地鐵盾構隧道管片配筋型式探討

摘要：目前國內地鐵盾構隧道通常采用單層鋼筋混凝土管片作為永久結構，由于盾構隧道絕大部分在繁華市區的建筑物、交通干道之下，沿途還穿越各種管線，鋼筋混凝土管片的質量不但直接決定盾構隧道的使用壽命，而且將影響隧道上部建構筑物的正常使用。本文以廣州地鐵為工程背景．通過理論分析及對目前所采用的配筋型式進行研究，結合實際使用效果，對盾構管片的合理配筋型式進行探討，希望能對提高盾構隧道管片的質量有所參考。
關鍵字：盾構 管片 裂縫 配筋
1 概況
我國在城市地下鐵道的建設中，盾構施工法以其良好的防水性能、施工安全陜速、對周圍環境的影響極小等優點，在地下鐵道的建設中已成為重要的可選施工方法之一，在許多場合已成為首選方法。尤其是隨著國內外盾構設備技術水平的提高、盾構設備在工程成本中所占比重的下降，盾構施工法的工程造價已接近甚至低于礦山法暗挖施工和明挖法施工。在廣州地鐵已建和在建區間隧道中已經采用了較大數量的盾構法施工隧道，并已在諸多方面顯示出其優越性。在廣州地鐵三號線中盾構法已成為最主要的區間隧道施工方法，在長約31km的區間隧道中有約21km采用盾構法施工。
廣州地鐵三號線所采用的管片型式是當前常用的平板型鋼筋混凝土管片。每環管片由6塊組成，3塊標準塊，2塊鄰接塊，1塊封頂塊，管片厚度為0．3m，外徑為6．0m，內徑為5．4m，每嚇寬度1．5m，
管片與管片之間用彎螺栓連接。
鋼筋價格(含加工費)按4 000元/t計算，則管片含鋼量每提高1kg／m，盾構區間工程費用將會增加約90萬，日前國內已完工的盾構隧道管片含鋼量為128-165kg／m不等，相差37ks／m3，采用不同的含鋼呈，將會使三號線盾構區間工程投資有3 339萬的差別。因此對管片合理配筋型式的研究具有很強的實際意義。
2 計算模型的討論
管片配筋通常以管片的結構分析為基礎，結合實際使用中出現的問題以配置相應的構造鋼筋。設計時．除考慮結構在正常使用時的各種荷載組合工礦外，還應充分考慮管片在包括制造、運輸、拼裝過程中的各種因素的影響。
在我國使用較多的設計理論主要以日本的規范為借鑒，其重點放在結構施工完畢后的永久荷載作用下的工況，對工況采取限定最小計算荷載進行考慮，但對其實際內力分布分析得不夠透徹。由于接頭的存在，對襯砌內力分布會造成一定的影響。襯砌環的計算對接頭的處理有兩種方法：第一種是將襯砌環看做剛度均勻的結構，但考慮到接頭的存在，將結構的剛度進行折減；第二種是將接頭看做可以承受軸力和一定彎矩的彈性鉸。
在一襯砌圓環內，具體考慮環向接頭的位置和接頭的剛度，用曲梁單元模擬管片的實際狀況，用接頭抗彎剛度來體現環向接頭的實際抗彎剛度。錯縫式拼裝時，因縱向接頭將引起襯砌圓環間的相互咬合作用，此時根據錯縫拼裝方式，除考慮計算對象的襯砌圓環外，將對其有影響的前后的襯砌圓環也作為對象，采用空間結構進行計算，并用圓環徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現縱向接頭的環間傳力效果(見圖1).
采用第一種模型計算簡單，且基本上能反映管片環內力最不利情況，一般初步確定設計參數時采用。在施工圖設計采用第二種方法，同時考慮錯縫拼裝的影響進行精確計算(見圖2).典型的彎矩、軸力圖見圖3、4。

