城市轨道交通盾构隧道管片内径选择研究

王国富， 唐卓华， 路林海

(济南轨道交通集团有限公司， 山东 济南 250101)

城市轨道交通盾构隧道管片内径选择研究

王国富， 唐卓华*， 路林海

(济南轨道交通集团有限公司， 山东 济南 250101)

盾构隧道管片内径选择的合理与否直接关系着隧道的整体性能，为优化盾构隧道的管片内径，调研国内外各大城市既有盾构隧道管片内径的情况，从隧道寿命、建筑限界、轨道铺设和技术经济性方面对管片内径选择进行研究，得到以下结论： 为确保特殊地段道床的减振效果，建议将盾构隧道的建筑限界调整为5 300 mm；地铁盾构隧道寿命应与城市发展寿命相一致，管片内径加大到5 800 mm及以上是符合实际需求的，可为后期二次衬砌加固预留空间，并且能够大幅降低后期的维修保养投入。

城市轨道交通； 盾构隧道； 管片内径； 隧道寿命； 建筑限界； 技术经济性

0 引言

随着我国经济的增长、社会的发展、现代化进程的加快，城市人口和车辆都在大幅增长，造成地面建设用地日益紧张，城市交通问题日趋严峻，这迫切需要各大城市修建地铁。作为地铁建设的一种方法，盾构法具有施工速度快、自动化程度高、工期和造价可控性好、风险小、施工受外界环境影响小及节省人力物力等优点，受到了各大城市的青睐[1]。

管片作为盾构隧道的主要装配构件，其内径选择的合理与否直接关系到隧道的整体性能。大量学者对盾构管片的选型进行了研究，如： 国际隧道协会提出了盾构隧道衬砌设计方法[2]；刘凤华[3]研究了通用管片的拟合排版和动态选型技术；徐志玲等[4]提出了一种基于矢量运算的通用管片选型计算方法；林建平[5]分析影响管片拼装质量的因素，总结了管片选型的一些原则；杨志团[6]针对高压富水砂卵石地层盾构隧道管片选型中遇到的关键问题，通过类比分析确定了管片衬砌形式、限界与隧道净空、管片环宽与分块方式等。但在管片内径选择上的研究较少，且不够深入，各地基本都是在借鉴北京、上海、广州、深圳等城市盾构隧道施工经验的基础上，结合当地的工程地质、水文地质以及周边环境来确定管片内径。因此，有必要深入探究盾构隧道管片内径的选择问题，为今后的城市轨道交通建设提供参考和借鉴。

1 国内外盾构隧道管片内径调研

目前，国内外各大城市已建或在建的地铁单线盾构隧道管片内径是不统一的，如： 北京、深圳、广州、重庆、西安、成都、大连等地已建盾构隧道管片内径为5 400 mm，上海、天津、南京、苏州、杭州、宁波、昆明等地已建盾构隧道管片内径为5 500 mm，台北的管片内径为5 600 mm，德国科隆的管片内径为5 700 mm，新加坡环线的管片内径为5 800 mm，北京新建盾构隧道管片内径已调整为5 800 mm，上海、重庆新建盾构隧道管片内径调整为5 900 mm，深圳新建盾构隧道管片内径调整为6 000 mm，其基本规律是地质条件较差的城市管片内径取值大些，地质条件较好的取值小些。对国内外各大城市已完工盾构区间进行调查，发现隧道施工完成后存在调线调坡困难、建筑限界紧张(尤其在特殊减振及高等级减振地段)以及后期运营加固费用高等问题，如： 上海既有内径为5 500 mm的盾构隧道收敛变形超过100 mm时，限于非常紧张的建筑限界，只能采用隧道内施加钢圈的加固方式，加固一环的费用约为30万元，加固费用极其昂贵[7-9]，这迫使一些城市开始研究加大盾构隧道管片内径的问题。

考虑到国内外盾构发展的趋势以及隧道使用寿命的延长，我们认为，加大城市盾构隧道管片内径是必要的。加大管片内径，既能缓解建筑限界紧张的问题，又能为管片后期修补加固提供条件，而且还能解决速度较高线路的阻塞比问题。

