地铁快线盾构隧道管片选型及其相关技术研究

代 刚

(中铁成都投资发展有限公司, 四川成都 610031)

1 概述

为适宜城市整体布局及发展，建设大运量、安全、准时、快速的轨道交通十分必要，从而改善中心城区与外围区域的交通联系。为此，地铁线路多采用快线A+型车、AC25KV接触网供电制式，列车最高运行速度140 km/h，盾构隧道采用内径7.5 m的盾构管片。本文主要对该盾构管片选型、管片厚度、管片楔形量、管片连接方式以及管片拼装机形式等相关技术参数进行研究。

2 管片选型

2.1 管片主要尺寸初拟

根据国内外经验，一般外径D小于6 m的盾构管片，其厚度在3.0 %～5.0 %D左右，对于外径D大于6 m的盾构管片，其厚度在3.5 %～6.0 %D左右。因此本工程初步拟定管片厚度为400 mm，外径D为8.3 m，管片厚度约为4.82 %D。

2.2 管片的分块及拼装

根据国内外盾构隧道建设经验，目前该尺寸隧道管片主要采用8分块(8等分或5+2+1)、7分块(4+2+1形式)、6分块(3+2+1形式)等诸多形式。考虑到分块越多，接缝数量越多，从使用上来说不仅接头太多，后期防水效果也有所下降，对于8.3 m外径的管片，本次不考虑8分块方案，仅对7分块和6分块进行技术比选。

2.3 管片拼装形式

结合国内既有盾构隧道建设经验来看，错缝拼装因其有更好的整体性，已经基本作为默认方案优先考虑。因此本工程采用错缝拼装的形式。

对于错缝拼装，目前常采用的管片形式有“标准环+左、右楔形环”和“通用楔形环”的方案。

标准环+左、右楔形环”主要为标准环和左、右楔形环按照不同的组合方式拟合不同曲率半径的隧道，目前国内大都采用这种形式。其优点是拼装较容易，隧道成型效果较好，缺点是需要模板较多(一套三组)，且由于管片有多种形式，管理组织上难度较大。

“通用楔形环”主要为通过封顶块位置的改变，即选择不同的拼装点位来达到转弯或竖曲线的目的，随意性较大。但是不可避免的封顶块位置也需要根据实际情况相对变换，对设备选型和管片的选型及拼装提出了一定的要求。优点是对平面曲线和竖曲线均有较好的拟合能力，需要模板较少(一套一组)，且由于只有一种管片形式，管理组织相对容易；缺点主要为通用型管片拼装难度较高，需要有经验的盾构机操作人员，由于管片与千斤顶存在夹角，管片容易受力不均,管片错台较大。因此在有小半径曲线时或由于地质及其他原因导致施工质量不易保证时不建议采用该形式。

考虑到6分块和7分块的拼装情况，并且由于7分块为奇数个拼装点位，采用通用型管片并采用错缝拼装形式的话，在长直线段拟合线路难度相对较大。综合考虑，本工程若采用6分块建议采用“通用楔形环”的形式，若采用7分块建议采用“直线环+左、右楔形环”的形式，均为错缝拼装。

2.4 管片分块比选

本次论文对7分块和6分块进行比选。目前最为常用的7分块主要采用18.947 4 °的管模，6分块主要采用36 °和22.5 °的管模。其中36 °因其纵向连接件较少(仅10个)，且分块较大，主要适用于直径较小的管片。本次比选将只针对18.947 4 °的7分块和22.5 °的6分块进行，如图1所示，各分块主要参数见表1。

形式一由于分块较小，单块重量、长度相对较小，因此在制造、运输、机械拼装等方面有一定优势，而形式二由于分块较大，制造、运输、机械拼装等方面难度相对较大。

根据两种形式的管片，进行初步的数值建模分析，参考最不利围岩级别V级。根据《铁路隧道设计规范》，对于V级

(a)形式一

(b)形式二

表1 两种分块形式主要参数

围岩，坑道跨度8.3 m，埋深在23 m以下可判定为浅埋隧道，其计算垂直压力为352.5 kPa，水平侧压力系数取0.25，地基弹簧系数取80 MP，本报告取此边界条件进行计算。有限元模型及计算结果见图2～图4。

