城市軌道交通盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑選擇研究

王國(guó)富， 唐卓華， 路林海

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

城市軌道交通盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑選擇研究

王國(guó)富， 唐卓華*， 路林海

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑選擇的合理與否直接關(guān)系著隧道的整體性能，為優(yōu)化盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑，調(diào)研國(guó)內(nèi)外各大城市既有盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑的情況，從隧道壽命、建筑限界、軌道鋪設(shè)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)管片內(nèi)徑選擇進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論： 為確保特殊地段道床的減振效果，建議將盾構(gòu)隧道的建筑限界調(diào)整為5 300 mm；地鐵盾構(gòu)隧道壽命應(yīng)與城市發(fā)展壽命相一致，管片內(nèi)徑加大到5 800 mm及以上是符合實(shí)際需求的，可為后期二次襯砌加固預(yù)留空間，并且能夠大幅降低后期的維修保養(yǎng)投入。

城市軌道交通； 盾構(gòu)隧道； 管片內(nèi)徑； 隧道壽命； 建筑限界； 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)、社會(huì)的發(fā)展、現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，城市人口和車輛都在大幅增長(zhǎng)，造成地面建設(shè)用地日益緊張，城市交通問題日趨嚴(yán)峻，這迫切需要各大城市修建地鐵。作為地鐵建設(shè)的一種方法，盾構(gòu)法具有施工速度快、自動(dòng)化程度高、工期和造價(jià)可控性好、風(fēng)險(xiǎn)小、施工受外界環(huán)境影響小及節(jié)省人力物力等優(yōu)點(diǎn)，受到了各大城市的青睞[1]。

管片作為盾構(gòu)隧道的主要裝配構(gòu)件，其內(nèi)徑選擇的合理與否直接關(guān)系到隧道的整體性能。大量學(xué)者對(duì)盾構(gòu)管片的選型進(jìn)行了研究，如： 國(guó)際隧道協(xié)會(huì)提出了盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)方法[2]；劉鳳華[3]研究了通用管片的擬合排版和動(dòng)態(tài)選型技術(shù)；徐志玲等[4]提出了一種基于矢量運(yùn)算的通用管片選型計(jì)算方法；林建平[5]分析影響管片拼裝質(zhì)量的因素，總結(jié)了管片選型的一些原則；楊志團(tuán)[6]針對(duì)高壓富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道管片選型中遇到的關(guān)鍵問題，通過類比分析確定了管片襯砌形式、限界與隧道凈空、管片環(huán)寬與分塊方式等。但在管片內(nèi)徑選擇上的研究較少，且不夠深入，各地基本都是在借鑒北京、上海、廣州、深圳等城市盾構(gòu)隧道施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)、水文地質(zhì)以及周邊環(huán)境來確定管片內(nèi)徑。因此，有必要深入探究盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑的選擇問題，為今后的城市軌道交通建設(shè)提供參考和借鑒。

1 國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑調(diào)研

目前，國(guó)內(nèi)外各大城市已建或在建的地鐵單線盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑是不統(tǒng)一的，如： 北京、深圳、廣州、重慶、西安、成都、大連等地已建盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑為5 400 mm，上海、天津、南京、蘇州、杭州、寧波、昆明等地已建盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑為5 500 mm，臺(tái)北的管片內(nèi)徑為5 600 mm，德國(guó)科隆的管片內(nèi)徑為5 700 mm，新加坡環(huán)線的管片內(nèi)徑為5 800 mm，北京新建盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑已調(diào)整為5 800 mm，上海、重慶新建盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑調(diào)整為5 900 mm，深圳新建盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑調(diào)整為6 000 mm，其基本規(guī)律是地質(zhì)條件較差的城市管片內(nèi)徑取值大些，地質(zhì)條件較好的取值小些。對(duì)國(guó)內(nèi)外各大城市已完工盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)隧道施工完成后存在調(diào)線調(diào)坡困難、建筑限界緊張(尤其在特殊減振及高等級(jí)減振地段)以及后期運(yùn)營(yíng)加固費(fèi)用高等問題，如： 上海既有內(nèi)徑為5 500 mm的盾構(gòu)隧道收斂變形超過100 mm時(shí)，限于非常緊張的建筑限界，只能采用隧道內(nèi)施加鋼圈的加固方式，加固一環(huán)的費(fèi)用約為30萬元，加固費(fèi)用極其昂貴[7-9]，這迫使一些城市開始研究加大盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑的問題。

