上软下硬地层地铁盾构管片通用环的设计研究

摘要：根据国内外盾构的设计理论和经验，针对深圳地区上软下硬地层盾构通用环管片设计进行了探讨和分析，研究了管片的分块、封顶块位置、管片内径、厚度、环宽、楔形量、榫槽、连接方式、组装方式、防水等构造设计的原理以及经验，希望能够为国内外地铁设计同行提供借鉴。

关键词：盾构管片；封顶块；楔形量

Abstract: Through research on domestic and foreign shield segments structure design，this paper discusses in the structure design of universal segments for shield in soft upper and hard lower layers of Shenzhen Metro．Segments of which the partition of universal shield，the key position，the interior diameter，the thickness，the annular width，the wedge-shaped measure，the tenon and groove，the link methods，the assembly and the waterproof structure etc are studied，which can serve as reference for the readers．

Keywords: shield segments；key segment；wedge-shaped measure.

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1引言

随着城市轨道交通的快速发展，盾构法在上海、广州、深圳、北京、南京等城市地铁建设中得到推广。该工法具有施工速度快、对周边环境干扰少、地层适应性强、安全性高等优点。为了满足盾构隧道曲线偏转及蛇形纠偏需要，盾构管片一般设计成楔形衬砌环。目前国际上常用的衬砌环类型有三种：直线衬砌环与楔形衬砌环的组合、通用环、左右楔形衬砌环之间的相互组合。深圳地区上软下硬地层一般选用通用环管片，本文以此为背景对该类管片的设计进行研究，希望为以后类似工程实践提供借鉴。

2通用环管片设计

21分块设计

管片分块设计需要综合考虑管片的生产、安装、纠偏、断面大小以及对渗漏水和结构刚度的影响等因素。一般而言，小断面隧道（如市政隧道等）分4块，中至大断面隧道（如地铁公路隧道等）分6~10块[1]。深圳地铁盾构采用六分块方案：即3块标准块+2块邻接块+1块封顶块。

2.2封顶块位置设计

理论上，封顶块位于任何位置都是可行的，但不同部位封顶块对千斤顶推力大小要求及管片受挤压程度差异较大。当封顶块位于拱腰以上部位时，封顶块最后拼装，所需千斤顶推力小，对两侧管片的挤压小；当封顶块位于拱腰以下部位时，两侧先拼装管片会挤向封顶块预留空间，导致封顶块拼装时需要增大千斤顶推力，易对管片造成挤压破坏；当封顶块位于拱腰水平部位时，封顶块旋转到拱腰以下部位的次数相对减少，管片所受挤压损坏几率小。深圳采用封顶块位于拱腰的水平部位。

2.3管片内径设计

管片内径设计除考虑车辆限界、设备限界、受电弓限界及建筑限界外，还需考虑施工误差、测量误差等因素。深圳管片内径，标准盾构一般为5.4m，非标盾构一般为6.0m。

2.4管片形式及厚度设计

盾构管片一般采用单层装配式衬砌，C50钢筋混凝土。衬砌要求有一定刚度，其变形、接缝张开及裂缝大小等均要求控制在预期范围。深圳管片厚度综合考虑了覆土深度、周边环境及工程地质条件，借鉴广州、北京地铁类似地层设计经验，经结构计算，最终确定标准盾构0.30m，非标盾构0.35m。

2.5环宽设计

环宽设计，从提高施工进度、结构防水、管片连接件及提高结构整体性方面看，宽管片比窄管片好。但管片加宽将造成盾构机长度增加双倍的加宽量，影响其灵敏性[2]。国内地铁管片环宽主要有1.2m和1.5m两种。管片宽度的选择主要取决于施工工期、施工管理水平和机械系统配套的协调性。1.5m宽度的管片与1.2m宽的管片相比，施工工期相对较短，但一个施工循环出土量较大，故对水平运输、垂直运输系统要求及施工管理水平要求均较高。深圳地铁一期工程第7标段（“华－岗”区间隧道）首次使用通用环时，限于当时施工经验不足，采用1.2m环宽管片。目前，随着施工管理水平和机械性能的提高，深圳通用环环宽一般为1.5m。

2.6楔形量设计

楔形量的设计，除了考虑曲线半径、衬砌外径、管片宽度和在曲线段使用楔形衬砌环所占的百分比外，还要校核按盾尾间隙量是否满足要求。在日本，管片环外径5～7 m 的楔形量为30～60 mm；外径8～10 m的楔形量为40～80 mm。楔形量按照线路最小曲线半径并满足错缝拼装要求，且结合盾构施工纠偏确定。楔形量可按下式计算：

