國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法設(shè)計(jì)與施工

國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)法設(shè)計(jì)與施工

1地鐵管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20世紀(jì)70年代，上海地鐵1號線的實(shí)驗(yàn)段采用了構(gòu)造法。在這一段中，修建了一些小型隧道，直徑通常為3.4米，主要用于排水、防疫和交通工程的引入。大型盾構(gòu)隧道國內(nèi)修建很少,主要為上?？缭近S浦江的兩條公路隧道。在國內(nèi)大量修建的主要為地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道,上海地鐵一、二號線暗挖區(qū)間都采用盾構(gòu)法施工;廣州地鐵一號線有兩個(gè)區(qū)間、二號線有四個(gè)區(qū)間;南京地鐵一號線有六個(gè)區(qū)間;北京地鐵五號線試驗(yàn)段以及深圳地鐵部分區(qū)間都采用盾構(gòu)法施工;即將開工的成都地鐵試驗(yàn)段兩個(gè)區(qū)間也將采用盾構(gòu)法施工。因此,盾構(gòu)法在國內(nèi)迎來了快速發(fā)展的時(shí)期。究其原因,主要有:環(huán)境保護(hù)的要求、盾構(gòu)法技術(shù)的發(fā)展、國內(nèi)施工單位技術(shù)水平的提高、盾構(gòu)施工造價(jià)的降低等。可以預(yù)計(jì),在未來的地鐵工程中,盾構(gòu)法將成為暗挖區(qū)間隧道的主要施工方法之一。盾構(gòu)區(qū)間隧道一般采用管片襯砌作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu),土建工程質(zhì)量將直接影響區(qū)間隧道的使用功能,設(shè)計(jì)也是工程質(zhì)量控制中的重要環(huán)節(jié)。管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面:管片的構(gòu)造設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析。具體內(nèi)容見表1。2管道設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和發(fā)展2.1盾構(gòu)隧道襯砌施工技術(shù)比較國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道很少采用雙層襯砌,只在盾構(gòu)法最初階段,例如在上海地鐵試驗(yàn)段一段區(qū)間隧道中采用了雙層襯砌,以進(jìn)行試驗(yàn)研究,其后皆采用單層襯砌。根據(jù)國內(nèi)的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)和地鐵區(qū)間的運(yùn)營情況,單層柔性襯砌結(jié)構(gòu)的受力性能和耐久性等均可控制在預(yù)期的要求內(nèi),能夠滿足地鐵隧道的運(yùn)營要求,且單層襯砌的施工工藝單一、工程實(shí)施周期短、投資省、防水效果從施工情況看優(yōu)于礦山法區(qū)間隧道,因此單層襯砌占據(jù)主導(dǎo)地位。但是由于國內(nèi)盾構(gòu)區(qū)間隧道的運(yùn)營時(shí)間還不長,結(jié)構(gòu)的抗震性能、防水性能以及結(jié)構(gòu)的耐久性還有待時(shí)間來檢驗(yàn)。這方面只能結(jié)合國外經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較:在歐美盾構(gòu)隧道以單層襯砌為主,雙層襯砌很少使用;在日本雙層襯砌和單層襯砌都多有采用。比較雙方的差別,可能主要由于大的地質(zhì)構(gòu)造方面的差異,日本一直是一個(gè)地震高發(fā)帶,而歐洲相對比較穩(wěn)定。國內(nèi)修建地鐵的城市地震烈度基本為6～7度,從這點(diǎn)看,國內(nèi)更趨向于歐洲的經(jīng)驗(yàn)。2.2地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道徑的問題隧道內(nèi)徑的確定主要取決于地下結(jié)構(gòu)的建筑限界,同時(shí)還要考慮施工誤差、測量誤差、線路擬合誤差及不均勻沉降等諸多因素。國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道的建筑限界一般為幣5200mm的圓形。按國內(nèi)已建盾構(gòu)區(qū)間隧道的情況,隧道內(nèi)徑有兩種方案:φ5400mm和φ5500mm。其中φ5400mm內(nèi)徑主要用于地基承載力較高的地區(qū),如廣州、深圳、北京;φ5500mm內(nèi)徑主要用于地基承載力較小的地區(qū),如南京、上海。