地鐵盾構(gòu)隧道管片配筋型式探討

摘要：目前國內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道通常采用單層鋼筋混凝土管片作為永久結(jié)構(gòu)，由于盾構(gòu)隧道絕大部分在繁華市區(qū)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(zhì)量不但直接決定盾構(gòu)隧道的使用壽命，而且將影響隧道上部建構(gòu)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(duì)目前所采用的配筋型式進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際使用效果，對(duì)盾構(gòu)管片的合理配筋型式進(jìn)行探討，希望能對(duì)提高盾構(gòu)隧道管片的質(zhì)量有所參考。
關(guān)鍵字：盾構(gòu) 管片 裂縫 配筋
1 概況
我國在城市地下鐵道的建設(shè)中，盾構(gòu)施工法以其良好的防水性能、施工安全陜速、對(duì)周圍環(huán)境的影響極小等優(yōu)點(diǎn)，在地下鐵道的建設(shè)中已成為重要的可選施工方法之一，在許多場(chǎng)合已成為首選方法。尤其是隨著國內(nèi)外盾構(gòu)設(shè)備技術(shù)水平的提高、盾構(gòu)設(shè)備在工程成本中所占比重的下降，盾構(gòu)施工法的工程造價(jià)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(qū)間隧道中已經(jīng)采用了較大數(shù)量的盾構(gòu)法施工隧道，并已在諸多方面顯示出其優(yōu)越性。在廣州地鐵三號(hào)線中盾構(gòu)法已成為最主要的區(qū)間隧道施工方法，在長約31km的區(qū)間隧道中有約21km采用盾構(gòu)法施工。
廣州地鐵三號(hào)線所采用的管片型式是當(dāng)前常用的平板型鋼筋混凝土管片。每環(huán)管片由6塊組成，3塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2塊鄰接塊，1塊封頂塊，管片厚度為0．3m，外徑為6．0m，內(nèi)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(jià)格(含加工費(fèi))按4 000元/t計(jì)算，則管片含鋼量每提高1kg／m，盾構(gòu)區(qū)間工程費(fèi)用將會(huì)增加約90萬，日前國內(nèi)已完工的盾構(gòu)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(huì)使三號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間工程投資有3 339萬的差別。因此對(duì)管片合理配筋型式的研究具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。
2 計(jì)算模型的討論
管片配筋通常以管片的結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際使用中出現(xiàn)的問題以配置相應(yīng)的構(gòu)造鋼筋。設(shè)計(jì)時(shí)．除考慮結(jié)構(gòu)在正常使用時(shí)的各種荷載組合工礦外，還應(yīng)充分考慮管片在包括制造、運(yùn)輸、拼裝過程中的各種因素的影響。
在我國使用較多的設(shè)計(jì)理論主要以日本的規(guī)范為借鑒，其重點(diǎn)放在結(jié)構(gòu)施工完畢后的永久荷載作用下的工況，對(duì)工況采取限定最小計(jì)算荷載進(jìn)行考慮，但對(duì)其實(shí)際內(nèi)力分布分析得不夠透徹。由于接頭的存在，對(duì)襯砌內(nèi)力分布會(huì)造成一定的影響。襯砌環(huán)的計(jì)算對(duì)接頭的處理有兩種方法：第一種是將襯砌環(huán)看做剛度均勻的結(jié)構(gòu)，但考慮到接頭的存在，將結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)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(huán)內(nèi)，具體考慮環(huán)向接頭的位置和接頭的剛度，用曲梁單元模擬管片的實(shí)際狀況，用接頭抗彎剛度來體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度。錯(cuò)縫式拼裝時(shí)，因縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用，此時(shí)根據(jù)錯(cuò)縫拼裝方式，除考慮計(jì)算對(duì)象的襯砌圓環(huán)外，將對(duì)其有影響的前后的襯砌圓環(huán)也作為對(duì)象，采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并用圓環(huán)徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果(見圖1).