千斤頂推力是作為盾構推進時盾構千斤頂推力的反作用力在襯砌構件上的臨時荷載，是在施工荷載中給予襯砌影響最大的荷載。理論上，千斤頂的推力可以順利地傳送給后面的襯砌環，常常對此項荷載對管片的影響忽略不計。盡管為了緩沖管片傳來的力，在管片背千斤頂面，對應千斤頂的位置，設置了橡膠傳力墊，由于管片與傳力墊間間隙的存在，即使僅僅是0.5MM或1.0MM，也會使得在千斤頂作用下管片的內力分布及大小出現根大的變化。在一定條件下，考慮管片制作誤差的施工狀態會成為決定管片厚度及配筋的控制因素。因此在管片配筋設計時必須充分考慮施工狀態時管片的力學行為。提高管片寬度方向的制作精度，減少拼裝后環縫面的間隙，可以減少施工狀態時管片所需的配筋，當施工狀態和使用狀態所需的配筋相似時是比較合理的。
3 管片合理配筋討論
歐洲的管片其含鋼量一般處于80-100kg／m，考慮鋼筋強度等因素，折算含鋼量約為107～130kg／m.另外，目前已有不少的鋼纖維混凝土管片成功應用的經驗，其管片僅采用30—60kg／m3的鋼纖維摻量，來代替普通的鋼筋混凝土管片。相對國內目前通常采用的145-160kg／m含鋼量，管片的合理含鋼量應做進一步的研究。
計算表明，管片在軟弱圍巖下，其正常使用狀態下承受的頂部荷載較大，側限也較小力較大，對圓形結構的承載能力影響不大。而在硬巖中，側壓力較小，但其頂部荷載較小，對圓形結構的承載能力影響也不大。
根據作者收集的資料，目前盾構管片的裂縫主要是在施工過程中產生的，特別是管片拼裝完畢，開始下一環掘進時。當管片離開盾尾后，由新拼裝完畢的管片來傳遞盾構千斤頂的頂推力時，由于千斤頂的力得到了分散，其裂縫會變小。其主要原因是由于管片環面不平、千斤頂推力分布很不均勻(在圍巖不均勻、糾偏及曲線施工時容易出現)，導致管片出現了局部超限的拉應力。隨著隧道的修建完畢，圓形的盾構隧道逐步轉入比較穩定的受力狀態，施工期出現的裂縫大部分都變小。
在設計中，對在永久荷載、可變荷載及偶然荷載作用下管片的強度和裂縫寬度進行驗算，但在實際施工中，由于條件所限或人為因素、有時也會出現超出強度和裂縫寬度要求的荷載，但是施工中偶爾出現的問題，通過后期修補解決其費用相對所有管片均增加配筋所需的費用要小的多。
參考國內外做法，同時結合施工經驗，管片配筋設計，建議取消u型鋼筋連接上下排主筋的做法，在管片四邊沿環及縱向布置暗梁，使其整體性加強，同時在迎千斤頂面的暗梁內外兩側設置腰筋，背千斤頂面的外側設置腰筋；在容易出現裂縫的環向螺栓孔處設置吊筋及螺旋筋。優化鋼筋的布置型式后，在每立方米含鋼量不變的情況下，使鋼筋的受力更加合理；更有效地承擔施工過程中千斤頂荷載，對解決施工期出現裂縫的問題會有較大的改善。
4 結束語
針對目前存在的管片配筋問題，作者認為應注意以下問題：
應針對不同地質情況，深入研究管片的受力機理(包括施工狀態和正常使用狀態)，選擇合理的計算模式。使鋼筋的含量及布置更合理。
合理分析風險和投資，找到適當的平衡點，避免為節約前期投資，使得后期處理費用過大，也不應為了避免施工中偶爾出現的開裂、蹦角等現象，不合理的加大管片配筋。

參考文獻
【1】 GB50157—92．地鐵設計規范 北京：中國計劃出版杜，1993
【2】 GB50299—1999，地下鐵道工程施工及驗收規范 北京：中國計劃出版社，1999
【3】 劉建航，侯學淵 盾構法隧道 北京；中國鐵道出版社，1991
【4】 葉建興 棧析鋼筋砼管片開裂對廣州地鐵盾構隧道的影響．中國土木工程學會隧道及地下工程學會地下鐵道專業委員會第十一屆學術交流會論文集，1996