盾构隧道管片详细设计研究

摘要：盾构隧道管片的详细设计国内目前尚无规范可遵循，然而，此项工作却是盾构隧道结构设计中极为关键的一环,其设计是否合理，直接关系到工程的安全、造价及使用。 通过对国内轨道交通工程常用盾构管片细部尺寸的研究及归纳，本文详细论述了各尺寸的设计方法及注意事项，包括结构形式、分块方案、拼装方式、连接形式、接缝设计、手孔设计等内容。

关键词：盾构隧道；管片结构；分块方案；接缝；螺栓；

中图分类号：U452.1+3 文献标识码：A文章编号：

、概述

盾构法施工的隧道在我国地铁、铁路、公路、水利等行业应用的越来越广泛，并取得了良好的经济和社会效益。但是关于盾构隧道管片的详细设计国内目前尚无规范可遵循，很多设计单位是根据设备厂商所提供的方法进行设计,更多的则是采用模仿。然而，此项工作却是盾构隧道结构设计中极为关键的一环,其设计是否合理，直接关系到工程的安全、造价及使用,因此，很有必要对盾构管片详细设计进行研究及归纳。

、盾构管片详细设计的内容

盾构管片详细设计包括的主要内容有如下几方面：确定隧道内部尺寸、管片结构形式、管片厚度、宽度、分块方案、拼装方式、楔形量、连接方式、防水设计、管片接缝张开量、榫槽的设置、管片螺栓设计、管片手孔设计等。

上述项目基本涵盖了盾构管片详细设计的内容，既以上项目确定后，管片的设计工作也就完成了。

、盾构管片详细设计的主要内容

盾构隧道内轮廓

对于地铁隧道，由建筑限界和车辆限界决定；对于铁路隧道，出了考虑建筑限界外，还要考虑空气动力学、救援通道、各种附属设施等；对于公路隧道，由车流量和车道数目决定。

另外盾构隧道内径空的确定，还需要考虑施工误差、测量误差、设计拟合误差、不均匀沉降等因素。

目前国内地铁大部分均采用A1型车辆，对应的盾构隧道建筑限界为5200mm[1]。施工误差、测量误差、设计拟合误差一般考虑50～100mm,不均匀沉降一般考虑50mm，因此地铁盾构隧道内径一般为5400mm，如北京地铁、广州地铁、西安地铁、成都地铁等；也有采用直径为5500mm的情况，如上海地铁、宁波地铁、天津地铁等。

按设计速度的不同，单线铁路盾构隧道采用的直径一般采用如下尺寸：160km/h为7700mm，如珠三角城际铁路盾构隧道；200km/h为8700mm，如深港盾构隧道；350km/h为9800mm，如广深港客运专线狮子洋盾构隧道。

公路盾构隧道目前多采用双车道断面，盾构隧道内径一般为10000mm，如上海大连路隧道、上海复兴东路隧道、武汉长江隧道等，也有采用10300mm的情况，如杭州庆春路盾构隧道。

管片结构形式

目前绝大多数盾构隧道均采用单层衬砌，也有采用双层衬砌的情况，如南水北调穿黄工程盾构隧道。

制作管片的材料有混凝土、铸铁、钢材、复合材料等。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的单层钢筋混凝土管片为主。

管片的形状大致分为平板形、箱形、特殊的异形结构等多种形式。平板形管片具有较大的抗弯、抗压刚度,防水性能也很强。因此，目前应用最广泛为钢筋混凝土平板型管片[2]。

由于盾构隧道一般情况下都有曲线段存在，因此为了满足在曲线段的偏转，衬砌环设计时必须考虑楔形量的问题。衬砌环类型国内外大多采用如下三种情况：

（1）左转环、右转环衬砌与直线衬砌环的组合，管片需要3种类型。

（2）左右楔形衬砌环，管片需要2种类型。

（3）通用型管片，只需要一种管片类型，其特点是通过一种楔形环管片的不同角度的旋转拟合线路,包括施工纠偏及竖曲线。

管片的厚度

管片厚度与隧道断面大小的比，主要取决于土质条件、覆盖层厚度等荷载条件，但有时隧道的使用目的和管片施工条件也起支配作用。

在日本，根据施工经验，管片厚度一般为管片外径的4%左右，但对于大口径的，尤其是中子型管片时，约为5.5%[4]。

我国《地铁设计规范》规定，盾构隧道衬砌厚度宜为外轮廓直径的O.05～0.06倍[3]。根据上述规定，地铁盾构区间隧道管片一般为300mm～350mm。

管片的宽度

管片的宽度从便于搬运、组装以及在隧道曲线段上的施工，考虑盾尾长度等条件，管片宽度小一些为好。但是，从降低隧道总长的管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑，则此宽度大一些好。管片宽度应根据隧道的断面，结合实际施工经验，选择在经济性、施工性方面较合理的尺寸。