式中：Δ为楔形量；L为环宽；D为管片外直径；ρ为线路曲线半径。

2.7隼槽设计

目前，地铁工程管片榫槽的设置全国各地做法不一。地基承载力较高的地层一般不设置榫槽，例如广州地铁一号线、二号线和北京地铁五号线试验段等；富水地层一般需设置榫槽。但环纵缝榫槽设置情况也不一致， 例如上海地铁盾构区间管片在环、纵缝接触面皆设置榫槽，南京地铁盾构区间管片只在纵缝接触面设置榫槽，而杭州地铁1号线盾构区间隧道只在环缝接触面设置榫槽。

深圳地区上软下硬地层，因盾构区间隧道穿越的土层主要为软弱土层，该土层具有高压缩性、高灵敏性及层面分布不均匀等特点。为增加衬砌环间剪切刚度，防止管片间出现较大错台，管片衬砌环缝接头面设置凹凸榫槽，纵缝接头面不设榫槽。

2.8管片注浆孔及吊装孔设计

注浆孔用于管片与地层之间背后注浆，注浆后既能防水，又能加固管片周边地层。注浆孔一般兼做吊装孔。一般情况，注浆孔位于环片中点附近；上穿、下穿既有建筑物及其他特殊地段，为确保施工安全，需在环片中点附近适时增加注浆孔。深圳地区上软下硬地层管片注浆孔材料一般采用Q235热轧无缝钢管，孔内径50 mm，外径70±0.7 mm，不小于55mm有效拧合长度。

2.9拼装方式设计

衬砌环的拼装方式有错缝和通缝两种。错缝拼装能使圆环接缝刚度分布均匀，减小接缝及整个结构的变形，其纵、环缝相交处仅有三缝交汇，在接缝防水上较易处理，且错缝拼装方式下接缝变形小，对防水很有利。通缝拼装，虽施工难度较小，但由于其接缝形式为十字缝，管片变形及环向螺栓受力相对较大，且防水效果、整体性及可调整性差。结合全国各地成熟的设计理念及施工经验，深圳地区上软下硬地层管片拼装，除联络通道处等特殊衬砌环外，其余区间隧道衬砌环拼装大多采用错缝。

2.10连接方式设计

连接方式常用的有直螺栓、弯螺栓、斜螺栓、无螺栓以及销钉连接。国内盾构区间管片连接一般采用螺栓连接，且螺栓是永久的。螺栓连接对于不同形状管片有别，箱形管片采用直螺连接，平板形管片采用弯螺栓连接。深圳地区上软下硬地层管片采用弯螺栓连接。

2.11定位棒设计

定位棒是管片螺栓孔对接标志，便于螺栓孔对齐和螺栓安装，但增加了管片制作难度及费用。是否设置定位棒，主要取决于施工水平。

2.12衬垫设计

设置衬垫起到了保护管片及施工纠偏的作用，但增加了造价。是否设置衬垫，主要取决于施工水平。

2.13防水设计

地铁盾构区间防水需遵守“防、截、疏、堵”的原则。一般采用混凝土自防水管片，其抗渗等级为P12，抗侵蚀系数不小于0.8，管片外侧涂刷渗透性防腐涂层［3］。

3总结

深圳地区上软下硬地层地铁盾构区间管片借鉴广州、北京等类似地层盾构设计理念和经验，参考上海、南京软土地区设计经验，最终选择通用环。其封顶块位于水平方向；不设榫槽、定位棒及衬垫，采用错缝拼装、弯螺栓连接形式，上穿、下穿既有建（构）筑物等特殊地段，适时增加注浆孔数量。

参考文献：

[1]何泰源，陈卓然，曾逸舟．潜盾隧道环片衬砌之设计方法与设计实例［J］．中华技术，2004，(63)．(He Taiyuan，Chen Zhuoran，Zeng Yizhou．The design example and design method in lie low annulus shield tunneling lining［J］．Chinese (Taipei) Technique，2004，(63)．(in Chinese))

[2]胡如军，朱伟，季亚平．盾构隧道管片设计参数的灵敏度分析［J］．地下空间，2003，23(1) : 28-32．(Hu Rujun，Zhu Wei，Ji Yaping．Sensibility analysis of design parameters of segment for shield tunnel［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering［J］．2003，23(1) : 28-32．(in Chinese))

[3]中华人民共和国国家标准．地下工程防水技术规范(GB 50108－2008［S］．2009．(National Standards of the People，s Republic of China．Technical code for waterproofing of underground works (GB 50108－2008 )［S］．2009．(in Chinese))