考慮到國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)以及隧道使用壽命的延長(zhǎng)，我們認(rèn)為，加大城市盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑是必要的。加大管片內(nèi)徑，既能緩解建筑限界緊張的問題，又能為管片后期修補(bǔ)加固提供條件，而且還能解決速度較高線路的阻塞比問題。

2 隧道壽命分析

鋼筋銹蝕會(huì)使混凝土開裂，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最直接因素[10]。與地面建筑不同，地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性不僅受到混凝土碳化、氯離子入侵的影響，而且還受到雜散電流的影響。國(guó)內(nèi)外軌道交通的直流牽引供電系統(tǒng)普遍采用走行軌回流的供電方式，泄漏到道床及周圍土壤介質(zhì)便會(huì)形成雜散電流，雜散電流對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)中的鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，會(huì)降低地鐵結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性[11]。

目前，在國(guó)內(nèi)外地鐵建設(shè)中普遍采用鋼筋混凝土管片，鋼筋混凝土管片作為地鐵結(jié)構(gòu)的一部分，不可避免地受到混凝土碳化、氯離子入侵以及雜散電流腐蝕的影響。在混凝土碳化、氯離子入侵以及雜散電流腐蝕共同作用下，鋼筋混凝土管片的耐久性壽命為100～120年[12]。這就意味著，即使不考慮其他影響因素，現(xiàn)有地鐵運(yùn)營(yíng)100～120年后，若不采取一定的管片加固措施，很難保證繼續(xù)正常運(yùn)營(yíng)。調(diào)研國(guó)內(nèi)一些城市既有地鐵的現(xiàn)狀可知，如果不加大內(nèi)徑，預(yù)留二次襯砌的加固空間，地鐵的有效使用壽命恐怕還達(dá)不到100年。

城市軌道交通承擔(dān)著完善城市規(guī)劃、優(yōu)化城市組合以及引領(lǐng)城市發(fā)展的使命，其壽命應(yīng)與城市發(fā)展壽命相一致，不允許在運(yùn)營(yíng)100～120年或者不到100年就無法繼續(xù)使用，即城市軌道交通的修建必須要考慮結(jié)構(gòu)后期二次襯砌加固的問題。鑒于上海既有內(nèi)徑為5 500 mm的盾構(gòu)隧道采用鋼圈加固費(fèi)用高，且地鐵隧道壽命應(yīng)與城市發(fā)展壽命相一致的問題，故需加大城市軌道交通盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑，以便為新技術(shù)(如抗碳化技術(shù)、氯離子遷移技術(shù)、滲透改造技術(shù)、混凝土自修復(fù)技術(shù)或二次襯砌加固技術(shù)等)在盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用預(yù)留空間，這是符合一個(gè)城市長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求的。

3 建筑限界分析

目前盾構(gòu)隧道的建筑限界是5 200 mm，這對(duì)于普通道床地段是合適的。但特殊減振道床地段不同，為確保減振效果，兩鋼軌間的道床需做成凸臺(tái)設(shè)計(jì)(如圖1所示)，這會(huì)對(duì)隧道后期運(yùn)營(yíng)時(shí)的鋼軌打磨造成極大影響。為滿足特殊減振道床的高度要求，需將建筑限界調(diào)整至5 300 mm，北京新建線路中已明確了這一點(diǎn)。

圖1 盾構(gòu)隧道特殊減振地段短枕式整體道床(單位： mm)

