地铁盾构隧道管片结构设计探讨

帅彬

摘要：在地铁隧中盾构法施工已经有了较为普遍的应用，作为暗挖法施工中的一种，有着良好的适应性，对周边影响较小，保证隧道如期贯通等特点，基于此，本文通过论述分析国内外已建及在建的盾构隧道管片结构，为今后的盾构管片结构设计提出有益的建议，具有一定的指导意义。

关键词：地铁盾构；隧道；设计

1管片配筋设计

在结构设计中管片配筋是最为重要的环节，其会对结构的耐久性以及安全性造成影响，与此同时也需要在设计过程中对其经济性进行考虑。当前对管片配筋还缺乏一个较为统一的型式，而国内外地铁区间隧道大都采用盾构法施工，因此对管片合理配筋进行研究有着重要的意义。在早前的广州地铁中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；在日本地铁中应用是下排钢筋向上弯起，将其与上排钢筋以点焊形式进行连接。目前我国大部分城市都通过对管片四周加暗梁的形式进行配筋设计，在比较容易发生裂缝的螺栓孔处附加螺旋筋或者是吊筋，提升其整体性。而在济南地铁R2线管片配筋设计中还采用了分段配筋，在不同埋深、地层下按A～D型四种类型主筋配筋，并由此统计各类型管片的每立方混凝土的含钢量。同时在配筋率变化条件比较小的情况下，为了保证管片受力合理，根据结构计算结果，使管片内侧配筋量大于管片外侧配筋量，对管片配筋进行优化。

对于管片的含钢量确定，通常国外的管片其含钢量会控制在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。一般在我国国内大部分城市都应用的是145～160kg/m3的含钢量。新型的钢纤维混凝土管片目前也已经在诸多城市得到了成功的应用，管片仅仅应用30～60kg/m3的钢纤维掺量。由此，对于确定管片合理的含钢量在管片结构设计中有着重要意义。

2做好环宽设计

管片的环宽尺寸一般会对工程造价、质量以及工期造成较大的影响。以往，由于配套技术的不足，常采用较小的环宽，一方面可使施工材料的搬运、组装更方便，另一方面在小半径内施工可以更省力，但缺点是施工接缝多、螺栓使用量大、常出现较多的接头渗漏水缺陷。随着施工技术的不断进步，大环宽管片的应用已成为主流的发展趋势，较大环宽的管片能够提高整体结构纵、横向刚度，对结构受力有利，减少环缝数量，对结构防水有利，同时能够降低造价。目前国内地铁盾构隧道通常是采用1.2m、1.5m环宽，其中采用1.2m环宽的较多，如：北京、上海、南京等采用的1.2m环宽；天津是1.2m与1.5m环宽配合使用，曲线地段用1.2m环宽；广州、武汉、郑州采用1.5m环宽的管片。

3衬砌结构设计

国内盾构管片的设计模式主要以“荷载-结构”计算模式为主。即地层除了会对衬砌结构产生主动荷载以外，还会对其产生被动力，通过考虑地层抗力对衬砌变形的约束作用。沿区间纵向取单位长度的主体结构，把主体结构简化为放置于弹性地基上的平面框架梁单元结构，用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与衬砌的相互约束；另外，假定弹簧不承受拉力，弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。隧道结构所承受的主要荷载为地层压力，包括竖向压力和水平压力两种。在进行浅埋处理时，可按照全土柱重量来对计算竖向压力；深埋处理时，则应按照泰沙基公式来对竖向压力进行计算，与此同时，根据结构受力特点进而对受力之时地层以及结构移动彼此之间的作用进行确定，根据静止土压力、主动土压力以及被动土压力进行计算得到结果。

4管片裂缝控制合理性建议

管片的裂缝控制是管片设计中的重要一环，不仅仅是关于受力安全和耐久性的考虑，还有经济效益的影响。在结构设计过程中，应该对施工地区的地质情况、施工技术充分了解。配筋也要在保证受力安全的同时，注意裂缝的情况。盾构管片中的裂缝，一般是在进行施工中出现，而在盾构掘进中，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，导致了出现局部超限拉应力，因此管片会出现掉角、破损以及裂缝等情况。同时在管片离开盾尾后，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，圆型盾构隧道也慢慢进入到一个较为稳定的受力状态中，在施工过程中出现的裂缝、渗漏等情况也会逐渐消失。在進行具体施工中因为人为和地质条件的变化，一般都会出现出高出设计强度以及裂缝宽度要求的荷载，对于出现的这种情况，通过后期管片修补的形式进行弥补，比通过增加配筋要求的费用少很多。

从综合的角度来看，单纯的提高管片配筋率并不是一个控制裂缝的有效方法。需要结合多种合理化的配置方法来实现，通过已有的理论研究并根据以往的工程设计经验，对管片设计中裂缝控制提出以下建议：1）根据不同的地质类型，研究各种情况下的管片受力机理，通过合理的计算模型选择，使得配筋和管片尺寸配置更加合理。2）管片钢筋的混凝土保护层厚度迎水面取35mm，背水面25mm，管片最大计算裂缝允许宽度为0.2mm。3）钢筋加工与安装位置的允许误差应符合设计要求。 4）合理分析经济效益和衬砌安全的平衡点，避免不合理的加大管片钢筋，和前期节约资金造成后期处理费用加大的情况。建议在管片局部改善配筋方式使其受力性能改善，增加螺栓孔、手孔处抵抗开裂的能力。同时，在普通钢筋混凝土的管片基础上提出设计低配筋率钢纤维钢筋混凝土也是目前国外及香港地区较为普遍的设计思路。

5结束语

地铁隧道施工在我国大部分城市都采用了盾构法施工，盾构技术在国外和国内长期应用中已经逐渐积累了大量的经验，但是想要充分发挥出盾构法优势，还需要基于盾构法隧道的技术特点和各地实际情况做好管片结构设计，并在盾构隧道施工前选取合适的施工技术和施工工艺，从而确保安全、经济的推进地铁工程建设。

参考文献：

[1]刘伟，高涛涛.地铁盾构隧道设计探讨.四川水泥，2018.08.97.

[2]何亚敏.地铁盾构隧道设计探讨.绿色环保建材，2018.03.86.

[3]赵锴.石家庄地铁盾构隧道管片结构设计计算研究.市政技术，2015，33.06.112-114+164.

（作者单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司）