盾构隧道管片接头形式的探讨与选择

盾构隧道管片接头形式的探讨与选择
郭英
（辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新123000）
摘要：针对盾构隧道管片接头的详细研究，简要介绍了目前国内常用管片接头构造及其优缺点，对国外多
种新型管片接头连接件进行了分析，初步提出了盾构隧道管片接头形式选择的建议。

关键词：盾构；隧道；管片接头
Abstract：This paper researches segment joints of shield tunnel in details and briefly introduces structure,
merits and demerits of segment joints usually used in China. Many new segment joint components made home
and abroad are analyzed and proposals on selection of segment joint type in shield tunnel are proposed preliminarily
从盾构隧道开始建造时起，就有对管片接头形式的研究，随着其大量的建设，国内对之的认识也逐渐加深。

王慎堂[1]曾经搜集整理过部分国内常用的横向接头形式，黄宏伟等[2]也对盾构隧道纵向接头的连接方式进行了大量的分析。

国外在这方面的研究早于国内，
并研制出大量的新型接头方式和材料，这在加快管片拼装速度和降低成本方面效果明显。

客观的讲，目前国内对于这一类新方法的研究尚处于起步阶段，接头形式的选择大多根据经验确定
1 常用构造部分及其作用
本文主要讨论钢筋混凝土管片的接头，其一般分为5个构造部分：连接件、定位装置（榫槽或定位棒）、传力衬垫、密封垫和嵌缝，如图1所示。

以上几个构造的组合又可定性的分为柔性接头与
刚性接头。

前者要求相邻管片间允许产生微小的转动
与压缩，后者则是通过增加螺栓数量等手段，力图在构
造上使接头的刚度与构件本身相同。

早期的管片接头
多为刚性的，认为越刚越安全，通过长期的实践和研究，这种观念逐渐为后来的柔性结构思想所替代。

2 接头形式
人们对各种形式的隧道接头进行了研究与实验，以下是中外盾构隧道中出现的一些管片接头形式及其特点。

2.1 无连接件接头
如图2、3所示，在良好地层环境下的盾构隧道和给排水隧道中有大量的使用。

它安装方便，施工速度快且造价低廉，但它的抗剪抗弯刚度都差，单凭结构本身是无法稳定的，必须依靠周围围岩的抗力达到自身的受力平衡。

仅适用于对于防水要求不高的隧道，或围岩土
体相当良好的环境。

2.2 螺栓接头
单弯螺栓接头如图4所示，曾经使用于南京地铁南北线接头处。

其刚度较大，且手孔较小，对管片的削弱很小。

但它与直螺栓相比用料多，且弯螺栓及管片钢模在制作时若弧度与精度要求高，施工时螺栓穿孔较困难，耗时耗力。

短直双头螺栓接头如图5所示，这种接头方式广泛用于上海地铁等软土盾构隧道。

它在达到一定螺栓预
紧力的条件下，具有较好的抗弯刚度，用料省，经济合理。

不足之处就是具有相当大的手孔，对管片截面有很大的削弱，同时还需要进行螺栓头和手孔的防腐蚀处理。

双直螺栓接头如图6所示，曾用于日
本东京湾公路隧道接头。

两根螺栓的相对距离决定了其实际的抗弯刚度。

组合螺栓接头曾用于上海打浦路隧道接头，如图7所示。

其一弯一直两根螺栓，成本很高。

其抗弯刚度很大，但当隧道发生较大的不均匀沉降或者是遇到地震作用的时候，由于完全刚性的连接，使它无法通过适当变形吸收这些能量，容易发生破坏。

斜螺栓接头如图8所示，曾用于上海上中路隧道、沪崇苏隧道等越江隧道。

它用钢少，手孔小，对截面削弱较小，受力合理，施工方便，只要对螺栓的一头进行防水和防腐蚀处理，由此加快了施工进度，降低了造价。

在地质情况较好的国家，常有安装后拆除斜螺栓的
情况。

短直单头螺栓接头如图9所示，曾用于上海明珠线双圆盾构。

它只有一个手孔，减少了安装的时间，但由于螺母预埋，所以对于管片的制作和拼装有了更高的要求。

2.3 可弯折柔性接头
曾用于日本大阪海底输气隧道，如图10所示。

该隧道建在海底和人造陆地之下，由于两种粘土层固结情况不同，将会有较大的不均匀沉降发生，另外那里还是地震多发地带。

鉴于以上考虑，可弯折的管片接头被安置于由计算得
防水橡胶保证其密闭性，同时可以应付很大幅度的弯曲，剪切和拉压，其适用于对于隧道的变形有较高预估的地方，但造价也很高。

2.4 插入式接头
这一种接头广泛应用于日本的隧道管片环缝的连接，分为锁扣接头和摩擦接头，如图11、12所示。

它们都是靠千斤顶直接将雌雄接头推牢，前者依靠锁扣的力量产生接头需要的拉力，后者由其摩擦力、咬合力锁住。

它们安装快捷方便，省掉了大量拧螺栓的人工及时间；由于
连接件相当短，所以变形长度很小，刚度较大；另外由于没有手孔和露在外面的金属件，不用削弱管片结构，减少了渗水途径，防水和防腐蚀的能力强，
也无需二次衬砌，使用面很广。

