貴陽地鐵盾構管片選型分析與研究

李鵬飛

(貴陽市公共交通投資運營集團有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概述

隨著貴陽貴安城巿融合發展，為緩解交通壓力，迫使軌道交通網絡必須盡快形成，作為更為先進的盾構工法成為該地區首選施工方法[1]。盾構隧道是由管片拼裝而成，現普遍采用圓形斷面形式[2]。不管采用哪種斷面形式都要面臨著盾構管片選型問題，其直接關系到盾構隧道施工質量。文獻[3-4]通過管片主要參數比選，得出了一些管片選型方法。劉欣[5]提出了滿足曲線隧道拼裝要求的一些管片幾何參數。文獻[6-8]對管片進行建模模擬計算，取得了一定的管片選型成果。王士民等[9]采用相似模型試驗方法提出了一些管片力學特性。另外，因施工經驗及操作水平參差不齊，盾構管片成型質量也不盡相同。針對貴陽巖溶地質特征，該文以貴陽地鐵某號線一期工程盾構隧道管片選型為例，從多個方面對盾構管片選型進行分析研究，建立計算模型進行管片受力驗算，總結了管片選型控制要點，希望能為類似工程提供一定的參考價值。

2 案例背景

2.1 工程概況

貴陽地鐵某號線一期工程全長43.03 km，串聯花溪區、南明區、經開區、云巖區和烏當區五個行政區，共設29座車站和30個相鄰區間。其中20個區間采用盾構工法施工。區間隧道采用平板型單層通用型管片襯砌，管片環內徑5.5 m，厚度35 cm，環寬1.5 m。該工程通用型管片襯砌環構造如圖1所示。

2.2 工程、水文地質情況

沿線以白云巖為主，局部巖溶強發育，溶洞見洞率為10.4%，發育高度在1 m～5 m之間，主要以填充型溶洞、溶槽為主，填充物為軟塑～可塑狀黏土，少許為空溶洞。沿線以巖溶水為主，一般位于地表以下8 m～15 m。

3 盾構管片構造發展趨勢

通過地鐵盾構隧道的建設和多年的運營證實，采用單層襯砌結構是安全可靠的。隨著對盾構隧道認識的不斷加深和技術的成熟，盾構隧道襯砌方案也在日益推陳出新。國內部分地鐵盾構管片設計情況如表1所示。

表1 已建和在建盾構管片設計情況

通過表1統計分析國內部分地鐵區間管片構造設計情況，有如下特點和發展趨勢：

1)管片逐漸采用1.2 m或1.5 m較大寬度的趨勢。

2)管片厚度、榫槽設置具有地區特征。其中軟土或地質較差的地區管片厚度為35 cm，設置榫槽；地質較好的地區管片厚度為30 cm，無榫槽。

3)襯砌環組合形式逐漸采用通用楔形環，也有采用直線+左右轉彎環組合方式。

4)管片皆采用6分塊，以錯縫拼裝居多。

5)曲線擬合采用平面排版和三維排版方式。

6)管片連接大部分采用彎螺栓。

4 盾構管片選型分析

4.1 管片組合方式比選

為了滿足盾構隧道曲線線路和施工糾偏需要，盾構管片需設計楔形襯砌環。常見楔形襯砌環有以下3種方式。

1)左、右轉彎楔形襯砌環與直線襯砌環組合。

盾構隧道設置左、右轉彎楔形襯砌環及直線襯砌環。左、右轉彎楔形襯砌環分別與直線襯砌環進行優選組合排列進行線路擬合，以使隧道線路擬合誤差控制在允許范圍內。

2)左、右轉彎楔形襯砌環之間相互組合。

盾構隧道只設計左轉彎、右轉彎楔形襯砌環。在直線段通過左轉彎加右轉彎襯砌環組合形成直線；在曲線段與第一種組合擬合方式基本相同。

3)通用型楔形襯砌環組合。

這種組合方式是僅采用一種類型的楔形襯砌環。管片襯砌環在拼裝過程中可以按模數進行360°旋轉定位，即在曲線段通過不斷旋轉管片調整楔形量來擬合實際曲線。

前兩種襯砌環對于平曲線可通過組合進行擬合，豎曲線則只能通過在管片環接觸面分段貼設不同厚度的石棉橡膠板來解決。由于采用的襯砌環類型不完全確定，所以給管片供應帶來一定難度。而通用型楔形環則真正實現了空間三維軸線擬合，最大程度地減小了線型擬合誤差的積累，擬合誤差可控制在5 mm以內。由于通用型楔形環類型單一、運輸與拼裝方便等優點已被廣泛運用。

