地铁盾构法隧道管片设计的几个问题

刘世中

地铁是我国交通运输体系的重要组成部分，随着社会经济的发展，地铁已在我国大多数城市普及。地铁建设联通了城市的各个区域，所以在城市商业中心区的地下也要经过地铁，但地铁建设需要地下开挖，很容易对城市地基造成扰动，导致地面出现隆沉等问题。因此，为了保障地铁建设的安全性与稳定性，需要对地铁隧道中管片结构设计进行具体的分析，提升管片结构的可靠性与安全性，从而提升地铁质量，保障城市交通运输安全。

1　管片结构形式设计分析

现阶段，国内的地铁施工管片设计主要有两种形式：①通用环（楔形环）形式，这种管片结构的形状为楔形，施工中需要将管片组合起来放置到相应的位置上，这种形式可以贴合地铁建设中隧道的线形，所以符合掘进施工的特点。②无楔环管片形式，这种形式在楔形环原来的基础上，增加了直、曲两种形式的普通环，两者结合才能完成施工。两种管片因形式与性能等多方面的差异，在我国南北方地区有着不同的适用条件，例如，我国北京地区主要使用直、曲组合环，而在南京、广州等南方地区则会根据实际情况结合两种管片形式进行施工。这种情况的出现主要是由于南北方在地质、地形条件上存在的差异，南方地区山地、丘陵地带较多，从力学的角度来考虑，隧道的起伏变化都会对管片的受力造成影响，所以会根据每段地质条件的不同选择管片形式；而我国北方地区，地势相对平坦但土质差异大，所以施工中采用直、曲集合等方式能够提升管片的抗力性能。具体的设计对比分析有以下几方面内容：

（1）管片结构形式性能对比

管片结构在地铁运营中主要发挥的是抗力性能，其抗力性能来自两个方面：①永久荷载带来的；②施工荷载带来的。所以在我国地铁施工中，隧道直径处于相同的情况时，使用的管片分块也应处于相同情况，如果采用盾构法，管片分块基本上都以5+1形式为主，也就是将管片分成六块，施工中使用每个小的封顶块直接以轴向方向插入。这种施工方法管片需要承载两部分抗力，一部分来自楔形面，另一部分来自于垂直楔形面的分力，但是采用不同的管片结构形式力的分布情况是不同的，使用通用环结构时，分离可以均匀的分布到每个环片上，但无楔形环的方式则不可以实现，所以从这点上来看，楔形环的抗力性能以及荷载能力较强[1]。通常情况下，施工中使用楔形环管片结构时，要注意控制好楔形量以及准确计算各个环片的受力值。

另外，在地铁施工中，由于管片断面不平整的问题，使用盾构法配合千斤顶的应用，所以极易在施工中出现裂缝，所以，施工中如果施工区域为直线段，最好采用无楔形环管片结构，其抗力性能在这种情况下要优于楔形环。

（2）管片结构形式防水性能对比

现阶段，我国地铁工程施工中，防水主要通过橡胶条密封来完成，使用的密封材料主要是遇水膨胀橡胶以及三元乙丙弹性橡胶。橡胶的使用要以及管片止水沟槽为依据，通过加工制作矩形框条安装在止水沟槽中，但框条必须完全封闭。由于无论采用哪种管片结构形式，其断面都是斜平面，而且具有不完整性，如果使用楔形环结构，在千斤顶的作用下，每块管片会相互靠近，从而导致纵向裂缝出现，这种裂缝的开口要远远超过无楔形环结构，从而无法利用强度较大的压缩力挤压止水橡胶，所以从这点来看，无楔形环结构的防水性能更强[2]。

（3）施工中管片结构占用面积以及组织计划

施工中管片结构的用量要根据施工场地的空间条件、运输条件以及施工任务量决定，所以在施工组织设计上，工作人员要对管片进行具体编号，然后按照编号进行排放，施工中使用每种结构的管片要由施工工序做决定，所以管片结构不会对施工进度造成影响。由此来看，施工中两种管片结构形式在占用面积以及组织计划上并无较大差异。

