地铁盾构区间结构设计方法研究

地铁盾构区间结构设计方法研究

王璞

中铁二院华东勘察设计有限责任公司浙江杭州526000

摘要：近年来，随着我国经济水平不断提高，地铁建设数量不断增多。地铁区间设计是城市地铁工程项目中的重要内容。在设计内容中，对于所有工程设计参数如管片厚度、配筋率、混凝土强度、环宽等，需将设计模型和地区设计习惯相结合，进行合理的研究，才能实现对盾构区间设计的优化，使工程设计符合工程建设需求。

关键词：地铁盾构；修正惯用法；管片配筋

引言

近年来，城市地下工程的开发越发密集，许多大中城市都已开展轨道交通建设。地铁区间隧道作为城市轨道交通的重要组成部分，施工过程中面临复杂的城市环境条件，地质条件和地下水条件，建设难度较大。一般来说，盾构法修建地铁隧道具有对周围环境影响小、自动化程度高、修建快速、优质高效、安全环保等优点，尤其是随着近年国内盾构施工技术和盾构机国产化率提高，其优势愈发明显，应用定会越来越多。

1荷载计算方法

盾构隧道荷载分类分为：永久荷载、可变荷载、偶然荷载3大类。根据《建筑结构荷载规范》（GB500092012）各类荷载组合如下：（1）承载能力极限状态组合：1.35永久荷载标准值+1.4可变荷载标准值。（2）正常使用极限状态组合：永久荷载标准值+可变荷载标准值。（3）偶然荷载组合：1.2永久荷载标准值+1.4可变荷载标准值+1.0地震荷载标准值（或1.0人防荷载）。盾构荷载按施加方向、形式和性质又分为：垂向荷载、水平向荷载、三角形荷载、基地反力荷载和管片自重。盾构管片受力荷载模式。盾构管片内力计算方法很多，具体根据围岩条件、管片结构、用途等确定。其中，隧道所受的土压力计算方法如下：（1）竖向土压力计算：当隧道覆土H≤10m时，按10m覆土柱计算顶部土压力；当隧道覆土10≤H≤2D（D为隧道外径，余同）时，隧道拱顶土压力按全覆土进行计算。当隧道覆土H≥2D时，对于具备成拱效应的地层可按太沙基松弛土压力公式计算垂直土压力，并设置2D覆土厚度作为土压力下限值。（2）侧向土压力计算。侧向压力：根据垂直土压力和静止侧压力系数确定。

2地铁盾构区间结构设计

2.1管片配件设计

在结构设计中管片配筋是最为重要的环节，其同结构的耐久性以及安全性造成影响，与此同时也要求对经济性考虑在内。当前对管片配筋还缺乏一个较为固定的形式。而管片合理配筋形式进行研究中有着良好的意义。比如说在广州地铁中2号线赤鹭区间之中应用了欧洲规范，在上下排主筋中使用U型钢筋来连接；在日本地铁施工中应用是下排钢筋向上弯起，同其上排钢筋点焊形式之间进行连接。目前我国的南京和香港等地都应用了管片4边以及加暗梁的形式进行施工。在广州的地铁3号线中部分路段施工中，也取消了2号线U型钢筋连接上下排主筋的形式进行施工。其标准块在两端可以沿着环向布置的主筋而提升到218mm，同时加小箍的形式进行暗梁施工，其纵向两端也会加上小箍将其作为暗梁，提升其整体性。在迎千斤顶面的暗梁内外两边加上一个腰筋，而其背千斤顶面的外部也会加上腰筋。在比较容易发生裂缝的螺栓孔出应该加上螺栓筋或者是吊筋。同时在配筋率变化条件比较小的情况下，保证钢筋的受力较为合理。对于盾构管片中的裂缝，一般主要是在进行施工中出现，在配筋设计中，应该对施工地区的工况充分了解，而在进行掘进中，因为对其姿态控制要求、围岩不均、曲线施工以及纠偏等因素，那么千斤顶其推力分布存在着的一定问题，导致了出现了局部超限拉应力，因此就会出现掉角、破损以及裂缝等情况。同时在官片离开盾尾后，通过新拼管片来将千斤顶的推力进行传递，促使其力而逐渐分散，裂缝就会缩小。随着整个隧道的竣工，则圆型盾构隧道也慢慢进入到一个较为稳定的受力状态中，在施工过程中裂缝、渗漏消失等情况。在进行具体施工中因为人为和地质条件，一般都会出现出高出强度以及裂缝宽度要求荷载，对于平时出现较少的这种情况，通长要求应用后期管片修补的形式进行弥补，其回比通过增加配筋要求的费用少很多，而对最小配筋率而言，要求进行进一步的研究。比如说欧洲的管片钢筋，其含钢量通常会控制在80～100kg/m3之间，要求考虑到钢筋强度等因素，可以将其折算为107～130kg/m3。一般在我国国内都应用的是145～160kg/m3。当前诸多钢纤维混凝土管片目前已经在诸多地区得到了成功的应用，管片仅仅应用30～60kg/m3的钢纤维掺量。

