地铁盾构隧道设计探讨

刘 伟 高涛涛

（重庆能源职业学院， 重庆 402260）

0 引言

地铁区间设计是城市地铁工程项目中的重要内容。在设计内容中，对于所有工程设计参数如管片厚度、配筋率、混凝土强度、环宽等，需将设计模型和地区设计习惯相结合，进行合理的研究，才能实现对盾构区间设计的优化，使工程设计符合工程建设需求。

1 地铁盾构隧道施工分析

为满足城市发展要求，现在逐渐有更多的大中型城市建设了地铁工程，其作为一种新型的公共交通形式，与常规公共交通相比，不占用城市平面的面积，不存在平面的交叉，安全性与效率性更高。但是因为运行环境的特殊性、施工环境对工程地质的高要求、作业范围对原有地下结构的限制，对施工技术有着十分严格的要求。在选择地铁隧道施工技术时，不仅要求具有较高的适应性，更重要的是要在保证施工安全与质量的同时，避免对其他项目带来的干扰。尤其是地铁工程多处于城市繁华地段，如果所选施工技术不合理，不仅会增大施工难度，还会对地上交通、建筑工程以及管线项目等产生干扰或损坏。基于施工安全性、环境保护以及投资控制等各方面的要求，对地铁隧道施工方法进行综合对比，确定盾构隧道存在的技术优势，逐渐成为地铁隧道主流施工方法。盾构法施工一般是把盾构机当做隧道掘进的设备，同时应用盾壳做好支护工作，也可以通过前端刀盘将土体进行切削，千斤顶一直想盾构机来不断推进，并且对开挖面拼装进行提前将管片预制来作为衬砌，完成隧道施工，对作业技术精确度有着十分严格的要求。虽然在长期施工中，地铁隧道盾构施工积累了大量经验，但是从整体上来看，目前盾构隧道设计并没有完全统一的规范标准，理论设计基本上均选择工程类比法，对于工程投入运用后是否可以满足永久运行要求还有待商榷。

2 地铁盾构隧道施工设计

2.1 管片配件设计

在结构设计中管片配筋是最为重要的环节， 其同结构的耐久性以及安全性造成影响， 与此同时也要求对经济性考虑在内。当前对管片配筋还缺乏一个较为固定的形式。而管片合理配筋形式进行研究中有着良好的意义。比如说在广州地铁中2号线赤鹭区间之中应用了欧洲规范，在上下排主筋中使用U型钢筋来连接；在日本地铁施工中应用是下排钢筋向上弯起，同其上排钢筋点焊形式之间进行连接。目前我国的南京和香港等地都应用了管片 4边以及加暗梁的形式进行施工。在广州的地铁3号线中部分路段施工中，也取消了2号线U型钢筋连接上下排主筋的形式进行施工。其标准块在两端可以沿着环向布置的主筋而提升到 218mm，同时加小箍的形式进行暗梁施工， 其纵向两端也会加上小箍将其作为暗梁， 提升其整体性。 在迎千斤顶面的暗梁内外两边加上一个腰筋，而其背千斤顶面的外部也会加上腰筋。在比较容易发生裂缝的螺栓孔出应该加上螺栓筋或者是吊筋。同时在配筋率变化条件比较小的情况下， 保证钢筋的受力较为合理。对于盾构管片中的裂缝，一般主要是在进行施工中出现，在配筋设计中，应该对施工地区的工况充分了解， 而在进行掘进中，因为对其姿态控制要求、 围岩不均、曲线施工以及纠偏等因素， 那么千斤顶其推力分布存在着的一定问题，导致了出现了局部超限拉应力，因此就会出现掉角、破损以及裂缝等情况。同时在官片离开盾尾后，通过新拼管片来将千斤顶的推力进行传递，促使其力而逐渐分散，裂缝就会缩小。随着整个隧道的竣工，则圆型盾构隧道也慢慢进入到一个较为稳定的受力状态中，在施工过程中裂缝、渗漏消失等情况。在进行具体施工中因为人为和地质条件，一般都会出现出高出强度以及裂缝宽度要求荷载，对于平时出现较少的这种情况，通长要求应用后期管片修补的形式进行弥补， 其回比通过增加配筋要求的费用少很多，而对最小配筋率而言，要求进行进一步的研究。比如说欧洲的管片钢筋，其含钢量通常会控制在 80～100kg/m3之间，要求考虑到钢筋强度等因素，可以将其折算为107～130kg/m3。一般在我国国内都应用的是145～160kg/m3。当前诸多钢纤维混凝土管片目前已经在诸多地区得到了成功的应用，管片仅仅应用30～60kg/m3的钢纤维掺量。

