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盾构施工过程中管片上浮原因分析及处理技术［权威资料]
盾构施工过程中管片上浮原因分析及处理技术
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【摘 要】本文以成都地铁施工案列为基础,对盾构隧道施工中管片上浮的原因进行分析，并从同步注浆、管片姿态等方面提出控制及处理隧道管片上浮的针对性措施，供同行参考.
【关键词】盾构；管片上浮;原因分析;处理
随着时代的进步，安全、环保意识得加强，盾构法施工以其影响面小、安全、快速等优点,成为城市轨道交通建设的首选。
盾构施工过程中，拼装完成的管片不时会出现局部或整体上浮.本文结合成都地铁2号线二期工程土建03标盾构隧道工程实例，就施工期间盾构隧道管片上浮机理及控制进行研究探讨，力求为解决同类型盾构施工中管片上浮问题提供一些方法借鉴和建议。
0.工程概述
成都地铁2号线二期工程03标“保安村，龙泉东站”盾构区间长1490.108m，隧道埋深8。6m,17。40m；区间线路从保安村站以20‰坡度下坡至YDK54+100.00，随后以28‰坡度上坡至YDK55+050.00，最后再以2‰坡度下坡至龙泉东站。本线路穿越地层均为成都地区典型的砂卵石地层，地下水位高、水量丰富、补给性强。施工过程当中，隧道左、右线在里程YDK53+300.00，330。00、YDK53+420。00,435.00处下坡段掘进时，管片均不同程度上浮7，9cm,导致隧道管片局部接缝出现错台超限、破损严重现象，对工程外观和实体质量均造成不良影响.
1。盾构管片上浮的原因分析
盾构管片上浮是在多种因素共同作用下产生。就本工程本区段而言，产生盾构管片上浮原因主要有以下四点。
1.1地下水作用力
概述中已经提及，成都地区地层含水量丰富，且本文所述地铁施工里程正好位于区间线路的下坡地段，在下坡段的掘进施工中，地下水由于自身向低处流淌的特性，大量汇集于盾构机作业位置。
盾构机械设计制造时，为保证顺利掘进和管片拼装空间，盾构机的切削刀盘直径D与隧道衬砌管片的外径d有一定的差值（14cm),这就导致管片在脱出盾尾后，其实际处于四周无约束的状态。此时，汇集在作业面的地下水产生的浮力，使刚安装的管片在此14cm的空隙内自由的上浮偏移。
1。2盾构机反向推力
在下坡段掘进时，盾构机油缸顶推力方向为“斜后方向上”，根据力学原理,此推力可分解为一个水平方向和一个竖直方向的分力。管片在竖直分力的作用下向上位移,最终表现为管片在高程方向的上浮现象。
1。3同步注浆工艺的影响
同步注浆原理是使浆液在填充隧道建筑间隙后,让管片与周围土层紧密接触,形成稳定的复合构造体共同抵抗外力。
从理论上讲，浆液需100％充填建筑总空隙。但浆液通常情况下是失水固结，盾构推进时壳体带土使开挖断面大于盾构外径，部分浆液劈裂到周围地层，导致实际注浆量要超过理论注浆量，而此量难以掌握，可能造成浆液的不饱满;与此同时，现阶段国内同步注浆基本采用惰性浆液，这类浆液24h强度低且初凝时间长,极易被地下水稀释。因此,在一定程度上，低强度浆液不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力。
1.4盾构掘进速度
盾构推进速度如果过快,会导致盾构通过区域的地层不稳定，注浆浆液不能及时凝结，使管片上浮的危险性提高.