采用第一種模型計(jì)算簡單，且基本上能反映管片環(huán)內(nèi)力最不利情況，一般初步確定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)采用。在施工圖設(shè)計(jì)采用第二種方法，同時(shí)考慮錯(cuò)縫拼裝的影響進(jìn)行精確計(jì)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(gòu)推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)千斤頂推力的反作用力在襯砌構(gòu)件上的臨時(shí)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?shù)耐屏梢皂樌貍魉徒o后面的襯砌環(huán)，常常對(duì)此項(xiàng)荷載對(duì)管片的影響忽略不計(jì)。盡管為了緩沖管片傳來的力，在管片背千斤頂面，對(duì)應(yīng)千斤頂?shù)奈恢茫O(shè)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(huì)使得在千斤頂作用下管片的內(nèi)力分布及大小出現(xiàn)根大的變化。在一定條件下，考慮管片制作誤差的施工狀態(tài)會(huì)成為決定管片厚度及配筋的控制因素。因此在管片配筋設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮施工狀態(tài)時(shí)管片的力學(xué)行為。提高管片寬度方向的制作精度，減少拼裝后環(huán)縫面的間隙，可以減少施工狀態(tài)時(shí)管片所需的配筋，當(dāng)施工狀態(tài)和使用狀態(tài)所需的配筋相似時(shí)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(qiáng)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(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，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(duì)國內(nèi)目前通常采用的145-160kg／m含鋼量，管片的合理含鋼量應(yīng)做進(jìn)一步的研究。
計(jì)算表明，管片在軟弱圍巖下，其正常使用狀態(tài)下承受的頂部荷載較大，側(cè)限也較小力較大，對(duì)圓形結(jié)構(gòu)的承載能力影響不大。而在硬巖中，側(cè)壓力較小，但其頂部荷載較小，對(duì)圓形結(jié)構(gòu)的承載能力影響也不大。
根據(jù)作者收集的資料，目前盾構(gòu)管片的裂縫主要是在施工過程中產(chǎn)生的，特別是管片拼裝完畢，開始下一環(huán)掘進(jìn)時(shí)。當(dāng)管片離開盾尾后，由新拼裝完畢的管片來傳遞盾構(gòu)千斤頂?shù)捻斖屏r(shí)，由于千斤頂?shù)牧Φ玫搅朔稚ⅲ淞芽p會(huì)變小。其主要原因是由于管片環(huán)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(shí)容易出現(xiàn))，導(dǎo)致管片出現(xiàn)了局部超限的拉應(yīng)力。隨著隧道的修建完畢，圓形的盾構(gòu)隧道逐步轉(zhuǎn)入比較穩(wěn)定的受力狀態(tài)，施工期出現(xiàn)的裂縫大部分都變小。
在設(shè)計(jì)中，對(duì)在永久荷載、可變荷載及偶然荷載作用下管片的強(qiáng)度和裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算，但在實(shí)際施工中，由于條件所限或人為因素、有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)超出強(qiáng)度和裂縫寬度要求的荷載，但是施工中偶爾出現(xiàn)的問題，通過后期修補(bǔ)解決其費(fèi)用相對(duì)所有管片均增加配筋所需的費(fèi)用要小的多。
參考國內(nèi)外做法，同時(shí)結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，管片配筋設(shè)計(jì)，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(huán)及縱向布置暗梁，使其整體性加強(qiáng)，同時(shí)在迎千斤頂面的暗梁內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置腰筋，背千斤頂面的外側(cè)設(shè)置腰筋；在容易出現(xiàn)裂縫的環(huán)向螺栓孔處設(shè)置吊筋及螺旋筋。優(yōu)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(dān)施工過程中千斤頂荷載，對(duì)解決施工期出現(xiàn)裂縫的問題會(huì)有較大的改善。
4 結(jié)束語
針對(duì)目前存在的管片配筋問題，作者認(rèn)為應(yīng)注意以下問題：
應(yīng)針對(duì)不同地質(zhì)情況，深入研究管片的受力機(jī)理(包括施工狀態(tài)和正常使用狀態(tài))，選擇合理的計(jì)算模式。使鋼筋的含量及布置更合理。
合理分析風(fēng)險(xiǎn)和投資，找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)，避免為節(jié)約前期投資，使得后期處理費(fèi)用過大，也不應(yīng)為了避免施工中偶爾出現(xiàn)的開裂、蹦角等現(xiàn)象，不合理的加大管片配筋。

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