2.2 做好环宽设计

管片环宽的尺寸一般都会对造价、质量以及工期造成较大的影响。。以往，由于配套技术的不足，常采用较小的环宽，一方面可使施工材料的搬运、组装更方便，另一方面在小半径内施工可以更省力，但缺点是施工接缝多、螺栓使用量大，常出现较多的接头渗漏水缺陷。随着技术的不断进步，大型管片的应用已成为主流的发展趋势，较大环宽的管片总体成本更低，还能更好地保证隧道外观质量，改善隧道的纵向受力条件，再以小半径环宽进行综合设计，可在很大程度上加大设计优化的空间。

2.3 衬砌结构设计

在对衬砌结构进行设计时，选择应用“荷载-结构”模型，即地层除了会对衬砌结构产生主动荷载以外，还会对其产生被动弹性动力，通过弹性地基梁理论课确定弹性抗力，并通过受压弹簧来模拟结构与地层间相互作用力。另外，对管片接缝位置刚度远小于正常断面刚度的特点进行分析，需要对管片刚度进行折减计算，同时还要兼顾错缝拼装对内里带来的影响，计算时需要向结果内引入弯矩增大率对内力进行修正。隧道结构所承受的主要荷载为地层压力，包括竖向压力和水平压力两种。在进行浅埋处理时，可按照全土柱重量来对计算竖向压力；深埋处理时，则应按照泰沙基公式来对竖向压力进行计算，与此同时， 在结构受力特点的影响下，与此同时，在结构受力特点的影响，进而对受力之时地层以及墙体移动彼此之间的作用进行确定，根据静止土压力、主动土压力以及被动土压力进行计算得到结果。

2.4 工程防水设计

在对管片防水设计时，可以利用高精度、高强度的C50防水混凝土对管片自身进行处理，且结合抗渗标号来确定埋深参数。另外，还需要对衬砌进行。

2.5 耐久性设计方法

混凝土结构的耐久性设计主要可以划分为的定量计算以及传统经验两种类型。当前在环境的影响下耐久性设计的定量计算还没有完全成熟，其应用范围并不普遍。 我国国内外当前的混凝土结构设计规范中主要应用的是传统形式或者是应用了进行改进的方法。混凝土结构耐久性设计过程中比较常用的方法为可以把环境根据其严重性而划分为若干等级，在工程经验进行类比经验基础上，其对不采用环境作用等级的混凝土结构构件，通过规范可以对混凝土材料的耐久性质量要求进行规定，以及做好钢筋保护层厚度等相关构造要求。近些年来，我国也慢慢提出提升了对结构设计规范之中对耐久性内容的研究，进而颁布了相关耐久性设计规范，可以推进耐久性中的权重情况。在地铁隧道施工中，耐久性设计主要是以《混凝土结构设计规范》以及《混凝土结构耐久性设计规范》来不断推进，进而可以在一定程度上满足城市轨道交通行业中对结构设计的要求，提升地铁隧道盾构的质量。

3 结语

盾构隧道施工方法已经被广泛的应用到我国各大城市的地铁隧道施工中，盾构技术在国外和国内长期应用中已经逐渐积累了大量的经验，但是想要充分发挥出施工技术优势，还需要基于盾构施工技术特点，做好施工过程设计，提高施工综合质量。还需要从大量的技术资料和经验中总结出详尽的技术标准，争取使其施工技术可以量产化，为更多的城市地铁工程设计提供技术保障。

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