市政排水隧道管片环宽、分块形式及螺栓数设计研究——以天津市政排水盾构隧道工程为例

岳 彬, 熊田芳

(中铁第六勘察设计院集团有限公司， 天津 300308)

0 引言

近年来，盾构法施工已在国内城市地铁建设中得到了长足的发展和经验积累，因其安全快捷、施工环境好、对周围环境影响小、地层适应性强、工程质量高等优越的工艺特点和较高的技术经济性[1],越来越多的城市开始考虑采用盾构法进行市政管道的建设。市政管道与城市地铁隧道相比，其隧道断面尺寸及线路的曲线半径都较小,小半径曲线段盾构施工较为困难，管片环宽、分块形式及纵向螺栓数等几何参数对于小半径曲线段拟合有较大的影响[2]。

林坚[3]、肖明清等[4]、戴志仁[5]对目前盾构管片结构设计中计算模型、安全校核方法及管片配筋优化等方面进行了设计研究。冯美华[6]对管片结构内力及配筋设计进行了研究。张晓光[7]介绍了小直径盾构管片环宽、分块及手孔形式的设计情况及抗弯试验的相关内容，并结合有限元分析对加载过程中手孔处受力进行了分析研究。杨群等[8]根据解析几何知识，结合管片构造特点推导了管片尺寸的解析公式。潘茜等[9]针对小直径盾构管片，结合调研、工程类比及经验对环宽、厚度及分块等结构尺寸进行了设计研究。宋成辉[10]通过调研、工程类比及定性分析进行了管片分块、环宽及榫槽等管片构造设计方面的研究。许多学者基于地铁盾构管片设计做了大量工作，研究方向多为隧道管片结构力学分析，主要结构尺寸研究也多基于调研、工程类比及结合工程经验确定，鲜有针对管片环宽、分块形式及螺栓数的详细理论研究。综合刘欣[2]、宋成辉[10]关于管片环宽设置的相关阐述，环宽的确定需要考虑盾构构造、施工进度、施工水平、配套机械、管片分块形式及螺栓数。小环宽管片对于曲线拟合更为精确，所需管片楔形量也相对较小，要求盾构盾尾长度相对较短，可增加盾构的灵敏度，便于在小曲线位置施工。但是，小环宽管片相应地增加了管片数量及环缝数量，对于工期、造价、防水及隧道整体刚度均不利。因此，应结合实际施工水平，综合考虑施工性、经济性及使用性能合理确定管片环宽[11]。衬砌环的分块和纵向螺栓孔数量决定了管片的有效拼装点位,对成型隧道的线路精度有一定影响[12]。管片分块与纵向连接螺栓的数量密切相关，纵向连接螺栓数的选择，应综合考虑合理拼装点位数量、拼装要求及环内接缝数量等因素，在曲线段推进过程中需要通过特殊拼装点位来调节盾尾间隙及拟合精度。因此，合理拼装点位的数量应作为主要的考虑因素。

本文结合天津市滨海新区环保督查雨污分流改造项目--津塘公路以南片区改造工程盾构段管片设计过程，通过对环宽、分块形式及螺栓数不同组合形式管片进行分析比选，综合考虑合适的拼装点位、排版拟合偏差、工程经济性及施工能力需求等方面，来确定管片环宽、分块形式及螺栓组数，以期为相关类似工程盾构管片设计提供可借鉴的经验和方法。

1 研究基础

1.1 工程背景

天津市滨海新区环保督查雨污分流改造项目--津塘公路以南片区改造工程盾构段，起点位于津塘公路与河北路交叉口，沿津塘公路北侧布设，终点位于拟建津塘路泵站。雨水主管内径3 m，全长约3 612 m，拱顶埋深6.3～12.5 m，采用盾构法施工。全线设置多处曲线段，除了有一处半径为150 m外，其余曲线半径均大于300 m，半径为150 m曲线段的长度为216.745 m，其里程范围为K0+048.250～+264.995。该工程为天津市软土地区首次采用盾构法修建市政管道，没有可借鉴的工程经验。

1.2 通用楔形环管片楔形量计算方法

通常一条隧道线路上有很多不同半径的曲线,如按不同的曲线半径来设计通用环管片楔形量,会导致类型太多,并给制造、设计和施工增加工作量[1]。一般通用楔形环的楔形量考虑最小的曲线半径，结合管片外径、环宽及螺栓数等参数，并结合曲线拟合近似几何关系计算确定，通过旋转通用楔形环进行组合来拟合不同半径曲线。若不考虑纠偏及调整盾尾间隙等其他因素的影响，考虑最小的拟合误差，旋转单倍螺栓间角度可实现曲线段的错缝拼装。通用楔形环在最小半径曲线处拼装点位如图1所示。