2。应对措施及处理技术
分析了管片上浮和位移的原因，应根据不同的上浮机理制定相应的处理办法.但如前所述，很多时候出现管片上浮是各种原因共同作用的结果，因此针对每一项问题制定出解决办法以后,还应采取综合利用的手段,才能确保达到最佳的处理效果。
2。1控制盾体周围水量
地下水是自然载体。但在施工中，盾体周围的地下水含量在短期内可通过洞内抽排、洞外线路侧面降水井降水等手段予以实现.本标段就通过盾构机端头排水与外部降水相结合的方式，有效的减少施工期间的水量，达到了一定的控制管片上浮效果。
2.2合理选择注浆孔位及注浆参数
根据成都地铁东延线3标盾构区间施工经验，盾构上、中部4个注浆孔的注浆压力和注浆量明显大于下部2孔，有时下部的2孔甚至可以不注浆,以减小管片的上浮量。对于整环管片来讲，上中部与下部的注浆量比例为2：1或者2:0为宜。
另外，注浆压力应为保证足够注浆量的最小值。注浆压力过大,管片周围土层将会受到扰动而造成后期地层沉降，容易跑浆;注浆压力过小，浆液填充速度过慢,填充不充分,会导致地表变形增大，盾尾漏浆、漏水。同步注浆压力一般控制在土仓压力的1。1，1。2倍.同步注浆浆液应满足如下性能指标:？浆液初凝时间3，5h，终凝4,12h；?固结体24h抗压强度一般不小于0。3MPa，28d抗压强度不小于2.5MPa；?固结率〉95%,固结收缩率<5%;?在压力地下水作用下，浆液具有较好的防水稀释性能；?浆液静置后不沉淀、不离析.
注浆速度也直接影响浆液的渗透和固结，从而间接地影响管片上浮。注浆速度应根据盾构推进速度确定，以每循环达到总注浆量并且能均匀注入为宜。注浆与推进同步，注浆速度与盾构推进速度相匹配。
2.3控制盾构机姿态
盾构机过量的蛇形运动和下坡推进必然造成频繁的纠偏，纠偏的过程就是管片环面受力不均的过程。所以在掘进过程中必须要控制好盾构机的姿态，尽可能地使其沿隧道轴线作小量的蛇形运动，按规范要求，盾构掘进中，拼装管片中心轴线的平面位置和高程允许偏差为?50mill.发现偏差时应逐步纠正，避免突纠，以免人为造成管片环面受力严重不均.同时，要合理调整各区域千斤顶油压，使油压差不宜过大，与盾构中心线相对称区域的千斤顶油压差应小于5MPa,其伸出长度差应小于12cm。并要跟踪测量管片法面的变化，及时利用环面黏贴石棉橡胶板进行纠偏。
2.4控制掘进速度
同步注浆过程中，浆液如果不能达到及时有效地固结和稳定管片时,应适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜，推进速度不大于30 mm/min，确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注入的浆液被水稀释而降低浆液性能。
2.5及时紧固管片与管片之间的联接螺栓
推进完成后及时地将螺栓连接起来，使本环管片与上环管片成为一体，可以最大限度地防止管片上浮。连接过程中必须严格按照设计的力矩参数进行紧固，否则起不到应有的作用.
3.管片上浮控制效果检查
自发现管片上浮问题后，项目部邀请专家进行分析，初步制确认了以上原因及处理技术,并在随后工作中采取严格的防范措施，将各类控制技术综合利用，保证了后期管片上浮全部控制在+80,一10mm、隧道中线误差控制在20mm以
内,所涉及到的其他各项监测也都符合设计和规范要求，从根本上杜绝了管片上浮超限现象.
4。结束语
成都地铁2号线二期工程03标“保安村，龙泉东站”盾构区间施工，左线于2021年11月25日开始掘进，现阶段掘进840m;右线于2021年12月20日开始掘进，目前掘进620m。通过第1阶段520m下坡段掘进施工分析，在调整、优化参数的基础再次分别施工了100m和320m，从目前情况分析，盾构施工安全可控、质量优良,施工进度也得到了建设单位和监理单位的认可。 [科］
【参考文献】
［1］洪开荣。广深港大断面特长水下盾构隧道的技术难点分析［J]。隧道建设,2007，27（6):1—3.
[2］朱科峰。盾构法隧道施工背后注浆技术[J].广东土木与建筑，2003（7):19。21。
[3]周文波。盾构法隧道施工技术及应用［M］.北京:北京建筑工业出版社,2007：116—132。
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城市地铁盾构施工硬岩处理施工技术
摘要:本文通过两个工程实例，对城市地铁盾构施工硬岩处理常用的竖井开挖和深孔爆破处理技术进行简要描述和分析,重点介绍了两种方案的选取经过和施工过程中的重难点技术，对今后类似工程有一定借鉴作用。
关键词:地铁； 盾构； 硬岩; 处理； 技术

在盾构法隧道施工过程中，经常会遇到随机分布的球状花岗岩和基岩，且球状花岗岩形状大小各异、强度不一，而基岩使隧道内岩土层软硬不均。在这类地层中掘进效率低，刀盘刀具磨损严重,易产生卡刀、斜刀、掉刀、刀具偏磨、线路偏移等，处理速度较慢,影响施工进度，有时甚至需变更设计，成本花费高，经济效益差。怎样处理好盾构掘进过程中所遇到的球状花岗岩和基岩突起，是当前盾构法施工中一个较大的技术难题.
