城市地铁盾构区间优化设计研究

城市地鋏盾构区间优化设计研究

李卫娟（石家庄市轨道交通有限责任公司，河北石家庄050000)

【摘要】由于地铁工程建设涉及到的专业问题相当多，而且工程受不同地质、环境影响，需结合工程的实际情况对相关设计进行有效优化，才 能保证工程的顺利推进和建成后的安全性、稳定性、实用性。基于此，本文介绍了 4种盾构区间设计的基础理论，并结合相关理论在实际应用中 的情况，提出了相关设计在技术和经济上的优化建议,希望能为城市地铁盾构区间的建设提供新的设计思路。【关键词】地铁盾构;修正惯用法;管片配筋【中图分类号】TU455.43

【文献标识码】A

【文章编号】2095-2066(2018 )01-0263-02

地铁区间设计是城市地铁工程项目中的重要内容。在设 计内容中，对于所有工程设计参数如管片厚度、配筋率、混凝 土强度、环宽等，需将设计模型和地区设计习惯相结合，进行 合理的研究，才能实现对盾构区间设计的优化，使工程设计符合工程建设需求

算出的结果更大的情况，其中以多铰圆环法的计算结果最小， 因此这种方法是最经济的设计。但这种方法的应用存在一个 问题，那就是弯矩的降低是有前提条件的，即必须以铰工作为 基础，接头需要设置特殊的结构或在施工时卸除接头螺栓才 能发挥铰的作用，而这种方法需要更大的隧道埋深才能实现， 但我国的地铁埋深都达不到这样的要求，且存在地层不穗定 等问题，因此多铰圆环法在我国地铁盾构区间的设计中使用 并不多。

梁-弹簧法虽然能比较真实地还原实际情况，但计算较复 杂，需编制专用的程序完成计算。另外，其计算模型中管片间 螺栓旋转弹簧和管片环间剪切弹簧的模量的确定是一个难 点，会对计算结果产生很大的影响。梁-弹簧法适用于一些大

直径盾构[2]遥

修正惯用法则具有计算简单、实用，且比较符合实际等多 种优势，较适用于小直径盾构的设计。

1盾构结构设计力学基础理论分析

1.1盾构结构设计力学设计方法

经过多年的实践研究，针对城市地铁盾构区间的设计已 形成了很多种力学基础理论，并在这些理论的基础上延伸出 了多种设计方法，目前常用的主要有以下4种：

(1) 惯用法

这种方法是以管片环保持刚度均匀的前提进行考虑的计 算方法。即在设计计算过程中，忽略管片接头部分因弯曲的原 因而出现的刚度下降因素，而视管片不与管片主截面的刚度 一致。

(2) 修正惯用法

这种方法同样是以管片环作为刚度均匀的环为前提来进 行计算，但计算中将管片接头部分因弯曲造成的刚度下降考 虑到计算中，同时还加入了环向螺栓处的弯矩上升因素。在该 方法中，视衬砌圆环为弹性匀质圆环，管片接头部分的刚度折 减以不考虑具体位置的整体性降低衬砌圆环抗弯刚度的方 法，用<1.0的系数卵来体现，刚度折减后的衬砌圆以曲梁单元 模拟，错鏠拼装时出现的附加内力值以<1.0的系数§表示。盾 构管片参数以§为20~30%来进行初步确定[11。

(3) 多铰圆环法

该方法以铰结构为管片接头来进行相关计算。但多铰圆 环结构的一个问题是其柄身结构并不穗定，需利用隧道周围 围岩施加的围压才能使结构呈现出穗定性，因此该方法只适 用于围岩状态良好、抗力普遍存在的施工环境，对工程的地层 要求较高，在应用上存在很大局限性。

(4) 梁-弹簧法

该方法是以成梁模拟管片主截面、以旋转弹簧模拟管片 环向接头、以剪切弹簧模拟和片径向接头的方法用底层弹簧 来表示地层与管片环之间的相互作用。这种方法的一大优势 是将地层中管片受力的实际情况较好地反映出来。1.2

