小直径盾构管片设计探讨

潘 茜 张晓光

(广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010)

目前盾构法已成为国内地下隧道的主要施工工法，已广泛应用于地下铁道等隧道施工中。国内地铁隧道建筑限界为直径5.2 m，因此盾构管片内径多为5.4 m(如广州、北京等地)或5.5 m(如上海、天津等地)。笔者综合参考了国内地铁管片的设计经验，设计了适用于电缆隧道的小直径管片。

1 工程概况

该电力隧道全长3.983 km，共设10个工作井，为规避交通疏解困难的问题以及下穿建筑物的难题，线路半径最小半径为120 m，在国内尚属首例。隧道顶埋深为6.1 m～10.1 m，主要穿越粉质粘土层与砂质粘土层，所处围岩级别为Ⅰ，Ⅱ级。

2 管片设计

2.1 管片形状

确定管片形状时主要需要确定以下尺寸:管片的内径与外径、管片宽度、管片厚度、管片的分块。

根据电缆隧道使用的净空要求，并且考虑到施工单位使用台车运输管片时需满足3块管片放置高度要求，将盾构管片的内径定为3.6 m。管片厚度与隧道直径的比值，取决于覆土深度、周围环境、工程地质条件，国内地铁盾构隧道的内径与厚度主要有以下情况:5 400 mm+300 mm(北京、广州)，5 500 mm+350 mm(上海、天津、杭州)，管片厚度与其内径比值为5.56%～6.36%，根据比例相似原则，3 600 mm内径管片厚度应为200 mm～229 mm。根据《地下工程防水技术规范》防水混凝土结构厚度不应小于250 mm，故电缆隧道管片厚度定为250 mm。

从管片搬运、拼装以及曲线段的施工等角度出发，管片宽度应取小值，但是从结构防水、加快施工进度角度考虑，则应取大值。国内地铁盾构隧道的管片宽度经历了一个长期的发展过程，从上海地铁的1 m宽逐步加宽到广州地铁二号线的1.5 m宽。其中南京地铁一号线、广州地铁一号线、深圳地铁和北京地铁五号线等又都采用了1.2 m的宽度。国内地铁盾构隧道管片宽度与直径的比值基本维持在0.2～0.25之间，按照比例相似原则，外径4.1 m管片宽度应为0.82 m～1.025 m。考虑到线路最小转弯半径仅120 m，管片宽度选用1 m。

对于管片分块综合考虑广州等地地铁盾构隧道的施工经验，盾构衬砌环仍由6块组成(1块封顶块、2块邻接块、3块标准块)。为满足曲线模拟和施工纠偏的需要，专门设计了左、右转弯楔形环。管片之间采用弯曲螺栓连接，共设置12个M24环向螺栓及10个M24纵向螺栓(封顶块不设置纵向螺栓)。盾构管片拼装过程中，封顶块需向左或向右旋转18°(如图1所示)。

图1 盾构管片分块示意图

2.2 转弯环楔形量

楔形量应根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线半径、曲线段楔形管片使用比例确定。由图2所示，根据简单的几何关系可知:

图2 楔形量计算示意图

从而得到:

考虑到封顶块需向左或向右旋转18°后拼装，因此管片楔形量Δ为:

式(1)～式(5)中，R为线路转弯半径，m;D为管片外径，m;b2为管片外侧宽度，m;b1为管片内侧宽度，m;B为管片宽度，m;θ为转弯角度;Δ为管片楔形量，m。将D=4.1 m，B=1 m，R=120 m代入式(5)中，得到Δ=35.9 mm，考虑到需要预留一定富余量，取Δ=41 mm。通过式(5)也得到楔形量为41 mm时极限转弯能力为105 m，满足最小转弯半径要求。

2.3 管片配筋

管片结构的内力及变形计算应采用荷载—结构模式。目前国内外盾构隧道管片衬砌结构的截面内力计算的主要设计方法有修正惯用法、惯用法、多铰环法与梁—弹簧模型法4种多以经验性为主的简化计算法。文中采用修正惯用法:即将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环，用小于1的刚度折减系数η来体现环向接头的影响，不具体考虑接头的位置，即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度;用弯矩的增大率ζ来考虑由接头所引起的管环的刚度降低和错缝拼装所引起的拼接效应;用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆。根据国内外经验在计算中，η 可取 0.55，0.65，0.75 三种参数，ζ可取为120%～130%。

隧道顶埋深为6.1 m～10.1 m，选取埋深10.1 m断面为最不利断面进行计算，得到每环盾构管片的内力如图3，图4所示(图中括号内数值为标准值)。管片采用C50防水混凝土制作，抗渗强度等级P12，主筋采用HRB335级钢，管片主筋保护层厚:外侧为40 mm，内侧为30 mm。根据现行混凝土设计规范，管片内侧配筋为8φ14，管片外侧配筋为 10φ14，每环管片配筋率为185.9 kg/m3。

图3 管片弯矩设计值、标准值（单位：kN·m）

图4 管片轴力设计值、标准值（单位：kN·m）

3 结语

本文对外径4.1 m、内径3.6 m小直径盾构管片的形状、转弯环楔形量、管片配筋等方面的设计进行简单分析，不足之处请国内外同行批评指正。

［1］刘 钊，余才高，周振强.地铁设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］何 川，曾东洋.盾构隧道结构设计及施工对环境的影响［M］.南京:西南交通大学出版社，2007.

［3］GB 50157-2003，地铁设计规范［S］.

［4］GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［5］GB 50108-2008，地下工程防水技术规范［S］.

［6］［日］土木学会.隧道标准规范(盾构篇)及解说［M］.朱伟，译.北京:中国建筑工业出版社，2001.