2 隧道寿命分析

钢筋锈蚀会使混凝土开裂，导致其强度降低，是影响混凝土结构耐久性的最直接因素[10]。与地面建筑不同，地铁结构的耐久性不仅受到混凝土碳化、氯离子入侵的影响，而且还受到杂散电流的影响。国内外轨道交通的直流牵引供电系统普遍采用走行轨回流的供电方式，泄漏到道床及周围土壤介质便会形成杂散电流，杂散电流对地铁结构中的钢筋产生电化学腐蚀，会降低地铁结构的强度和耐久性[11]。

目前，在国内外地铁建设中普遍采用钢筋混凝土管片，钢筋混凝土管片作为地铁结构的一部分，不可避免地受到混凝土碳化、氯离子入侵以及杂散电流腐蚀的影响。在混凝土碳化、氯离子入侵以及杂散电流腐蚀共同作用下，钢筋混凝土管片的耐久性寿命为100～120年[12]。这就意味着，即使不考虑其他影响因素，现有地铁运营100～120年后，若不采取一定的管片加固措施，很难保证继续正常运营。调研国内一些城市既有地铁的现状可知，如果不加大内径，预留二次衬砌的加固空间，地铁的有效使用寿命恐怕还达不到100年。

城市轨道交通承担着完善城市规划、优化城市组合以及引领城市发展的使命，其寿命应与城市发展寿命相一致，不允许在运营100～120年或者不到100年就无法继续使用，即城市轨道交通的修建必须要考虑结构后期二次衬砌加固的问题。鉴于上海既有内径为5 500 mm的盾构隧道采用钢圈加固费用高，且地铁隧道寿命应与城市发展寿命相一致的问题，故需加大城市轨道交通盾构隧道管片内径，以便为新技术(如抗碳化技术、氯离子迁移技术、渗透改造技术、混凝土自修复技术或二次衬砌加固技术等)在盾构隧道中的应用预留空间，这是符合一个城市长远发展需求的。

3 建筑限界分析

目前盾构隧道的建筑限界是5 200 mm，这对于普通道床地段是合适的。但特殊减振道床地段不同，为确保减振效果，两钢轨间的道床需做成凸台设计(如图1所示)，这会对隧道后期运营时的钢轨打磨造成极大影响。为满足特殊减振道床的高度要求，需将建筑限界调整至5 300 mm，北京新建线路中已明确了这一点。

图1 盾构隧道特殊减振地段短枕式整体道床(单位： mm)

Fig. 1 Short sleeper type of track bed in special vibration reduction section of shield tunnel (mm)

将盾构隧道的建筑限界调整至5 300 mm，如果不考虑预留二次衬砌加固的空间，则在限界外预留±100 mm的施工误差(包括测量误差)、±50 mm的后期不均匀沉降，可将盾构隧道的管片内径确定为5 600 mm(如图2所示)；若考虑预留二次衬砌加固的空间，则在限界外预留±100 mm的施工误差(包括测量误差)、300 mm的二次衬砌加固空间，可将盾构隧道的管片内径确定为5 800 mm(如图3所示)。

盾构隧道管片内径为5 400、5 600、5 800 mm时，相应的隧道建筑限界对比见表1。

由图2、图3及表1可看出，城市轨道交通盾构隧道的管片内径确定为5 800 mm及以上是比较合适的。

图2 管片内径为5 600 mm时隧道直线段建筑限界(单位： mm)

Fig. 2 Tunnel construction clearance of straight section when segment inner diameter of 5 600 mm (mm)

图3 管片内径为5 800 mm时隧道直线段建筑限界(单位： mm)

Fig. 3 Tunnel construction clearance of straight section when segment inner diameter of 5 800 mm (mm)

4 轨道铺设分析

目前，北京、深圳等地已建的管片内径为5 400 mm的盾构隧道，其一般直线地段及钢弹簧浮置板直线地段轨道结构断面如图4所示。由图4可以看出：在一般直线地段，当施工误差达到100 mm时，道床排水沟非常窄，只有113 mm，如遇曲线段，排水沟将更窄；在钢弹簧浮置板地段，当施工误差达到100 mm时，浮置板道床无法实施，要保证浮置板能正常铺设，施工容许误差就必须控制在30 mm以内，否则就需要通过调线调坡来解决。

