贵阳地铁盾构管片选型分析与研究

李鹏飞

(贵阳市公共交通投资运营集团有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概述

随着贵阳贵安城巿融合发展，为缓解交通压力，迫使轨道交通网络必须尽快形成，作为更为先进的盾构工法成为该地区首选施工方法[1]。盾构隧道是由管片拼装而成，现普遍采用圆形断面形式[2]。不管采用哪种断面形式都要面临着盾构管片选型问题，其直接关系到盾构隧道施工质量。文献[3-4]通过管片主要参数比选，得出了一些管片选型方法。刘欣[5]提出了满足曲线隧道拼装要求的一些管片几何参数。文献[6-8]对管片进行建模模拟计算，取得了一定的管片选型成果。王士民等[9]采用相似模型试验方法提出了一些管片力学特性。另外，因施工经验及操作水平参差不齐，盾构管片成型质量也不尽相同。针对贵阳岩溶地质特征，该文以贵阳地铁某号线一期工程盾构隧道管片选型为例，从多个方面对盾构管片选型进行分析研究，建立计算模型进行管片受力验算，总结了管片选型控制要点，希望能为类似工程提供一定的参考价值。

2 案例背景

2.1 工程概况

贵阳地铁某号线一期工程全长43.03 km，串联花溪区、南明区、经开区、云岩区和乌当区五个行政区，共设29座车站和30个相邻区间。其中20个区间采用盾构工法施工。区间隧道采用平板型单层通用型管片衬砌，管片环内径5.5 m，厚度35 cm，环宽1.5 m。该工程通用型管片衬砌环构造如图1所示。

2.2 工程、水文地质情况

沿线以白云岩为主，局部岩溶强发育，溶洞见洞率为10.4%，发育高度在1 m～5 m之间，主要以填充型溶洞、溶槽为主，填充物为软塑～可塑状黏土，少许为空溶洞。沿线以岩溶水为主，一般位于地表以下8 m～15 m。

3 盾构管片构造发展趋势

通过地铁盾构隧道的建设和多年的运营证实，采用单层衬砌结构是安全可靠的。随着对盾构隧道认识的不断加深和技术的成熟，盾构隧道衬砌方案也在日益推陈出新。国内部分地铁盾构管片设计情况如表1所示。

表1 已建和在建盾构管片设计情况

通过表1统计分析国内部分地铁区间管片构造设计情况，有如下特点和发展趋势：

1)管片逐渐采用1.2 m或1.5 m较大宽度的趋势。

2)管片厚度、榫槽设置具有地区特征。其中软土或地质较差的地区管片厚度为35 cm，设置榫槽；地质较好的地区管片厚度为30 cm，无榫槽。

3)衬砌环组合形式逐渐采用通用楔形环，也有采用直线+左右转弯环组合方式。

4)管片皆采用6分块，以错缝拼装居多。

5)曲线拟合采用平面排版和三维排版方式。

6)管片连接大部分采用弯螺栓。

4 盾构管片选型分析

4.1 管片组合方式比选

为了满足盾构隧道曲线线路和施工纠偏需要，盾构管片需设计楔形衬砌环。常见楔形衬砌环有以下3种方式。

1)左、右转弯楔形衬砌环与直线衬砌环组合。

盾构隧道设置左、右转弯楔形衬砌环及直线衬砌环。左、右转弯楔形衬砌环分别与直线衬砌环进行优选组合排列进行线路拟合，以使隧道线路拟合误差控制在允许范围内。

2)左、右转弯楔形衬砌环之间相互组合。

盾构隧道只设计左转弯、右转弯楔形衬砌环。在直线段通过左转弯加右转弯衬砌环组合形成直线；在曲线段与第一种组合拟合方式基本相同。

3)通用型楔形衬砌环组合。

这种组合方式是仅采用一种类型的楔形衬砌环。管片衬砌环在拼装过程中可以按模数进行360°旋转定位，即在曲线段通过不断旋转管片调整楔形量来拟合实际曲线。

前两种衬砌环对于平曲线可通过组合进行拟合，竖曲线则只能通过在管片环接触面分段贴设不同厚度的石棉橡胶板来解决。由于采用的衬砌环类型不完全确定，所以给管片供应带来一定难度。而通用型楔形环则真正实现了空间三维轴线拟合，最大程度地减小了线型拟合误差的积累，拟合误差可控制在5 mm以内。由于通用型楔形环类型单一、运输与拼装方便等优点已被广泛运用。

