第七章、盾构管片

第一节 钢筋混凝土衬砌管片设计、构造现状
1、单层、双层衬砌的选择 衬砌的选择上国内隧道很少采用双层衬砌，只在盾构法最初阶段，例如在上海地铁试验
段一段区间隧道中采用了双层衬砌，其后皆采用单层衬砌。 根据国内的设计、施工经验和运 营情况，单层柔性衬砌结构的受力性能和耐久性等均可控制在预期的要求内，能够满足隧道 的运营要求，且单层衬砌的施工工艺单一、工程实施周期短、投资省、防水效果从施工情况 看优于矿山法区间隧道，因此单层衬砌占据主导地位。但是由于国内盾构区间隧道的运营时 间还不长，结构的抗震性能、防水性能以及结构的耐久性还有待时间来检验。
管片加宽，区间接缝减少 20％，连接螺栓减少 9％，工程造价降低(1．5m 与 1．2m 比较)
随着管片的加宽，盾构机加长，灵敏度降低，但可以通过控制封顶块的拼装方式，把千斤
顶的行程控制在 2管片加宽能够提高施工效率，有利于提高施工进度
简单,一般采用四轨三线制
5、管片宽度 根据国内外已建中等直径盾构隧道管片宽度的选择情况，对不同管片进行了比较。见表
7-1-1。
不同管片宽度的比较（Segment width comparison）
表 7-1-1
管片宽度
1.0m
1.2m
1.5m
广州地铁一号线、二号线海珠
国内应用情况
上海地铁一、二号线
广场一江南新村区间、南京地
同国外的相似条件下的工程进行比较，管片厚度差别很小。大体上说与欧洲相比，我国 的管片相对厚一点，与日本相比我国又相对薄一点。但我国在对结构耐久性的研究和相关规 范的制定方面却落后于国外，在国外对于结构的耐久性从设计到施工都有着比较详细的规定， 而我国的相关规范可操作性较差。因此在下一步的设计中，管片厚度的能否减薄主要取决于 结构耐久性方面的研究。
为了管片螺栓的拆卸方便，国外经常采用临时的斜螺栓连接，因此易于拆卸的管片连接 方式也是管片设计的一个发展方向。另外，快速连接接头(销钉连接)在国外也有使用，这有利 于加快管片的拼装速度。国内现在在小型的盾构隧道中正在进行这方面的尝试，经验成熟后， 在地铁区间隧道也可进行相关的试验研究。
纵向受力：随着管片的加宽，整体刚度变大，而且整个区间的环向接缝变少，对于控制纵
向不均匀沉降有利，但环间接缠受力变大
结构防水
随着管片的加宽，整个区间的环向接缝变少，有利于隧道防水
经济性
盾构机灵敏度 施工效率
水平运输系统 垂直运输系统
管片越宽，接缝越少，防水材料、钢筋、螺栓用量越省，但管片加重对吊装有更高的要求；
相对不便。而盾构施工的一个发展趋势是快速拼装，因此四分块方案现在已经淘汰。现在在 国内的隧道一般采用六分块方案：一块封顶块＋二块邻接块＋三块标准块。而且从有利于管 片拼装考虑，一般皆采用小封顶块。 这种分块方法也与国外经验相吻合，在国外中等直径的 盾构隧道一般采用 5～7 分块方案，而且封顶块的设计以利于减小千斤顶的行程(减短盾构机长 度，增加灵敏性)和管片运输、拼装为前提。随着大型盾构隧道的施工,管片分块也有向大分块 形式发展的趋势,先后出现 8、9、10、11 块等分块方案的, 管片外弧长也有所加大。如日本东 京湾隧道直径 13.9m,管片分 11 块,最大外弧长约 4m。
7.2、缓冲垫的设置 在国内的管片设计中，为控制管片开裂，环纵缝一般皆设置缓冲衬垫。在《地下铁道设
计规范》中有明确要求：环缝应设置缓冲衬垫；纵缝宜设置缓冲衬垫。 从结构受力和施工工艺考虑，管片环缝的衬垫是必须的。但纵缝的缓冲衬垫结合现在的
施工工艺水平是可以考虑取消的。根据欧洲的设计施工经验，在纵缝接触面采取一定的抗边 角开裂措施情况下可不设置衬垫，这对节约造价和减少施工环节都是有利的。国内在北京地 铁五号线试验段的设计施工中已经进行了这方面的尝试，施工情况是良好的,因此随着施工技 术的提高，管片纵缝接触面的缓冲衬垫会逐步取消。图 7-1-1 为一缓冲垫实例。
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图 7-1-1 缓冲垫
8、管片连接方式 国内区间隧道的管片连接一般采用螺栓连接，而且螺栓是永久性的。这与欧洲的设计习
惯“管片的接缝一般只在管片拼装时采用螺栓，工程竣工后大部分螺栓取消”差异很大。这种情 况主要取决于结构计算模式以及设计习惯的差异。在欧洲，管片接缝不考虑螺栓的作用，而 是按弹性铰接接头进行整个结构的受力分析；在国内，管片接头基本按与结构等强进行考虑， 按匀质圆环进行分析，因此接头设计相对较强。增加管片接头的连接刚度有利于增强结构的 整体性和控制结构的变形，但盾构隧道施工和运营期间的一些问题与接头设计有一定的关系， 比如曲线施工中管片的开裂和结构后期变形造成的结构的附加应力等。
