轨道交通盾构隧道结构设计的应用分析

黄新华

目前城市轨道交通区间隧道盾构法施工因其高效且环保安全等诸多优点而得到广泛应用，可是现阶段盾构法具有较高的施工成本，在盾构法施工整体费用中管片制作费约占45%。选择合理的管片结构设计方法对于盾构隧道结构设计尤为关键。基于此，文章将对设计轨道交通盾构隧道结构相关要点加以简要分析。

随着城市化进程不断推进，国内很多城市均已相继开展城市轨道建设，盾构隧道因具有成本投入低、施工干扰小、安全性好等多种优势，成为当前轨道交通隧道项目认可度最高的技术形式。可实际上盾构隧道设计却没有形成规范，通常采用的是工程类比法，这和轨道交通项目实际运营要求之间存在明显差距，同时其安全储备是否充足也是人们现下的关注要点。

一、荷载取值设计

设计轨道交通盾构隧道的核心关键在于针对隧道围岩压力进行模拟，其最后所得结果需保证准确，要是没有选取合理性保证的荷载，在后期施工过程中极易导致不必要的工程风险。对此，相关设计人员需重点考虑埋深、地质情况等各种因素，让荷载取值设计更具合理性。当前，轨道交通盾构隧道设计荷载有很多方式，要是采用规范公式需重点分析围岩压力计算高度ha，在此基础上对覆土区进行分类，以2.5ha≥H≥ha的视为浅埋区；H＞2.5ha的视为深埋区。依据实际工程经验，计算浅埋荷载的方法容易受到很多因素影响，要是在泰沙基理论基础上会存在严重的适用性不足问题，和规范浅埋公式相比虽然荷载会更小一些，可是理论计算值略大。

二、管片配筋

盾构隧道设计中管片配筋是一个重要环节，不仅直接关乎着结构的耐久性与安全性，而且要兼顾经济性带来的影响，现阶段还没有固定的管片配筋形式。因此，针对合理的管片配筋形式进行研究具有一定的实际意义。

例如广州轨道交通2号线在赤鹭区间便应用了欧洲规范，使用U型钢筋对上下排主筋进行连接。而日本规范是向上弯起下排钢筋点焊连接上排钢筋。当前，中国香港与南京等地主要应用管片4边增加暗梁的模式。广州地铁3号天华区间不再使用U型钢筋对上下排主筋进行连接的方式，而是标准块在两断顺着环向设置的主筋提升至2φ18mm且增加小箍制成暗梁，在其纵向的两端同样添加小箍制作成暗梁，在一定程度上提高其整体性。将两条腰筋各自加在迎千斤顶面的暗梁内部外部两边，且腰筋也加于背千斤顶面的外侧。在螺栓孔裂缝容易出现的位置增加螺栓筋和吊筋。在没有较大配筋率的情况下，让钢筋更合理地受力。

有关盾构管片产生裂缝，通常在实际施工中所形成的，在设计配筋时需要对该工况充分了解。在进行掘进施工时，因此针对其提出严格控制要求等原因，难以保证均匀分布千斤顶推力，从而在局部发生超限拉应力的问题导致破损、裂缝、掉角等现象的出现；在盾尾和管片相脱离后，需要通过新拼管片对千斤顶推力进行传递，这样能分散力缩小裂缝。伴随修建完毕的轨道交通隧道，圆型盾构隧道实际受力状态逐步趋稳，施工过程中产生的渗漏和裂缝也会变小甚至是消失。

在具体施工过程中，因为受限于人为因素、地质条件等，可能会存在超出裂缝宽度和强度要求的荷载，往往在发生此类问题时会以后期管片修补加以有效弥补，相比增加配筋的支出会少的多。有关最小配筋率，以欧洲管片钢筋为例，一般含钢量在80-100kg/m，兼顾钢筋强度等相关技术要素，经过计算之后是107-130kg/m，通常国内采用的为140-160kg/m。现阶段，应用钢纤维混凝土管片已获得一定的成功经验，该类管片的钢纤维产量为30-60kg/m。

对于现阶段的管片配筋问题，具体优化设计建议如下：（1）风险与投资合理分析。通过寻求平衡点节省前期投资，防止在施工中因为偶尔的崩角、开裂等问题，管片配筋加大的不合理。可以选择φ18mm对配筋率加以控制，同时采取四边箱型暗梁。（2）对于不同的地质情况，要选择合适的计算模式研究管片受力机理，提高钢筋布置与含量的合理性。可将“梁——弹簧解析模型”为计算基础，校核采取修正惯用法。

