行业要闻

 

【摘　要】在沈阳已建成的地铁一号线和正在建设的地铁二号线工程中,盾构法施工的隧道里程占总里程的60%以上,其高效性、安全性、经济性在沈阳地铁建设中得到了较好的体现。总结了沈阳地铁盾构隧道设计的成功经验,针对盾构法隧道管片设计、管片拼装、曲线段管片排版与线路拟合等关键问题提出了合理的设计方法与理念,对今后沈阳地铁的类似工程有一定指导意义。

【关键词】地铁隧道;盾构法;管片设计;管片排版

 

1、概述

      盾构施工方法为暗挖施工中的一种,具有良好的隐蔽性,不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响,能较经济合理地保证隧道快速施工,可在盾壳支护下安全地进行开挖、衬砌等。其施工中噪声、振动引起的公害小,对周围环境基本没有干扰,逐渐成为城市隧道施工的首选工法。在沈阳地铁一、二号线的建设中盾构法就得到了大量的成功使用,在下穿密集楼群及浑河时体现了其巨大作用,是其它工法不可替代的。

      本文就沈阳地铁一、二号线盾构法隧道设计主要标准及原则、盾构机选型、管片结构设计和管片排版等关键问题进行详细的阐述,为今后的设计提供了可靠的参考经验。

2、盾构机选型

      盾构隧道的成功与否,关键之一是选择好适合地层特性的盾构机。沈阳地铁区间所在地层主要为中、粗砂及砾砂层,地下水位埋深较深,埋深在7m左右,此水文地质条件下一般选用土压平衡盾构。在下穿浑河段时由于水头较高,含水层较厚,则采用泥水加压平衡盾构机施工。

3、管片构造及结构设计

3. 1　主要设计标准及原则

      (1)结构的安全等级为一级;

      (2)结构抗震按7度设计,人防按6级人防考虑;

      (3)隧道防水等级为二级;

      (4)裂缝宽度控制:迎土面侧不大于0. 2mm,结构内侧不大于0. 3mm;

      (5)地表沉降控制标准:一般沉降量在30mm以内,隆起量10mm。

      (6)管片接缝防水要求:环缝、纵缝张开6mm时,在0. 6MPa外水压力下不漏水;

      (7)管片衬砌结构变形验算:直径变形≤1‰D(D为隧道外径),接头张开量<4mm。

3. 2　管片构造

      (1)单、双层衬砌选用

      盾构法施工隧道的衬砌一般分为单层和双层两种衬砌形式。单层衬砌,施工工艺单一、工程实施周期短、投资省,可确保施工进度,其衬砌圆环的变形、管片接缝的张开量及混凝土裂缝的开展和防水性能,均能控制在预期的要求内,可完全满足地铁隧道的设计要求。沈阳地铁中盾构隧道均采用单层钢筋混凝土装配式结构形式,盾构管片型式为平板型。

       (2)衬砌环分块

      国内地铁区间单线隧道大多采用6块模式,即3块标准块(B块)+2块邻接块(L块)+1块封顶块(K块),运营期间工作状态良好。沈阳地铁一、二号线已建工程具体分块情况为3块标准块(中心角67. 5°), 2块邻接块(中心角67. 5°)和1块封顶块(中心角22. 5°)。目前所建工程中无双线并行盾构区间。

      (3)衬砌拼装方式

      衬砌圆环有通缝、错缝两种拼装方式。错缝拼装能使圆环接缝刚度分布趋于均匀,减少结构变形,可取得较好的空间刚度。通缝拼装施工难度较小,衬砌环内力较错缝衬砌环小,可减少管片配筋量,但衬砌空间刚度稍差。从北京、上海等地盾构管片的错缝拼装实践来看,管片衬砌的制作和拼装精度可以满足错缝拼装的要求,衬砌的刚度和防水效果均较满意。因此,工程中衬砌环采用错缝型式。

      (4)衬砌环宽度

      根据目前钢筋混凝土管片应用的经验,衬砌宽度多在900~1500mm之间。在工程中,应综合考虑各方面因素,并根据工程的具体条件以及实际的施工经验,现有盾构机举重臂能力及千斤顶行程等客观条件,选择既经济又合理的环宽尺寸。衬砌环宽度的比较见表1。

      (5)衬砌环厚度

      衬砌厚度的确定应根据隧道所处地层的条件、覆土厚度、断面大小、接头刚度等因素综合考虑确定,并应满足衬砌构造(如手孔大小等)、防水抗渗以及拼装施工(如千斤顶作用等)的要求。一般情况下,板式管片的厚度按照隧道直径的5% ~6%考虑,对于外径6000mm的隧道,其管片厚度为300~350mm。沈阳地铁在软土地层及穿越浑河段中,管片为350mm厚,在基底承载力较好的砾砂或砂卵石地层中,一般为300mm厚,且在同一区间内应采取同一厚度,通过调整管片内配筋来满足不同埋深时对其形成的压力。

      (6)管片连接

      沈阳已建地铁盾构区间管片环缝和纵缝均采用弯螺栓连接,环向管片间设2个单排螺栓,纵向共设16个螺栓(即封顶块设1个螺栓,其它管片每块设3个螺栓)。管片重心处设一个吊装孔,兼作二次注浆孔。

3. 3　曲线段管片排版与线路拟合

3. 3. 1　衬砌环组合形式

      为了满足盾构区间隧道线路拟合精度的需要,必须选择合适的衬砌环的形式,我们在曲线段管片排版组合考虑了以下三种方案,并进行了比较,具体见表2。

3. 3. 2　曲线段管片排版

      (1)楔形管片(转弯环)