工程實(shí)踐表明,這種差異是合理的。但國內(nèi)地鐵盾構(gòu)區(qū)間在建成后不管是軟土還是巖石地層,皆有侵限情況發(fā)生。分析其具體原因,主要在于施工中盾構(gòu)姿態(tài)或線路控制不當(dāng)導(dǎo)致的。按照國內(nèi)盾構(gòu)的機(jī)械能力和施工水平,管片內(nèi)徑和建筑限界的余量在正常施工情況下是可以保證地鐵區(qū)間的使用功能要求的。2.3人工隧道的管片型鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)型式有兩種:箱型管片和平板型管片。箱型管片主要用于大直徑隧道,手孔較大利于螺栓的穿入和擰緊,同時(shí)節(jié)省了大量的混凝土材料,減輕了結(jié)構(gòu)自重,但在千斤頂?shù)淖饔孟氯菀组_裂。國內(nèi)應(yīng)用很少,在上海穿越黃浦江的兩條公路隧道——打浦路隧道和延安東路隧道中都采用了直徑約11m的箱型管片?，F(xiàn)在國內(nèi)外很多大直徑隧道也采用平板型管片,例如國外著名的14m直徑的易北河公路隧道以及在國內(nèi)現(xiàn)正修建的穿越黃浦江的大連路越江公路隧道。對于中小直徑的盾構(gòu)隧道,國內(nèi)外普遍采用平板型管片,因其手孔小對管片截面削弱相對較少,對千斤頂推力有較大的抵抗能力,正常運(yùn)營時(shí)對隧道通風(fēng)阻力也較小。根據(jù)目前國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),地鐵區(qū)間隧道一般皆選用平板型管片。2.4地鐵區(qū)間隧道現(xiàn)行六分塊方案關(guān)于國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道的管片,早期在上海地鐵試驗(yàn)段曾進(jìn)行過四分塊的試驗(yàn),主要考慮管片接縫的位置較好。而且在通縫拼裝的情況下,管片縱向接縫能夠設(shè)置在受力較小的位置;由于分塊少,管片的接縫也較少,從防水、節(jié)約工程造價(jià)考慮是有利的。但是,由于管片較大,運(yùn)輸、拼裝作業(yè)相對不便。而盾構(gòu)施工的一個(gè)發(fā)展趨勢是快速拼裝,因此四分塊方案現(xiàn)在已經(jīng)淘汰。現(xiàn)在在國內(nèi)的地鐵區(qū)間隧道全部采用六分塊方案:一塊封頂塊+二塊鄰接塊+三塊標(biāo)準(zhǔn)塊。而且從有利于管片拼裝考慮,一般皆采用小封頂塊。這種分塊方法也與國外經(jīng)驗(yàn)相吻合,在國外中等直徑的盾構(gòu)隧道一般采用5～7分塊方案,而且封頂塊的設(shè)計(jì)以利于減小千斤頂?shù)男谐?減短盾構(gòu)機(jī)長度,增加靈敏性)和管片運(yùn)輸、拼裝為前提。2.5度有增大的趨勢國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道的管片寬度經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展過程:從上海地鐵的1m寬逐步加寬到廣州地鐵二號線的1.5m寬。其中廣州地鐵一號線、南京地鐵一號線、深圳地鐵和北京地鐵五號線又采用了1.2m的寬度。筆者根據(jù)國內(nèi)外已建中等直徑盾構(gòu)隧道管片寬度的選擇情況,對不同管片進(jìn)行了比較(表2)。從比較可以看出,在整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)配備合理協(xié)調(diào)的情況下,隨著設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)的成熟,管片寬度有逐漸增大的趨勢。而且從結(jié)構(gòu)防水、加快施工進(jìn)度考慮,管片加寬是有利的;從經(jīng)濟(jì)性出發(fā),管片加寬可節(jié)約綜合造價(jià)。但管片加寬至1.5m,盾構(gòu)在小半徑曲線施工以及糾偏過程中,若施工控制不當(dāng),其產(chǎn)生的平面內(nèi)彎矩可能會(huì)造成曲線外側(cè)螺栓的較大剪切力以及內(nèi)側(cè)混凝土局部過大的壓應(yīng)力,導(dǎo)致外側(cè)手孔處混凝土剪切破壞或內(nèi)側(cè)混凝土受壓破壞。同時(shí)運(yùn)輸系統(tǒng)由于一次出碴量較大,運(yùn)輸能力要求高,而且采用編組列車運(yùn)輸,對設(shè)備維修管理要求也相應(yīng)提高。管片寬度由于受到機(jī)械系統(tǒng)的約束,其最大寬度有著一定的限制,從國內(nèi)外的資料看,對于中等直徑的地鐵區(qū)間隧道,一般不超過1.5m。