三、南京地1号线铁盾构隧道结构设计案例分析

1.选择隧道内径和衬砌类型

通常轨道交通盾构区间隧道建筑限界是5200mm。因为可能存在施工误差、测量误差、拟合线路误差以及后期隧道不均匀沉等多方面因素，所以隧道内径界定为5500mm。广州轨道交通1号线成功修建了盾构法区间隧道，结合国内外相关工程具体情况，该工程的区间隧道也会采用具备一定接头刚度的单层柔性装配式钢筋混凝土衬砌，在特殊地段采取钢管片；有关接缝张开、圆环变形量、混凝土裂缝都需保障在设计要求范围内，采取单层衬砌施工不仅操作相对单一，而且施工周期较短、施工进度快可以节省投资。明确管片形式、管片尺寸等相关参数是设计盾构隧道的主要环节，这些内容会直接影响到盾构机的长度、直径、机型、装备能力以及掘进方式。例如大量的日本类似工程实例证实，如果隧道外径约6m情况下，要是采取常见的钢筋混凝土管片，其厚度都不会超过30cm；如果直径＜8m的情况下由极个别会是35cm。该分析统计结果是于3-30m埋深、地质情况由冲积层至洪积层等诸多情况而得到的。通过这些隧道会采取错缝拼装。而我国的单线轨道交通盾构隧道，则会依据地区不同的地质情况，一般会使用厚度为30cm、35cm的平板型管片，选择通缝式以及错缝式这两个拼接方式。针对管片宽度主要选取1.0m，1.2m现阶段也会使用到宽度为1.5m的管片。例如我国上海轨道交通1号线便使用35cm的平板型管片，选择缝拼装工艺环宽为1m；广州地铁2号线的盾构隧道则采用厚度为30cm的管片，选择错缝拼装工艺环宽为1.2m，而现在广州地铁3号线则选用1.5m环宽。依据泰沙基理论可知如果是完全柔性的盾构隧道，基于不断增加的衬砌弯矩会相继增加衬砌厚度，着眼于经济或者是结构视角进行分析，关于衬砌厚度需依据实际施工要求做到尽可能薄。这一观点对明确管片厚度起到一定的指导作用。依据南京轨道交通1号线盾构隧道的周边环境、覆土深度、地质条件等，和上海、广州轨道交通工程相关施工设计经验相结合，经科学计算结构采取宽1.2m、厚35cm以错缝拼装工艺为主的钢筋混凝土管片。主要由标准块3个、邻接块2个、封顶块1个构成衬砌环全环。所使用的衬砌环主要类型为左（右）转环、标准环、联络通道等位置使用的特殊环。在每个管片间的连接使用弯曲螺栓，在纵向环间使用16个M30螺栓进行连接，在隧道内侧距离⅓衬砌厚度位置设置纵环向螺栓，具体如图1所示。

2.计算管片结构

图1 盾构隧道衬砌管片分块图

针对计算管片结构截面内力，现阶段国内与国外均没有一个公认且完全成熟的计算方法，通常是在如下以经验基础的简化计算：首先，将衬砌环视为一个变形自由的匀质刚度相等的圆环，关于接缝位置的刚度不足借助螺栓连接与错缝拼装加以弥补，也可以降低整体圆环刚度进行计算。该方法常见于饱和含水地层。其次，把衬砌圆环视为多铰圆环。因为衬砌接缝的实际刚会比断面刚度低很多，实现匀质刚度相等的圆环十分困难，所以要对接缝进行铰处理，从而让圆环变为多铰圆环。该结构于地层当中属于超静定结构，如果外围土层约束多铰圆环变形且提供一定的地层抗力，那么多铰圆环则会处在相对稳定的状态。如果地层情况较好，依据多铰圆环计算衬砌圆环按多铰圆环是较为经济合理的，可是需在一定程度上限制圆环的变形，保证铰在变形过程中不会产生突变。由于轨道交通隧道属于相对狭长的一种建构筑物，能近似看成平面应变问题。本案例中的盾构隧道计算采便使用了弹性铰圆环以及自由变形的弹性匀质圆环模式，选择其不利的内力进行控制结构设计。对于匀质圆环而言，是把衬砌圆环视为一种匀质弹性圆环，可是因为受限于管片接头，选择刚度折减系数＜1的来呈现环向接头带来的影响，而对接头位置具体考虑，单纯将整体衬砌抗弯降低。通过曲梁单元模拟折减刚度之后的衬砌圆环，通过对折减系数计算取用0.65-0.75。可是均质圆环发生某一角度偏转之后，无论是截面变形还是内力均会产生变化，所以一般该模式会应用在通缝计算上。

四、结语

从某种角度来讲，轨道交通盾构隧道的安全是保证轨道交通线路可以稳定运行的重要基础，有关其结构设计十分关键，在技术支撑下能切实提高隧道运营的可靠性与安全性。与此同时，依托科学设计方案后进行盾构隧道高效的施工作业，可以有效避免路面交通、天气等多方面因素带来的影响，从而为乘坐者提供舒适安全的日常出行环境。对于工程人员而言，应提高对设计轨道交通盾构隧道结构工作的重视程度，保证各项参数的合理性与准确性，而且可以在现有成果的基础上不断探索，制定可行性更强的施工设计方案。