国内地铁区间隧道盾构法设计与施工

国内地铁区间隧道盾构法设计与施工

1地铁管片结构设计20世纪70年代，上海地铁1号线的实验段采用了构造法。在这一段中，修建了一些小型隧道，直径通常为3.4米，主要用于排水、防疫和交通工程的引入。大型盾构隧道国内修建很少,主要为上海跨越黄浦江的两条公路隧道。在国内大量修建的主要为地铁盾构区间隧道,上海地铁一、二号线暗挖区间都采用盾构法施工;广州地铁一号线有两个区间、二号线有四个区间;南京地铁一号线有六个区间;北京地铁五号线试验段以及深圳地铁部分区间都采用盾构法施工;即将开工的成都地铁试验段两个区间也将采用盾构法施工。因此,盾构法在国内迎来了快速发展的时期。究其原因,主要有:环境保护的要求、盾构法技术的发展、国内施工单位技术水平的提高、盾构施工造价的降低等。可以预计,在未来的地铁工程中,盾构法将成为暗挖区间隧道的主要施工方法之一。盾构区间隧道一般采用管片衬砌作为永久支护结构,土建工程质量将直接影响区间隧道的使用功能,设计也是工程质量控制中的重要环节。管片结构设计主要包括两个方面:管片的构造设计、结构分析。具体内容见表1。2管道设计的现状和发展2.1盾构隧道衬砌施工技术比较国内地铁区间隧道很少采用双层衬砌,只在盾构法最初阶段,例如在上海地铁试验段一段区间隧道中采用了双层衬砌,以进行试验研究,其后皆采用单层衬砌。根据国内的设计、施工经验和地铁区间的运营情况,单层柔性衬砌结构的受力性能和耐久性等均可控制在预期的要求内,能够满足地铁隧道的运营要求,且单层衬砌的施工工艺单一、工程实施周期短、投资省、防水效果从施工情况看优于矿山法区间隧道,因此单层衬砌占据主导地位。但是由于国内盾构区间隧道的运营时间还不长,结构的抗震性能、防水性能以及结构的耐久性还有待时间来检验。这方面只能结合国外经验进行比较:在欧美盾构隧道以单层衬砌为主,双层衬砌很少使用;在日本双层衬砌和单层衬砌都多有采用。比较双方的差别,可能主要由于大的地质构造方面的差异,日本一直是一个地震高发带,而欧洲相对比较稳定。国内修建地铁的城市地震烈度基本为6～7度,从这点看,国内更趋向于欧洲的经验。2.2地铁盾构区间隧道径的问题隧道内径的确定主要取决于地下结构的建筑限界,同时还要考虑施工误差、测量误差、线路拟合误差及不均匀沉降等诸多因素。国内地铁区间隧道的建筑限界一般为币5200mm的圆形。按国内已建盾构区间隧道的情况,隧道内径有两种方案:φ5400mm和φ5500mm。其中φ5400mm内径主要用于地基承载力较高的地区,如广州、深圳、北京;φ5500mm内径主要用于地基承载力较小的地区,如南京、上海。工程实践表明,这种差异是合理的。但国内地铁盾构区间在建成后不管是软土还是岩石地层,皆有侵限情况发生。分析其具体原因,主要在于施工中盾构姿态或线路控制不当导致的。按照国内盾构的机械能力和施工水平,管片内径和建筑限界的余量在正常施工情况下是可以保证地铁区间的使用功能要求的。2.3人工隧道的管片型钢筋混凝土管片结构型式有两种:箱型管片和平板型管片。箱型管片主要用于大直径隧道,手孔较大利于螺栓的穿入和拧紧,同时节省了大量的混凝土材料,减轻了结构自重,但在千斤顶的作用下容易开裂。国内应用很少,在上海穿越黄浦江的两条公路隧道——打浦路隧道和延安东路隧道中都采用了直径约11m的箱型管片。现在国内外很多大直径隧道也采用平板型管片,例如国外著名的14m直径的易北河公路隧道以及在国内现正修建的穿越黄浦江的大连路越江公路隧道。对于中小直径的盾构隧道,国内外普遍采用平板型管片,因其手孔小对管片截面削弱相对较少,对千斤顶推力有较大的抵抗能力,正常运营时对隧道通风阻力也较小。