形式。因此，針對合理的管片配筋形式進行研究具有一定的實際意義。

例如廣州軌道交通2號線在赤鷺區間便應用了歐洲規范，使用U型鋼筋對上下排主筋進行連接。而日本規范是向上彎起下排鋼筋點焊連接上排鋼筋。當前，中國香港與南京等地主要應用管片4邊增加暗梁的模式。廣州地鐵3號天華區間不再使用U型鋼筋對上下排主筋進行連接的方式，而是標準塊在兩斷順著環向設置的主筋提升至2φ18mm且增加小箍制成暗梁，在其縱向的兩端同樣添加小箍制作成暗梁，在一定程度上提高其整體性。將兩條腰筋各自加在迎千斤頂面的暗梁內部外部兩邊，且腰筋也加于背千斤頂面的外側。在螺栓孔裂縫容易出現的位置增加螺栓筋和吊筋。在沒有較大配筋率的情況下，讓鋼筋更合理地受力。

有關盾構管片產生裂縫，通常在實際施工中所形成的，在設計配筋時需要對該工況充分了解。在進行掘進施工時，因此針對其提出嚴格控制要求等原因，難以保證均勻分布千斤頂推力，從而在局部發生超限拉應力的問題導致破損、裂縫、掉角等現象的出現；在盾尾和管片相脫離后，需要通過新拼管片對千斤頂推力進行傳遞，這樣能分散力縮小裂縫。伴隨修建完畢的軌道交通隧道，圓型盾構隧道實際受力狀態逐步趨穩，施工過程中產生的滲漏和裂縫也會變小甚至是消失。

在具體施工過程中，因為受限于人為因素、地質條件等，可能會存在超出裂縫寬度和強度要求的荷載，往往在發生此類問題時會以后期管片修補加以有效彌補，相比增加配筋的支出會少的多。有關最小配筋率，以歐洲管片鋼筋為例，一般含鋼量在80-100kg/m，兼顧鋼筋強度等相關技術要素，經過計算之后是107-130kg/m，通常國內采用的為140-160kg/m。現階段，應用鋼纖維混凝土管片已獲得一定的成功經驗，該類管片的鋼纖維產量為30-60kg/m。

對于現階段的管片配筋問題，具體優化設計建議如下：（1）風險與投資合理分析。通過尋求平衡點節省前期投資，防止在施工中因為偶爾的崩角、開裂等問題，管片配筋加大的不合理。可以選擇φ18mm對配筋率加以控制，同時采取四邊箱型暗梁。（2）對于不同的地質情況，要選擇合適的計算模式研究管片受力機理，提高鋼筋布置與含量的合理性。可將“梁——彈簧解析模型”為計算基礎，校核采取修正慣用法。