Fig. 1 Short sleeper type of track bed in special vibration reduction section of shield tunnel (mm)

將盾構(gòu)隧道的建筑限界調(diào)整至5 300 mm，如果不考慮預(yù)留二次襯砌加固的空間，則在限界外預(yù)留±100 mm的施工誤差(包括測(cè)量誤差)、±50 mm的后期不均勻沉降，可將盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑確定為5 600 mm(如圖2所示)；若考慮預(yù)留二次襯砌加固的空間，則在限界外預(yù)留±100 mm的施工誤差(包括測(cè)量誤差)、300 mm的二次襯砌加固空間，可將盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑確定為5 800 mm(如圖3所示)。

盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑為5 400、5 600、5 800 mm時(shí)，相應(yīng)的隧道建筑限界對(duì)比見表1。

由圖2、圖3及表1可看出，城市軌道交通盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑確定為5 800 mm及以上是比較合適的。

圖2 管片內(nèi)徑為5 600 mm時(shí)隧道直線段建筑限界(單位： mm)

Fig. 2 Tunnel construction clearance of straight section when segment inner diameter of 5 600 mm (mm)

圖3 管片內(nèi)徑為5 800 mm時(shí)隧道直線段建筑限界(單位： mm)

Fig. 3 Tunnel construction clearance of straight section when segment inner diameter of 5 800 mm (mm)

4 軌道鋪設(shè)分析

目前，北京、深圳等地已建的管片內(nèi)徑為5 400 mm的盾構(gòu)隧道，其一般直線地段及鋼彈簧浮置板直線地段軌道結(jié)構(gòu)斷面如圖4所示。由圖4可以看出：在一般直線地段，當(dāng)施工誤差達(dá)到100 mm時(shí)，道床排水溝非常窄，只有113 mm，如遇曲線段，排水溝將更窄；在鋼彈簧浮置板地段，當(dāng)施工誤差達(dá)到100 mm時(shí)，浮置板道床無法實(shí)施，要保證浮置板能正常鋪設(shè)，施工容許誤差就必須控制在30 mm以內(nèi)，否則就需要通過調(diào)線調(diào)坡來解決。

當(dāng)盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑加大到5 600 mm時(shí)，其一般直線地段及鋼彈簧浮置板直線地段軌道結(jié)構(gòu)斷面如圖5所示。由圖5可以看出： 在一般直線地段，當(dāng)施工誤差達(dá)到100 mm時(shí)，道床鋪設(shè)不受影響；在鋼彈簧浮置板地段，當(dāng)施工誤差達(dá)到100 mm時(shí)，浮置板道床仍無法實(shí)施，要保證浮置板能正常鋪設(shè)，施工容許誤差必須控制在82 mm以內(nèi)，否則也需要通過調(diào)線調(diào)坡來解決。

表1 不同管片內(nèi)徑下隧道建筑限界對(duì)比

Table 1 Comparison among shield tunnels with different inner diameters

管片內(nèi)徑/mm優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)5400 1)既有盾構(gòu)較多；2)穿越建筑物相對(duì)容易；3)施工成本相對(duì)低 1)后期線路調(diào)線調(diào)坡概率大；2)在特殊減振段，道床只能做成凸臺(tái)設(shè)計(jì)，不利于鋼軌的打磨養(yǎng)護(hù)；3)設(shè)備管線布置相對(duì)局促；4)區(qū)間疏散平臺(tái)寬度較窄；5)結(jié)構(gòu)二次襯砌加固非常困難5600 1)穿越建筑物相對(duì)容易；2)施工成本相對(duì)低；3)盾構(gòu)掘進(jìn)速度快，后期線路調(diào)線調(diào)坡概率?。?)在特殊減振段，道床可不做成凸臺(tái)設(shè)計(jì)，利于鋼軌的打磨養(yǎng)護(hù)；5)區(qū)間疏散平臺(tái)相對(duì)較寬 1)既有盾構(gòu)較少；2)設(shè)備管線布置相對(duì)局促；3)結(jié)構(gòu)二次襯砌加固比較困難5800 1)盾構(gòu)掘進(jìn)速度快，后期基本不需要調(diào)線調(diào)坡；2)在特殊減振段，道床可不做成凸臺(tái)設(shè)計(jì)，利于鋼軌的打磨養(yǎng)護(hù)；3)區(qū)間疏散平臺(tái)空間很寬，疏散行走方便；4)設(shè)備管線布置空間靈活；5)結(jié)構(gòu)二次襯砌加固空間充足 1)既有盾構(gòu)較少；2)穿越建筑物相對(duì)不易；3)施工成本相對(duì)較高