      楔形管片用于曲线段施工或盾构方向控制。盾构隧道是通过一定组合的标准衬砌环和楔形环来拟合理论曲线的,常根据线路上的最小曲率半径设计一种楔形环。楔形管片最大宽度与最小宽度的差值及楔入角可用下述公式计算:

   

      式中:δ—楔形管片环最大宽度与最小宽度的差值;

      s—标准管片环的宽度;

      s′—楔形管片环的最大宽度;

      m—曲线段标准管片环数目;

      n—曲线段楔形管片环数目;

      D—隧道外径;

      R—至隧道中心处的隧道曲线半径;

      θ—楔入角。

      (2)拟合比例

      根据上述公式,在沈阳地铁最小半径R =300m,假定标准环与楔形环数量比例为1∶1时,楔入量δ=48mm<50mm,楔入角θ=0. 46°。这样在此基础上可推导出,同样楔形环拟合不同半径曲线下的拟合比例。见表3:

      (3)线路拟合误差要求

      对于不同的曲线段均以计算优选的最佳衬砌排列组合方案来拟合,使隧道推进轴线与设计轴线的一般拟合误差≤10mm,局部≤20mm。

3. 4　衬砌设计

      (1)计算模型及方法

      管片衬砌计算模型为“荷载-结构”模型:地层不仅对衬砌结构施加主动荷载(地层的主动土压力),而且还对衬砌结构施加被动的弹性抗力,弹性抗力采用弹性地基梁理论给予确定,结构与地层间的相互作用可用受压弹簧来模拟。

      考虑管片接缝处刚度远小于正常断面刚度,计算时,采用折减后的管片刚度ηEI;同时,考虑错缝拼装对内力的增加影响,在计算结果中引入弯矩增大率ξ修正内力,ηξ为经验数值,一般按0. 6≤η≤0. 8、0. 3≤ξ≤0. 5取值。

      (2)荷载计算

      地层压力是地下结构所承受的主要荷载,分为竖向压力和水平压力。浅埋时竖向压力按全土柱重量考虑;深埋时竖向压力按泰沙基公式进行计算。水平压力:根据结构受力过程中墙体位移与地层间的相互关系,可分别按主动土压力、静止土压力或被动土压力计算。

4、联络通道设计

4. 1　土体预加固

      联络通道采用暗挖法施工,为保证工程施工期间土体的稳定,在破除管片前必须对隧道周围的地层进行加固。加固方法可采用地面旋喷加固,采用Φ550@400的旋喷桩,双重管工艺,要求加固后土体的无侧限抗压强度≥1MPa,渗透系数≤1×10^-8cm/s。

4. 2　开洞处管片设计

      地铁一号线中盾构隧道中连接联络通道管片为钢管片,可方便拆卸。随着混凝土切割技术的发展,二号线中部分连接联络通道管片已换为加强混凝土管片:在开洞处共设4环加强混凝土衬砌环, 2环开洞,开洞宽度为1. 6m, 2环相邻环,通缝拼装。在联络通道施工前,在盾构隧道内架设临时钢支撑,以确保在洞口打开时及开挖过程中盾构隧道衬砌的安全和受力转换。

      特殊衬砌计算工况、计算模式:

      工况一:盾构推进阶段—考虑衬砌与地层共同作用,并计及接头刚度的弹性铰圆环或曲梁、弹性铰模型计算。

      工况二:开口阶段—按不等刚度圆环进行内力、变形计算,并以架设临时支撑后的不等刚度圆环复核变形。

5、防水设计

5. 1　管片防水

      (1)管片自身防水采用高精度、高强度的C50防水混凝土,其抗渗标号根据自身埋深确定。

      (2)衬砌外注浆防水:通过同步注浆与二次注浆充填空隙。

      (3)管片接缝(纵缝、环缝)中设置了弹性密封垫和嵌缝等两道防水措施。

      (4)螺栓孔及吊装孔采用遇水膨胀橡胶圈作为螺栓孔防水措施,利用压密和膨胀双重作用加强防水。

5. 2　盾构隧道与端头井、通道接头防水

      (1)盾构进出洞防水

盾构隧道与端头井的接头防水,包括施工阶段的临时接头与竣工后的永久接头防水。临时接头主要由帘布橡胶圈及其压紧装置构成,辅以井圈注浆堵水。永久接头为钢筋混凝土接头,它与井壁、管片的接缝也由多道遇水膨胀止水条进行密封。

      (2)与联络通道连接处防水

联络通道与区间盾构管片接头处是防水的薄弱环节。联络通道的二衬与区间管片接头处设置两道遇水膨胀橡胶止水条;而且为避免二次衬砌混凝土的收缩变形,接头部位采用微膨胀混凝土。

6、结论

      (1)目前,沈阳地铁一号线已运营,地铁二号线部分盾构区间已竣工验收。盾构隧道衬砌环采用不设榫槽平板型管片,错缝拼装、弯螺栓连接等构造形式,其施工操作、管片变形都在设计预期范围内,实践证明这种构造形式适用于沈阳地铁。

      (2)设计中在曲线段采用左右转弯环+标准环进行排列组合,拟合不同半径的曲线,其拟合误差在允许控制范围。说明采用此种衬砌环组合形式应用是合理的。

      (3)盾构区间防水措施含两大类:一类是管片防水措施,一类是与通道、盾构井的接头防水。从目前来看,防水效果达到了设计要求,防水措施是成功的。

      (4)由于中国地域辽阔,各地水文地质情况差异较大。到现在为止,我国在盾构隧道设计方面没有成熟的设计规范和标准可循。致使在同一区域内已建并投入使用的一些成功工程案例成为宝贵的可循经验。

 

[1]张庆贺,朱合华,庄荣,等.地铁与轻轨[M].北京:人民交通出版社, 2003.

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