雙圓隧道設(shè)計(jì)施工初探
摘 要：本文主要介紹我公司與日本大林組株式會社合作在上海地鐵M 8線進(jìn)行雙圓隧道的設(shè)計(jì)施工投標(biāo)中，涉及的一些新的設(shè)計(jì)思想、理念，以及雙圓隧道施工的要點(diǎn)。通過介紹及分析，以期拋磚引玉，為解決目前地鐵隧道施工存在的一些問題，提高我們對隧道施工的認(rèn)識，改進(jìn)我們的施工工藝，并對以后的施工起到積極有益的幫助。
關(guān)鍵詞：雙圓隧道、耐久性、沉降、防水
1 前言
上海市軌道交通楊浦線(M8線)魯班路站一黃興綠地站雙圓盾構(gòu)工程，是為改善楊浦區(qū)擁擠的交通狀況與中原地區(qū)居民的出行而建設(shè)的市府重大工程。
本區(qū)間隧道工程為國內(nèi)首次采用DOT盾構(gòu)技術(shù)，在這一領(lǐng)域國內(nèi)還是一個空白。鑒于技術(shù)上的考慮，我們與日本株式會社大林組(雙圓盾構(gòu)施工在日本排名第一)、 日本石川島播磨重工業(yè)株式會社(雙圓盾構(gòu)機(jī)制造與設(shè)計(jì)單位)、 日本石川島建材株式會社(雙圓隧道管片生產(chǎn)單位)合作，共同編制雙圓隧道的投標(biāo)書。該投標(biāo)書包括DOT盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)、雙圓隧道的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合國外先進(jìn)的施工技術(shù)，認(rèn)真分析了國內(nèi)的設(shè)計(jì)施工現(xiàn)狀，形成了本次投標(biāo)的主要思想。
通過M 8線雙圓盾構(gòu)的投標(biāo)使我們在雙圓盾構(gòu)技術(shù)方面有了一個嶄新的認(rèn)識。
2 設(shè)計(jì)方針
(1) 針對性：對上海特有的軟質(zhì)粘土、淺覆土等問題作了針對性考慮；
(2) 合理性：對隧道斷面直徑、省略二次襯砌等作了合理性考證：
(3) 耐久性：設(shè)計(jì)始終貫穿業(yè)主“使用100年”的要求，在管片防裂、防水止水等方面，提出了采用高精度、高質(zhì)量管片鋼模，高水密性砼，高強(qiáng)度、高粘度、高彈性、高抗老化性的防水密封材料，以及雙液注漿等技術(shù)要求；
(4) 安全性：對隧道沉降、地表沉降等問題作了認(rèn)真分析，并對施工工藝提出了相應(yīng)要求；
(5) 特殊性：雙圓盾構(gòu)與單圓盾構(gòu)相比，橫斷面形狀特殊，給防止背土以及管片拼裝提出了極高的要求。為此，設(shè)計(jì)中有相當(dāng)量的工作均圍繞該特殊性展開。
3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
(1) 隧道內(nèi)徑的確定：
隧道限界尺寸=5200mm。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，掘進(jìn)時(shí)平面偏差控制在±50mm以下，雙圓側(cè)傾角偏差在±0.5°之內(nèi)，換算成長度約為±40mm。另外，考慮上海沉降誤差的一50mm，計(jì)算可得內(nèi)徑=5430mm。考慮管片制作一般采用50mm為模數(shù)，最終取5450mm為設(shè)計(jì)內(nèi)徑。另外，可得出長徑尺寸為10.05m。
(2) 管片厚度、寬度的決定：
管片厚度在考慮滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，還考慮到1 00年使用的耐久性要求， 以及不采用二次襯砌，今后補(bǔ)襯無空間的因素，選定其厚度為350mm。
管片寬度，主要考慮提高拼裝施工的速度，以及減少管片連接部從而達(dá)到提高防水、止水的要求，結(jié)合日本成功的經(jīng)驗(yàn)，其寬度定為1200mm。
(3) 管片拼裝：
上海目前多采用“通縫拼裝”工藝，有拼裝方便，可消化一定程度的施工誤差的特點(diǎn)，但也有整體剛度不高，容易導(dǎo)致成環(huán)“扭轉(zhuǎn)”現(xiàn)象發(fā)生的缺點(diǎn)。
雙圓盾構(gòu)隧道中，如發(fā)生成環(huán)“扭轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，則會導(dǎo)致中間立柱傾斜，甚至根本拼不成成環(huán)的后果發(fā)生。因此，本設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了不采用“通縫拼裝”工藝，而采用“錯縫拼裝”工藝。
“錯縫拼裝”工藝在日本廣泛使用，并被證明可大大減少成環(huán)間縱縫的間隙，其結(jié)果起到了提高隧道耐久性以及防水性能的作用。
“錯縫拼裝”對管片制作的精度要求極高。本設(shè)計(jì)采用了日本設(shè)計(jì)制作的管片鋼模，并要求日本技術(shù)人員到中國指導(dǎo)、監(jiān)督管片制作的品質(zhì)管理。
(4) 管片的結(jié)構(gòu)計(jì)算：
管片設(shè)計(jì)的計(jì)算采用了反映“錯縫拼裝”的縱縫連接以及管片間環(huán)縫連接的計(jì)算模型。分別進(jìn)行了土壓靜力計(jì)算和抗震計(jì)算。
在滿足了強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，另外考慮“使用100年”的耐久性要求，通過計(jì)算壁片砼產(chǎn)生的裂縫的寬度限制，計(jì)算出了鋼筋配筋量。
