地鐵快線盾構隧道管片選型及其相關技術研究

代 剛

(中鐵成都投資發展有限公司, 四川成都 610031)

1 概述

為適宜城市整體布局及發展，建設大運量、安全、準時、快速的軌道交通十分必要，從而改善中心城區與外圍區域的交通聯系。為此，地鐵線路多采用快線A+型車、AC25KV接觸網供電制式，列車最高運行速度140 km/h，盾構隧道采用內徑7.5 m的盾構管片。本文主要對該盾構管片選型、管片厚度、管片楔形量、管片連接方式以及管片拼裝機形式等相關技術參數進行研究。

2 管片選型

2.1 管片主要尺寸初擬

根據國內外經驗，一般外徑D小于6 m的盾構管片，其厚度在3.0 %～5.0 %D左右，對于外徑D大于6 m的盾構管片，其厚度在3.5 %～6.0 %D左右。因此本工程初步擬定管片厚度為400 mm，外徑D為8.3 m，管片厚度約為4.82 %D。

2.2 管片的分塊及拼裝

根據國內外盾構隧道建設經驗，目前該尺寸隧道管片主要采用8分塊(8等分或5+2+1)、7分塊(4+2+1形式)、6分塊(3+2+1形式)等諸多形式?？紤]到分塊越多，接縫數量越多，從使用上來說不僅接頭太多，后期防水效果也有所下降，對于8.3 m外徑的管片，本次不考慮8分塊方案，僅對7分塊和6分塊進行技術比選。

2.3 管片拼裝形式

結合國內既有盾構隧道建設經驗來看，錯縫拼裝因其有更好的整體性，已經基本作為默認方案優先考慮。因此本工程采用錯縫拼裝的形式。

對于錯縫拼裝，目前常采用的管片形式有“標準環+左、右楔形環”和“通用楔形環”的方案。

標準環+左、右楔形環”主要為標準環和左、右楔形環按照不同的組合方式擬合不同曲率半徑的隧道，目前國內大都采用這種形式。其優點是拼裝較容易，隧道成型效果較好，缺點是需要模板較多(一套三組)，且由于管片有多種形式，管理組織上難度較大。

“通用楔形環”主要為通過封頂塊位置的改變，即選擇不同的拼裝點位來達到轉彎或豎曲線的目的，隨意性較大。但是不可避免的封頂塊位置也需要根據實際情況相對變換，對設備選型和管片的選型及拼裝提出了一定的要求。優點是對平面曲線和豎曲線均有較好的擬合能力，需要模板較少(一套一組)，且由于只有一種管片形式，管理組織相對容易；缺點主要為通用型管片拼裝難度較高，需要有經驗的盾構機操作人員，由于管片與千斤頂存在夾角，管片容易受力不均,管片錯臺較大。因此在有小半徑曲線時或由于地質及其他原因導致施工質量不易保證時不建議采用該形式。

考慮到6分塊和7分塊的拼裝情況，并且由于7分塊為奇數個拼裝點位，采用通用型管片并采用錯縫拼裝形式的話，在長直線段擬合線路難度相對較大。綜合考慮，本工程若采用6分塊建議采用“通用楔形環”的形式，若采用7分塊建議采用“直線環+左、右楔形環”的形式，均為錯縫拼裝。

2.4 管片分塊比選

本次論文對7分塊和6分塊進行比選。目前最為常用的7分塊主要采用18.947 4 °的管模，6分塊主要采用36 °和22.5 °的管模。其中36 °因其縱向連接件較少(僅10個)，且分塊較大，主要適用于直徑較小的管片。本次比選將只針對18.947 4 °的7分塊和22.5 °的6分塊進行，如圖1所示，各分塊主要參數見表1。

形式一由于分塊較小，單塊重量、長度相對較小，因此在制造、運輸、機械拼裝等方面有一定優勢，而形式二由于分塊較大，制造、運輸、機械拼裝等方面難度相對較大。

根據兩種形式的管片，進行初步的數值建模分析，參考最不利圍巖級別V級。根據《鐵路隧道設計規范》，對于V級

(a)形式一

(b)形式二

表1 兩種分塊形式主要參數

圍巖，坑道跨度8.3 m，埋深在23 m以下可判定為淺埋隧道，其計算垂直壓力為352.5 kPa，水平側壓力系數取0.25，地基彈簧系數取80 MP，本報告取此邊界條件進行計算。有限元模型及計算結果見圖2～圖4。

