浅谈我国公路过江隧道及城市地铁隧道的应用

浅谈我国公路过江隧道及城市地铁隧道的应用

1上海应用盾构技术存在的问题近年来，中国开始建设一条通往河流和市政地铁的大型道路隧道。由于盾构隧道施工技术可以最大限度地减少对城市其他设施的影响,所以正逐渐成为地铁隧道施工的主流技术。在我国,上海是较早使用盾构隧道施工技术的城市,最近北京、广州、南京、深圳、武汉等地都在地铁施工中开始使用盾构技术,盾构技术是一项正在兴起的新技术。对于这一新技术的应用,存在着机械、设计、施工等多方面的问题,而本文主要是针对设计上的问题进行了一些分析研究。管片设计是盾构隧道结构设计中比较关键的一环,管片设计的成败直接关系到工程的安全、造价及使用,关于盾构隧道管片设计方法,由于国内尚无统一的设计规范,很多设计、施工单位根据机械制造商(国外厂商)所提供的方法进行设计,有的情况下是凭借上海等地铁盾构隧道实例进行模仿设计。2主要参数设计2.1管的结构形式(1)盾构隧道衬砌结构总结国内外盾构隧道工程实例,城市地铁等小直径盾构隧道均采用单层衬砌,公路及铁路过江等大直径盾构隧道采用单、双层衬砌结构的均有,国内以单层衬砌结构居多。(2)盾构隧道混凝土管片形状管片的结构形式包括管片的材料和管片的形状。按材料分类:目前制作管片的材料有混凝土、铸铁、钢材、复合材料等。自1818年提出运用盾构法修建隧道以来,盾构的施工技术取得了巨大的发展。混凝土管片由于具有一定的强度,加工制作比较容易、耐腐蚀、造价低,从20世纪60年代以来,盾构隧道衬砌结构逐渐发展为拼装式钢筋混凝土管片为主。从工程投资、管片加工、结构耐久性以及运营维护出发,混凝土管片具有较大的优越性。一般公路过江隧道及城市地铁隧道均采用混凝土管片。按形状分类:大致将管片分为平板形、箱形、特殊的异形结构等多种形式。在相等厚度的条件下,箱形管片具有质量轻、材料省的优点,但其抗弯刚度及抗压条件均不及平板形管片,在盾构千斤顶顶力作用下容易开裂。平板形管片具有较大的抗弯、抗压刚度,尤其在大直径水底盾构隧道工程中,高水压条件下,采用平板形管片,其抗浮、结构刚度均具有较大的优越性,根据国内外应用的实际状况,平板形管片状况良好。目前,国内、外盾构隧道衬砌管片形式较多采用钢筋混凝土平板形管片。(3)管片组合方法盾构隧道的线路是由直线及曲线所组成,为了满足盾构隧道在曲线上偏转及纠偏的需要,应设计楔形衬砌环,目前采用较多的类型有3种。①楔形衬砌环与直线衬砌环的组合。②左右楔形衬砌环。③通用型管片。对于以上3种类型的衬砌环的特点见表1。这3种管片组合方法都是可行的。具体采用何种管片组合方法,一方面取决于工程经济性分析,另一方面则是施工技术水平。通用型管片早期受施工经验不足的影响,国内应用较少,但近年来,随着相关技术的发展,目前已经得到应用者的认可,并成为一种趋势。目前,国内大型盾构隧道及北京、武汉、深圳等数个城市的轨道交通工程中均采用了通用型管片。通用型管片主要优点如下。①盾构区间隧道一般由若干平、竖曲线组成,通过管片不同的旋转角度实现对平、竖曲线的拟合,可最大程度地减小曲线拟合误差的积累。②盾构衬砌拼装机通过计算机软件辅助管片拼装,可实现管片拼装的自动化,同时缩短了管片拼装时间,提高管片拼装速度及功效。③由于只采用一种楔形管片环拟合线路,不需要设计直线环或专用的转弯环,减少了钢模数量。④由于只有一种类型的管片衬砌环,管片生产时便于管理。(4)合理运用环宽钢筋混凝土管片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,衬砌环宽加大后,使同等长度隧道内环缝数量减少,漏水环节减少,对提高隧道的纵向刚度,加快施工进度,降低造价均有利。