对于管片连接可否减弱或减弱到何种程度，国内现在还没有一个一致的看法。从国外经 验看，环、纵缝的连接都有减弱的余地。而且，国内施工采用的机械都很先进，设计施工技 术已日趋完善，部分工程的施工质量可以与国外相提并论。因此从节约工程造价考虑，可考 虑在国内地质较好的地区(例如广州、深圳或北京)先进行这方面的试验。
国内管片连接的螺栓在早期上海地铁中以直螺栓为主，由于直螺栓需要设计较大的管片 手孔，对结构削弱较大，因此在近期的盾构隧道又基本来用弯螺。图 7-1-2 为南京地铁二号线
使用过的弯螺栓。
图 7-1-2 南京地铁二号线使用的弯螺栓图片
弯螺栓的连接存在两个问题：容许管片错位的能力差，因此管片若错位较大，经常造成 管片手孔处混凝土的开裂；另外弯螺栓安装相对困难，基本难以拆卸。
对大直径,深埋深及深水头压力下的公路隧道,管片的厚度较地铁区间大.上海延安东路越 黄浦江公路隧道(最大埋深 36m,设计水头压力 0.3MPa 管片外径 11.0m,内径 9.9m,环宽 1.0m)管 片厚 55cm;上海大连路越黄浦江公路隧道管片厚从 55cm 优化到 48cm;日本东京湾海底隧道(海 水面下约 55m,水深约 28m,覆土约 20m,管片外径 13.9m,内径 12.6m,环宽 1.5m) 管片厚 65cm 等 [3].
广州地铁二号线
铁一号线、深圳地铁和北京地
铁五号线
国外应用情况
日本、欧洲常用
日本、欧洲常用
近年来欧洲较常用
横截面受力：与管片宽度关系不大
局部抗压：随着管片的加宽，千斤顶的推力加大，但平板型管片局部抗压皆能满足要求
结构受力
施工荷载影响：施工中千斤顶的偏心、管片纠编造成的附加荷载随着管片的加宽其不利影 响加大
对于中小直径的圆形盾构隧道，国内外普遍采用平板型管片，因其手孔小对管片截面削 弱相对较少，对千斤顶推力有较大的抵抗能力，正常运营时对隧道通风阻力也较小。现在国 内外很多大直径隧道也采用平板型管片。
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4、管片分块 早期在上海地铁试验段曾进行过四分块的试验，但是，由于管片较大，运输、拼装作业
3、管片结构型式 隧道断面形状可分为圆形、椭圆形、矩形、复合圆形等多种断面。管片的形状根据各种
断面的形状来设计。我国地下隧道通常为单圆形、箱行等，因而钢筋混凝土管片结构型式主 要有：箱型管片和平板型管片。
箱型管片主要用于大直径隧道，手孔较大利于螺栓的穿入和拧紧，同时节省了大量的混 凝土材料，减轻了结构自重，但在千斤顶的作用下容易开裂，国内应用很少。在上海穿越黄 浦江的两条公路隧道——打浦路隧道和延安东路隧道中都采用了直径约 11.22m 的箱型管 片。
结合国外经验进行比较：在欧美盾构隧道以单层衬砌为主，双层衬砌很少使用；在日本 双层衬砌和单层衬砌都多有采用。比较双方的差别，这可能主要由于大的地质构造方面的差 异，日本一直是一个地震高发带，而欧洲相对比较稳定。国内修建地铁隧道的城市地震烈度 基本为 6～7 度，从这点看，国内更趋向于欧洲的经验。
2、 管片内径的确定 隧道内径的确定主要取决于地下结构的建筑限界，同时还要考虑施工误差、测量误差、
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6、管片厚度 管片的厚度一般为管片外径的 5%～6%。 上海地铁、南京地铁一号线的管片厚度为 350mm，广州地铁一号线、二号线及北京地铁
五号线试验段的厚度皆为 300mm 。按照国内的设计经验，一般在富水的软流塑地层中管片采 用 350mm 的厚度；在地基承载力较高的地层中采用 300mm 的厚度。按照国内地铁区间的埋 深和地质情况，软土地层中管片的厚度并不取决于管片的结构受力，主要取决于管片的耐久 性要求，若单纯从受力分析，管片厚度有减薄的可能性。
在国外,管片榫槽设置是很有针对性的：榫槽一般设置在环缝接触面，纵缝接触面很少设 置榫槽(有的工程在封顶块和邻接块接头面设计纵缝榫槽)。而且对于中等直径的盾构隧道一般 不设计榫槽，若在环缝接触面设计榫槽一般都很小，与国内的大榫槽差别较大。因此国内设 计思路与国外有着较大的差异，分析其原因主要是对错缝拼装下控制管片开裂的整体施工水 平的担心。预计随着施工技术的进步，错缝拼装将普及，以利用其提高管片接头刚度，因此 从利于施工的角度出发，榫槽的设置将相对减少，而且软土地层中管片纵缝榫槽将被环缝榫 槽所取代。
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第七章 钢筋混凝土衬砌管片的设计与制造
盾构隧道一般采用管片衬砌作为永久支护结构，作为永久支护结构的管片的制造、安装 技术是隧道建设的关键技术之一。管片类型基本上分为钢管片,铸铁管片,复合管片,钢筋混凝土 预制管片等;管片的连接主要有螺栓连接,销接等连接方式.