根据目前国内外的实践经验,地铁区间隧道一般皆选用平板型管片。2.4地铁区间隧道现行六分块方案关于国内地铁区间隧道的管片,早期在上海地铁试验段曾进行过四分块的试验,主要考虑管片接缝的位置较好。而且在通缝拼装的情况下,管片纵向接缝能够设置在受力较小的位置;由于分块少,管片的接缝也较少,从防水、节约工程造价考虑是有利的。但是,由于管片较大,运输、拼装作业相对不便。而盾构施工的一个发展趋势是快速拼装,因此四分块方案现在已经淘汰。现在在国内的地铁区间隧道全部采用六分块方案:一块封顶块+二块邻接块+三块标准块。而且从有利于管片拼装考虑,一般皆采用小封顶块。这种分块方法也与国外经验相吻合,在国外中等直径的盾构隧道一般采用5～7分块方案,而且封顶块的设计以利于减小千斤顶的行程(减短盾构机长度,增加灵敏性)和管片运输、拼装为前提。2.5度有增大的趋势国内地铁区间隧道的管片宽度经历了一个发展过程:从上海地铁的1m宽逐步加宽到广州地铁二号线的1.5m宽。其中广州地铁一号线、南京地铁一号线、深圳地铁和北京地铁五号线又采用了1.2m的宽度。笔者根据国内外已建中等直径盾构隧道管片宽度的选择情况,对不同管片进行了比较(表2)。从比较可以看出,在整个机械系统配备合理协调的情况下,随着设计、施工经验的成熟,管片宽度有逐渐增大的趋势。而且从结构防水、加快施工进度考虑,管片加宽是有利的;从经济性出发,管片加宽可节约综合造价。但管片加宽至1.5m,盾构在小半径曲线施工以及纠偏过程中,若施工控制不当,其产生的平面内弯矩可能会造成曲线外侧螺栓的较大剪切力以及内侧混凝土局部过大的压应力,导致外侧手孔处混凝土剪切破坏或内侧混凝土受压破坏。同时运输系统由于一次出碴量较大,运输能力要求高,而且采用编组列车运输,对设备维修管理要求也相应提高。管片宽度由于受到机械系统的约束,其最大宽度有着一定的限制,从国内外的资料看,对于中等直径的地铁区间隧道,一般不超过1.5m。另外,软土地层采用1.5m宽管片会带来哪些问题,国内并无相关工程实践经验。从受力和变形分析考虑,其主要的控制点在于施工纠偏中外侧土的强度过低以及隧道整体刚度加大造成环缝的连接受力变大。根据笔者在广州地铁二号线越-三区间的设计分析经验,在地质较好的地层中,环缝的连接螺栓一般安全系数很大,不控制管片的结构设计。现在国内在软土地层中已有1.2m宽管片的实践经验,因此下一步管片再加宽到1.5m也是有可能的。总体来说,在国内现有的设计和施工水平下,管片有条件取较大的宽度,可在1200〜1500mm之间根据具体工程条件进行选择。2.6软流塑地层厚度和地基承载力的确定管片的厚度一般为管片外径的5%～6%,已建的上海地铁、在建的南京地铁一号线的管片厚度为350mm,广州地铁一号线、二号线及北京地铁五号线试验段的厚度皆为300mm。按照国内的设计经验,一般在富水的软流塑地层中管片采用350mm的厚度;在地基承载力较高的地层中采用300mm的厚度。按照国内地铁区间的埋深和地质情况,软土地层中管片的厚度并不取决于管片的结构受力,主要取决于管片的耐久性要求,若单纯从受力分析,管片厚度有减薄的可能性。同国外的相似条件下的工程进行比较,管片厚度差别很小。大体上说与欧洲相比,我国的管片相对厚一点,与日本相比我国又相对薄一点。但我国在对结构耐久性的研究和相关规范的制定方面却落后于国外,在国外对于结构的耐久性从设计到施工都有着比较详细的规定,而我国的相关规范可操作性较差。因此在下一步的设计中,管片厚度的能否减薄主要取决于结构耐久性方面的研究。