1、引言
盾構工法自問世以業，由于在節約地下空間資源、減少對周邊環境的影響、降低工程造價等方面的獨到的優勢而逐漸在地鐵、市政等工程建設中得到廣泛應用。
本文主要以廣州軌道交通二、八號線廣州新客站~石壁站盾構區間為工程背景，闡述盾構區間設計要點。
2、工程概況廣州軌道交通廣州新客站～石壁站區間左線全長728.862 m（含長鏈0.126）；右線全長728.41m；區間全采用盾構施工，其中在Z(Y)CK1+100處設一聯絡通道；最小曲線半徑為1500m，最大縱坡為15.668‰，最大坡長為530m。
廣州新客站~石壁站區間總平面圖
廣州新客站~石壁站區間縱斷面圖
3、主要設計原則及標準結構設計應滿足施工、運營、城市規劃、人防、防水、防火、防迷流的要求；結構應具有足夠的強度和耐久性，以滿足使用期的需要。
結構的設計使用年限為100年；結構的安全等級為一級；區間隧道結構防水等級為二級；盾構圓形隧道限界為5200mm。
4、工程地質與水文地質本工程盾構施工穿越的土層為：<3-2> 中粗砂、<4-1>粉質粘土、<5-2> 硬塑粉質粘土、<7>白堊系紅層強風化帶。隧道覆土埋深5m~9m，
5、管片構造設計１）隧道內徑：
地鐵圓形隧道限界為φ5200mm的圓。隧道內徑的確定應綜合考慮限界、施工誤差、測量誤差、線路擬合誤差、不均勻沉降等因素。
結合廣州地鐵的成功經驗，隧道的內徑定為5400mm。
２）管片形式及厚度：
根據廣州、上海等地地鐵盾構法區間隧道和國外類似工程的成功經驗，表明采用具有一定剛度的單層柔性襯砌是合理的。其襯砌的變形、接縫張開及混凝土裂縫開展等均能控制在預期的要求內，完全能滿足地鐵隧道的設計要求；且使用單層襯砌，施工工藝簡單、工程實施周期短、投資省。鑒于以上理由，盾構隧道采用單層裝配式襯砌，管片形式選擇當前常用的平板型鋼筋混凝土管片。考慮結構100年使用壽命及參照已有工程實例，鋼筋砼襯砌的厚度采用300mm，采用C50混凝土管片。
３）管片的寬度及分塊：
襯砌環環寬越大，即管片寬度越寬，襯砌環節縫越少，因而漏水環節、螺栓數量越少，施工速度越快，費用越省。但盾構機千斤頂的行程要大，施工難度亦有一定提高，在小半徑曲線上，1.5m管片比1.2m、1.0m寬管片的設計擬合誤差大，但本工程盾構隧道最小曲線半徑為1500m，擬合誤差很小。
與環寬1.2m的管片相比，采用環寬1.5m的管片有以下優點：一方面，減少了20%的環向接縫數量，降低了接縫漏水的幾率，提高隧道防水質量；另一方面，降低了接縫止水材料和連接螺栓的使用量；此外還可減少20%的拼裝時間，提高了施工速度。
根據目前廣州的盾構機機械情況，綜合考慮管片的制作、運輸、拼裝及曲線施工的需要，決定采用了1.5m的環寬。
襯砌環的分塊主要由管片制作、防水、運輸、拼裝、結構受力性能等因素確定。地鐵隧道管片常用分塊數為六塊和七塊兩種。分六塊和分七塊在制作、運輸、施工方面沒有大的差別。在國內上海地鐵一號線、廣州地鐵一、二、三號線盾構區間隧道都采用六塊方案。
根據隧道的實踐經驗，考慮到施工方便以及結構受力的需要，目前封頂塊一般趨向于采用小封頂塊形式。封頂塊的拼裝形式有徑向楔入、縱向插入等幾種。徑向插入者其半徑方向的兩邊邊線必須呈內八字形或者平行，受荷后有向下滑動的趨勢，受力不利。采用縱向插入形式的封頂塊受力情況較好，受荷后不易向內滑動，其缺點是需加長盾構千斤頂的行程。
本設計確定采用六塊方案，一塊封頂塊，兩塊鄰接塊，三塊標準塊。