(5) 管片排版圖設(shè)計(jì)：
排版圖分平面布置圖和縱斷面布置圖。其中“S”為直線用標(biāo)準(zhǔn)型管片，“TT”為平面轉(zhuǎn)彎用鍥形管片、“VT”為縱斷面上下坡用鍥形管片。對“S”標(biāo)準(zhǔn)型管片，考慮上下左右施工誤差的偏移，分別在平面和縱斷面分別考慮了4％糾偏用的管片。
本區(qū)間鍥形管片只使用“TT”平面轉(zhuǎn)彎用鍥形管片、“VT”為縱斷面上下坡用鍥形管片兩種，易于管片的錯縫拼裝，并且節(jié)約了管片鋼模的成本。
(6) 各類管片的形狀：
“S”標(biāo)準(zhǔn)管片、“TT”平面轉(zhuǎn)彎鍥形管片、“VT”縱斷面上下坡鍥形管片，以及糾偏管片，其中寬度均為1200mm。管片端面只留有止水條槽。
(7) 沉降：
觀察近20年來上海的盾構(gòu)隧道，最大有50mm的沉降。導(dǎo)致隧道的結(jié)構(gòu)體發(fā)生沉降的原因主要有：上海特有的軟體地基、列車振動、壓密以及地下水下降等。但我們認(rèn)為盾構(gòu)隧道壁后注漿材料以及工藝上的不足也是引起隧道結(jié)構(gòu)體沉降的一大原因之一。
計(jì)算采用了不均勻沉降50mm的情況下，對管片的強(qiáng)度等產(chǎn)生的影響的方法進(jìn)行了驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明50mm不均勻沉降發(fā)生在100m以上的范圍都不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)度上的破壞。
設(shè)計(jì)中還列舉了用有限元計(jì)算沉降的例子，說明按同類設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，施工中或建成后的結(jié)構(gòu)體的實(shí)測沉降量應(yīng)小于理論計(jì)算值。
因此，首先應(yīng)解決的是因施工工藝造成沉降的問題。雙圓盾構(gòu)隧道壁后注漿質(zhì)量的優(yōu)劣是直接引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)體或地表沉降的主要原因之一。而且，如注漿不均勻，嚴(yán)重的可能造成雙圓以立柱為界，發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此，本設(shè)計(jì)根據(jù)日本的成熟經(jīng)驗(yàn)，要求進(jìn)行雙液注漿，以達(dá)到減少因施工因素導(dǎo)致沉降的目的。
(8) 集水井與泵房：
集水方式為在線路兩側(cè)安排排水溝，并在隧道最深部設(shè)置集水池。排水方式為潛水泵上抽排水方式。集水池位置設(shè)置于鐵軌下方，結(jié)構(gòu)上集水池可下人檢修。集水池單體蓄水量為4m 3。與集水池連接的管片為鋼制管片，其管片及相關(guān)部件均由結(jié)構(gòu)計(jì)算后決定。
本著“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，我們在集水井(泵房)位置設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，滿足地鐵工程的防災(zāi)需要。
其中，D塊管片設(shè)置為鋼管片，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束后，在鋼管片上設(shè)置聯(lián)絡(luò)口。
(9) 襯砌接縫的防水：
① 防水設(shè)計(jì)條件
② 密封材料
a) 密封材料的設(shè)計(jì)方法
O密封KMU：硬度(JIS)=A38
水膨 率=約2.7倍
止水止水帶密封原理是：止水帶接觸壓力(橡膠彈力+材料的遇水膨脹力)大于外部水壓力。
O止水可能條件：σ≧Pw
σ：接觸面應(yīng)力
Pw：作用水壓
材料的遇水膨脹性，能夠補(bǔ)充材料的彈性不足，增加接觸面的應(yīng)力，并能填充縫隙。
止水帶性能的一個原因是密封材料具有自封效果，達(dá)到超出橡膠材料彈性所能提供的接觸面應(yīng)力，本次使用的材料，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果自封效應(yīng)系數(shù)為2.7，使止水安全系數(shù)為2.0。
即：耐水壓力可達(dá)2.0倍的橡膠材料的彈性壓力。
b) 密封材料的形狀設(shè)計(jì)
③ 管片的精度
襯砌接縫、管片接頭的止水性能的好壞，很大部分取決于管片的制作精度。特別是雙圓盾構(gòu)的管片的精度高低，也是影響止水性能的最重要因素。
4 結(jié)語
雙圓隧道在上海是一個新的嘗試。在和日本同行的合作過程中，我們獲得了很多有益的東西。這些東西對我們正在進(jìn)行的地鐵隧道設(shè)計(jì)、越江公路隧道設(shè)計(jì)施工有非常大的促進(jìn)作用。歸納如下：
管片端面設(shè)計(jì)采用平接口，是管片可以很好的適應(yīng)錯縫拼裝和曲線施工。
性能優(yōu)越的止水條設(shè)計(jì)，配合管片端面設(shè)計(jì)，使施工更方便。
中間泵房設(shè)計(jì)在隧道下部，施工更方便。
通過對隧道沉降的分析，隧道抗震的驗(yàn)算，使我們對盾構(gòu)施工所采用的同步注漿漿液有了更深刻的認(rèn)識。雙液注漿是控制地面沉降，隧道本體沉降，減少滲漏水的有效手段。也是保證隧道一百年使用壽命的有效手段之一。