2.2耐久性设计方法

混凝土结构的耐久性设计主要可以划分为的定量计算以及传统经验两种类型。当前在环境的影响下耐久性设计的定量计算还没有完全成熟，其应用范围并不普遍。我国国内外当前的混凝土结构设计规范中主要应用的是传统形式或者是应用了进行改进的方法。混凝土结构耐久性设计过程中比较常用的方法为可以把环境根据其严重性而划分为若干等级，在工程经验进行类比经验基础上，其对不采用环境作用等级的混凝土结构构件，通过规范可以对混凝土材料的耐久性质量要求进行规定，以及做好钢筋保护层厚度等相关构造要求。近些年来，我国也慢慢提出提升了对结构设计规范之中对耐久性内容的研究，进而颁布了相关耐久性设计规范，可以推进耐久性中的权重情况。在地铁隧道施工中，耐久性设计主要是以《混凝土结构设计规范》以及《混凝土结构耐久性设计规范》来不断推进，进而可以在一定程度上满足城市轨道交通行业中对结构设计的要求，提升地铁隧道盾构的质量。

3管片设计参数

3.1管片内径

隧道内径需要考虑到多方面因素的影响，正常情况下的隧道半径应当考虑到车辆限界、建筑限界以及设备限界，除此之外，还需要含括误差情况，例如施工误差、设计误差、不均匀沉降等多方面误差影响。根据长久以来的地铁隧道建设经验来看，土质较软的隧道区间最好是采用φ5500的管片内径，面对土质较好，沉降均匀的区域则需要采用φ5400的管片内径。本工程采用A型车，最高运行速度80km/h，圆形隧道建筑限界为φ5300mm的圆。结合国内地铁的实践及武汉地区的特点，考虑盾构隧道施工时不可避免的施工误差、变形、沉降等，综合误差取100mm，即盾构隧道内径为5500mm。

3.2管片厚度

根据长久以来的地区地铁隧道建设经验来看，在地质较软区域采用的管片厚度优先为350mm。若只是单纯考虑结构受力情况，当隧道在15m埋深以内时，则可以优化为300mm；当隧道在20m埋深以上时，则需要配备更厚的管片，同时配筋的直径也需要相应的加大。除此之外，还需要考虑到很多城市地铁附近的沿线环境是不稳定的，所需要设计的安全结构应该包含各种可能性，才能应对周围环境的变化。当周围环境的基础负荷增加、水压降低时对管片结构都会造成不利的影响，在设计之初需要对管片结构保留一定的安全储备。

3.3管片宽度

随着需求的增加，施工技术的成熟，管片的宽度逐渐变大，带来的好处是能够减少接缝处管片的数量。根据设计经验来看，一般是优先选择宽度在1.2m～1.5m的管片。管片宽度越宽，隧道结构的纵向刚度越大，抗变形能力增强；衬砌环节缝越少，漏水环节、螺栓数量越少；施工速度越快，费用越省；在小半径曲线上，管片的设计拟合误差大。结合本区间线路设计情况综合考虑后，推荐采用1.5m的环宽管片。

结语

综上所述，地铁工程对于缓解我国城市日渐增长的公共交通压力具有非常好的效果，为保证地铁工程的进度、质量和成本控制，应不断深入针对城市地铁盾构区间的设计优化研究，实现工程项目获得最大化的社会效益和经济效益，促使我国的地铁工程设计水平进一步提高。

参考文献：

[1]石建泽.某盾构下穿北京地铁双线盾构区间结构变形分析及控制研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[2]陈焕然，李金城.城市地铁盾构区间施工测量方案设计与实践[J].铁道勘察，2008（03）：7-11.