结合国内盾构隧道的施工经验，根据贵阳岩溶地区实际情况，该工程最终采用通用型楔形衬砌环组合进行线性拟合。

4.2 管片类型及分块

1)管片类型。

目前比较常用的通用管片多为梯形管片。梯形管片形状又分为直角梯形和等腰梯形，两者均可通过旋转来改变前进方向。等腰梯形管片相比直角梯形管片更方便拼装。

2)管片分块。

目前盾构管片常用分块数为六块(3B+L1+L2+F)和七块(4B+L1+L2+F)两种(其中B为标准块，L1，L2为邻接块，F为封顶块)。在城市地铁盾构隧道多采用六块方案。

考虑到施工方便以及结构受力的需要，目前封顶块趋向于采用小块形式。封顶块的拼装形式有径向楔入、纵向插入两种。径向楔入形式的封顶块径向两边边线必须呈内八字形或者平行，受荷后有向下滑动的趋势，受力不利。而纵向插入形式的封顶块受力情况较好，受荷后不易向内滑动。

综合考虑管片制作、运输、拼装及结构受力、防水性能，该工程采用等腰梯形六分块(3B+L1+L2+F)管片分块方案。

该工程标准块管片断面如图2所示。

4.3 管片宽度及厚度选定

1)管片宽度。

随着设计成熟和施工经验的积累，管片宽度在考虑是否满足线路最小曲率半径以及盾尾间隙等要求情况下有逐渐增大的趋势。常见的管片采用1.5 m宽度的管片较多，与环宽1.2 m的管片相比，采用环宽1.5 m的管片可减少20%的环向接缝数量和材料用量，降低了接缝渗漏水的几率，又可缩短20%的拼装时间。

鉴于贵阳地铁首次引进盾构法施工和岩溶地质条件，为减少拼装接缝，提高管片生产效率和隧道掘进速度，有效地预防岩溶地区渗漏水，最终选取了1.5 m标准宽度管片规格。

2)管片厚度。

衬砌环厚度应根据工程和水文地质条件、隧道覆土深度、结构特点、周围环境等综合因素考虑确定，同时应满足管片拼装及防水抗渗要求。目前较常用的盾构管片厚度主要为30 cm,35 cm两种。当围岩自身承载力较高、稳定性较好时，衬砌环厚度主要采用30 cm厚；当地质复杂多变、围岩软硬不均时，衬砌环主要采用35 cm厚。

针对贵阳岩溶地质较复杂情况，在参照类似工程建设经验的基础上，对拟定结构的强度、刚度、裂缝等进行理论计算验算，经技术经济对比分析，该工程采用厚度为35 cm钢筋混凝土管片。

4.4 楔形量确定

楔形量是通用环管片主要参数之一，通过楔形量来实现盾构隧道的转向及盾构机姿态调整。不同工程盾构管片的楔形量也不尽相同，除考虑隧道曲线半径、管片环外径、宽度外，还需要考虑盾构机机械性能。楔形量应预留富裕量，但不宜过大，防止增加拼装难度，影响成型隧道的防水。计算通用环楔形量的方法有类似通缝计算法、非对称间隔交错计算法、对称间隔交错计算法和紧邻交错计算法四种。其中，采用类似通缝计算法较多[10]。一般管片楔形量由式(1)计算可以得出。

Δ=DwB/Rmin

(1)

其中，Dw为管片外径；B为管片环宽；Rmin为线路最小曲线半径。

该工程最小曲线半径为300 m，管片设计中最小转弯半径需考虑一定的施工误差，同时考虑到管片错缝拼装，楔形衬砌采用双面楔形式，衬砌环楔形量取45 mm。

4.5 管片排版拼装方式选定

4.5.1 管片排版

盾构隧道衬砌是由管片排版拼装而成。管片拼装前，先根据管片相对于隧道设计轴线的偏差情况和环缝连接螺栓的角度间距确定管片的拼装点位(即封顶块的位置)。该工程每环管片环向布置角度α=22.5°，共有16个纵向螺栓孔，即“16个拼装点位”。当上一环拼装完成后，将下一环管片的所有拼装点位中不满足设计及施工要求的点位剔除，在其余的点位中进行动态拟合排版。该工程管片拼装点位动态跟踪如图3所示。

4.5.2 衬砌环的拼装形式

衬砌环的拼装形式有通缝拼装和错缝拼装两种。

通缝拼装要求管片纵向接缝对齐，具有拼装方便、易定位等优点，但其整体刚度差、不利于防水。

错缝拼装要求管片旋转一定角度再拼装，有利于管片间应力传递、整体性强、防水效果好。

管片通缝拼装和错缝拼装优缺点如表2所示。

表2 管片通缝拼装和错缝拼装优缺点

结合国内盾构隧道的施工经验和岩溶地区的地质特点，该工程盾构隧道管片采用错缝拼装。

4.6 接触面构造

目前国内盾构管片在环、纵缝构造上分设榫槽和不设榫槽两种。其中不设榫槽的管片预制方便，拼装技术要求较高，施工中容易形成环缝及纵缝错台，在地质条件较好地区应用较多。考虑到贵阳地区地质条件和施工经验，管片纵缝、环缝均不设置凹凸榫。

