地铁盾构隧道结构设计参数分析

地铁盾构隧道结构设计参数分析

肖志灿

中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司， 福建省厦门市， 361000

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，地铁出行已然成为人们日常生活中非常便捷的一种交通方式，随着地铁交通的应用范围越来越广，地铁隧道工程的数量也在逐年攀升，由于地铁工程项目的施工难度较大，且危险性较高，需要用到盾构机等大型施工设备，盾构法是地铁隧道工程中应用非常广泛的一种施工方法，其不仅可以显著提升地铁隧道的掘进效率，提高施工作业安全性，同时还可以有效地减少地铁施工作业对周围环境、居民生活、公共设施所产生的负面影响，因此该施工方法也受到了从事地铁工程建设施工企业的广泛认可。

关键词：地铁工程；结构设计；管片选型；参数分析

引言

我国的交通方式主要以公路为主，公路交通带动了经济发展，同时我国城市人口不断增加，导致交通压力增加。城市地铁隧道地下空间工程的建设，在保障不影响交通运行及对环境的危害较小的条件下，地铁建设项目在我国大中型城市相继展开，盾构隧道具备安全性好、成本低等多重优势，是现阶段地铁隧道项目中极为主流的技术形式。但现阶段盾构隧道设计依然未形成规范，普遍采取的是工程类比法等，与地铁项目所提出的运营要求存在一定的差距，且是否具备充足的安全储备也是现阶段人们重点关注的话题。在此背景下，本文针对已经投入运营的隧道工程展开对比分析，对相关问题做出总结，以期给盾构隧道设计工作提供一些指导。

1 盾构法

盾构法是指在地表以下的沉积地层中采用盾构机掘进的一种机械施工方法。盾构机根据地质条件的特点来选型，在含水量丰富的沉积地层，盾构机选为泥水加压式，由盾构机仓内泥水的压力来稳定开挖面；在不含水的黏土沉积地层，盾构机选为土压平衡式，由盾构机刀盘切削的土体充满土仓来稳定开挖面。盾构机的动力由机体内的液压油缸作用在衬砌好的管片上，提供的反作用力使盾构机向前掘进。盾构法适用的地质条件较为广泛，砂质地层、黏土地层、含水地层等沉积地层对盾构法施工均适用。近年来随着我国地铁技术及地下空间建设的发展，在大直径、长距离的地铁隧道地下空间建设上，盾构法施工被选为主要的修建工法。盾构法以其环境扰动小、机械化程度高、不受环境气候影响、施工安全系数高等优点在各大城市的地下工程建设中得到了广泛的应用。

2结构设计参数分析

2.1荷载计算方法

盾构隧道荷载分类分为：永久荷载、可变荷载、偶然荷2地铁盾构隧道结构设计参数载 3 大类。根据《建筑结构荷载规范》（GB500092012）各类荷载组合如下：（1）承载能力极限状态组合：1.3永久荷载标准值 +1.5可变荷载标准值。（2）正常使用极限状态组合：永久荷载标准值 + 可变荷载标准值。（3）偶然荷载组合：1.2 永久荷载标准值 +1.4 可变荷载标准值 +1.0 地震荷载标准值（或 1.0 人防荷载）。盾构荷载按施加方向、形式和性质又分为：垂向荷载、水平向荷载、三角形荷载、基地反力荷载和管片自重。盾构管片受力荷载模式。盾构管片内力计算方法很多，具体根据围岩条件、管片结构、用途等确定。其中，隧道所受的土压力计算方法如下：（1）竖向土压力计算：当隧道覆土 H ≤ 10m 时，按 10m覆土柱计算顶部土压力；当隧道覆土10 ≤ H ≤ 2D（D 为隧道外径，余同）时，隧道拱顶土压力按全覆土进行计算。当隧道覆土 H ≥ 2D 时，对于具备成拱效应的地层可按太沙基松弛土压力公式计算垂直土压力，并设置 2D 覆土厚度作为土压力下限值。（2）侧向土压力计算。侧向压力：根据垂直土压力和静止侧压力系数确定。