另外,軟土地層采用1.5m寬管片會(huì)帶來哪些問題,國內(nèi)并無相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從受力和變形分析考慮,其主要的控制點(diǎn)在于施工糾偏中外側(cè)土的強(qiáng)度過低以及隧道整體剛度加大造成環(huán)縫的連接受力變大。根據(jù)筆者在廣州地鐵二號線越-三區(qū)間的設(shè)計(jì)分析經(jīng)驗(yàn),在地質(zhì)較好的地層中,環(huán)縫的連接螺栓一般安全系數(shù)很大,不控制管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在國內(nèi)在軟土地層中已有1.2m寬管片的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),因此下一步管片再加寬到1.5m也是有可能的?？傮w來說,在國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和施工水平下,管片有條件取較大的寬度,可在1200?1500mm之間根據(jù)具體工程條件進(jìn)行選擇。2.6軟流塑地層厚度和地基承載力的確定管片的厚度一般為管片外徑的5%～6%,已建的上海地鐵、在建的南京地鐵一號線的管片厚度為350mm,廣州地鐵一號線、二號線及北京地鐵五號線試驗(yàn)段的厚度皆為300mm。按照國內(nèi)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),一般在富水的軟流塑地層中管片采用350mm的厚度;在地基承載力較高的地層中采用300mm的厚度。按照國內(nèi)地鐵區(qū)間的埋深和地質(zhì)情況,軟土地層中管片的厚度并不取決于管片的結(jié)構(gòu)受力,主要取決于管片的耐久性要求,若單純從受力分析,管片厚度有減薄的可能性。同國外的相似條件下的工程進(jìn)行比較,管片厚度差別很小。大體上說與歐洲相比,我國的管片相對厚一點(diǎn),與日本相比我國又相對薄一點(diǎn)。但我國在對結(jié)構(gòu)耐久性的研究和相關(guān)規(guī)范的制定方面卻落后于國外,在國外對于結(jié)構(gòu)的耐久性從設(shè)計(jì)到施工都有著比較詳細(xì)的規(guī)定,而我國的相關(guān)規(guī)范可操作性較差。因此在下一步的設(shè)計(jì)中,管片厚度的能否減薄主要取決于結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究。2.7管道接觸面結(jié)構(gòu)管片接觸面構(gòu)造包含兩個(gè)方面:管片環(huán)、縱縫接觸面榫槽的設(shè)置和接縫緩沖墊的設(shè)置。2.7.1管片拼裝下的錨點(diǎn)設(shè)置問題按照國內(nèi)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),在富水的軟流塑地層中一般要設(shè)置榫槽。管片若采用通縫拼裝,管片環(huán)、縱縫接觸面皆設(shè)置榫槽,例如上海地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道基本采用此種做法;但管片若采用錯(cuò)縫拼裝,管片只在縱縫接觸面設(shè)置榫槽,例如上海的黃浦江觀光隧道(內(nèi)徑接近地鐵區(qū)間隧道)和南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道均采用此種做法。在地基承載力較高的地層中一般不設(shè)置榫槽,國內(nèi)這方面的設(shè)計(jì)實(shí)例很多,例如廣州地鐵一號線、二號線、深圳地鐵和北京地鐵五號線試驗(yàn)段。榫槽的設(shè)置主要是增加管片的連接剛度,并有利于控制管片拼裝的精度。增加榫槽設(shè)計(jì)從理論上分析應(yīng)該說是有利的,但對管片拼裝速度、錯(cuò)縫拼裝情況下管片開裂的控制相對而言是不利的。因此中等直徑的盾構(gòu)隧道是否需要設(shè)計(jì)榫槽或榫槽如何設(shè)置,在工程實(shí)施中還應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行考慮。若從結(jié)構(gòu)受力和變形看,管片縱縫在外部水土壓力下接縫張開小,而管片環(huán)縫由于地質(zhì)變化或不均勻沉降,接縫張開相比縱縫要大一些。若從管片施工拼裝看管片的錯(cuò)臺問題也主要集中在環(huán)縫,因此增加環(huán)縫的接頭剛度和控制環(huán)縫的管片錯(cuò)位是接縫榫槽設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮的問題。在國外管片榫槽設(shè)置是很有針對性的:榫槽一般設(shè)置在環(huán)縫接觸面,縱縫接觸面很少設(shè)置榫槽(有的工程在封頂塊和鄰接塊接頭面設(shè)計(jì)縱縫榫槽)。而且對于中等直徑的盾構(gòu)隧道一般不設(shè)計(jì)榫槽,若在環(huán)縫接觸面設(shè)計(jì)榫槽一般都很小,與國內(nèi)的大榫槽差別較大。