根据日本迄今为止的工程实例，管片宽度有扩大化的趋势，根据隧道的断面，一般在300～1600mm范围之内。采用钢制管片时，为300～1300mm，采用混凝土类的管片时，多为1000～1200mm。最近，尤其在大截面的隧道上，多采用宽度大的管片，而在小截面的隧道上使用宽度大的管片时，需要考虑隧道内的管片的搬运和方向转换等问题才能决定[4]。

我国《地铁设计规范》规定，衬砌环宽可采用800～1500mm，可能情况下宜选用较大的宽度[3]。南京地铁一期工程、广州地铁1 号线、北京地铁盾构区间管片环宽为1 200 mm,广州地铁2号线、西安地铁、武汉轨道交通2号线盾构区间管片环宽为1 500 mm。大直径盾构隧道采用2 000 mm环宽较多，如广深港狮子洋盾构隧道、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、日本的东京湾隧道等。

另外，盾构管片宽度的确定还与盾构机千斤顶行程、盾构主机长度等密切相关，这些均是管片宽度确定需要考虑的因素。

管片分块方案

（1）管片分块影响因素及经验方案

管片分块需要考虑的因素包括管片的拼装方式、盾构机的拼装能力、纵向螺栓的分布方式[2]、管片的生产、纠偏、对渗漏水和结构刚度的影响等。管片环一般由数块标准型管片（A型管片）、两块相邻型管片（B型管片）和一块可在最后拼装的K型管片组成。管片分割的数目越少越好，但考虑到搬运、施工方便组装等因素，一般有如下的经验分块方案。

混凝土平板型管片的经验分块方案 表1

管片的分块方案主要有等分方案、1 /2封顶块方案及1 /3封顶块方案3种。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, 大直径盾构隧道3种分块方案均有采用,其中以1 /3封顶块方案最多。

《地铁设计规范》规定：衬砌环的分块，应根据管片制作、运输、盾构设备、施工方法和受力要求确定。单线区间隧道可采用6～8块；双线区间隧道为8～12块[3]。我国地铁盾构区间管片分块数基本均为6块，即3块标准块+2块邻接块+1块K型块。早期在上海地铁试验段曾进行过四分块的试验，但是实践中由于管片较大，运输、拼装作业相对不便，因此此种方案已经被淘汰。

（2）K型块插入方式的确定及详细尺寸的设计

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。以往径向插入是比较多用的形式，其应用实例较多，但是在B-K间的接头由于半径方向的斜度作用，作用于接头处的轴向力的分力将以剪力形式出现（将该比率称之为键系数），这样K型管片将易于产生掉到隧道内侧等问题。如果使用纵向插入方式，则需要较大的千斤顶行程,盾构的尾部将边长，增加了盾构机的造价，且往往出现操作性不好的情况。

如果是径向插入型管片，对于其中的K型管片的接头角度（）依下式计算：

= （1）

上式中是便于K型管片插入所需要的富余角度，一般采用2.5～5.5°，但是在不妨碍操作的前提下，小一些为好。另外，K型管片的中心角，一般来说对于混凝土管片以内径为标准，对于钢管片以外径为标准。

如果是纵向插入型管片，K型管片的插入角度（），考虑包括盾构机长度在内的施工条件和管片接头与管片环之间的干扰确定。插入角度多取决于施工条件，以1∶7～1∶10为宜。

管片的拼装方式

管片的拼装方式有通缝拼装和错缝拼装两种。

错缝拼装的优点在于能够使圆环接缝刚度分布均匀，提高了管片衬砌的纵向刚度，减少接缝及整个结构的变形[4]。同时由于接缝形式不再是“十”字形，纵环缝相交处仅有三缝交汇，因此增强了结构的整体性，提高了防水性能。

管片的楔形量

在楔形管片环中最大宽度及最小宽度之差称之为楔形量。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。

楔形量的计算当以楔形环的最大宽度为标准时，可用下式计算[7]：

（2）

式中―楔形量（mm）；

―隧道中心曲线半径（mm）；

―楔形环数；

―普通环数；

―楔形环的最大宽度（mm）；

―普通环的宽度（mm）；

―管片外径（mm）。

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：

（3）

管片连接方式

在隧道横断面上连接管片环的部分称为管片接头，既纵缝。在隧道纵断面上连接管片环形成隧道的部分称为管片环接头，既环缝。早期的管片接头多为刚性的，认为越刚越安全， 通过长期的实践和研究，这种观念逐渐为后来的柔性结构思想所替代。

