地鐵快線盾構(gòu)隧道管片選型及其相關(guān)技術(shù)研究

代 剛

(中鐵成都投資發(fā)展有限公司, 四川成都 610031)

1 概述

為適宜城市整體布局及發(fā)展，建設(shè)大運(yùn)量、安全、準(zhǔn)時(shí)、快速的軌道交通十分必要，從而改善中心城區(qū)與外圍區(qū)域的交通聯(lián)系。為此，地鐵線路多采用快線A+型車、AC25KV接觸網(wǎng)供電制式，列車最高運(yùn)行速度140 km/h，盾構(gòu)隧道采用內(nèi)徑7.5 m的盾構(gòu)管片。本文主要對(duì)該盾構(gòu)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(jī)形式等相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究。

2 管片選型

2.1 管片主要尺寸初擬

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，一般外徑D小于6 m的盾構(gòu)管片，其厚度在3.0 %～5.0 %D左右，對(duì)于外徑D大于6 m的盾構(gòu)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(jù)國內(nèi)外盾構(gòu)隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，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(shù)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(duì)于8.3 m外徑的管片，本次不考慮8分塊方案，僅對(duì)7分塊和6分塊進(jìn)行技術(shù)比選。

2.3 管片拼裝形式

結(jié)合國內(nèi)既有盾構(gòu)隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來看，錯(cuò)縫拼裝因其有更好的整體性，已經(jīng)基本作為默認(rèn)方案優(yōu)先考慮。因此本工程采用錯(cuò)縫拼裝的形式。

對(duì)于錯(cuò)縫拼裝，目前常采用的管片形式有“標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左、右楔形環(huán)”和“通用楔形環(huán)”的方案。

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左、右楔形環(huán)”主要為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)和左、右楔形環(huán)按照不同的組合方式擬合不同曲率半徑的隧道，目前國內(nèi)大都采用這種形式。其優(yōu)點(diǎn)是拼裝較容易，隧道成型效果較好，缺點(diǎn)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(huán)”主要為通過封頂塊位置的改變，即選擇不同的拼裝點(diǎn)位來達(dá)到轉(zhuǎn)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(jù)實(shí)際情況相對(duì)變換，對(duì)設(shè)備選型和管片的選型及拼裝提出了一定的要求。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)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(duì)容易；缺點(diǎn)主要為通用型管片拼裝難度較高，需要有經(jīng)驗(yàn)的盾構(gòu)機(jī)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(cuò)臺(tái)較大。因此在有小半徑曲線時(shí)或由于地質(zhì)及其他原因?qū)е率┕べ|(zhì)量不易保證時(shí)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(shù)個(gè)拼裝點(diǎn)位，采用通用型管片并采用錯(cuò)縫拼裝形式的話，在長直線段擬合線路難度相對(duì)較大。綜合考慮，本工程若采用6分塊建議采用“通用楔形環(huán)”的形式，若采用7分塊建議采用“直線環(huán)+左、右楔形環(huán)”的形式，均為錯(cuò)縫拼裝。

2.4 管片分塊比選

本次論文對(duì)7分塊和6分塊進(jìn)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(gè))，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(duì)18.947 4 °的7分塊和22.5 °的6分塊進(jìn)行，如圖1所示，各分塊主要參數(shù)見表1。

形式一由于分塊較小，單塊重量、長度相對(duì)較小，因此在制造、運(yùn)輸、機(jī)械拼裝等方面有一定優(yōu)勢，而形式二由于分塊較大，制造、運(yùn)輸、機(jī)械拼裝等方面難度相對(duì)較大。

根據(jù)兩種形式的管片，進(jìn)行初步的數(shù)值建模分析，參考最不利圍巖級(jí)別V級(jí)。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于V級(jí)

(a)形式一

(b)形式二

表1 兩種分塊形式主要參數(shù)

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(jì)算垂直壓力為352.5 kPa，水平側(cè)壓力系數(shù)取0.25，地基彈簧系數(shù)取80 MP，本報(bào)告取此邊界條件進(jìn)行計(jì)算。有限元模型及計(jì)算結(jié)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(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在同樣的受力情況下，形式一結(jié)果優(yōu)于形式二結(jié)果，分析認(rèn)為主要是受接頭數(shù)量(環(huán)向剛度)和拼裝形式(縱向?qū)Ш?所致。根據(jù)詳細(xì)的各拼裝點(diǎn)位計(jì)算結(jié)果(此處不詳列)，形式一的前、后環(huán)封頂塊左右對(duì)稱布置時(shí)夾角不宜過大。

直線環(huán)拼裝計(jì)算結(jié)果揭示：形式一與形式二彎矩最大值分別為296 kN·m/環(huán)和354 kN·m/環(huán)。

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(huán)+左、右楔形環(huán)”的形式。

根據(jù)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)于形式一，主筋配12?22或14?20滿足使用階段極限狀態(tài)限裂設(shè)計(jì)要求，說明選取400 mm作為管片設(shè)計(jì)厚度是合理的。

3 管片楔形量選取

不同的拼裝點(diǎn)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(zhuǎn)彎環(huán)時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)拼裝，這樣拼裝比較容易，同時(shí)理論排版和實(shí)際排版才能接近。楔形量與轉(zhuǎn)彎半徑關(guān)系(圖5)的計(jì)算公式如下：

圖5 楔形量與轉(zhuǎn)彎半徑關(guān)系

根據(jù)圓心角的計(jì)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(zhuǎn)彎半徑關(guān)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(duì)于管片塊間連接，目前國內(nèi)地鐵行業(yè)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(nèi)大直徑盾構(gòu)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(shè)置深度太大時(shí)穿孔困難，且其對(duì)手孔削弱小的優(yōu)勢隨管片厚度增加而減小，在大直徑盾構(gòu)中一般不優(yōu)先選擇彎螺栓。而斜螺栓由于預(yù)埋件和自身允許誤差小等因素，容易出現(xiàn)預(yù)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(jié)合各地類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，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(cuò)臺(tái)對(duì)盾構(gòu)隧道質(zhì)量的影響，推薦在管片環(huán)縫處采用裝配式定位榫，同時(shí)在相應(yīng)的環(huán)縫處預(yù)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(dòng)與定位榫契合。

圖6 定位榫安裝位置示意

5 管片拼裝機(jī)形式

由于管片最大分塊自重相對(duì)于常規(guī)6 m直徑盾構(gòu)隧道管片而言有較大幅提高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般單塊重量達(dá)到5 t以上的便不適宜采用普通機(jī)械抓舉的方式，本工程推薦采用對(duì)管片自身強(qiáng)度、重量限制等要求較低的真空吸盤式管片拼裝機(jī)，或經(jīng)合理設(shè)計(jì)、具備所需抓舉能力和可靠性的機(jī)械抓舉式管片拼裝機(jī)。

6 結(jié)論

綜上所述，采用A+型車、AC25KV接觸網(wǎng)供電制式的地鐵快線盾構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如下：

(1)盾構(gòu)隧道內(nèi)徑7.5 m，外徑8.3 m，管片厚度為400 mm，幅寬1 500 mm，盾構(gòu)刀盤外徑8.63 m。

(2)盾構(gòu)管片分7塊，分別為18.947 4 °(K塊)、56.842 1 °(臨接塊)、56.842 1 °(標(biāo)準(zhǔn)塊)。

(3)盾構(gòu)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(shè)彈性密封墊溝槽及嵌縫；環(huán)縫處預(yù)留榫眼、榫槽，安裝裝配式定位榫。

(5)管片拼裝機(jī)需配備符合要求的真空吸盤或機(jī)械抓舉臂。