5 盾构管片内力计算及分析

5.1 计算模型建立

通常圆形盾构隧道按平面问题计算，设计成具有一定刚度的柔性结构，严格限制荷载作用下的结构计算变形不大于2‰D、接头张开量小于4 mm。接头设计以满足受力、防水和耐久的要求为前提。

管片采用错缝拼装，计算模型的选择必须考虑管片接头部位抗弯刚度的下降、环间剪切阻力等对隧道结构总体刚度的补强作用。目前国内外常用的模型和计算方法有惯用计算法与修正惯用计算法、匀质圆环法、梁-弹簧模型三种。该工程选择修正惯用设计法进行分析。

修正惯用设计法是将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环，用刚度折减系数η(η<1)来体现管片接头的影响，不考虑接头的位置，用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆，按三角形抗力模拟结构与地层间的相互作用，取单环管片进行计算，计算结构内力M，N，然后考虑错缝拼装后的整体补强效果，进行弯矩分配：

管片内力：Ms=(1+ξ)M，Ns=N。

接头内力：Mj=(1-ξ)M，Nj=N。

其中，ξ为弯矩分配系数；M，N均为通过匀质圆环模型计算得到的内力值。

5.2 内力计算

通用环管片的结构计算，应根据隧道所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、结构特点、施工条件等因素，结合已有的试验、测试资料，选用合适的计算参数进行计算。

该工程管片选型主要根据围岩等级以及覆土厚度来确定，具体选型原则如表3所示。

表3 管片选型原则

该工程盾构隧道全部位于中风化白云岩中，埋深h为6.2 m～28.7 m，位于Ⅳ级、Ⅴ级围岩，采用P1,P2,P3,P4类管片，按相对应的围岩条件计算出管片横断面内力及变形值。以P1类管片为例绘制管片横断面内力示意图如图4所示。

该工程按修正惯用法进行内力分配后计算出管片实际配筋。具体内力计算值如表4所示。

6 盾构管片选型控制要点分析

1)要适应工程地质和拟选盾构机的姿态要求，重点考虑盾构机千斤顶的行程、盾尾间隙影响因素。

表4 管片受力计算表

2)在管片拼装过程中，要充分拟合隧道设计曲线，通过管片的旋转拼装来控制盾构隧道的线路走向，使拟合偏差控制在允许误差范围内。

3)封顶块的位置应选择在拱腰以上部位。施工过程中需排除某些拼装点位以防封顶块位于隧道管片环下部。

4)设置螺栓孔间距时应充分考虑管片拟合拼装问题和方便施工。

5)管片混凝土应满足强度和抗渗等级要求。

6)为保证管片衬砌环良好的受力，施工过程中应注重管片拼装质量、隧道和盾构的相邻姿态以及二次注浆施工。

7)为了满足接缝防水要求，在管片接缝处应设置弹性密封垫、嵌缝等防水措施，且以弹性密封垫为主要防水措施。

8)管片的预制、运输、存储应采取相应措施防止管片破损，破损管片的修补应严格按照设计规定执行。

9)特殊地段应进行专项风险设计。

7 结语

盾构隧道管片衬砌结构在地铁建设与运营中都发挥着重要作用，优质的管片及精细的拼装可以有效地确保盾构隧道整体耐久性和防水性。管片的选型是盾构施工中最重要的工作，关系着管片成环质量和成型隧道的界限。在选型过程中应根据工程地质情况和盾构机的性能对管片的内外直径、管片分块方法、分块数和螺栓的分布形式等进行选定。在施工过程中进行合理地排版拼装。该文结合贵阳岩溶地区工程地质特点，借鉴相关文献的研究成果，主要从管片组合方式、管片参数选定及受力情况等方面进行分析研究，经过综合比对选出适合该地区的盾构隧道衬砌管片，也积累了一些岩溶地区盾构管片选型经验。通过该工程盾构管片选型分析与研究，总结了以下几点建议，供今后类似工程参考借鉴：

1)应综合考虑隧道曲线要素、工程质量及机械性能等因素，尽量选择通用型管片。

2)应利用惯用计算法与修正惯用计算法、匀质圆环法、梁-弹簧模型等一些常用的计算方法进行必要的管片内力验算，进一步验证管片参数选取的安全性和合理性。

3)根据施工过程中管片姿态动态地选取拼装点位。