(a) 拼装点位1

(b) 拼装点位2

管片不同点位环宽可根据投影比例关系确定，将待求点位处半径向水平方向投影，根据投影比例关系可得式(1)，由此可得任意点位处环宽相对标准环宽的变化量δθ=Δ(cosθ/2)。

(1)

式中：R为管片半径；δθ为管片上某点环宽相对标准环宽的变化量。

通用楔形环在最小半径曲线处拼装参数见表1，表中环数为曲线拟合时相邻环管片数量。令u=i/j，不考虑纠偏及调整盾尾间隙等其他因素的影响，考虑曲线段最小的拟合误差，相邻环相对旋转螺栓间角度θ进行交替拼装，则有u=1。

表1 通用楔形环在最小半径曲线处拼装参数

通用楔形环曲线拟合示意图如图2所示。将图中管片环缝线延长至隧道曲线圆心，由于任意小段曲线长度相对于圆曲线半径很小，可将任意小段的曲线近似为直线，近似成2个三角形，根据相似原理得到：

(2)

D为管片外径； R为曲线半径； A=cos θ/2。

由式(2)可得错缝拼装楔形量一般计算公式：

(3)

2 管片环宽、分块及螺栓数不同组合形式理论研究

根据前期调研情况，国内采用盾构法施工内径≤3 m的市政管道工程，管片环宽多为1 m或1.2 m，分块形式多为5分块或6分块。结合本工程具体特点，针对1 m环宽、1.2 m环宽管片分别结合不同的分块形式及螺栓组数，进行相关理论研究。研究之初针对5分块9组、13组、14组螺栓及6分块10组、11组、14组螺栓分别进行相关的理论研究，发现5分块14组螺栓与13组螺栓拟合偏差相差不大，且合理拼装点位相同； 在此基础上，考虑相对较少的螺栓数量，不再对5分块14组螺栓进行相关的理论阐述。6分块10组螺栓组合形式管片，K块小端环向螺栓重叠较多，无法安装，相对来说不太合理，对6分块10组螺栓也不再进行理论阐述。

2.1 环宽1 m(或1.2 m)、5分块、9组螺栓

管片外径D=3.5 m，环宽W=1 m(或1.2 m)，分块形式为1块K型封顶块+2块B型邻接块+2块A型标准块(36°+2×82°+2×80°)，环缝螺栓9组(P1-P9)，最小旋转角度40°，如图3所示。

图3 5分块9组螺栓管片设计示意图

根据前述楔形量计算方法，本工程最小曲线半径R=150 m，考虑管片制作误差、盾构制作误差及施工误差等因素的影响，取计算半径R=100 m，环宽W=1 m，管片直径为3.5 m，相邻环旋转单倍螺栓环内角度θ=40°，根据式(3)可得计算楔形量Δ=40 mm；若环宽W=1.2 m，计算楔形量Δ=48 mm。

直线段及不同半径曲线段线路拟合，需要使用不同的拼装点位来实现。管片拼装点位的确定应根据螺栓数量、拼装形式及封顶块限制拼装位置确定。本工程采用错缝拼装形式，且要求封顶块不能位于隧道底部，相邻环管片旋转n倍的螺栓间角度进行合适拼装点位的选取。根据上述方法进行管片旋转后，5分块9组螺栓管片合理的拼装点位为3个，见表2。

表2 5分块9组螺栓管片相邻环拼装点位

根据线路曲线要素、管片参数及楔形量等基本信息进行全线的拟合排版，来校核设计参数的合理性及最大拟合偏差。限制K块位于底部，且在错缝拼装的前提下进行平曲线拟合排版，根据排版拟合结果，环宽1 m、5分块、9组螺栓组合形式的管片最大水平拟合偏差为-67.387 mm，拟合偏差最大点位于K0+201.788处；环宽1.2 m、5分块、9组螺栓组合形式的管片最大水平拟合偏差为-104.598 mm，拟合偏差最大点位于K0+243.803处。全线拟合偏差较大位置均位于R=150 m小半径曲线段，其他位置拟合偏差均相对较小。为了能够说明不同环宽、分块及螺栓数组合形式管片最大拟合误差的相对差异，仅选取全线拟合偏差较大的里程段绘制水平偏差曲线，如图4所示。