４）環、縱縫及連接構造：
管片接縫構造包括密封墊槽、嵌縫槽及凹凸榫的設計，其中前者為通用的構造方式，而凹凸榫的設置與否在不同時期、不同區域的工程實踐中有著不同的理解。凹凸榫的設置有助于提高接縫剛度、控制不均勻沉降、改善接縫防水性能，也有利于管片拼裝就位，但與此同時增加了管片制作、拼裝的難度，是拼裝和后期沉降過程中管片開裂的因素之一，客觀上又削弱了管片防水性能。
根據本段地質情況同時考慮降低施工難度，環縱縫均不設凹凸榫。
管片環面外側設有彈性密封墊槽，內側設嵌縫槽。環與環之間以10根M24的縱向螺栓連接，既能適應一定的變形，又能將隧道縱向變形控制在滿足防水要求的范圍內。管片的塊與塊之間以12根M24的環向螺栓相連，能有效減小縱縫張開及結構變形。
管片之間及襯砌環間的連接方式，從力學特性來看，可分為柔性連接及剛性連接。實踐證明，剛性連接不僅拼裝麻煩、造價高，而且會在襯砌環中產生較大的次應力，帶來不良后果。因此，目前較為通用的是柔性連接。
按螺栓連接形狀又可分為彎螺栓連接、直螺栓連接、斜螺栓連接和榫槽加銷軸等方式。彎螺栓連接的接頭具有一定的自由度，十分方便安裝。彎螺栓在德國、法國、英國、新加坡、丹麥等許多國家的地鐵交通項目及國內地鐵中廣泛應用，這種接頭系統都非常成功。直螺栓和斜螺栓是近年來發展起來的管片連接形式，其手孔體積小，管片強度損失很小，而且容易實現機械快速安裝，但安裝難度較高，施工誤差要求較小。
根據廣州地鐵一、二號線及三號線的成功經驗，本設計管片塊與塊、環與環之間采用在廣州應用比較成熟的彎螺栓連接。
５）肋、端肋的構造
手孔形式設計時，為減少更多的手孔處削弱，考慮到環肋、端肋的設計需要，環肋、端肋的長度約為180mm。
６）襯砌環形式及拼裝方式
襯砌環形式：
為了滿足盾構隧道在曲線上偏轉及蛇行糾偏的需要，應設計楔形襯砌環。目前國際上通常采用的襯砌環類型有三種。
A）楔形襯砌環與直線襯砌環的組合。
盾構隧道在曲線上是以若干段折線（最短折線長度為一環襯砌環寬）來擬合設計的光滑曲線。設計和施工是采用楔形襯砌環與直線襯砌環的優選及組合進行線路擬合的。根據線路轉彎方向及施工糾偏的需要，設計左轉彎、右轉彎楔形襯砌環及直線襯砌環。設計時根據線路條件進行全線襯砌環的排列，以使隧道設計擬合誤差控制在允許范圍之內。盾構推進時，依據排列圖及當前施工誤差，確定下一環襯砌類型。由于采用的襯砌環類型不完全確定，所以給管片供應帶來一定難度。
B）通用型管片。
目前歐洲較為流行通用管片。它只采用一種類型的楔形襯砌環，盾構掘進時通過盾構機內環向千斤頂的傳感器的信息確定下環轉動的角度，以使楔形量最大處置于千斤頂行程最長處，也就是說，管片襯砌環是可以360°旋轉的。深圳地鐵首次采用通用管片。由于它只需一種管片類型，可降低管模成本，不會因管片類型供應不上造成工程質量問題。但是通用管片拼裝難度較高，需要有經驗的盾構機操作人員。
C）楔形襯砌環之間相互組合。
這種管片組合形式，國內目前只有在南京地鐵施工中使用。它采用幾種類型的楔形襯砌環，設計和施工是采用楔形襯砌環與楔形襯砌環的優選及組合進行線路擬合的。根據線路偏轉方向及施工糾偏的需要，設計左轉彎、右轉彎楔形襯砌環，在直線段通過左轉彎和右轉彎襯砌環一一對應組合形成直線。設計時根據線路條件進行全線襯砌環的排列，以使隧道設計擬合誤差控制在允許范圍之內。盾構推進時，依據排列圖及當前施工誤差，確定下一環襯砌類型。由于采用的襯砌環類型不完全確定，所以給管片供應帶來一定難度。