当盾构隧道的管片内径加大到5 600 mm时，其一般直线地段及钢弹簧浮置板直线地段轨道结构断面如图5所示。由图5可以看出： 在一般直线地段，当施工误差达到100 mm时，道床铺设不受影响；在钢弹簧浮置板地段，当施工误差达到100 mm时，浮置板道床仍无法实施，要保证浮置板能正常铺设，施工容许误差必须控制在82 mm以内，否则也需要通过调线调坡来解决。

表1 不同管片内径下隧道建筑限界对比

Table 1 Comparison among shield tunnels with different inner diameters

管片内径/mm优点缺点5400 1)既有盾构较多；2)穿越建筑物相对容易；3)施工成本相对低 1)后期线路调线调坡概率大；2)在特殊减振段，道床只能做成凸台设计，不利于钢轨的打磨养护；3)设备管线布置相对局促；4)区间疏散平台宽度较窄；5)结构二次衬砌加固非常困难5600 1)穿越建筑物相对容易；2)施工成本相对低；3)盾构掘进速度快，后期线路调线调坡概率小；4)在特殊减振段，道床可不做成凸台设计，利于钢轨的打磨养护；5)区间疏散平台相对较宽 1)既有盾构较少；2)设备管线布置相对局促；3)结构二次衬砌加固比较困难5800 1)盾构掘进速度快，后期基本不需要调线调坡；2)在特殊减振段，道床可不做成凸台设计，利于钢轨的打磨养护；3)区间疏散平台空间很宽，疏散行走方便；4)设备管线布置空间灵活；5)结构二次衬砌加固空间充足 1)既有盾构较少；2)穿越建筑物相对不易；3)施工成本相对较高

(a) 一般直线地段

(b) 钢弹簧浮置板直线地段

Fig. 4 Cross-section of track structure of straight section when segment inner diameter of 5 400 mm (mm)

(a) 一般直线地段

(b) 钢弹簧浮置板直线地段

Fig. 5 Cross-section of track structure of straight section when segment inner diameter of 5 600 mm (mm)

当盾构隧道的管片内径加大到5 800 mm时，其一般直线地段及钢弹簧浮置板直线地段轨道结构断面如图6所示。由图6可以看出： 在一般直线地段，当施工误差达到100 mm时，道床铺设不受影响；在钢弹簧浮置板地段，当施工误差达到100 mm时，浮置板道床仍可正常实施，其施工容许误差最大可达143 mm。

(a) 一般直线地段

(b) 钢弹簧浮置板直线地段

Fig. 6 Cross-section of track structure of straight section when segment inner diameter of 5 800 mm (mm)

不同盾构隧道管片内径下轨道结构高度及施工容许误差如表2所示。由表2可知： 盾构隧道的管片内径越大，道床容许的施工误差就越大。考虑到各大城市地质条件的复杂性，盾构掘进施工难度大，施工误差不易控制，故管片内径选择为5 800 mm及以上对轨道结构有利。

表2 不同管片内径下轨道结构高度及施工容许误差

Table 2 Heights of track structure and allowable construction errors of shield tunnels with different segment inner diameters mm

5 技术经济性分析

盾构隧道的管片内径不同，其技术经济性也不同。以济南王府庄站—大杨庄站盾构区间为例，选取内径为5 400、5 600、5 800 mm，覆土为10、12、15、20 m的管片，对其使用阶段的技术经济性进行分析，结果如表3所示。

表3 不同管片内径下的技术经济性对比

Table 3 Techno-economic comparison among tunnels with different segment inner diameters

