广州地铁区间盾构隧道设计

1、文章编号:1009-6582(200306-0007-05广州地铁越三区间盾构隧道的设计吕剑英(中铁隧道勘测设计院,洛阳471009摘要广州地铁二号线越秀公园三元里区间盾构隧道已于2002年建成并投入试运营。文章阐述了该隧道的设计概况,主要内容包括:盾构隧道的线路拟合,衬砌环的构造形式,管片的结构设计和结构防水。文中总结了广州盾构隧道设计中的成功经验,并对当前盾构隧道设计中的有关问题提出了建议。关键词地铁隧道盾构法管片构造结构设计结构防水中图分类号:U231+.1文献标识码:A1前言盾构法隧道施工是一种先进的隧道施工方法,它具有施工速度快、对周边环境影响小、能适应复杂地层、工程质量高等优点,越

2、来越受到国内工程界的欢迎。以已经开工的广州地铁三号线为例,其中约70%的区间采用盾构法施工。盾构法在广州地铁的大量使用,表明了这种工法在我国城市地铁中的应用已进入了一个高速发展的阶段。2工程概况越三区间属于广州地铁二号线工程的北段,由越秀公园站火车站、火车站三元里站两个双孔区间隧道和两个联络通道及泵房组成。工程起于越秀区的地铁越秀公园站,向北下穿人民北路、环市西路到达地铁广州火车站;然后,线路从地下穿过广州火车站南站房等建筑群向西北延伸,最后下穿广花路到达地铁三元里站。区间全长3926单线延米,两区间平面由三组六段(左右线曲线组成,曲线半径分别为600m 和400m 。区间纵坡均为“V ”形坡

3、,最大坡度为30,最小竖曲线半径为3000m 。线路沿线地形起伏较大,隧道最小覆土厚度为9m ,最大覆土厚度为26m 。3工程地质和水文地质区间的地层岩性,在上部为:人工填土层,流塑软塑状淤积层,海陆交互淤积层,冲、洪积砂层,冲、洪积土层,残积土层。下部为:全风化、强风化、中等风化和微风化带的泥质粉砂岩。区间隧道穿越地层大部分是岩层,少部分为残积土层和断裂破碎带。隧道所处的地层为上软下硬,软硬岩互层现象特征明显。本段地下水主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存在淤泥质砂层和冲积洪积砂层内。基岩裂隙水多属承压水,但富水性较小,透水性多较弱;破碎带富水性、透水性较好。地下水对混凝土无

4、侵蚀性。4盾构隧道方案的确定4.1采用盾构法的理由隧道所处的地层较好,单从围岩分级情况可以采用矿山法施工,但由于隧道位于繁华市区,并穿越大量的建筑物(以居民住宅为主、地下构筑物、城市主干道以及广州火车站股道等,这些地面建筑物不少是危房,有的是广州市标志性建筑物,隧道周边环境复杂。据此,采用矿山法有较大的风险,盾构法要优于矿山法。另一方面,虽然隧道处于强风化、中风化及部分微风化岩层,但微风化岩的单轴抗压强度最大值只有39MPa ,其岩石强度低,属于软岩。针对这种强度级别的岩石地层,只要选用恰当的盾构机,便能满足工程的需要。4.2盾构机的选择收稿日期:2003-05-23作者简介:吕剑英,男,工程

5、师,一级注册结构工程师.7第40卷第6期2003年12月现代隧道技术Modern Tunnelling Technology Vol.40No.6Dec. 2003盾构隧道的成功与否,关键之一是选择好适合地层特征的盾构机。由于盾构机既要穿过岩层,又要通过软土层,这要求盾构机对地层要具有较广的适应性。盾构机除了要求具有一般软土地层的所需软土EPB (土压平衡盾构机的配置外,还需要具备硬岩TBM (硬岩掘进机的特征。越三区间选用了两台德国海瑞克公司生产的复合式盾构机,它除具备有EPB 的特性外,主要特点是其推力及扭矩大小、刀盘材料和刀具的组合上具有足够的破岩能力。5隧道设计5.1主要设计标准(1结

6、构的安全等级为一级。(2区间隧道的抗震按7度设计,人防按6级考虑。(3防水标准:隧道整体为二级;隧道上半部为A 级;隧道下半部、洞门及联络通道为B 级。(4结构最大裂缝允许宽度:管片内侧0.3mm ,外侧0.2mm 。(5地表沉隆控制标准:-30/+10mm ;建筑物倾斜控制标准:框架结构2,砖混结构1.5。(6线形控制允差:设计拟合轴线与理论轴线允差10mm (个别情况允许为20mm ;掘进轴线与设计轴线允差70mm 。(7衬砌结构变形:直径变形1D (D 为隧道外径;环缝张开<2mm ;纵缝张开<3mm 。5.2盾构隧道线路的拟合(1衬砌环的组合形式为了满足缓和曲线、圆曲线以及