2　管片环宽设计分析

（1）管片环宽设计与隧道曲线半径的关系

管片环宽与隧道曲线半径之间呈现的是正比例关系，由于隧道曲线位置受盾尾处间隙的影响，所以，如果转弯位置的宽度过大，地铁转弯时的阻力就会增加，导致盾尾处间隙位置出现被卡住的情况，从而破坏管片。通过研究发现，盾尾间隙处于2.0～4.0cm的范围内最为合适，以2cm为例，如果盾尾间隙为2cm，那么管片环宽在设计上应为1m，而曲线半径应控制在300m[3]。但现阶段，国内地铁施工曲线半径基本要在500m以上，所以要适当调节管片环宽以及盾尾间隙。

（2）管片环宽设计与施工速度关系

地铁施工采用盾构法时，其施工进度管理目标依据是每日工作量，所以在施工现场的资源配置以及施工工序的组织计划上都要以这个目标为核心进行。每日施工内容为进尺掘进、出土盾构施工、管片拼装，所以提升施工进度可以采取延长施工长度以及缩短施工时间两种方法。通过实际施工统计，以上述三项内容为一个施工循环，每个循环施工所花费的时间在2h左右，如果在施工中借助千斤顶的话，每种施工速度要快于正常施工2～6cm[4]。而随着管片环宽的增加，施工循环的内容也会增加，从而导致施工时间上升，为此，施工进度控制必须要考虑到管片环宽这项因素，尽量将环宽控制在1.8m左右，这样能够有效的提高施工速度。

3　封顶块管片插入设计分析

盾构法地铁隧道施工管片插入方式有两种：①径向式插入；②轴向式插入。其中径向式在管片形状上存在优势，由于其形状简单，方便管片拼装；而轴向式结构可靠性较高，管片之间可以相互作用。但由于施工中，在轴力和注浆压力的双重作用下，管片截面会有剪切力产生，如果一旦隧道结构出现不稳定的情况，管片就会被挤出，所以国内地铁施工主要采用的是轴向式。轴向式封顶块管片插入设计长度计算公式为L表示的是管片的长度、B表示的是管片环宽、H1表示的隧道管片结构外部的周长；H2表示的隧道管片结构内部的周长、A表示的是管片的楔形量、δ表示的是插入中施工的间隙[5]。在施工中给定确定参数后，可以根据此公式计算出封顶块管片的插入长度，长度计算要保障准确性，这会影响到施工质量以及施工小，根据施工经验总结，插入长度越长，施工速度越快；另外，施工中必须保障施工操作规范，保证管片的抗力性能，从而提升管片结构的稳定性。

4　结束语

综上所述，地铁盾构法隧道管片设计是关系到地铁运行稳定性与安全性的一项施工内容，而从当前两种管片结构形式来看，每种都可以满足我国地铁隧道施工，但出于对地铁运营经济效益、安全性、舒适性等多角度因素的考虑，施工中尽量选择直线段施工方式，隧道曲线半径也要尽可能扩大，而且从性能等多角度因素上，最好采用无楔形环管片结构形式；另外，要注意管片插入长度的计算，从而保障施工质量，为地铁运营营造安全、稳定的环境。

[1]王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路[J].隧道建设，2014，27（3）：179～187.

[2]杜峰.深圳地铁9号线盾构法隧道管片预埋滑槽设计研究及探讨[J].隧道建设，2014，22（3）：249～253.

[3]张常光，赵均海，张庆贺.盾构通过矿山法隧道复合支护的管片内力解析解及应用[J].现代隧道技术，2014，28（2）：95～100，114.

[4]楼朝伟，赵冬旭.地铁隧道下穿淤泥地层工法比选及技术探讨[J].铁道标准设计，2016，30（12）：99～103.

[5]王立新.地铁盾构隧道与矿山法隧道接口段抗震计算研究[J].铁道标准设计，2017，33（3）：97～103.