因此國內(nèi)設(shè)計(jì)思路與國外有著較大的差異,分析其原因主要是對錯(cuò)縫拼裝下控制管片開裂的整體施工水平的擔(dān)心。預(yù)計(jì)隨著施工技術(shù)的進(jìn)步,錯(cuò)縫拼裝將普及,以利用其提高管片接頭剛度,因此從利于施工的角度出發(fā),榫槽的設(shè)置將相對減少,而且軟土地層中管片縱縫榫槽將被環(huán)縫榫槽所取代。2.7.2緩沖襯墊的設(shè)置在國內(nèi)的管片設(shè)計(jì)中,為控制管片開裂,環(huán)縱縫一般皆設(shè)置緩沖襯墊。在《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》中有明確要求:環(huán)縫應(yīng)設(shè)置緩沖襯墊;縱縫宜設(shè)置緩沖襯墊。從結(jié)構(gòu)受力和施工工藝考慮,管片環(huán)縫的襯墊是必須的。但縱縫的緩沖襯墊結(jié)合現(xiàn)在的施工工藝水平是可以考慮取消的。根據(jù)歐洲的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn),在縱縫接觸面采取一定的抗邊角開裂措施情況下可不設(shè)置襯墊,這對節(jié)約造價(jià)和減少施工環(huán)節(jié)都是有利的。國內(nèi)在北京地鐵五號線試驗(yàn)段的設(shè)計(jì)施工中已經(jīng)進(jìn)行了這方面的嘗試,施工情況是良好的。因此隨著施工技術(shù)的提高,管片縱縫接觸面的緩沖襯墊會(huì)逐步取消。2.8管片接頭連接剛度國內(nèi)區(qū)間隧道的管片連接一般采用螺栓連接,而且螺栓是永久性的。這與歐洲的設(shè)計(jì)習(xí)慣“管片的接縫一般只在管片拼裝時(shí)采用螺栓,工程竣工后大部分螺栓取消”差異很大。這種情況主要取決于結(jié)構(gòu)計(jì)算模式以及設(shè)計(jì)習(xí)慣的差異。在歐洲,管片接縫不考慮螺栓的作用,而是按彈性鉸接接頭進(jìn)行整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力分析;在國內(nèi),管片接頭基本按與結(jié)構(gòu)等強(qiáng)進(jìn)行考慮,按勻質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行分析,因此接頭設(shè)計(jì)相對較強(qiáng)。增加管片接頭的連接剛度有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性和控制結(jié)構(gòu)的變形,但盾構(gòu)隧道施工和運(yùn)營期間的一些問題與接頭設(shè)計(jì)有一定的關(guān)系,比如曲線施工中管片的開裂和結(jié)構(gòu)后期變形造成的結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力等。對于管片連接可否減弱或減弱到何種程度,國內(nèi)現(xiàn)在還沒有一個(gè)一致的看法。從國外經(jīng)驗(yàn)看,環(huán)、縱縫的連接都有減弱的余地。而且,國內(nèi)施工采用的機(jī)械都很先進(jìn),設(shè)計(jì)施工技術(shù)已日趨完善,部分工程的施工質(zhì)量可以與國外相提并論。因此從節(jié)約工程造價(jià)考慮,可考慮在國內(nèi)地質(zhì)較好的地區(qū)(例如廣州、深圳或北京)先進(jìn)行這方面的試驗(yàn)。國內(nèi)管片連接的螺栓在早期上海地鐵中以直螺栓為主,由于直螺栓需要設(shè)計(jì)較大的管片手孔,對結(jié)構(gòu)削弱較大,因此在近期的盾構(gòu)隧道又基本采用彎螺栓。彎螺栓的連接存在兩個(gè)問題:容許管片錯(cuò)位的能力差,因此管片若錯(cuò)位較大,經(jīng)常造成管片手孔處混凝土的開裂;另外彎螺栓安裝相對困難,基本難以拆卸。為了管片螺栓的拆卸方便,國外經(jīng)常采用臨時(shí)的斜螺栓連接,因此易于拆卸的管片連接方式也是管片設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向。另外,快速連接接頭(銷釘連接)在國外也有使用,這有利于加快管片的拼裝速度。國內(nèi)現(xiàn)在在小型的盾構(gòu)隧道中正在進(jìn)行這方面的嘗試,經(jīng)驗(yàn)成熟后,在地鐵區(qū)間隧道也可進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究。2.9錯(cuò)縫拼裝管片受力分析管片的拼裝方式有兩種:通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝。在國內(nèi),上海的盾構(gòu)隧道一般采用通縫拼裝;廣州地鐵、深圳地鐵、北京地鐵五號線試驗(yàn)段和南京地鐵一號線皆采用錯(cuò)縫拼裝。