(a) 一般直線地段

(b) 鋼彈簧浮置板直線地段

Fig. 4 Cross-section of track structure of straight section when segment inner diameter of 5 400 mm (mm)

(a) 一般直線地段

(b) 鋼彈簧浮置板直線地段

Fig. 5 Cross-section of track structure of straight section when segment inner diameter of 5 600 mm (mm)

當(dāng)盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑加大到5 800 mm時(shí)，其一般直線地段及鋼彈簧浮置板直線地段軌道結(jié)構(gòu)斷面如圖6所示。由圖6可以看出： 在一般直線地段，當(dāng)施工誤差達(dá)到100 mm時(shí)，道床鋪設(shè)不受影響；在鋼彈簧浮置板地段，當(dāng)施工誤差達(dá)到100 mm時(shí)，浮置板道床仍可正常實(shí)施，其施工容許誤差最大可達(dá)143 mm。

(a) 一般直線地段

(b) 鋼彈簧浮置板直線地段

Fig. 6 Cross-section of track structure of straight section when segment inner diameter of 5 800 mm (mm)

不同盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑下軌道結(jié)構(gòu)高度及施工容許誤差如表2所示。由表2可知： 盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑越大，道床容許的施工誤差就越大?？紤]到各大城市地質(zhì)條件的復(fù)雜性，盾構(gòu)掘進(jìn)施工難度大，施工誤差不易控制，故管片內(nèi)徑選擇為5 800 mm及以上對(duì)軌道結(jié)構(gòu)有利。

表2 不同管片內(nèi)徑下軌道結(jié)構(gòu)高度及施工容許誤差

Table 2 Heights of track structure and allowable construction errors of shield tunnels with different segment inner diameters mm

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑不同，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性也不同。以濟(jì)南王府莊站—大楊莊站盾構(gòu)區(qū)間為例，選取內(nèi)徑為5 400、5 600、5 800 mm，覆土為10、12、15、20 m的管片，對(duì)其使用階段的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 不同管片內(nèi)徑下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

Table 3 Techno-economic comparison among tunnels with different segment inner diameters

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方案1方案2方案3管片參數(shù)內(nèi)徑/mm外徑/mm厚度/mm彎矩/(kN·m)10m淺埋12m淺埋15m中埋20m深埋軸力/kN10m淺埋12m淺埋15m中埋20m深埋混凝土用量/(m3/環(huán))土方開挖量/(m3/環(huán))道床回填量/(m3/m)疏散平臺(tái)寬/(m/m)主筋截面配筋率/%10m淺埋12m淺埋15m中埋20m深埋盾構(gòu)掘進(jìn)/(元/環(huán))管片制作/(元/環(huán))管片鋼筋/(元/環(huán))管片運(yùn)輸(運(yùn)距20km)/(元/環(huán))道床混凝土/(元/環(huán))同步壓漿+背后注漿/(元/環(huán))疏散平臺(tái)/(元/環(huán))土方外運(yùn)(運(yùn)距20km)/(元/環(huán))單線延米投資/元正線千米投資/萬元每正線千米增加量/萬元540056005800600062006400300300300207．9208．8209．5250．6252．4254．3273．2282．2291．0274．3283．4292．2679．9714．6749．2798．7839．3879．4777．2843．9913．1780．7847．8917．26．446．706．9035．5137．8640．291．291．481．510．9040．9921．0990．740．740．740．840．840．840．840．840．841．311．311．3110865．8811228．0811590．278825．389181．689455．765981．476222．966408．722604．342709．482790．36774．00888．001176．002544．692717．162895．291084．801190．401318．801420．401514．401611．6034100．9535652．1637246．806820．197130．437449．36310．24629．17