(a) 环宽1 m

(b) 环宽1.2 m

2.2 环宽1 m(或1.2 m)、5分块、13组螺栓

管片外径D=3.5 m，环宽W=1 m (或1.2 m)，分块形式为1块K型封顶块+2块B型邻接块+2块A型标准块(28°+2×82°55′23″+2×83°4′37″)，环缝螺栓13组(P1-P13)，最小旋转角度为27°41′32″,如图5所示。

图5 5分块13组螺栓管片设计示意图

根据式(3)，考虑曲线段最小拟合误差，相邻相对环旋转角度θ=27°41′32″满足错缝拼装，可得环宽W=1 m时计算楔形量Δ=37 mm；若环宽W=1.2 m，计算楔形量Δ=45 mm。

同样，根据前述拼装点位确定方法及原则，相邻环管片旋转n倍的螺栓间角度进行合适拼装点位的选取，5分块13组螺栓管片合理的拼装点位为6个，见表3。

表3 5分块13组螺栓管片相邻环拼装点位

根据前述5分块13组螺栓管片计算得到的楔形量，对1 m环宽及1.2 m环宽管片进行排版拟合偏差计算。根据排版结果，1 m环宽、5分块、13组螺栓组合形式的管片最大水平拟合误差为-6.512 mm，发生在K0+192.908; 1.2 m环宽、5分块、13组螺栓组合形式的管片最大水平拟合误差为-9.687 mm，发生在K0+182.287，两者最大拟合偏差均位于R=150 m小半径曲线段，如图6所示。

(a) 环宽1 m

(b) 环宽1.2 m

2.3 环宽1 m(或1.2 m)、6分块、11组螺栓

管片外径D=3.5 m，环宽W=1 m(或1.2 m)，分块形式为1块K型封顶块+2块B型邻接块+3块A型标准块(30°+2×66°49′5″+2×65°27′16″)，环缝螺栓11组(P1-P11)，最小旋转角度为32°43′38″，如图7所示。

图7 6分块11组螺栓管片设计示意图

根据式(3)，考虑曲线段最小拟合误差，相邻环旋转角度θ=32°43′38″满足错缝拼装，可得环宽W=1 m时计算楔形量Δ=38 mm；若环宽W=1.2 m，计算楔形量Δ=46 mm。

同样，根据前述拼装点位确定方法及原则，相邻环管片旋转n倍的螺栓间角度进行合适拼装点位的选取，6分块11组螺栓管片合理的拼装点位为4个,见表4。

表4 6分块11组螺栓管片相邻环拼装点位

根据前述6分块11组螺栓管片计算得到的楔形量，对1 m环宽及1.2 m环宽管片进行排版拟合偏差计算。根据排版结果，1 m环宽、6分块、11组螺栓组合形式的管片最大水平拟合误差为-43.861 mm，发生在K0+166.762；1.2 m环宽、6分块、11组螺栓组合形式的管片最大水平拟合误差为-98.13 mm,发生在K0+231.367。两者最大拟合偏差均位于R=150 m小半径曲线段，如图8所示。

(a) 环宽1 m

(b) 环宽1.2 m

2.4 环宽1 m(或1.2 m)、6分块、14组螺栓

管片外径D=3.5 m，环宽W=1 m(或1.2 m)，分块形式为1块K型封顶块+2块B型邻接块+3块A型标准块(26°+2×51°17′9″+2×77°8′34″)，环缝螺栓14组(P1-P14)，最小旋转角度为25°42′51″,如图9所示。

图9 6分块14组螺栓管片设计示意图

根据式(3)，考虑曲线段最小拟合误差，相邻环相对旋转角度θ=25°42′51″满足错缝拼装，可得环宽W=1 m时计算楔形量Δ=37 mm；若环宽W=1.2 m，计算楔形量Δ=45 mm。

同样，根据前述拼装点位确定方法及原则，相邻环管片旋转n倍的螺栓间角度进行合适拼装点位的选取，6分块14组螺栓管片合理的拼装点位为6个,如表5所示。

表5 6分块14组螺栓管片相邻环拼装点位

根据前述6分块14组螺栓管片计算得到的楔形量，对1 m环宽及1.2 m环宽管片进行排版拟合误差计算。根据排版结果，1 m环宽、6分块、14组螺栓组合形式的管片最大水平拟合误差为-19.908 mm，发生在K0+157.787；1.2 m环宽、6分块、14组螺栓组合形式的管片最大水平拟合误差为-28.649 mm，发生在K0+216.948，两者最大拟合偏差均位于R=150 m小半径曲线段，如图10所示。