但是这种接头的制作精度要求较高，且一旦损坏，很难更换。

2.5 销插式接头
这一类插销楔式接头一般都用在纵缝接头关键块的安装上。

这样的接头抗剪、抗弯刚度大，连接便捷，没有手孔，使用的材料有钢的，也有合成材料的。

但由于插入安装方便的考虑，往往楔形块都小于插入空隙，不利于防水，因此这一类接头很多用于给排水工程，而且
往往配合薄层的二次衬砌。

如图13所示。

2.6 钢管插入式接头这是日本的排水工程研究室等于2001年提出的钢管插入式管片接头，如图14所示。

它包括插入杆和接收管，接收管的内面包裹了一层聚乙烯，插入时用来吸收膨胀以避免外面管片混凝土的破裂。

其拼装自动化程度高，减少了手孔，避免了二次衬砌
2.7 尼龙锁定暗销接头
这是由英国的CV Buchan 于1999年提出的一种安装连接系统，如图15所示。

它的设计包含了铆接快速的优点，也有销接的经济与自行对准安装的特点，适合于传统的敞开式盾构施工和后来的全工作面TBM。

它
不易受环境的影响，耐久性高，在过去的8年中，英国曾经在直径1.5m 到4m的隧道施工中使用这种接头，隧道连接速度可以达到25环/12 h。

2.8 TA－SRING接头
TA-SRING接头，如图16所示，成功的应用于日本的许多盾构隧道纵缝的连接之中。

它连接方便，配合各种插入式连接方式，可以仅靠千斤顶的推力安装就位。

目前一般这种接头都会使用两个TC连接件，这样大大加强了接头的抗弯刚度，有效地避免了一般螺栓接头正负抗弯刚度相差大的问题，同时也避免了由于手孔引起的管片削弱。

但同时也正是因为较大的接头刚度，使得结构的地层变形适应能力减弱，
结构内力有可能因此较大。

3 接头选择的建议
接头形式的选择在盾构隧道的设计中有着重要的作用，既要考虑到承受的荷载、周围的地质情况及防水等要求，又要考虑到施工便捷度、经济合理性、工期压力，养护维修难度等方面。

首先要考虑的是针对土体的适用性。

欧美的一些隧道地质环境好，可利用土体作用使得盾构隧道的铰接头稳定，所以工程竣工后大部分螺栓取消；但在我国盾构隧道的施工中，主要面临砂性土和粘性土，土性柔软，使用铰接头不合实际，因此管片连接一般采用永久性螺栓连接，管片接头基本按与结构等强进行考虑。

有关研究表明，在非常松软的地层中，隧道变形只与地层刚度有关，而几乎与衬砌刚度无关，过大的弯曲刚度会大幅度增加弯曲应力，而对衬砌变形的减小作用不大，所以最有效的隧道衬砌是通过允许地层有控制的变形以调动地层的抗力。

在盾构管片的设计中，接头刚度如果设计得太大，管片的应力也随之加大，这将使对管片的强度要求过高；而如果接头刚度设计得太小，则管片的接缝变形又太大，止水问题又比较突出。

因此，需要选择适当大小的接头刚度。

当土体地质条件较差、承载力低、灵敏度高，极有可能发生较大的不均匀沉降的时候，不宜采用刚度过大的接头；当土质条件好、土体稳定、承载力高时，所能采用的接头形式相对就比较自由。

其次，在接头形式选择中，还必须考虑到经济适用性的问题。

这里的经济性需要考虑三个方面：材料加工成本，工期成本与人工费，养护维修成本。

一种安装方便，自动化程度高的接头形式，可能会使材料和加工成
本有所升高，但相应的人工费用和工期大幅度地减少，特别是工期减少带来的附加效应在现在工程实施中显得意义巨大；另外涉及到的方面还包括生产线的生产精度，施工设备、人员素质等，需要多方面考虑。

国内管片标准是由螺栓连接，在管片内面有预留孔，因此露出的螺栓和接头等有锈蚀的问题。

国外总的趋势是将由螺栓紧固件的钢筋混凝土管片更换为内表面光滑的钢筋混凝土块，用定位销等各种连接件连成管片衬砌环，自动化程度相当高，大大减少了隧道的建设成本和工期，是在国内很有推广前景的项目。

4 结论
（1）现有的接头形式主要可分为螺栓接头、非螺栓接头两大类，本文对各小类做了详细的分析比较。

一些新型连接方式安装便捷，对结构削弱很少，具有极大的研究应用价值。

（2）接头的选择需要针对具体情况，同时考虑隧道承受的荷载、周围的地质情况及防水要求等，也要考虑到施工方便、经济合理、工期的影响等方面，进行最优化的组合设计。

我国在管片新型连接方式和施工方法方面尚有待进一步的学习和研究。

参考文献
[1] 严佳梁．盾构隧道管片接头性态研究：[硕士学位论文]．上海：同济大
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[2] 黄宏伟，严佳梁，徐凌．软土盾构隧道管片环接头的形式及其设计建
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