随着盾构隧道衬砌技术的快速发展,由于钢管片,球墨铸铁管片的成本高,资源耗费大,使用 比例越来越少,只在少数特殊衬砌中使用(如隧道连通道,急转弯处等)；国内外大量的隧道衬砌 技术均采用钢筋混凝土预制管片衬砌技术，钢筋混凝土管片预制、衬砌技术得到飞速发展。
榫槽的设置主要是增加管片的连接刚度，并有利于控制管片拼装的精度。增加榫槽设计 从理论上分析应该说是有利的，但对管片拼装速度、错缝拼装情况下管片开裂的控制相对而 言是不利的。因此中等直径的盾构隧道是否需要设计榫槽或榫槽如何设置，在工程实施中还 应该进一步进行考虑。
若从结构受力和变形看，管片纵缝在外部水土压力下接缝张开小，而管片环缝由于地质 变化或不均匀沉降，接缝张开相比纵缝要大一些。若从管片施工拼装看管片的错台问题也主 要集中在环缝，因此增加环缝的接头刚度和控制环缝的管片错位是接缝榫槽设计应优先考虑 的问题。
线路拟合误差及不均匀沉降等诸多因素。 由于隧道的不同用途，地下结构的建筑限界不同,隧道内径尺寸方面的变化较大,小的输水
隧道内径只有 2m 左右,公路隧道直径日益向大的方向发展,如上海大连路公路隧道和延安东路 隧道直径均达 11.22m。沪-崇-苏越江公路隧道直径达 15.20m,是目前世界上最大直径的盾构公 路隧道;日本东京隧道直径达 14.14m;以及德国易北河盾构公路隧道直径达 14.20m 等。 国外隧道内径尺寸的发展情况大体上也是以上特点,主要受地下结构的建筑限界和盾构设备技 术进步的影响。
要求高,采用列车编组
简单
较简单
要求高
从比较可以看出，在整个机械系统配备合理协调的情况下，随着设计、施工经验的成熟， 管片宽度有逐渐增大的趋势。而且从结构防水、加快施工进度考虑，管片加宽是有利的；从 经济性出发，管片加宽可节约综合造价。
管片宽度由于受到机械系统的约束，其最大宽度有着一定的限制，从国内外的资料看，对 于中等直径的地铁区间隧道，一般不超过 1.5m。总体来说，在国内现有的设计和施工水平下， 管片有条件取较大的宽度，可在 1200mm～2000mm 之间根据具体工程条件进行选择。刚刚开 工建设的武汉长江公路隧道管片宽度为 2.0m,这是目前为止世界上的最大宽度 。
7、管片接触面构造 管片接触面构造[1,23]包含两个方面：管片环、纵缝接触面榫槽的设置和接缝缓冲垫的设置。
7.1、榫槽的设置
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按照国内的设计经验，在富水的软流塑地层中一般要设置榫槽。管片若采用通缝拼装，管 片环、纵缝接触面皆设置榫槽，例如上海地铁盾构区间隧道基本采用此种做法；但管片若采用 错缝拼装，管片只在纵缝接触面设置榫槽，例如上海的黄浦江观光隧道(内径接近地铁区间隧 道)和南京地铁区间盾构隧道均采用此种做法.在地基承载力较高的地层中一般不设置榫槽，国 内这方面的实例很多，例如广州地铁一号线、二号线、深圳地铁和北京地铁五号线试验段。