結合國內盾構隧道的施工經驗，根據貴陽巖溶地區實際情況，該工程最終采用通用型楔形襯砌環組合進行線性擬合。

4.2 管片類型及分塊

1)管片類型。

目前比較常用的通用管片多為梯形管片。梯形管片形狀又分為直角梯形和等腰梯形，兩者均可通過旋轉來改變前進方向。等腰梯形管片相比直角梯形管片更方便拼裝。

2)管片分塊。

目前盾構管片常用分塊數為六塊(3B+L1+L2+F)和七塊(4B+L1+L2+F)兩種(其中B為標準塊，L1，L2為鄰接塊，F為封頂塊)。在城市地鐵盾構隧道多采用六塊方案。

考慮到施工方便以及結構受力的需要，目前封頂塊趨向于采用小塊形式。封頂塊的拼裝形式有徑向楔入、縱向插入兩種。徑向楔入形式的封頂塊徑向兩邊邊線必須呈內八字形或者平行，受荷后有向下滑動的趨勢，受力不利。而縱向插入形式的封頂塊受力情況較好，受荷后不易向內滑動。

綜合考慮管片制作、運輸、拼裝及結構受力、防水性能，該工程采用等腰梯形六分塊(3B+L1+L2+F)管片分塊方案。

該工程標準塊管片斷面如圖2所示。

4.3 管片寬度及厚度選定

1)管片寬度。

隨著設計成熟和施工經驗的積累，管片寬度在考慮是否滿足線路最小曲率半徑以及盾尾間隙等要求情況下有逐漸增大的趨勢。常見的管片采用1.5 m寬度的管片較多，與環寬1.2 m的管片相比，采用環寬1.5 m的管片可減少20%的環向接縫數量和材料用量，降低了接縫滲漏水的幾率，又可縮短20%的拼裝時間。

鑒于貴陽地鐵首次引進盾構法施工和巖溶地質條件，為減少拼裝接縫，提高管片生產效率和隧道掘進速度，有效地預防巖溶地區滲漏水，最終選取了1.5 m標準寬度管片規格。

2)管片厚度。

襯砌環厚度應根據工程和水文地質條件、隧道覆土深度、結構特點、周圍環境等綜合因素考慮確定，同時應滿足管片拼裝及防水抗滲要求。目前較常用的盾構管片厚度主要為30 cm,35 cm兩種。當圍巖自身承載力較高、穩定性較好時，襯砌環厚度主要采用30 cm厚；當地質復雜多變、圍巖軟硬不均時，襯砌環主要采用35 cm厚。

針對貴陽巖溶地質較復雜情況，在參照類似工程建設經驗的基礎上，對擬定結構的強度、剛度、裂縫等進行理論計算驗算，經技術經濟對比分析，該工程采用厚度為35 cm鋼筋混凝土管片。

4.4 楔形量確定

楔形量是通用環管片主要參數之一，通過楔形量來實現盾構隧道的轉向及盾構機姿態調整。不同工程盾構管片的楔形量也不盡相同，除考慮隧道曲線半徑、管片環外徑、寬度外，還需要考慮盾構機機械性能。楔形量應預留富裕量，但不宜過大，防止增加拼裝難度，影響成型隧道的防水。計算通用環楔形量的方法有類似通縫計算法、非對稱間隔交錯計算法、對稱間隔交錯計算法和緊鄰交錯計算法四種。其中，采用類似通縫計算法較多[10]。一般管片楔形量由式(1)計算可以得出。

Δ=DwB/Rmin

(1)

其中，Dw為管片外徑；B為管片環寬；Rmin為線路最小曲線半徑。

該工程最小曲線半徑為300 m，管片設計中最小轉彎半徑需考慮一定的施工誤差，同時考慮到管片錯縫拼裝，楔形襯砌采用雙面楔形式，襯砌環楔形量取45 mm。

4.5 管片排版拼裝方式選定

4.5.1 管片排版

盾構隧道襯砌是由管片排版拼裝而成。管片拼裝前，先根據管片相對于隧道設計軸線的偏差情況和環縫連接螺栓的角度間距確定管片的拼裝點位(即封頂塊的位置)。該工程每環管片環向布置角度α=22.5°，共有16個縱向螺栓孔，即“16個拼裝點位”。當上一環拼裝完成后，將下一環管片的所有拼裝點位中不滿足設計及施工要求的點位剔除，在其余的點位中進行動態擬合排版。該工程管片拼裝點位動態跟蹤如圖3所示。

4.5.2 襯砌環的拼裝形式

襯砌環的拼裝形式有通縫拼裝和錯縫拼裝兩種。

通縫拼裝要求管片縱向接縫對齊，具有拼裝方便、易定位等優點，但其整體剛度差、不利于防水。

錯縫拼裝要求管片旋轉一定角度再拼裝，有利于管片間應力傳遞、整體性強、防水效果好。

管片通縫拼裝和錯縫拼裝優缺點如表2所示。

表2 管片通縫拼裝和錯縫拼裝優缺點

結合國內盾構隧道的施工經驗和巖溶地區的地質特點，該工程盾構隧道管片采用錯縫拼裝。

4.6 接觸面構造

目前國內盾構管片在環、縱縫構造上分設榫槽和不設榫槽兩種。其中不設榫槽的管片預制方便，拼裝技術要求較高，施工中容易形成環縫及縱縫錯臺，在地質條件較好地區應用較多。考慮到貴陽地區地質條件和施工經驗，管片縱縫、環縫均不設置凹凸榫。