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。目前我国交通类盾构隧道大多修建于软土地区，地层一般承载力较低，不宜采用刚度较大的接头，一般均采用永久性连接的螺栓接头。

目前,国内外隧道工程常用的螺栓连接主要有5种: 单弯螺栓、短直双头螺栓、组合螺栓、斜螺栓、短直单头螺栓。斜螺栓手孔面积最小,对管片损伤最小,施工较为方便,目前大型盾构隧道管片多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，上海地铁等软土盾构隧道也有采用短直双头螺栓的实例。

管片防水设计

管片防水设计主要包括管片的自防水及接缝防水、螺栓密封防水等内容。

《地铁设计规范》明确规定盾构隧道管片混凝土标号不能低于C50，防水混凝土抗渗等级不得小于P8。

管片接缝防水包括管片间的密封垫防水、隧道内侧相邻管片间的嵌缝防水以及必要时向接缝内注浆等，其中密封垫防水最重要也最可靠，是接缝防水的重点。管片接缝一般设置1～2道密封垫防水措施，其中城市地铁根据规范规定至少设置1道，公路、铁路过江、过海等水压较高的盾构隧道一般设置2道密封垫。

在管片内侧接缝一般均设置嵌缝槽，其深宽比大于2.5，槽深宜为25 ～55 mm，单面槽宽宜为3～10mm。

管片接缝张开量的计算

在荷载作用下管片接缝张开量的大小是控制管片接缝防水最直接的要素。目前接缝张开量一般先采用理论公式进行计算，然后再进行管片原型加载试验进行验证。

管片纵缝张开量计算可以根据接缝处计算内力、，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进行，计算简图如图1所示。

图1 纵缝张开量计算简图

（4）

（5）

（6）

式中―接缝张开量；

―接缝张开角；

―计算弯矩；

―管片弹性模量；

―管片惯性矩。

管片环缝张开量需要根据隧道纵向变形进行分析计算，计算简图见图2。

图2 环缝张开量计算简图

（7）

式中―环缝中弹性防水密封垫在设计水压力作用下，允许的张开值（mm）；

―管片环宽（mm）；

―隧道外径（mm）；

―生产及施工造成的环缝间隙；

―隧道邻近建筑物及桩基沉降等引起的隧道挠曲和接缝张开值（mm）；

―隧道纵向变形曲线最小曲线半径（mm）。

、盾构管片细部设计

榫槽的设置

榫槽的设置必须根据所处的地层条件确定，同时还要考虑到管片和管模的生产。榫槽的设置提高了接缝刚度，有利于控制不均匀沉降，在管片拼装中起到正确的定位作用，同时在管片不被挤裂的情况下，也提高了管片接缝的防水效果。但榫槽的设置增加了管模的制作成本，对高精度管片的生产也有一定影响，同时也是拼装和后期沉降过程中管片开裂的因素之一，客观上又削弱了管片的防水性能。国内的设计经验是在富水的软流塑地层中一般都会设置榫槽。

管片螺栓设计

管片螺栓的设计主要包括抗拉及抗剪设计。其中抗剪设计是根据管片结构受所受剪力检验截面所配螺栓是否可以承担。

管片螺栓的抗拉设计可参考钢筋混凝土结构偏心受压构件进行计算。首先应判断在所受弯矩及轴力条件下，截面是大偏心还是小偏心受压构件，然后根据力矩及力平衡方程推导出螺栓所受拉力，最后根据所配螺栓的个数及等级进行螺栓的抗拉强度检算。一般情况下螺栓的安全系数应大于1.5。部分轨道交通盾构隧道螺栓设置情况列于表2，供相关设计人员进行参考。

管片手孔设计

国内的地铁盾构大约6米的直径，管片联结螺栓一般采用27~36mm，螺栓孔与螺栓的间隙不能太大，太大则易发生管片错台，受力情况不好，如果太小，对拼装十分不利，一般来说间隙以3~5mm为佳。手孔各部分尺寸详见图3，其中d为螺栓直径，D为螺帽对角线尺寸。

图3 手孔各部分尺寸

部分轨道交通盾构隧道螺栓设置情况表 表2

、结语

通过对国内轨道交通工程常用盾构管片细部尺寸的研究及归纳，本文详细论述了各尺寸的设计方法及注意事项，为盾构管片标准化设计提供了一些思路，同时可供设计人员进行参考。

参考文献：

[1] 中华人民共和国建设部. CJJ 96―2003 地铁限界标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,2003.

[2] 裴利华.盾构隧道管片结构设计研究[J]. 铁道标准设计，2009（12）：86-91.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部.GB 50157-2003 地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003.

[4] 张凤祥,朱合华. 盾构隧道[M]. 北京:人民交通出版社, 2004.