2.7管道接触面结构管片接触面构造包含两个方面:管片环、纵缝接触面榫槽的设置和接缝缓冲垫的设置。2.7.1管片拼装下的锚点设置问题按照国内的设计经验,在富水的软流塑地层中一般要设置榫槽。管片若采用通缝拼装,管片环、纵缝接触面皆设置榫槽,例如上海地铁盾构区间隧道基本采用此种做法;但管片若采用错缝拼装,管片只在纵缝接触面设置榫槽,例如上海的黄浦江观光隧道(内径接近地铁区间隧道)和南京地铁区间盾构隧道均采用此种做法。在地基承载力较高的地层中一般不设置榫槽,国内这方面的设计实例很多,例如广州地铁一号线、二号线、深圳地铁和北京地铁五号线试验段。榫槽的设置主要是增加管片的连接刚度,并有利于控制管片拼装的精度。增加榫槽设计从理论上分析应该说是有利的,但对管片拼装速度、错缝拼装情况下管片开裂的控制相对而言是不利的。因此中等直径的盾构隧道是否需要设计榫槽或榫槽如何设置,在工程实施中还应该进一步进行考虑。若从结构受力和变形看,管片纵缝在外部水土压力下接缝张开小,而管片环缝由于地质变化或不均匀沉降,接缝张开相比纵缝要大一些。若从管片施工拼装看管片的错台问题也主要集中在环缝,因此增加环缝的接头刚度和控制环缝的管片错位是接缝榫槽设计应优先考虑的问题。在国外管片榫槽设置是很有针对性的:榫槽一般设置在环缝接触面,纵缝接触面很少设置榫槽(有的工程在封顶块和邻接块接头面设计纵缝榫槽)。而且对于中等直径的盾构隧道一般不设计榫槽,若在环缝接触面设计榫槽一般都很小,与国内的大榫槽差别较大。因此国内设计思路与国外有着较大的差异,分析其原因主要是对错缝拼装下控制管片开裂的整体施工水平的担心。预计随着施工技术的进步,错缝拼装将普及,以利用其提高管片接头刚度,因此从利于施工的角度出发,榫槽的设置将相对减少,而且软土地层中管片纵缝榫槽将被环缝榫槽所取代。2.7.2缓冲衬垫的设置在国内的管片设计中,为控制管片开裂,环纵缝一般皆设置缓冲衬垫。在《地下铁道设计规范》中有明确要求:环缝应设置缓冲衬垫;纵缝宜设置缓冲衬垫。从结构受力和施工工艺考虑,管片环缝的衬垫是必须的。但纵缝的缓冲衬垫结合现在的施工工艺水平是可以考虑取消的。根据欧洲的设计施工经验,在纵缝接触面采取一定的抗边角开裂措施情况下可不设置衬垫,这对节约造价和减少施工环节都是有利的。国内在北京地铁五号线试验段的设计施工中已经进行了这方面的尝试,施工情况是良好的。因此随着施工技术的提高,管片纵缝接触面的缓冲衬垫会逐步取消。2.8管片接头连接刚度国内区间隧道的管片连接一般采用螺栓连接,而且螺栓是永久性的。这与欧洲的设计习惯“管片的接缝一般只在管片拼装时采用螺栓,工程竣工后大部分螺栓取消”差异很大。这种情况主要取决于结构计算模式以及设计习惯的差异。在欧洲,管片接缝不考虑螺栓的作用,而是按弹性铰接接头进行整个结构的受力分析;在国内,管片接头基本按与结构等强进行考虑,按匀质圆环进行分析,因此接头设计相对较强。增加管片接头的连接刚度有利于增强结构的整体性和控制结构的变形,但盾构隧道施工和运营期间的一些问题与接头设计有一定的关系,比如曲线施工中管片的开裂和结构后期变形造成的结构的附加应力等。对于管片连接可否减弱或减弱到何种程度,国内现在还没有一个一致的看法。从国外经验看,环、纵缝的连接都有减弱的余地。而且,国内施工采用的机械都很先进,设计施工技术已日趋完善,部分工程的施工质量可以与国外相提并论。因此从节约工程造价考虑,可考虑在国内地质较好的地区(例如广州、深圳或北京)先进行这方面的试验。国内管片连接的螺栓在早期上海地铁中以直螺栓为主,由于直螺栓需要设计较大的管片手孔,对结构削弱较大,因此在近期的盾构隧道又基本采用弯螺栓。