同时选择环宽时应考虑千斤顶行程能力、线路曲线以及施工技术水平等方面。按国内、外已建盾构隧道的情况,小直径的地铁区间隧道一般采用1.2～1.5m的环宽较多。南京地铁一期工程、广州地铁1号线、北京地铁的环宽为1200mm,广州地铁2号线的环宽为1500mm,武汉轨道交通2号线的环宽为1500mm。大直径盾构隧道采用2000mm较多:南京长江隧道、武汉长江隧道、上海崇明隧道、荷兰“绿色心脏”隧道、日本的东京湾隧道均采用2000mm的环宽。2.2螺栓分块方案比选盾构隧道管片分块方案需考虑以下因素:管片的拼装方式(通缝拼装或错缝拼装)、盾构机的拼装能力、纵向螺栓的分布等。目前来看,管片的分块方案主要有如下3种:等分方案、1/2封顶块方案及1/3封顶块方案,3种分块方案在国内的工程中都有应用,其主要比较如表2所示。目前,国内轨道交通工程地铁盾构区间管片基本均采用1/3封顶块方案,大型盾构隧道3种分块方案均有采用,以1/3封顶块方案居多。2.3衬砌环与通缝拼装衬砌环的拼装方式有错缝、通缝两种方式。错缝拼装防水效果好,能使圆环接缝刚度分布趋于均匀,减少结构变形,可取得较好的空间刚度,但衬砌环较通缝拼装内力大,且管片制作精度不高时容易在推进过程中被顶裂,甚至顶碎。通缝拼装施工难度小,衬砌环内力较错缝拼装小,可减少管片配筋量,但衬砌环空间刚度稍差,变形较错缝拼装大,且通缝拼装易形成十字缝、T字缝,防水效果难以保证。因此,国内盾构隧道以错缝拼装居多,在上海地区,由于隧道穿越地层主要为黏土,也有采用通缝拼装的实例。2.4常用螺栓接头管片的接头分为将管片沿圆周方向连接起来的管片接头,和沿隧道轴向连接起来的管片环接头,即纵缝接头与环缝接头。接头结构常采用的种类有:螺栓接头、铰接头、销插入型接头、楔形接头、榫接头等多种类型。上述类型的接头中,螺栓接头结构最为常用,目前,国内外隧道工程常用的螺栓连接主要有3种:斜螺栓、直螺栓、弯螺栓,见图1～图3。其性能比较见表3。从表3可以看出:斜螺栓手孔面积最小,对管片损伤最小,施工最为方便,目前大型盾构隧道管片均采用斜螺栓连接形式;但地铁盾构区间等小直径盾构隧道由于管片厚度较薄,不适宜采用斜螺栓形式,多采用弯螺栓结构形式。2.5管道连接设计管片接缝设计包括纵缝设计及环缝设计。(1)垂直缝合线设计管片纵缝设计主要包括密封垫沟槽设计、凹凸榫槽设计、纵向辅助拼装设计及嵌缝槽设计。国内盾构隧道几种典型的纵向接缝构造如图4所示。道防水1道防水3种接缝形式中,第1、2种形式只设有1道防水,一般用于城市地铁等低水压盾构隧道,第3种设有2道防水,一般用于公路过江、过海等水压较高的盾构隧道。环向凹陷用管片管片错台早期,盾构隧道管片设计中,利用凹凸榫槽作为拼装辅助设计和增加管片的抗剪能力,但近年来,随着大量工程实例的实践,环向凹凸榫槽的设置对管片错台的影响很小,而且,由于管片环向凹凸榫槽使环向接缝变得较为复杂,不利于高精度管片和管模的生产。定位杆是近年来在大型盾构隧道中越来越广泛使用的辅助拼装装置,定位杆滑槽通长设置,定位杆可分段设置,主要起拼装定位作用。槽深、槽宽的确定在管片内侧纵缝一般均设置嵌缝槽,其深宽比大于2.5,槽深宜为25～55mm,单面槽宽宜为3～10mm。嵌缝槽断面可根据隧道特点选择,一般断面构造如图5所示。管片刚度的计算方法根据接缝处计算内力M、N,把管片等效成钢筋混凝土受弯构件,按照钢筋混凝土截面核算办法计算管片环缝张开量,计算简图如图6所示。