2管片配筋

作为盾构设计中的重要环节，管片配筋直接对盾构的结 构产生影响，在盾构结构的安全性、耐久性、经济性方面起到 了决定性作用。目前，还没有比较固定的管片配筋形式，但这 一部分的工作具有很强的实际意义。目前，各个地铁工程中对 管片配筋的选择比较多样，如广州地铁2号线赤鹭区间采用 的就是以U型筋连接上下排主筋的欧洲规范，而广州地铁3 号线市番、天华区间则提高两端沿环向布置的主筋再加小箍， 将横向和纵向主筋都做成暗梁，从而提升管片配筋的强化，还 在千片顶面的暗梁内外两侧和容易出现裂缝的螺栓也处都加 了腰筋，更合理地布置了钢筋的受力。南京、香港等地则以管 片4边加暗梁的方法予以处理。

管片的裂缝一直是施工中很难避免的问题，这主要是由 于设计时没有对工程项目现场的工况进行深入了解，从而在 设计中忽视了对一些参数的考虑，使设计无法满足实际需求 而造成的。在实际的掘进过程中，围岩不均、纠偏、曲线施工以 及姿态控制要求等多种原因都会使千斤顶的推力出现不均匀 分布问题，从而使局部出现拉应力超限，导到裂缝、破损等情 况出现。当管片离开盾尾后，新拼管片将千斤顶的推力进行了 分散传递，裂缝就会变小。因此随着隧道施工的结束，圆型盾 构隧道的受力状态会越来越穗定，在施工期间出现的裂缝问 题就会逐渐消失。但在实际施工过程中，还会出现一些超出裂 缝宽度要求的荷栽出现，这种情况的出现与地质条件和人为 因素都有关系，如果只是偶发事件，通过后期的管片修补就可 以得到较好的处理效果，在费用上也可实现节省，无需采用增 加强配筋的方法。目前，还不能就最小配筋率给出很好的计算 建议。

在管片的选择方面，欧洲管片钢筋的含钢量为80~100kg/m3， 加入钢筋强度等因素的考量，其实际钢量为107~130kg/m3。目

盾构结构设计力学基础理论比较

利用这4种方法进行计算时，一些基本参数的设定基本

上是一致的，比如自重、垂直土和水平土压力、上部垂直荷栽 抗力等，其区别主要体现在对水平地层抗力的设定方法上。以 一个三角形分布荷栽的方法用于对水平地层抗力的设定是惯 用法和修正惯用法的特点。而多铰圆环法和梁-弹簧法则以地 层弹簧来进行水平地层抗力的设定。一般情况下，在工况处于 正常条件时，采用以上4种方法进行弯矩计算，得出的结果通 常会出现修正惯用法和梁-弹簧法比修正法和多铰圆环法计

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绿色交通LOW CARBON WORLD 2018/1

高性能混凝土在公路林梁施工中的作用

陈海燕(汕头公路桥梁工程总公司，广东汕头515041)

【摘要】公路桥梁施工的主要技术就是对混凝土的应用，在公路桥梁的建设中，混凝土的广泛应用，促进了公路桥梁的良好建设。在建设的过 程中，混凝土结构起着非常大的作用，高性能混凝土就是这样一种具有良好特性的创新型材料，其在普通混凝土的基础上加以改进创新，使混 凝土具备更加优良的特点，如高强度、耐久性强、刚度大且具有一定的弹性，因此很快得到了广泛的应用于推广。本文通过高性能混凝土与普通 混凝土的对比，以及对高性能混凝土分别在公路和桥梁的应用进行了详细阐述,并分析了其施工工艺，从而得出高性能混凝土在桥梁建设中具 有极为重要的地位。

【关键词】高性能混凝土;公路桥梁;施工【中图分类号】U445.57

【文献标识码】A

【文章编号】2095-2066(2018)01-0264-02

1引言

随着经济的发展，科学技术的进步，以及可持续发展理念 的深入，建筑界进行了不懈的探索研究，取得了很多成就，促 进了建筑业的发展。公路与桥梁构成了人们现代生活中最基 本的交通公路基础设施。由于公路和桥梁建成后，就意味着要 暴露在所处的环境中接受烈日的暴晒，狂风暴雨的吹打和河 流，江水，海水的冲击与侵蚀等各种来自自然环境的重重考 验。同时还要各种栽重较大的车辆的碾压，这对公路和桥梁的 性能以及存续时间有着极其显著的影响。近年来，人们在实践 操作过程中，研发出了一种新型的公路和桥梁建设材料，高性 能混凝土。在普通混凝土的基础上加以改进创新，提高了混凝 土的强度和耐用性，并且使混凝土有更高的使用性和经济效 益的高性能混凝土如今广泛应用于公路桥梁建设中。由于这 一材料极大地提高了公路桥梁的耐久性和耐侵蚀性，延长公 路桥梁的使用寿命的同时也减少了公路和桥梁维护过程中的 人力和资源，得到了非常广泛的应用。