結合廣州的實際情況，采用標準環、左轉彎環、右轉彎環三種襯砌環形式，其中轉彎環用于隧道糾偏。
７）管片拼裝形式：
襯砌環的拼裝形式有錯縫、通縫兩種拼裝形式。錯縫拼裝能使圓環接縫剛度分布趨于均勻，減少結構變形，可取得較好的空間剛度，但襯砌環較通縫拼裝內力大，且管片制作精度不夠時容易在推進過程中被頂裂，甚至頂碎。通縫拼裝施工難度小，襯砌環內力較錯縫襯砌環小，可減少管片配筋量，但襯砌空間剛度稍差。
根據廣州地鐵一、二及三號線的成功經驗及現有的管片制作精度水平，本工程確定管片拼裝方式采用錯縫拼裝。
８）管片標示
每環管片分為六塊，即三塊標準塊（A1、A2、A3），兩塊鄰接塊（B，C）和一塊封頂塊（K）。襯砌環的種類有標準環（P）、左轉彎（L）和右轉彎楔形環（R）。
管片標示分為永久標示和臨時標示。永久標示在鋼模制造時就鏡像鑄于鋼模上的，主要反映管片環類型（標準環、左轉彎環、右轉彎環）、塊類型（標準塊、鄰接塊、封頂塊）、管片端面對接標志及螺栓孔對接標志。臨時標示為管片脫模后噴涂的，主要標示管片流水號碼、生產日期。
９）特殊管片設計
緊急疏散聯絡通道及廢水泵房通道與正線隧道相接處的管片，設計為可以在正線隧道內部拆除局部管片的特殊管片環。
特殊管片采用鋼管片時，臨時鋼管片拆卸方便，但加工難度大，成本高；采用鋼筋混凝土管片雖拆卸難度較高，但成本低，制作簡單。鋼筋混凝土切割和植筋技術的發展已經非常普遍，建議采用鋼筋混凝土特殊管片。
6、管片結構設計
6.1計算原則
１）砂性土中采用水土分算計算水土壓力，粘性土中采用水土合算計算水土壓力；
２）豎直荷載考慮上覆土重。地層反力與豎向水土壓力、襯砌自重和地面超載相平衡；
３）側向荷載根據地層的側壓力系數或c、φ角計算；地面超載采用20KPa；
４）地震作用與主要荷載組合進行結構驗算，并提高接頭的整體抗震能力；
５）襯砌計算中考慮接頭剛度的影響以及拼裝應力、盾構千斤頂力的影響等施工荷載。
６）結構抗浮安全系數：考慮摩阻力時≥1.15，不考慮摩阻力時≥1.05
７）管片裂縫寬度≤0.2mm。
6.2計算荷載盾構隧道結構設計主要考慮以下荷載：
﹒地面超載（一般情況下按20kpa計）
﹒結構自重G
﹒垂直和水平土壓力Q1、E1-E2
﹒水壓力
﹒側向地層抗力
﹒地層反力
﹒施工荷載（盾構千斤頂力）
﹒結構內部荷載
﹒特殊荷載（地震荷載、人防荷載）
結構設計時，分別就施工階段、正常運行階段可能出現的最不利荷載組合進行結構強度、剛度和裂縫寬度驗算。但特殊荷載階段每次僅對一種特殊荷載進行組合，并考慮材料強度綜合調整系數（不需驗算裂縫寬度）。
6.3計算簡圖計算斷面采用YCK1+400處斷面，埋深約9m，計算荷載采用標準值，計算結果見圖4.1-2：
圖1計算模型
6.4內力計算及分析
彎矩圖 軸力圖 剪力圖
圖2 計算結果
配筋情況(每環)：
環向鋼筋：12φ18；縱向鋼筋：18￠10。具體配筋見下圖：
管片標準塊配筋圖
7、結論1、盾構隧道采用單層襯砌柔性結構可以滿足結構受力及變形等要求；
2、管片配筋含鋼量154.5kg/m3，即保證了結構承載要求，同時又具有一定的經濟性。
【參考文獻】
1.《地鐵設計規范》（GB50157-2003），北京：中國計劃出版社，2003
2.《地下鐵道工程施工及驗收規范》（GB50299-1999），北京：中國計劃出版社，1999