1 竖井处理
某盾构区间在掘进至176环时，控制参数突变，掘进速度急速下降,刀盘扭矩波动大，碴温持续升高，出碴量无法控制,立即停机处理.为探明地质情况，立即对刀盘前方加密地质钻孔进行补勘,岩芯试验报告表明最高强度已达到176.6Mpa。经对掘进情况进行综合分析，认为盾构机已进入上软下硬地层,且刀具磨损严重，必须进行硬岩处理并换刀具后才能通过。
1.1工程概况及方案选择
周边环境：盾构停机位置处于新湖路北侧，北临万佳停车场、华美居A座商业楼,隧道上方为人行道和绿化带，上部有自来水管、污水管、燃气管。
地质状况:隧道顶部地层由地面至下依次为7m的素填土和填石层、3.7m硬塑状淤泥质粘土、1.6m砾砂层，隧道范围内为:2.5m砾砂层、1。2m残积层⑥1砾质粘性土、1。1m左右的全风化花岗岩、1。5m左右的微风化花岗岩（高强度)。隧道顶板覆土厚度为12。3m。
方案选择：为使盾构机尽快恢复正常施工，首先进行了带压进仓更换刀具作业，更换过程中发现大量刀具已受到破坏性的损坏,且在带压过程中地面出现了多次漏气现象,保压困难，还剩余4把刀没有更换完成,无法保证在洞内由NFM盾构机完成硬岩的处理.随后决定采用人工挖孔桩的方式处理硬岩，因挖孔桩开挖遇砂层后，多次发生涌水涌砂现象，采取措施后仍无法完成挖桩施工。鉴于以上情况，综合地层状况（填石层和砾砂层无法保压)、周边环境（官线较少且为绿化带，有开挖条件)等相关情况，最后决定采用原位竖井开挖后处理硬岩并在竖井内敞开换刀方案.相关情况见图1.
图1 竖井开挖处理方案图
1.2 竖井处理方案
竖井开挖范围为:线路方向为刀盘前方4m,刀盘后方2。25m,垂直线路方向为6.5m。竖井初期支护采用I22型钢支撑与30cm厚C20网喷混凝土.在竖井开挖范围外采用Φ800素混凝土灌注桩＋桩间双管旋喷桩进行地层加固并阻断填石层和砾砂层中的地下水，然后按常规方法开挖竖井，开挖完成后硬岩采用人工凿除和静态爆破的方式处理。完成岩石处理和敞开换刀工作后，隧道范围内及隧道顶板以上2米采用M10砂浆进行回填,其他部位采用粘性土回填至地表。具体详见图1.
施工步骤如下:
①施工准备、管线改迁→②素混凝土灌注桩+双管旋喷桩间止水→③竖井位置放样、井圈施工→④提升系统安装→⑤第一循环竖井开挖、钢筋网、钢架安装及喷砼→⑥进入下一循环→…⑦完成竖井开挖、支护→⑧刀盘前方硬岩处理、清理刀盘和换刀→⑨竖井回填→⑩路面恢复、盾构掘进。
1。2.1 竖井施工
1）素桩采用相邻桩隔孔施工方式.盾壳上方的素桩采用回转钻机施工,其余素桩采用冲孔桩机施工.