(a) 环宽1 m

(b) 环宽1.2 m

3 不同组合形式管片综合比选

本文分别对8种环宽、分块形式及螺栓数不同组合形式的管片进行了楔形量、拼装点位及拟合偏差的理论计算研究，从而得到了不同组合形式管片的楔形量、合理拼装点位及最大拟合偏差，其结果汇总见表6。

表6 不同环宽、分块及螺栓数管片理论计算汇总表

通过拟合偏差计算结果，不同组合形式管片的最大拟合偏差位置均出现在半径R=150 m曲线段，但是最大误差位置里程有所差别。针对水平拟合曲线，理论计算时考虑盾构轴线与管片轴线始终沿曲线的割线方向，如图11所示。考虑极限状态，盾构由直线直接进入R=150 m圆曲线这个过程，盾构掘进环宽l，盾构需首先偏转θ/2，然后管片轴线再偏转θ/2，之后进入圆曲线后，由于盾构掘进始终超前管片拼装，盾构掘进一个管片宽度l，盾构轴线与管片轴线偏转角度为θ，由θ值可得曲线内侧及外侧的宽度，从而确定其拼装点位。根据以上理论分析，曲线段拟合时管片宽度及拼装点位相互影响，决定了不同位置的管片超前量，因此，不同环宽、纵向螺栓数组合形式的管片最大拟合偏差及出现的位置均有所差别，但是其最大拟合偏差应出现在最小半径曲线段。

图11 盾构掘进、管片拼装与轴线几何关系示意图

3.1 理论计算层面分析

由以上计算结果可知，环宽1.2 m、5分块、9组螺栓的组合形式管片的拟合偏差为104.598 mm，根据《盾构法隧道施工及验收规范》[13]9.3.4条要求，市政隧道轴线偏差应小于100 mm，不满足规范要求。除此之外，其他7种组合形式的管片理论上都能满足规范的相关要求，但是，综合考虑合理的拼装点位数量、楔形量大小及拟合偏差，环宽1 m(5分块、13组螺栓)及环宽1.2 m(5分块、13组螺栓)2种组合形式的管片合理拼装点位最多，且其楔形量在同等环宽的前提下最小，理论排版拟合偏差均小于10 mm，从设计角度考虑一般要求隧道拟合轴线与设计轴线的偏差整体不应大于10 mm[1]。因此，从理论计算角度考虑，此2种组合形式的管片相对较为合理。

3.2 施工能力层面分析

在实际推进中, 盾构姿态与管片姿态的关系是相辅相成的[14]。盾构的推进是依靠推进油缸顶推到管片上形成反力向前施工，转弯是依靠铰接油缸收放来实现。若上下或左右油缸行程差较大时，就会出现盾尾间隙单侧变小、盾构轴线偏离管片轴线等情况，进而造成盾尾管片破坏、错台及拟合误差较大等施工质量问题。一般情况下，当出现盾尾间隙一侧较小时，除调整千斤顶行程差外，必要时可采用管片宽度较大的一侧放在该处进行调节，通过管片本身偏移量增加相应位置盾尾间隙，当出现盾构轴线偏离管片轴线时，也需要合适拼装点位的管片进行调整。

此外，在曲线段正常拟合时，不同的曲线半径应选择适合的拼装点位进行拟合，为满足错缝拼装要求，相邻环旋转角度越小其拟合误差就越小。因此，在满足曲线拟合误差理论计算的基础上，可通过增加螺栓组数来减小螺栓环内间距，以减小曲线拟合时相邻管片的相对旋转角度，降低拟合误差。

因此，曲线段盾构施工，可供选择的拼装点位数量对于施工质量显得比较重要，是解决曲线段拟合偏差较为有效的方法之一。尤其像本工程R=150 m的小半径曲线，在满足曲线拟合误差理论计算的基础上，适当增加管片拼装点位显得十分必要，如5分块13组螺栓形式，其合理的拼装点位相对较多，施工便利性也相对较好。