在國外,不管是歐美,還是日本,一般皆采用錯(cuò)縫拼裝。錯(cuò)縫拼裝可提高管片接頭剛度,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性,這點(diǎn)在國內(nèi)有著統(tǒng)一的認(rèn)識。從結(jié)構(gòu)受力分析考慮,采用錯(cuò)縫拼裝的管片相對于通縫拼裝而言一般結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力要大一些,但管片配筋經(jīng)常由最小配筋率控制,因此整個(gè)結(jié)構(gòu)的配筋量未必會(huì)加大。從具體的施工管理看,錯(cuò)縫拼裝相對復(fù)雜一些,管片的拼裝需要按三維進(jìn)行,環(huán)面的平整度以及千斤頂?shù)男谐炭刂葡鄬﹄y一些。若施工中部分環(huán)節(jié)控制不當(dāng),管片錯(cuò)臺會(huì)大一些、開裂也相對多一些。但現(xiàn)在管片生產(chǎn)一般采用高精度鋼模,盾構(gòu)機(jī)系統(tǒng)配備也很先進(jìn),施工技術(shù)也日趨完善,錯(cuò)縫拼裝的經(jīng)驗(yàn)越來越豐富。預(yù)計(jì)在以后的盾構(gòu)工程中,錯(cuò)縫拼裝將是主流趨勢。2.10線路曲線情況區(qū)間盾構(gòu)隧道的線路擬合是通過不同的管片襯砌環(huán)組合來實(shí)現(xiàn)的。線路的擬合包括平、豎曲線兩個(gè)方面。一般有三種管片組合方法來模擬線路(表3),這三種管片組合方法應(yīng)該說都是可行的。采用哪一種方法,一方面取決于設(shè)計(jì)施工習(xí)慣,另一方面取決于區(qū)間的線路曲線情況。一般而言,采用標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)+左轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)+右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合施工更方便,但管片的生產(chǎn)數(shù)量控制相對復(fù)雜一些,管片模具的利用率可能低一些;采用萬能管片,由于只需要一種模具,模具的利用率高,管片的生產(chǎn)控制單一,但管片的拼裝相對復(fù)雜;采用左轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)+右轉(zhuǎn)彎襯砌環(huán)組合可以算是以上兩種方法的綜合,可在以后的設(shè)計(jì)和施工中進(jìn)行實(shí)踐。在管片采用通縫拼裝時(shí),由于豎曲線半徑大,楔形量很小,豎曲線的模擬一般通過加貼豎向楔形襯墊來進(jìn)行;在采用錯(cuò)縫拼裝時(shí),一般通過管片的扭轉(zhuǎn)按三維來進(jìn)行線路擬合,因此一般不采用楔形襯墊。這兩種方式國內(nèi)皆有采用,有的工程還混合使用。從節(jié)約成本、減少人為因素對施工影響考慮,通過管片的扭轉(zhuǎn)來進(jìn)行線路擬合更具有發(fā)展優(yōu)勢,而且竣工后管片的接縫縫隙也相對小一些。3管片接頭計(jì)算方法在國內(nèi),已建或在建的盾構(gòu)工程基本采用了荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,地層結(jié)構(gòu)模型基本作為計(jì)算參考或進(jìn)行沉降分析使用。利用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析,國內(nèi)采用了三種計(jì)算方法,且計(jì)算方法的采用與工程實(shí)踐緊密聯(lián)系在一起。在20世紀(jì)90年代之前,由于盾構(gòu)隧道基本集中在上海,而上海在國內(nèi)是一個(gè)典型的軟土地區(qū),地層的彈性抗力很小,因此計(jì)算方法采用不考慮地層彈性抗力的自由變形圓環(huán)法。由于管片一般采用通縫拼裝,設(shè)計(jì)中也不考慮環(huán)間接頭的影響。90年代后,廣州地鐵開始修建,由于一號線盾構(gòu)區(qū)間為日本青木公司承包,其計(jì)算方法采用日本的修正慣用設(shè)計(jì)法,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)分析,計(jì)算中引入兩個(gè)參數(shù):圓環(huán)剛度折減系數(shù)和管片彎矩傳遞系數(shù)。通過系數(shù)調(diào)節(jié),來考慮管片多接縫造成的管片剛度降低和管片錯(cuò)縫拼裝的影響,計(jì)算理論是完整的,但參數(shù)的取值應(yīng)綜合地層條件和管片接頭構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行確定。在廣州地鐵二號線、深圳地鐵和北