2.2管片设计参数

从受力特性来看，管片的连接可分为柔性接头和刚性接头。前者要求相邻管片间允许产生微小的转动与压缩，使整个衬砌能屈从于内力的方向而产生一定变形；后者则是通过增加螺栓数量等手段，使接头的刚度与管片本身相同。早期的管片接头多为刚性的，认为越刚越安全，通过长期试验、实践和研究，柔性结构的概念越来越被人们所接受，管片连接方式也从刚性连接向柔性连接过渡。常用的柔性连接方式有：（1）螺栓连接；（2）无螺栓连接；（3）销钉连接。螺栓连接方式主要有：直螺栓、弯螺栓、斜螺栓3种。无螺栓连接一般有球铰式、楔形接头和槽榫接头等；销钉连接有后插明销方式和剪力销两种方式。目前，盾构隧道主要采用螺栓连接。对于螺栓形式，又可分为弯螺栓连接、直螺栓连接、斜螺栓连接和榫槽加销轴等方式。弯螺栓连接的接头具有一定的自由度，十分方便安装。直螺栓和斜螺栓是近年来发展起来的管片连接形式，而且容易实现机械快速安装，但安装难度较高。在抗弯和抗裂方面，直螺栓明显好于弯螺栓和斜螺栓。建议在待开发区、软弱地层区、易软化分解地层采用直螺栓。针对目前存在的管片配筋问题，建议如下优化设计。1) 应针对不同地质情况，研究管片的受力机理(考虑施工状态和正常使用状态)，选择合理的计算模式，使钢筋含量和布置更合理。建议重点采用梁 － 弹簧解析模型作为计算理论基础，利用修正惯用法进行校核。2) 合理分析风险和投资，找到适当的平衡点，避免为节约前期投资，使得后期处理费用过大，也不应为了避免施工中偶尔出现开裂、崩角等现象，不合理的加大管片配筋。建议采用18 mm，控制配筋率，同时采用四边箱型暗梁的方案。

3建议

１）除了常规的设计工况，还要重点关注周边工程所带来的影响，从诸如偏载、失水等特殊的工况或是地基承载力大幅下降的情况，综合上述因素确定隧道结构的具体类型，明确地基承载力，针对稳定性不足之处可采取配筋等方式加以处理，从而有效消除安全隐患。从基坑工程的基本特点出发，确定基坑与隧道的合适间距。2）根据设计规范确定管片规格（如内径、厚度等），并考虑螺栓数量及型式等各类要求，形成的设计方案应满足隧道的长期使用需求，给地铁线路的运行创造稳定环境。管片环宽的选择对工期和质量以及造价影响很大。环宽较小时，搬运、组装、小半径施工时较为方便。但是，施工接缝多，螺栓用量大，接头渗漏水缺陷多。随着盾构机制造技术的配套改进，管片的大型化日益体现出较大的优势，成为发展趋势。环宽较大的管片，成形隧道的外观质量好，总体成本低，隧道纵向受力条件大为改善。如果辅之以小半径等特殊条件下减小环宽的综合设计，优化设计的空间很大。3）隧道荷载计算时要充分考虑围岩状况以及施工对其扰动影响，对于软黏土、遇水易软化或崩解地层建议按全土柱荷载计算，如在其它较好的地层条件下可按隧道规范公式或泰沙基理论进行计算。

结语

地铁盾构隧道的结构设计具有十分重要的意义，能够很好的保证我国地铁隧道的安全性，并且盾构隧道的施工快速，不受天气的影响、不影响地面的交通环境、工作强度也不高，是地铁隧道设计的首选设计方法。作为工程人员，在开展地铁盾构隧道工程项目时需注重结构设计工作，确保各项参数的合理性，并在既有成果的基础上积极探索，提出更为可行的方案。

参考文献：

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