5 盾構管片內力計算及分析

5.1 計算模型建立

通常圓形盾構隧道按平面問題計算，設計成具有一定剛度的柔性結構，嚴格限制荷載作用下的結構計算變形不大于2‰D、接頭張開量小于4 mm。接頭設計以滿足受力、防水和耐久的要求為前提。

管片采用錯縫拼裝，計算模型的選擇必須考慮管片接頭部位抗彎剛度的下降、環間剪切阻力等對隧道結構總體剛度的補強作用。目前國內外常用的模型和計算方法有慣用計算法與修正慣用計算法、勻質圓環法、梁-彈簧模型三種。該工程選擇修正慣用設計法進行分析。

修正慣用設計法是將襯砌圓環考慮為彈性勻質圓環，用剛度折減系數η(η<1)來體現管片接頭的影響，不考慮接頭的位置，用曲梁單元模擬剛度折減后的襯砌圓，按三角形抗力模擬結構與地層間的相互作用，取單環管片進行計算，計算結構內力M，N，然后考慮錯縫拼裝后的整體補強效果，進行彎矩分配：

管片內力：Ms=(1+ξ)M，Ns=N。

接頭內力：Mj=(1-ξ)M，Nj=N。

其中，ξ為彎矩分配系數；M，N均為通過勻質圓環模型計算得到的內力值。

5.2 內力計算

通用環管片的結構計算，應根據隧道所處工程地質和水文地質條件、埋置深度、結構特點、施工條件等因素，結合已有的試驗、測試資料，選用合適的計算參數進行計算。

該工程管片選型主要根據圍巖等級以及覆土厚度來確定，具體選型原則如表3所示。

表3 管片選型原則

該工程盾構隧道全部位于中風化白云巖中，埋深h為6.2 m～28.7 m，位于Ⅳ級、Ⅴ級圍巖，采用P1,P2,P3,P4類管片，按相對應的圍巖條件計算出管片橫斷面內力及變形值。以P1類管片為例繪制管片橫斷面內力示意圖如圖4所示。

該工程按修正慣用法進行內力分配后計算出管片實際配筋。具體內力計算值如表4所示。

6 盾構管片選型控制要點分析

1)要適應工程地質和擬選盾構機的姿態要求，重點考慮盾構機千斤頂的行程、盾尾間隙影響因素。

表4 管片受力計算表

2)在管片拼裝過程中，要充分擬合隧道設計曲線，通過管片的旋轉拼裝來控制盾構隧道的線路走向，使擬合偏差控制在允許誤差范圍內。

3)封頂塊的位置應選擇在拱腰以上部位。施工過程中需排除某些拼裝點位以防封頂塊位于隧道管片環下部。

4)設置螺栓孔間距時應充分考慮管片擬合拼裝問題和方便施工。

5)管片混凝土應滿足強度和抗滲等級要求。

6)為保證管片襯砌環良好的受力，施工過程中應注重管片拼裝質量、隧道和盾構的相鄰姿態以及二次注漿施工。

7)為了滿足接縫防水要求，在管片接縫處應設置彈性密封墊、嵌縫等防水措施，且以彈性密封墊為主要防水措施。

8)管片的預制、運輸、存儲應采取相應措施防止管片破損，破損管片的修補應嚴格按照設計規定執行。

9)特殊地段應進行專項風險設計。

7 結語

盾構隧道管片襯砌結構在地鐵建設與運營中都發揮著重要作用，優質的管片及精細的拼裝可以有效地確保盾構隧道整體耐久性和防水性。管片的選型是盾構施工中最重要的工作，關系著管片成環質量和成型隧道的界限。在選型過程中應根據工程地質情況和盾構機的性能對管片的內外直徑、管片分塊方法、分塊數和螺栓的分布形式等進行選定。在施工過程中進行合理地排版拼裝。該文結合貴陽巖溶地區工程地質特點，借鑒相關文獻的研究成果，主要從管片組合方式、管片參數選定及受力情況等方面進行分析研究，經過綜合比對選出適合該地區的盾構隧道襯砌管片，也積累了一些巖溶地區盾構管片選型經驗。通過該工程盾構管片選型分析與研究，總結了以下幾點建議，供今后類似工程參考借鑒：

1)應綜合考慮隧道曲線要素、工程質量及機械性能等因素，盡量選擇通用型管片。

2)應利用慣用計算法與修正慣用計算法、勻質圓環法、梁-彈簧模型等一些常用的計算方法進行必要的管片內力驗算，進一步驗證管片參數選取的安全性和合理性。

3)根據施工過程中管片姿態動態地選取拼裝點位。