3.3 施工效率及防水性能层面分析

基于本工程隧道全长3 612 m，从所需管片总量而言，全线采用1.2 m环宽管片总量比1 m环宽管片减少约600环；同时，环缝数量减少，环缝防水材料也相应减少，提高隧道整体防水能力及纵向刚度。此外，能有效地缩短施工工期，针对本工程长距离盾构隧道施工特点而言，环宽适当增大可极大地提高整体施工效率。由于目前施工水平的提高，管片宽度有明显增大的趋势[15]，在满足小半径曲线拟合及施工要求的前提下，尽量选择环宽较大的管片，有利于盾构隧道施工整体经济技术水平的提升。针对分块形式的选择，从整环施工效率、环内接缝数量而言，采用5分块形式能有效地减少环内分块数量及纵缝数量，对于管片整体施工效率及防水效果均是有利的。

因此，在满足盾构设备要求、施工要求及拟合误差的前提下，就施工效率及防水性能角度考虑，结合理论计算及施工能力层面综合比选，1.2 m环宽、5分块、13组螺栓组合形式的管片相对较为合理。

3.4 局部构造对管片整体刚度的影响分析

理论上，管片分块及螺栓手孔数量越多，对管片整体刚度越不利。由于管片分块数量、螺栓数在管片构造上是相互影响的2个参数，应在综合考虑线路拟合偏差的前提下，准确界定结构局部构造对管片整体刚度的影响。

针对管片分块形式，减少纵缝数量对于管片整体刚度相对有利。结合5分块及6分块管片形式，对于管片整体刚度而言，显然5分块形式较为合理。

针对螺栓数量，相对较少的手孔数量对于管片整体刚度相对有利，同时，也应该充分考虑纵向螺栓数量对于线路拟合偏差的综合影响。结合本工程曲线拟合需要，13组及14组螺栓对于曲线段拟合偏差相对较小，在不考虑其他设计不可控因素影响的前提下，拟合偏差应在10 mm以内较为合理。鉴于管片内力计算，在管片埋深一定的前提下，小直径盾构管片整体内力水平相比于大直径管片较小，结合目前国内已施工的小直径盾构管片设计情况，多于13组螺栓的情况也有所涉及。在综合考虑拟合偏差的前提下，针对管片手孔构造对整体刚度的影响，在设计配筋时，结合管片内力计算结果，对手孔位置进行针对性加强，除设置手孔π型加强筋外，在手孔四周设置封闭加强箍筋，同时，对所采用的混凝土宜适当加入抗裂阻锈剂及聚丙烯纤维进行补强，以满足管片生产、运输、拼装及使用过程中的强度要求。

4 结论与建议

本文结合小直径市政排水盾构隧道工程项目管片设计过程，对不同环宽、分块形式及螺栓数等8种组合形式管片进行相关的理论比选研究。从不同组合形式管片拟合偏差理论计算、施工能力、施工效率及防水效果等方面分析了不同组合形式管片的适应性。同时，提供一种管片环宽、分块形式及螺栓数选择的设计研究方法，以供类似盾构隧道工程管片设计进行参考，并得到如下结论及建议。

1)针对本工程特点，全线整体选择1.2 m环宽、5分块、13组螺栓组合形式的管片相对较合理，可满足实际拟合误差及施工需求，并能有效提高施工效率，减少管片数量及接缝数量，增强隧道防水性能及刚度，提高工程整体经济技术的合理性。

2)管片主要结构参数设计时，建议根据工程特点及实际使用功能需求，进行必要的理论计算分析来确定管片的相关参数，并结合现状调研、工程类比及相关工程经验综合确定。针对管片环宽、分块形式及螺栓组数，应结合楔形量计算、拼装点位选择、理论排版拟合、施工效率评价、防水效果、施工水平及管片整体刚度等方面综合考虑。基于本工程曲线拟合实际需求，选择相对较多的螺栓数量，并对手孔位置进行了针对性补强设计。针对其他类似工程，如曲线半径较大，在满足曲线拟合偏差的前提下，应选择较少的螺栓数量，准确界定结构局部构造对管片整体刚度的影响，避免对管片衬砌承载力造成明显影响。

3)结合目前盾构施工水平的提高，盾构管片环宽设计有逐渐增大的趋势，对于小半径曲线较少的工程，由于盾构姿态控制的施工风险相对较小，采用大环宽管片是合理的。但是，对于连续的市政类小半径曲线较多的小直径盾构隧道，一味地加大环宽不利于隧道姿态的控制与纠偏，应综合考虑。

4)目前，针对小直径盾构管片主要设计参数的相关研究还比较少，还需隧道工程界的同仁们结合后续越来越多的小直径盾构隧道项目进行相关的理论研究，并结合工程实践得到小直径盾构管片主要参数设计较为成熟的系统性理论，为我国盾构隧道建设的发展提供理论基石。