1ρ=(θ/2)2[1+(θ/2)2]3/2(1)1ρ=MEI(2)1ρ=(θ/2)2[1+(θ/2)2]3/2(1)1ρ=ΜEΙ(2)式中ρ——曲率半径;θ——接缝张开角;M——计算弯矩;E——管片的弹性模量;I——管片的抗弯刚度。管片环向接缝张开量为:δ=d·θ,接缝张开量需满足密封垫防水要求。(2)常用环向接头设计管片环缝设计主要包括密封垫沟槽设计、凹凸榫槽设计、环向辅助拼装设计及嵌缝槽设计。国内盾构隧道几种典型的环向接缝构造如图7所示。管片环缝防水道数设置、嵌缝槽设计同管片纵缝设计,下面叙述管片环缝凹凸榫槽、剪力销及环缝张开量设计。管片结构设计一般在大型盾构结构结构的设计中,对地面应用千斤顶凸私家车面和地面结构设计中,一般在百斤顶凸资面的混凝土破损,在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片结构设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,一般在管片设计时,在管片设计时,一般在管片设计时,在管盾构管片环缝设计中,根据盾构施工特点设置凹凸榫槽或千斤顶凸台,以减少盾构施工千斤顶作用下的混凝土破损,但由于凹凸榫槽的设置不利于高精度管片及管模的生产,在大型盾构管片结构设计中,一般设置千斤顶凸台面来减少混凝土破损。近年来,由于剪力销较凹凸榫槽抗剪能力强、易于安装,在大型盾构隧道管片设计中得到广泛应用,其主要作用为辅助管片拼装定位、抵抗管片不均匀沉降等。符合第2环缝间隙的333根据隧道纵向变形分析,验算环缝张角,计算简图见图8。环缝张开量δ=BD/(ρmin−D/2)+δ0(3)δ=BD/(ρmin-D/2)+δ0(3)式中B——管片环宽;D——隧道外径;δ0——生产及施工误差可能造成的环缝间隙,m;ρmin——最小曲率半径,m。接缝张开量需满足密封垫防水要求。2.6管片环近似计算的计算楔形衬砌环可采用单面楔形或双面楔形形式。衬砌环楔形量应根据隧道平面曲线半径、竖曲线半径及线路纠偏需要等因素确定。当选择一定转弯半径设计楔形环时,管片环楔形量近似计算公式如下Δ=BD/R(4)Δ=BD/R(4)式中Δ——管片楔形量;B——管片环宽;D——盾构隧道外径;R——盾构设计转弯半径。2.7纵向插入角度设计封顶块的拼装方式可采用径向插入、纵向插入及先径向再纵向插入等方式。当隧道埋置深度较大、水土压力较大时,全径向插入的封顶块接头剪切强度难以达到要求;全纵向插入方式需要较大的千斤顶行程,从而需增加盾构机长度,增加盾构机造价。目前,国内封顶块多采用先径向后纵向插入的方式,径向搭接的长度需综合考虑封顶块的插入角和盾构机千斤顶的长度,径向搭接越大,封顶块插入角度也越大,千斤顶行程越短,从而加快盾构拼装速度,减少盾构机长度及造价;径向搭接越小,封顶块插入角度也越小,千斤顶行程越大,从而降低盾构拼装速度,增加盾构机长度及造价,从国内大型盾构隧道及城市地铁区间盾构隧道施工实例看,径向搭接长度一般为环宽的0.6～0.8倍。纵向插入角度设计主要取决于拼装时封顶块径向搭接长度及径向插入时管片施工间隙,根据设计施工经验:对于大型盾构隧道,径向插入时管片施工间隙可取20～30mm;对于城市地铁等小直径盾构隧道,径向插入时管片施工间隙可取10～20mm。封顶块插入角度以1∶7～1∶10为宜,若插入角度太大,在施工过程中,管片拖出盾壳后,作用在管片上的轴力可能会使管片沿接缝滑动。封顶块拼装示意见图9。