石材。在高性能混凝土出现以前，普通混凝土材料在公路桥梁 的施工就已经有了很久的使用历史。虽然在施工过程中，人们 曾采取过很多办法来加强其性能，但是由于其自身的限制，普 通混凝土还存在着诸多无法克服的问题。在生活中，我们会经 常见到一些时间比较久的老的公路桥梁，会发现经常出现开 裂的现象，而且也会使公路桥梁的表面显得很难看，让人看着 不舒服。通过分析总结，可以发现普通混凝土有如下缺点：① 普通混凝土的拉伸强度不高。这是因为普通混凝土是由碎石， 卵石、沙子和水泥简单混合而成的，它通过砂、石的比较坚固 的特性来支撑混凝土的结构。但水泥、砂石和砾石又是相对比 较叫来说具有易脆性的材料，这使得它们的抗拉强度不足。因 此一旦普通混凝土发生拉伸或弯曲时，就会容易开裂。②普通 混凝土的弹性不高。在负重比较大的情况下，会经常出现普通 混凝土因其自身的弹性不足而导致路面开裂的情况。此外，普 通混凝土会比较容易收缩变形，即会容易因受到外部环境的 影响而改变其内部结构。比如：随着温度的变化，普通混凝土 会随着变硬，这会使得混凝土的体积随着混凝土中的水分逐 步蒸发而减小，进而导致其变形或出现裂缝。2.2

2高性能混凝土与普通混凝土的对比 2.1普通混凝土

传统意义上的混凝土通常是指以水泥为主要凝胶材料， 伴有砂、石子、水，必要时掺入化学外加剂和矿物掺合料，按适 当比例配合，经过均匀搅拌、密实成型及养护硬化而成的人造

高性能混凝土

随着改革开放的快速发展，经济发展的速度对交通运输

行业也有着越来越高的要求，未来路面混凝土发展的方向必

CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC

前，我国采有的管片钢筋的含钢量为145~160kg/m3。随着原材 料技术的不断进步，已有一些钢纤维混凝土管片应用的成功 经验积累，这种管片的钢纤纤掺量仅为30~60kg/m3。

对于管片配筋的代化设计，可参照以下两点：(1)

好地保证隧道外观质量，改善隧道的纵向受力条件，再以小半 径环宽进行综合设计，可在很大程度上加大设计优化的空间。

4结束语

共 和 研 我

综上所述，地铁工程对于缓解我国城市日渐增长的公

以工程地质情况为基础，通过对管片的受力机理的研

交通压力具有非常好的效果，为保证地铁工程的进度、质量

究，结合合理的计算模式，考虑工程施工和正常使用时的状 成本控制，应不断深入针对城市地铁盾构区间的设计优化态，使钢筋的含量布局更合理。计算模型可采用梁-弹簧法为 究，实现工程项目获得最大化的社会效益和经济效益，促使基础理论，校核则采用修正惯用法。

(2)

国的地铁工程设计水平进一步提高。

平衡设计施工风险和投资风险，以免出现前期投资过

参考文献

分节省，使施工出现开裂等现象，在后期再通过加大管片配筋 的方法处理问题，反而会增加处理费用的投入。建议采用四边 箱型暗梁的方案。

[1] 石建泽.某盾构下穿北京地铁双线盾构区间结构变形分析及控制研 究[D].北京：北京交通大学，2014.

[2] 陈煥然，李金城.城市地铁盾构区间施工测量方案设计与实践[J].铁 道勘察，2008(03): 7~11.

3环宽设计优化

管片环宽的大小会对工期、工程质量和造价造成很大影 响。以往，由于配套技术的不足，常采用较小的环宽，一方面可 使施工材料的搬运、组装更方便，另一方面在小半径内施工可 以更省力，但缺点是施工接缝多、螺栓使用量大，常出现较多 的接头渗漏水缺陷。随着技术的不断进步，大型管片的应用已

收稿日期:2017-12-3

作者简介：李卫娟（1981-)，女，河北河间人，工程师，本科，从事建筑结构工作。

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成为主流的发展趋势，较大环宽的管片总体成本更低，还能更