7、施工纠偏的需要,盾构隧道实际上是通过一定组合的直线衬砌环来拟合理论曲线,拟合曲线应满足拟合允差要求。因此,转弯环(有一定锥度的楔形环是必须的。衬砌环的组合形式一般有三种:标准环+左、右转弯环;左、右转弯环;万能管片。由于在国内应用较成功,故选用标准环+左、右转弯环的组合形式。、在国外有使用的实例,国内没先例,其主要原因是这种组合形式对操作及管理要求更严格。(2转弯环的主要参数的确定模具数量:根据越三区间的曲线长度的比例、施工进度,确定需要的管片模具数量为4套标准环+1套左转弯环+1套右转弯环。拟合比例:区间有两种半径的曲线,分别是R 600和R 400。由于越三区间曲线段较长,为了最大限度地利

8、用转弯环,R 400地段的标准环和转弯环的数量比例取为11。楔形量:转弯环的楔形量采用下式计算:=(m /n S +S ×D ÷(R +D/2×(m +n ÷(m +n COS <式中楔形量;S 、S 标准衬砌环、楔形衬砌环的最大宽度;m 、n 曲线上标准衬砌环、楔形衬砌环的总数量;<错缝拼装时封顶块的偏转角度;D 、R 管片外直径、隧道中线的曲线半径。将越三区间的线路要素、管片参数代入上式,求得其楔形量为50mm 。(3设计线路拟合误差根据管片的几何参数,编制了管片排版程序,对R 400的曲线进行了线路排版拟合计算分析,其结果表明线路拟合误

9、差一般在10mm 之内,最大偏差值为16.4mm 。管片几何参数满足线路拟合允差标准。5.3管片构造形式(1管片内径管片的内径为<5400mm ,是根据下列条件确定的:圆形隧道的建筑限界为<5200mm 的圆;根据地铁一号线的经验,盾构施工误差和隧道的后期沉降可以控制在100mm 之内。(2衬砌环的分块目前,对于中等直径的地铁隧道管片,衬砌环的分块数一般采用3个标准块+2个邻接块+1个小封顶块的组合形式。这种多分块形式便于运输,拼装容易、灵活。管片分块的大小一般是由盾构机的千斤顶的数量、封顶块的插入形式确定。越三区间的标准块为72度,邻接块为64.5度,封顶块为15度。(3管片宽度

10、国内地铁的盾构管片宽度一般为1.0m 和1.2m 。管片宽度尺寸大的主要优点是:每循环的进尺长,施工效率高;隧道的环向接缝减少,防水效果好。其缺点是:对盾构机的后配套系统要求较高。越三区间采用1.2m 管片技术上是可行的,但对满足工期要求没有把握,原因是其合同工期要求进度平均为220m/月。经过分析,若选用1.5m 的管片,可提高施工效率13%以上。综合其防水效果,最后确定选用1.5m 的管片,这在国内是首次。(4衬砌环接缝方式管片的拼装方式有通缝和错缝两种,前者在管8现代隧道技术片制作、拼装上较后者更易于实施,因此,国内上海地铁从开始到最近一直大量采用。我们选择错缝拼装的形式主要是基于以下几

11、点原因:成环管片间的接缝形式不再是“十”字形,而成为“T ”形,没有了纵向通缝,增强了结构的整体性。由于错缝拼装,管片通过接缝将内力传递给相邻环,管片抗变形能力增强,提高了防水效果。通缝拼装的管片一般只能提供一种楔形环,而错缝拼装时可以提供几种不同锥度的楔形环,使得管片选型余地更大,线路的拟合更容易、精确,防水效果更好。(5封顶块的插入方式封顶块的插入方法受盾构机千斤顶行程、管片宽度、施工操作误差等影响,它决定于封顶块的尺寸大小,是管片细部设计的关键。封顶块的插入方式对设计和施工影响很大,合理的插入方式决定于封顶块的稳定性及管片安装的操作性。插入方式有三种:径向插入;纵向插入;径向插入结合纵向