弯螺栓的连接存在两个问题:容许管片错位的能力差,因此管片若错位较大,经常造成管片手孔处混凝土的开裂;另外弯螺栓安装相对困难,基本难以拆卸。为了管片螺栓的拆卸方便,国外经常采用临时的斜螺栓连接,因此易于拆卸的管片连接方式也是管片设计的一个发展方向。另外,快速连接接头(销钉连接)在国外也有使用,这有利于加快管片的拼装速度。国内现在在小型的盾构隧道中正在进行这方面的尝试,经验成熟后,在地铁区间隧道也可进行相关的试验研究。2.9错缝拼装管片受力分析管片的拼装方式有两种:通缝拼装和错缝拼装。在国内,上海的盾构隧道一般采用通缝拼装;广州地铁、深圳地铁、北京地铁五号线试验段和南京地铁一号线皆采用错缝拼装。在国外,不管是欧美,还是日本,一般皆采用错缝拼装。错缝拼装可提高管片接头刚度,加强结构的整体性,这点在国内有着统一的认识。从结构受力分析考虑,采用错缝拼装的管片相对于通缝拼装而言一般结构计算内力要大一些,但管片配筋经常由最小配筋率控制,因此整个结构的配筋量未必会加大。从具体的施工管理看,错缝拼装相对复杂一些,管片的拼装需要按三维进行,环面的平整度以及千斤顶的行程控制相对难一些。若施工中部分环节控制不当,管片错台会大一些、开裂也相对多一些。但现在管片生产一般采用高精度钢模,盾构机系统配备也很先进,施工技术也日趋完善,错缝拼装的经验越来越丰富。预计在以后的盾构工程中,错缝拼装将是主流趋势。2.10线路曲线情况区间盾构隧道的线路拟合是通过不同的管片衬砌环组合来实现的。线路的拟合包括平、竖曲线两个方面。一般有三种管片组合方法来模拟线路(表3),这三种管片组合方法应该说都是可行的。采用哪一种方法,一方面取决于设计施工习惯,另一方面取决于区间的线路曲线情况。一般而言,采用标准衬砌环+左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合施工更方便,但管片的生产数量控制相对复杂一些,管片模具的利用率可能低一些;采用万能管片,由于只需要一种模具,模具的利用率高,管片的生产控制单一,但管片的拼装相对复杂;采用左转弯衬砌环+右转弯衬砌环组合可以算是以上两种方法的综合,可在以后的设计和施工中进行实践。在管片采用通缝拼装时,由于竖曲线半径大,楔形量很小,竖曲线的模拟一般通过加贴竖向楔形衬垫来进行;在采用错缝拼装时,一般通过管片的扭转按三维来进行线路拟合,因此一般不采用楔形衬垫。这两种方式国内皆有采用,有的工程还混合使用。从节约成本、减少人为因素对施工影响考虑,通过管片的扭转来进行线路拟合更具有发展优势,而且竣工后管片的接缝缝隙也相对小一些。3管片接头计算方法在国内,已建或在建的盾构工程基本采用了荷载结构模型进行结构分析,地层结构模型基本作为计算参考或进行沉降分析使用。利用荷载结构模型进行分析,国内采用了三种计算方法,且计算方法的采用与工程实践紧密联系在一起。在20世纪90年代之前,由于盾构隧道基本集中在上海,而上海在国内是一个典型的软土地区,地层的弹性抗力很小,因此计算方法采用不考虑地层弹性抗力的自由变形圆环法。由于管片一般采用通缝拼装,设计中也不考虑环间接头的影响。90年代后,广州地铁开始修建,由于一号线盾构区间为日本青木公司承包,其计算方法采用日本的修正惯用设计法,根据工程经验及试验分析,计算中引入两个参数:圆环刚度折减系数和管片弯矩传递系数。通过系数调节,来考虑管片多接缝造成的管片刚度降低和管片错缝拼装的影响,计算理论是完整的,但参数的取值应综合地层条件和管片接头构造设计进行确定。在广州地铁二号线、深圳地铁和北