3管道结构的详细设计3.1斜螺栓手孔设计国内大型盾构隧道一般采用斜螺栓连接形式,城市地铁等小直径盾构隧道一般采用弯螺栓连接形式,采用直螺栓连接形式的较少。斜螺栓和弯螺栓手孔设计原理差别不大,下面叙述斜螺栓手孔设计主要要点。斜螺栓手孔根据螺栓与接缝中心线所成的角度设计成以下2种形式。手孔示意见图10。a、b值根据螺栓施工时,所需的操作空间确定,c值根据螺栓的直径确定,一般比螺栓直径大6～10mm,d值由于螺栓孔下端已限制螺栓垂直向上移动的距离,其值应为:d=c+各种误差,其d值太大,不仅对管片损伤较大,而且对方便螺栓施工意义不大。3.2管道螺钉设计管片螺栓的设计包括螺栓孔的方向及螺栓强度检算,由于各种形式螺栓设计方法基本相同,下面仅对斜螺栓设计方法作一简单概述。(1)螺栓孔垂直等环宽面方向图11为管片纵向螺栓孔方向示意,考虑螺栓孔垂直楔形面方向和沿管片中线轴方向(垂直等环宽面)。由于管片施工误差,错台量为h,若螺栓孔垂直楔形面方向,则由于施工误差而产生的螺栓孔中心线偏差为:h×cosα;而若螺栓孔垂直等环宽面方向,则由于施工误差而产生的螺栓孔中心线偏差为h。由于cosα≤1,故h×cosα≤h,即管片施工产生一定的错台量时,若螺栓孔沿垂直楔形面方向布置时,螺栓孔中心线偏差要小,因此,为便于施工,螺栓孔应沿垂直楔形面方向布置。同理,环向螺栓封顶块及邻接块手孔也应沿垂直接缝面方向布置。(2)设备安装fcm—螺栓强度检算螺栓强度计算方法有抵抗弯矩法,安全系数法,这些方法实际应用时,都存在一定的困难。本文从截面最基本的力或力矩平衡的方法,推导出螺栓强度验算方法,计算简图如图12所示。根据管片结构计算出的接缝弯距M、轴力N及接缝面上的力和力矩平衡,可以得出下式fcmbx+N=T(5)M=fcmbxd(6)fcmbx+Ν=Τ(5)Μ=fcmbxd(6)式中fcm——混凝土轴心抗压强度设计值;b——截面宽度;N——计算截面轴力;M——计算截面弯矩;T——螺栓拉力;x——混凝土受压区高度。由计算得出的T值进行螺栓强度验算。4弹簧模型计算法目前,国内盾构管片结构计算方法有匀质圆环法、多铰环法及梁-弹簧模型计算法。随着我国工程实践的增多,目前我国一般采用修正惯用法或梁-弹簧模型计算法。4.1修正实际计算模型管片结构按刚度均匀的圆环考虑,由于纵缝接头、螺栓孔的存在,导致整体抗弯刚度降低,计算时取圆环抗弯刚度为η×(EI)(η为抗弯刚度有效率,η≤1,一般取0.6～0.8),考虑错缝拼装管片接头部弯矩的传递,结构整体补强效果,进行错缝拼装弯矩重分配。修正惯用计算法模型见图13,弯矩传递见图14。接头处内力:Mf=(1−ξ)×MNf=N(7)Μf=(1-ξ)×ΜΝf=Ν(7)管片内力:Mg=(1+ξ)×MNg=N(8)Μg=(1+ξ)×ΜΝg=Ν(8)式中ξ——弯矩调整系数,一般取0.3～0.5;M、N——分别为分配前的匀质圆环计算弯矩和轴力;Mf、Nf——分别为分配后的接头弯矩和轴力;Mg、Ng——分别为分配后管片本体弯矩和轴力。4.2弹簧模拟和地层抗力该方法主要用于模拟错缝拼装的衬砌环的荷载效应。该模型将管片简化成曲梁,每一圆环均为多铰圆环,在管片块与块之间纵缝设置回转弹簧模拟纵缝接头,两相邻环与环之间设置径向剪切弹簧、切向剪切弹簧模拟管片之间错缝拼装接头。地层抗力采用地层法向弹簧和切向弹簧模拟。其计算模型见图15。4.3工程应用及效果从目前工程应用经验来看,修正惯用法由于模型简单、输入计算参数较少等优势在较多工程中得到应用;近年来,由于大型有限元等数值计算方法的普遍应用,梁-弹簧模型计算法也得到了一定程度的应用,但由