技术经济指标方案1方案2方案3管片参数内径/mm外径/mm厚度/mm弯矩/(kN·m)10m浅埋12m浅埋15m中埋20m深埋轴力/kN10m浅埋12m浅埋15m中埋20m深埋混凝土用量/(m3/环)土方开挖量/(m3/环)道床回填量/(m3/m)疏散平台宽/(m/m)主筋截面配筋率/%10m浅埋12m浅埋15m中埋20m深埋盾构掘进/(元/环)管片制作/(元/环)管片钢筋/(元/环)管片运输(运距20km)/(元/环)道床混凝土/(元/环)同步压浆+背后注浆/(元/环)疏散平台/(元/环)土方外运(运距20km)/(元/环)单线延米投资/元正线千米投资/万元每正线千米增加量/万元540056005800600062006400300300300207．9208．8209．5250．6252．4254．3273．2282．2291．0274．3283．4292．2679．9714．6749．2798．7839．3879．4777．2843．9913．1780．7847．8917．26．446．706．9035．5137．8640．291．291．481．510．9040．9921．0990．740．740．740．840．840．840．840．840．841．311．311．3110865．8811228．0811590．278825．389181．689455．765981．476222．966408．722604．342709．482790．36774．00888．001176．002544．692717．162895．291084．801190．401318．801420．401514．401611．6034100．9535652．1637246．806820．197130．437449．36310．24629．17

由表3可知： 在管片厚度不变的条件下，增大管片内径，结构弯矩和轴力相应增大，但增加值并不大，也就是说，300 mm厚的管片即可满足管片内径增大时的受力要求，管片内径每增大200 mm，正线每千米费用约增加310万元。

尽管管片内径从5 400 mm增大到5 800 mm，正线每千米投入增加620多万元，但这为后期的二次衬砌加固留足了空间，采用钢筋混凝土衬砌加固的方式，后期正线每千米的加固费用为700万元；若不留加固空间，采用隧道内施加钢圈加固的方式，后期正线每千米的加固费用为2.5亿元。可见，将管片内径由5 400 mm加大到5 800 mm，虽然增加了前期投入，但可为二次衬砌加固预留空间，大幅降低后期的维修保养费用。

6 结论与讨论

1)修建盾构隧道时须考虑后期的二次衬砌加固问题，城市新建盾构隧道的管片内径建议选择为5 800 mm及以上，这虽然会增加前期的投入，但可大幅降低后期的维修保养费用。

2)为确保特殊地段道床的减振效果，将盾构隧道的建筑限界调整为5 300 mm是合理的。

3)尽管加大盾构隧道管片内径是符合实际需求的，但随着管片内径的加大也会引起一些问题，如： 盾构隧道管片内径加大，而运营列车限界未加大，如何合理利用二次衬砌加固前加大的空间，以及如何低成本改造现有盾构，以适应施工要求等，这些问题均有待进一步探讨。

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Study of Selection of Inner Diameter of Shield Tunnel Segment of Urban Rail Transit

WANG Guofu, TANG Zhuohua*, LU Linhai

(Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250101, Shandong， China)

The inner diameter of shield tunnel segment has a significant effect on integral performance of tunnel structure. In this paper, the state-of-the-art of the selection of inner diameter of shield tunnel segment in China and abroad is studied in terms of tunnel service life, tunnel construction clearance, track laying and techno-economic benefit. The study results show that: 1) The tunnel construction clearance should be 5 300 mm so as to guarantee vibration reducing effect of track bed in special section. 2) The inner diameter of shield tunnel segment should be enlarged to more than 5 800 mm so as to guarantee the tunnel service life, provide space for secondary lining of tunnel and reduce maintaining cost obviously.

urban rail transit; shield tunnel; segment inner diameter; tunnel service life; tunnel construction clearance; techno-economic benefit

2016-06-03;

2016-09-14

山东省自然科学基金(ZR2014EEQ028， ZR2014EEM029)； 山东省住房和城乡建设厅科技计划项目(KY053)； 住房城乡建设部科技计划项目(2015-K5-004)

王国富(1964—)，男，山东荣成人，2012年毕业于山东科技大学，岩土工程专业，博士，教授级高级工程师，主要从事岩土工程、结构工程相关的理论与技术研究工作。E-mail： metro_jinan@126.com。*通讯作者： 唐卓华， E-mail： Tang_zhuohua@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.012

U 455

A

1672-741X(2016)12-1487-05