(a)形式一

(b)形式二图2 有限元模型

(a)形式一

(b)形式二图3 弯矩(单位：N·m)

(a)形式一

(b)形式二图4 轴力(单位：N·m)

根据计算结果可知，在同样的受力情况下，形式一结果优于形式二结果，分析认为主要是受接头数量(环向刚度)和拼装形式(纵向导荷)所致。根据详细的各拼装点位计算结果(此处不详列)，形式一的前、后环封顶块左右对称布置时夹角不宜过大。

直线环拼装计算结果揭示：形式一与形式二弯矩最大值分别为296 kN·m/环和354 kN·m/环。

综上所述，出于安全考虑，本工程管片推荐采用7分块“直线环+左、右楔形环”的形式。

根据内力计算结果，对于形式一，主筋配12Ø22或14Ø20满足使用阶段极限状态限裂设计要求，说明选取400 mm作为管片设计厚度是合理的。

3 管片楔形量选取

不同的拼装点位有不同的楔形量，不同的楔形量可以拼装出不同半径的曲线。不需要转弯环时使用标准环拼装，这样拼装比较容易，同时理论排版和实际排版才能接近。楔形量与转弯半径关系(图5)的计算公式如下：

图5 楔形量与转弯半径关系

根据圆心角的计算公式：

X=180L/πR

(1)

式中：L为一段线路中心线的长度(mm)；R为曲线半径(mm)；X为圆心角。

将式(1)代入得，

180×(1500-△/2)/[π×(R-3950)] = 180×(1500+△/2)/[π×(R+3950)]

简化得楔形量与转弯半径关系公式：(1500-△/2)/(R-3950)=(1500+△/2)/(R+3950)

由此，求得：

△=11850000/R

线路最小曲线半径取300 m，管片拼装的最大楔形量△=39.5mm，取整后为40 mm。

4 管片的连接

对于管片块间连接，目前国内地铁行业通常采用螺栓连接件，螺栓连接件大致上主要分为直螺栓、斜螺栓以及弯螺栓。

国内大直径盾构采用直螺栓(越江隧道、输水隧道等)和斜螺栓(地铁、城际铁路等)，因弯螺栓在设置深度太大时穿孔困难，且其对手孔削弱小的优势随管片厚度增加而减小，在大直径盾构中一般不优先选择弯螺栓。而斜螺栓由于预埋件和自身允许误差小等因素，容易出现预埋件废弃、拼装难度大、埋件耐久性难以保证等问题，在有条件的的情况下，不推荐采用斜螺栓。

结合各地类似项目经验，并综合分析考虑，本工程拟采用弯螺栓作为管片连接件。

为减小管片错台对盾构隧道质量的影响，推荐在管片环缝处采用装配式定位榫，同时在相应的环缝处预留榫眼、榫槽(图6)，榫眼用于安装定位榫，榫槽通过管片的移动与定位榫契合。

图6 定位榫安装位置示意

5 管片拼装机形式

由于管片最大分块自重相对于常规6 m直径盾构隧道管片而言有较大幅提高，根据经验，一般单块重量达到5 t以上的便不适宜采用普通机械抓举的方式，本工程推荐采用对管片自身强度、重量限制等要求较低的真空吸盘式管片拼装机，或经合理设计、具备所需抓举能力和可靠性的机械抓举式管片拼装机。

6 结论

综上所述，采用A+型车、AC25KV接触网供电制式的地铁快线盾构设计相关参数如下：

(1)盾构隧道内径7.5 m，外径8.3 m，管片厚度为400 mm，幅宽1 500 mm，盾构刀盘外径8.63 m。

(2)盾构管片分7块，分别为18.947 4 °(K块)、56.842 1 °(临接块)、56.842 1 °(标准块)。

(3)盾构隧道曲线半径最小300 m的情况下，管片楔形量采用40 mm。

(4)管片连接件采用弯螺栓连接形式，管片接缝采用平面接缝，接缝处设弹性密封垫沟槽及嵌缝；环缝处预留榫眼、榫槽，安装装配式定位榫。

(5)管片拼装机需配备符合要求的真空吸盘或机械抓举臂。