由表3可知： 在管片厚度不變的條件下，增大管片內(nèi)徑，結(jié)構(gòu)彎矩和軸力相應(yīng)增大，但增加值并不大，也就是說，300 mm厚的管片即可滿足管片內(nèi)徑增大時(shí)的受力要求，管片內(nèi)徑每增大200 mm，正線每千米費(fèi)用約增加310萬元。

盡管管片內(nèi)徑從5 400 mm增大到5 800 mm，正線每千米投入增加620多萬元，但這為后期的二次襯砌加固留足了空間，采用鋼筋混凝土襯砌加固的方式，后期正線每千米的加固費(fèi)用為700萬元；若不留加固空間，采用隧道內(nèi)施加鋼圈加固的方式，后期正線每千米的加固費(fèi)用為2.5億元?？梢?，將管片內(nèi)徑由5 400 mm加大到5 800 mm，雖然增加了前期投入，但可為二次襯砌加固預(yù)留空間，大幅降低后期的維修保養(yǎng)費(fèi)用。

6 結(jié)論與討論

1)修建盾構(gòu)隧道時(shí)須考慮后期的二次襯砌加固問題，城市新建盾構(gòu)隧道的管片內(nèi)徑建議選擇為5 800 mm及以上，這雖然會(huì)增加前期的投入，但可大幅降低后期的維修保養(yǎng)費(fèi)用。

2)為確保特殊地段道床的減振效果，將盾構(gòu)隧道的建筑限界調(diào)整為5 300 mm是合理的。

3)盡管加大盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑是符合實(shí)際需求的，但隨著管片內(nèi)徑的加大也會(huì)引起一些問題，如： 盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑加大，而運(yùn)營(yíng)列車限界未加大，如何合理利用二次襯砌加固前加大的空間，以及如何低成本改造現(xiàn)有盾構(gòu)，以適應(yīng)施工要求等，這些問題均有待進(jìn)一步探討。

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Study of Selection of Inner Diameter of Shield Tunnel Segment of Urban Rail Transit

WANG Guofu, TANG Zhuohua*, LU Linhai

(Jinan Rail Transit Group Co., Ltd., Jinan 250101, Shandong， China)

The inner diameter of shield tunnel segment has a significant effect on integral performance of tunnel structure. In this paper, the state-of-the-art of the selection of inner diameter of shield tunnel segment in China and abroad is studied in terms of tunnel service life, tunnel construction clearance, track laying and techno-economic benefit. The study results show that: 1) The tunnel construction clearance should be 5 300 mm so as to guarantee vibration reducing effect of track bed in special section. 2) The inner diameter of shield tunnel segment should be enlarged to more than 5 800 mm so as to guarantee the tunnel service life, provide space for secondary lining of tunnel and reduce maintaining cost obviously.

urban rail transit; shield tunnel; segment inner diameter; tunnel service life; tunnel construction clearance; techno-economic benefit

2016-06-03;

2016-09-14

山東省自然科學(xué)基金(ZR2014EEQ028， ZR2014EEM029)； 山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(KY053)； 住房城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015-K5-004)

王國(guó)富(1964—)，男，山東榮成人，2012年畢業(yè)于山東科技大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土工程、結(jié)構(gòu)工程相關(guān)的理論與技術(shù)研究工作。E-mail： metro_jinan@126.com。*通訊作者： 唐卓華， E-mail： Tang_zhuohua@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.012

U 455

A

1672-741X(2016)12-1487-05