12、插入。方式结合了前两者的优点,故选择这种插入方式。具体方法是:封顶块管片先纵向搭接4/5管片长度,再径向推上,最后纵向插入成环。(6接缝的构造管片的接缝有设榫槽和不设榫槽两种,前者在软土地层能提高管片的安装精度,有利于控制变形。结合广州地层较硬的特点,若采用接缝设榫槽将会导致接缝处易开裂,这种开裂发生在管片背面将是看不见且无法修补的。鉴于越三区间地层好、后期变形小的特点,管片环、纵缝均不设榫槽。另一方面,若采用大宽度管片+错缝拼装+榫槽的形式,将对施工带来极大的不利。(7连接形式管片之间采用弯螺栓连接,优点是:操作简单,工艺成熟,螺栓手孔对管片削弱小。5.4管片结构设计(1计算模型结构设计时采

13、用的计算模型为修正惯用设计法,它是修正了管片接头对内力影响的均质圆环计算法。计算时,采用按折减后的管片刚度EI (为抗弯刚度有效率代替EI 进行计算。考虑到管片错缝拼装影响内力大小,在计算结果中引入弯距加大率(修正内力。修正惯用设计法计算简图和内力调整,方法见图1。、为经验数值,一般按0.60.8、0.30.5取值 。图1修正惯用设计法计算简图Fig.1Computing diagram of corrected conventional design method(2计算荷载根据隧道所处地层不同,选取不同的工况进行计算,取最不利计算工况作为结构配筋的依据。主要设计荷载为水土压力,地层抗力按三

14、角形分布计算。土荷载采用太沙基(T erzaghi 土压公式计算。越三区间荷载的控制工况为地质较差的残积土层。(3计算结果圆形隧道内力见图2。计算结果表明,隧道的拱顶内力为最不利截面内力,其裂缝控制结构的配筋。管片采用C50混凝土及一、二级钢筋,其钢筋均采用焊接骨架,设计中对管片螺栓手孔、千斤顶作用环面等应力集中部位进行了局部加强。5.5管片防水设计(1防水原则防水原则是“以防为主,多道设防,因地制宜,综合治理”,具体来说是管片以高抗渗标号的自身9广州地铁越三区间盾构隧道的设计 图2圆形隧道内力图(每延米Fig.2Internal forces in the circular tunnel(p

15、er linear meter 防水混凝土为根本,以其接缝防水为关键。同时需作好区间隧道与车站、工作井和联络通道等接口处的防水,以确保区间隧道的整体防水效果。(2防水措施衬砌外注浆防水衬砌管片与天然土体之间存在环形空隙,通过同步注浆与二次注浆充填空隙,形成第一道外围防水层。同步注浆在管片拼装完成后进行,二次注浆通过管片注浆孔补强。注浆材料采用水泥砂浆,目的是使注浆体尽快凝固稳定,减少管片变形。为了增强浆液的流动性,掺入了膨润土外加剂。注浆量为1.31.5倍的管片外环形空隙,注浆压力为0.10.3MPa 。管片自防水管片为高标号预制混凝土,采用蒸汽养护,其抗渗标号为S12。管片接缝防水的第一道防

16、线:弹性密封垫接缝防水的成功与否是整个工程成败的关键,管片接缝防水设计首先要选定适合工程特点的弹性密封垫。国内外的接缝防水材料大致有四种:a.遇水膨胀橡胶;b.三元乙丙橡胶;c.氯丁橡胶;d.a 与b 或c 的复合型。目前,除c 较少应用外,其它三种材料均有较广泛的应用。越三区间静水压不太大,考虑到国内的遇水膨胀橡胶硫化加工技术较成熟等因素,我们选择了遇水膨胀橡胶作为接缝的防水材料。防水密封垫的形状设计是结合防水材料特点,并根据隧道所处的地下静水压大小、管片接缝的允许张开量综合确定的。区间最大静水压约为0.2MPa ,接缝设计水压按3倍的静水水压即0.6MPa 考虑。设计时先拟定弹性密封垫尺寸

17、、技术指标,然后经过室内防水试验确定其最终尺寸和技术指标。管片接缝防水的第二道防线:嵌缝防水在洞门段30m 、联络通道两侧各810m 处等变形量大的衬砌环段进行整环嵌填,其余区段则在拱顶45°范围和拱底90°范围内嵌填。嵌缝材料采用氯丁胶乳水泥,它与混凝土结合面采用界面处理剂进行处理。螺栓孔及吊装孔(注浆孔的防水采用遇水膨胀橡胶密封圈作为螺栓孔密封圈,利用压密和膨胀双重作用加强防水。5.6联络通道和洞门设计(1联络通道联络通道采用洞内矿山法施工,衬砌形式为复合式衬砌。每处联络通道左右线由4环特殊衬砌环组成。每环特殊衬砌环由4块混凝土管片和2块钢管片组成,钢管片设在联络通道洞