三、南京地1號線鐵盾構隧道結構設計案例分析

1.選擇隧道內徑和襯砌類型

通常軌道交通盾構區間隧道建筑限界是5200mm。因為可能存在施工誤差、測量誤差、擬合線路誤差以及后期隧道不均勻沉等多方面因素，所以隧道內徑界定為5500mm。廣州軌道交通1號線成功修建了盾構法區間隧道，結合國內外相關工程具體情況，該工程的區間隧道也會采用具備一定接頭剛度的單層柔性裝配式鋼筋混凝土襯砌，在特殊地段采取鋼管片；有關接縫張開、圓環變形量、混凝土裂縫都需保障在設計要求范圍內，采取單層襯砌施工不僅操作相對單一，而且施工周期較短、施工進度快可以節省投資。明確管片形式、管片尺寸等相關參數是設計盾構隧道的主要環節，這些內容會直接影響到盾構機的長度、直徑、機型、裝備能力以及掘進方式。例如大量的日本類似工程實例證實，如果隧道外徑約6m情況下，要是采取常見的鋼筋混凝土管片，其厚度都不會超過30cm；如果直徑＜8m的情況下由極個別會是35cm。該分析統計結果是于3-30m埋深、地質情況由沖積層至洪積層等諸多情況而得到的。通過這些隧道會采取錯縫拼裝。而我國的單線軌道交通盾構隧道，則會依據地區不同的地質情況，一般會使用厚度為30cm、35cm的平板型管片，選擇通縫式以及錯縫式這兩個拼接方式。針對管片寬度主要選取1.0m，1.2m現階段也會使用到寬度為1.5m的管片。例如我國上海軌道交通1號線便使用35cm的平板型管片，選擇縫拼裝工藝環寬為1m；廣州地鐵2號線的盾構隧道則采用厚度為30cm的管片，選擇錯縫拼裝工藝環寬為1.2m，而現在廣州地鐵3號線則選用1.5m環寬。依據泰沙基理論可知如果是完全柔性的盾構隧道，基于不斷增加的襯砌彎矩會相繼增加襯砌厚度，著眼于經濟或者是結構視角進行分析，關于襯砌厚度需依據實際施工要求做到盡可能薄。這一觀點對明確管片厚度起到一定的指導作用。依據南京軌道交通1號線盾構隧道的周邊環境、覆土深度、地質條件等，和上海、廣州軌道交通工程相關施工設計經驗相結合，經科學計算結構采取寬1.2m、厚35cm以錯縫拼裝工藝為主的鋼筋混凝土管片。主要由標準塊3個、鄰接塊2個、封頂塊1個構成襯砌環全環。所使用的襯砌環主要類型為左（右）轉環、標準環、聯絡通道等位置使用的特殊環。在每個管片間的連接使用彎曲螺栓，在縱向環間使用16個M30螺栓進行連接，在隧道內側距離?襯砌厚度位置設置縱環向螺栓，具體如圖1所示。

2.計算管片結構

圖1 盾構隧道襯砌管片分塊圖

針對計算管片結構截面內力，現階段國內與國外均沒有一個公認且完全成熟的計算方法，通常是在如下以經驗基礎的簡化計算：首先，將襯砌環視為一個變形自由的勻質剛度相等的圓環，關于接縫位置的剛度不足借助螺栓連接與錯縫拼裝加以彌補，也可以降低整體圓環剛度進行計算。該方法常見于飽和含水地層。其次，把襯砌圓環視為多鉸圓環。因為襯砌接縫的實際剛會比斷面剛度低很多，實現勻質剛度相等的圓環十分困難，所以要對接縫進行鉸處理，從而讓圓環變為多鉸圓環。該結構于地層當中屬于超靜定結構，如果外圍土層約束多鉸圓環變形且提供一定的地層抗力，那么多鉸圓環則會處在相對穩定的狀態。如果地層情況較好，依據多鉸圓環計算襯砌圓環按多鉸圓環是較為經濟合理的，可是需在一定程度上限制圓環的變形，保證鉸在變形過程中不會產生突變。由于軌道交通隧道屬于相對狹長的一種建構筑物，能近似看成平面應變問題。本案例中的盾構隧道計算采便使用了彈性鉸圓環以及自由變形的彈性勻質圓環模式，選擇其不利的內力進行控制結構設計。對于勻質圓環而言，是把襯砌圓環視為一種勻質彈性圓環，可是因為受限于管片接頭，選擇剛度折減系數＜1的來呈現環向接頭帶來的影響，而對接頭位置具體考慮，單純將整體襯砌抗彎降低。通過曲梁單元模擬折減剛度之后的襯砌圓環，通過對折減系數計算取用0.65-0.75。可是均質圓環發生某一角度偏轉之后，無論是截面變形還是內力均會產生變化，所以一般該模式會應用在通縫計算上。

四、結語

從某種角度來講，軌道交通盾構隧道的安全是保證軌道交通線路可以穩定運行的重要基礎，有關其結構設計十分關鍵，在技術支撐下能切實提高隧道運營的可靠性與安全性。與此同時，依托科學設計方案后進行盾構隧道高效的施工作業，可以有效避免路面交通、天氣等多方面因素帶來的影響，從而為乘坐者提供舒適安全的日常出行環境。對于工程人員而言，應提高對設計軌道交通盾構隧道結構工作的重視程度，保證各項參數的合理性與準確性，而且可以在現有成果的基礎上不斷探索，制定可行性更強的施工設計方案。