浅论盾构区间结构设计

    1、引言

    盾构工法自问世以业,由于在节约地下空间资源、减少对周边环境的影响、降低工程造价等方面的独到的优势而逐渐在地铁、市政等工程建设中得到广泛应用。

    本文主要以广州轨道交通二、八号线广州新客站~石壁站盾构区间为工程背景,阐述盾构区间设计要点。

    2、工程概况

    广州轨道交通广州新客站~石壁站区间左线全长728.862 m(含长链0.126);右线全长728.41m;区间全采用盾构施工,其中在Z(Y)CK1+100处设一联络通道;最小曲线半径为1500m,最大纵坡为15.668‰,最大坡长为530m。

    广州新客站~石壁站区间总平面图

    广州新客站~石壁站区间纵断面图

    3、主要设计原则及标准结构设计应满足施工、运营、城市规划、人防、防水、防火、防迷流的要求;结构应具有足够的强度和耐久性,以满足使用期的需要。

    结构的设计使用年限为100年;结构的安全等级为一级;区间隧道结构防水等级为二级;盾构圆形隧道限界为5200mm.

    4、工程地质与水文地质本工程盾构施工穿越的土层为:<3-2> 中粗砂、<4-1>粉质粘土、<5-2> 硬塑粉质粘土、<7>白垩系红层强风化带。隧道覆土埋深5m~9m,

    5、管片构造设计1)隧道内径:

    地铁圆形隧道限界为φ5200mm的圆。隧道内径的确定应综合考虑限界、施工误差、测量误差、线路拟合误差、不均匀沉降等因素。

    结合广州地铁的成功经验,隧道的内径定为5400mm.

    2)管片形式及厚度:

    根据广州、上海等地地铁盾构法区间隧道和国外类似工程的成功经验,表明采用具有一定刚度的单层柔性衬砌是合理的。其衬砌的变形、接缝张开及混凝土裂缝开展等均能控制在预期的要求内,完全能满足地铁隧道的设计要求;且使用单层衬砌,施工工艺简单、工程实施周期短、投资省。鉴于以上理由,盾构隧道采用单层装配式衬砌,管片形式选择当前常用的平板型钢筋混凝土管片。考虑结构100年使用寿命及参照已有工程实例,钢筋砼衬砌的厚度采用300mm,采用C50混凝土管片。

    3)管片的宽度及分块:

    衬砌环环宽越大,即管片宽度越宽,衬砌环节缝越少,因而漏水环节、螺栓数量越少,施工速度越快,费用越省。但盾构机千斤顶的行程要大,施工难度亦有一定提高,在小半径曲线上,1.5m管片比1.2m、1.0m宽管片的设计拟合误差大,但本工程盾构隧道最小曲线半径为1500m,拟合误差很小。

    与环宽1.2m的管片相比,采用环宽1.5m的管片有以下优点:一方面,减少了20%的环向接缝数量,降低了接缝漏水的几率,提高隧道防水质量;另一方面,降低了接缝止水材料和连接螺栓的使用量;此外还可减少20%的拼装时间,提高了施工速度。

    根据目前广州的盾构机机械情况,综合考虑管片的制作、运输、拼装及曲线施工的需要,决定采用了1.5m的环宽。

    衬砌环的分块主要由管片制作、防水、运输、拼装、结构受力性能等因素确定。地铁隧道管片常用分块数为六块和七块两种。分六块和分七块在制作、运输、施工方面没有大的差别。在国内上海地铁一号线、广州地铁一、二、三号线盾构区间隧道都采用六块方案。

    根据隧道的实践经验,考虑到施工方便以及结构受力的需要,目前封顶块一般趋向于采用小封顶块形式。封顶块的拼装形式有径向楔入、纵向插入等几种。径向插入者其半径方向的两边边线必须呈内八字形或者平行,受荷后有向下滑动的趋势,受力不利。采用纵向插入形式的封顶块受力情况较好,受荷后不易向内滑动,其缺点是需加长盾构千斤顶的行程。

    本设计确定采用六块方案,一块封顶块,两块邻接块,三块标准块。

    4)环、纵缝及连接构造:

    管片接缝构造包括密封垫槽、嵌缝槽及凹凸榫的设计,其中前者为通用的构造方式,而凹凸榫的设置与否在不同时期、不同区域的工程实践中有着不同的理解。凹凸榫的设置有助于提

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