18、口处,拆卸方便。钢管片为高精度机加工钢结构。(2洞门在区间的两端设现浇混凝土洞门圈,设置洞门圈的目的是将车站结构和混凝土管片连接为整体,有利于区间和车站的节点处的防水。洞门的长度根据区间长度和管片宽度确定,且不小于300mm 。6结论与建议(1广州地铁区间地层具有上软下硬、隧道地基承载力较好的特点,隧道的衬砌环采用环间、块间不设榫槽的平板型管片,采用错缝拼装、弯螺栓连接等构造形式。其施工操作方便,管片的变形在合理的范围内,实践证明这种构造形式是合理的。(2设计采用标准衬砌环拟合区间直线线路,在施工中试对部分直线线路采用左右转弯环交替拼装拟合,消除了原来封顶块设在隧道底部影响施工安全的担心。这说

19、明采用左右转弯环或万能管片的组合形式来拟合直线线路是没有问题的,但前提是盾构机的管片选型系统应有较高的自动化程度。(3盾构施工的一个优点是快速掘进,越三区间在国内首次采用1.5m 宽的管片,使得其掘进速度达到单洞掘进405m/月的国内历史水平。1.5m 的大宽度管片应用是成功的,值得推广。从施工情况来看,1.5m 宽的管片在中等直径的地铁隧道中已经达到了宽度极限。要进一步提高掘进速度,从设计方面,今后应着眼于采用拼装速度快的斜螺栓连接方法的研究。(4管片接缝防水是防水的关键和重点,越01现代隧道技术三区间设计时,对管片的接缝防水作了专门的试验研究,然后才用于工程实践,防水效果达到设计要求,防水

20、措施是成功的。(5在管片结构设计中如何结合地层特征、装配式结构的特点选用合适的计算模型,是值得深入研究的问题。今后应在管片的接头实验方面多做研究,为结构设计提供依据。(6盾构隧道施工是自动化程度较高的先进技术,只有做到与盾构机、管片模具制造等专业密切配合,才能做出合理的管片设计。(7盾构技术在国外已发展到大直径、多圆盾构等新技术的应用,当前,我国正处于一个起步和推广的阶段,随着我国基础设施建设日益频繁,盾构隧道会越来越多。遗憾的是,我国在盾构隧道设计方面还没有国家技术标准和规范可遵循,因此,建议有关部门多对这一技术深入研究,尽快制定相关的设计、施工规范,以推动盾构法在我国的蓬勃发展。(8今后设

21、计中需改进的几个问题越三区间盾构隧道施工是成功的,满足工程需要的标准要求。由于种种原因,还存在以下几点不足之处,需要在以后的设计中加以改进。在设计中,管片上的注浆孔是内外连通的,在盾构机初期试掘进阶段,它曾作为及时注浆的注浆孔发挥了一定的作用(正常掘进时采用同步注浆技术。由于注浆孔兼用吊装孔,在管片起吊安装过程中,部分吊装孔预埋件的螺牙被损坏,导致孔塞与注浆孔不密封,发生局部渗漏现象(施工结束后,所有吊装孔均用水泥封堵。今后设计时,在施工单位对同步注浆技术已掌握的前提下,让注浆孔不要连通,即在管片外预留约30mm 的素混凝土保护层,需要二次注浆时再将其捅破,进行补充注浆。采用这种构造设计有利于

22、管片结构防水。区间联络通道与废水泵房是结合修建的,泵房处的管片上预埋有排水孔。由于盾构机掘进时刀盘的旋转,会带动管片滚动,使管片预留孔的实际位置与设计标高产生偏差,导致区间排水不畅通。今后设计管片预留孔时,应考虑这个因素,预埋孔的尺寸应更大一些,在施工时也要采取必要的措施,使管片滚动降低到最小。管片吊装孔预埋件的抗拔力按2.5倍的最大块管片重量设计,在施工中发现个别管片在起吊安装过程中,预埋件与管片粘结力不足,发生受剪破坏,预埋件被拔出。经分析有两个原因:一是起吊头的加工误差较大,主要是螺牙与预埋件的内螺纹不太吻合;另一原因是管片安装机的油缸压力过大。今后在选用吊装孔预埋件时,其抗拔力的设计值应根据管片安装机的最大油缸压力设计,并留有一定的余量。目前,日本盾构机的管片安装机的抗拔力一般是2倍的管片重量,德国海瑞克公司管片安装机的抗拔力约为4倍的管片重量。参考文献1潘昌实(译.盾构隧道衬砌设计指南(草案S.世界隧道,1997-02Design of the shield