(a)形式一

(b)形式二圖2 有限元模型

(a)形式一

(b)形式二圖3 彎矩(單位：N·m)

(a)形式一

(b)形式二圖4 軸力(單位：N·m)

根據計算結果可知，在同樣的受力情況下，形式一結果優于形式二結果，分析認為主要是受接頭數量(環向剛度)和拼裝形式(縱向導荷)所致。根據詳細的各拼裝點位計算結果(此處不詳列)，形式一的前、后環封頂塊左右對稱布置時夾角不宜過大。

直線環拼裝計算結果揭示：形式一與形式二彎矩最大值分別為296 kN·m/環和354 kN·m/環。

綜上所述，出于安全考慮，本工程管片推薦采用7分塊“直線環+左、右楔形環”的形式。

根據內力計算結果，對于形式一，主筋配12?22或14?20滿足使用階段極限狀態限裂設計要求，說明選取400 mm作為管片設計厚度是合理的。

3 管片楔形量選取

不同的拼裝點位有不同的楔形量，不同的楔形量可以拼裝出不同半徑的曲線。不需要轉彎環時使用標準環拼裝，這樣拼裝比較容易，同時理論排版和實際排版才能接近。楔形量與轉彎半徑關系(圖5)的計算公式如下：

圖5 楔形量與轉彎半徑關系

根據圓心角的計算公式：

X=180L/πR

(1)

式中：L為一段線路中心線的長度(mm)；R為曲線半徑(mm)；X為圓心角。

將式(1)代入得，

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

簡化得楔形量與轉彎半徑關系公式：(1500-△/2)/(R-3950)=(1500+△/2)/(R+3950)

由此，求得：

△=11850000/R

線路最小曲線半徑取300 m，管片拼裝的最大楔形量△=39.5mm，取整后為40 mm。

4 管片的連接

對于管片塊間連接，目前國內地鐵行業通常采用螺栓連接件，螺栓連接件大致上主要分為直螺栓、斜螺栓以及彎螺栓。

國內大直徑盾構采用直螺栓(越江隧道、輸水隧道等)和斜螺栓(地鐵、城際鐵路等)，因彎螺栓在設置深度太大時穿孔困難，且其對手孔削弱小的優勢隨管片厚度增加而減小，在大直徑盾構中一般不優先選擇彎螺栓。而斜螺栓由于預埋件和自身允許誤差小等因素，容易出現預埋件廢棄、拼裝難度大、埋件耐久性難以保證等問題，在有條件的的情況下，不推薦采用斜螺栓。

結合各地類似項目經驗，并綜合分析考慮，本工程擬采用彎螺栓作為管片連接件。

為減小管片錯臺對盾構隧道質量的影響，推薦在管片環縫處采用裝配式定位榫，同時在相應的環縫處預留榫眼、榫槽(圖6)，榫眼用于安裝定位榫，榫槽通過管片的移動與定位榫契合。

圖6 定位榫安裝位置示意

5 管片拼裝機形式

由于管片最大分塊自重相對于常規6 m直徑盾構隧道管片而言有較大幅提高，根據經驗，一般單塊重量達到5 t以上的便不適宜采用普通機械抓舉的方式，本工程推薦采用對管片自身強度、重量限制等要求較低的真空吸盤式管片拼裝機，或經合理設計、具備所需抓舉能力和可靠性的機械抓舉式管片拼裝機。

6 結論

綜上所述，采用A+型車、AC25KV接觸網供電制式的地鐵快線盾構設計相關參數如下：

(1)盾構隧道內徑7.5 m，外徑8.3 m，管片厚度為400 mm，幅寬1 500 mm，盾構刀盤外徑8.63 m。

(2)盾構管片分7塊，分別為18.947 4 °(K塊)、56.842 1 °(臨接塊)、56.842 1 °(標準塊)。

(3)盾構隧道曲線半徑最小300 m的情況下，管片楔形量采用40 mm。

(4)管片連接件采用彎螺栓連接形式，管片接縫采用平面接縫，接縫處設彈性密封墊溝槽及嵌縫；環縫處預留榫眼、榫槽，安裝裝配式定位榫。

(5)管片拼裝機需配備符合要求的真空吸盤或機械抓舉臂。