2）竖井开挖：每循环开挖由基坑中心向四周进行,因水量较大，后采用台阶式分段开挖，然后在井筒中央挖设超前集水井并及时抽排。
刀盘范围的钢架与刀盘焊接，盾壳两侧钢架与盾壳焊接进行加固，钢架焊接必须紧密、牢靠，确保整个支护体系闭合、稳定、安全。
3）刀盘附近范围竖井开挖补强措施
素混凝土和旋喷桩施工期间为保证盾构机安全，可能对盾壳上部70cm范围内土体未充分加固和有效止水.因此在竖井开挖接近至刀盘顶部70cm时，通过风钻引孔，打设长4。5m，φ42mm的小导管，并注水泥—水玻璃双液浆加固盾壳上方土体后才继续竖井的分步开挖施工。为防止水泥浆液凝固后抱死盾壳，需在注双液浆之前，先在盾壳周围注聚氨酯，施工工艺与注水泥浆相同。聚氨酯是一种膨胀性的高分子材料，在遇水膨胀后可起到将盾壳与双液浆液隔离和止水作用。
1。2.2刀盘前方硬岩处理
竖井内硬岩的破除主要采用风镐和风钻钻孔静态爆破的方式进行。在用风钻钻孔后将膨胀剂装入孔内，然后封孔，约10个小时后,膨胀剂使岩石预裂后采用人工手持风镐的方法将其破除。
竖井前方的硬岩根据地层稳定情况,硬岩顶部采用预注浆的方式加固风化层,然后对岩层采用暗挖小导洞的方式开挖处理，必要时采用方木＋木板喷射混凝土临时支护。当完成一段硬岩的处理后及时进行填充处理。
硬岩凿除施工时,需要准确对硬岩的深度进行测量，避免出现由于凿除长度、深度不够而处理不够彻底现象,造成后续掘进困难的情况。当完成设定范围的岩石处理后，对掘进方向的其他硬岩是否需处理，必须评估后再决定。
1.2。3竖井回填
在盾构刀盘修理及刀具更换结束后，进行盾构机刀盘试运转.确认盾构机自身满足掘进条件后，回填施工竖井。
隧道范围内及隧道顶面以上2米均采用M10砂浆进行回填,其他部位采用粘性土进行回填至地面以下300mm，最后进行场地恢复。在回填前先用膨润土泥浆将盾构机土仓填满，确保舱内为满仓膨润土泥浆.在回填过程中用木板、方木等将刀盘面板上的空隙和卸碴口等密封严实，确保回填料不进入土仓。
回填由下至上分层(每层1m)进行，首先凿除盾构开挖轮廓范围内井壁网喷砼并割除型钢支架，然后回填砂浆.每个循环过程中做好工序衔接，确保工作连续、快速。在拆除支撑后立即回填砂浆，确保基坑稳定、安全。在等强完成之后，拆除上一层的支撑，开始进行下一循环的回填。
2 深孔爆破处理
某工程经勘探在盾构区间右线揭露了一段硬岩，需处理侵入隧道岩石范围为:竖向近3.3m，沿隧道方向20m。在左线隧道中线位置揭露出长约3m范围的球状风化地层,微风花花岗岩层正处于隧道中心位置，因房屋影响未能全面揭露球状风化地层。由于硬岩突起段与球状花岗岩的存在影响盾构施工，需提前将其处理。
2。1工程概况及方案选择
周边环境：该段位于宝安区新湖路上，南侧100m外为海湾中学，北侧15m外为芙蓉楼和龙年电子有限公司，其桩基础均为钻孔桩型式，深入隧道底下1。6m～8m.隧道上方分布着大量的地下管线，包括雨水、污水、上水、电信、电力、燃气、路灯管线.
地质情况：地面0～4。5m为素填土(夹块石)、4.5～8.8m为填石；8.8～17.6m为砂质粘性土；再往下为全、强、中及微风化层。地下水丰富,隧顶埋深13～13.6m，隧底埋深20～20。6m.
方案选择：由于需要爆破处理的岩石位于地表下约15～20m，且地面下4.5～8。8m为抛石挤淤层，隧道顶多为砂质粘性土或全风化花岗岩，清除侵入隧道的球状花岗岩和基岩,若采用盾构掘进时在洞内处理的方式将面临掘进工作面可能出现涌砂突泥，也可能引起隧道顶部地面沉降过大危及附近楼房安全等风险.若采用地面冲孔碎岩方式又存在大量管线改迁耗时长，入岩速度较慢等问题。为此，最优的办法是采用地面钻孔爆破，将球状花岗岩和基岩突起提前预处理，使其破碎成粒径较小的碎块，以便盾构机顺利通过。
2。2深孔爆破处理方案
首先采用地质雷达和超生波探明地下管线并作标识，对已探明基岩突起和球状花岗岩采用地面地质钻垂直打孔（孔径110mm，下直径90mm的PVC套管）,装炸药爆破隧道范围内岩石，使岩石成为单边长度小于20cm的碎块。雷管选用15m非电雷管,炸药选用乳化炸药，标准直径为Φ60mm，具体根据现场的需要加工.装药后用中粗砂或碎石作堵塞物。
2.2。1 爆破参数设计
1）单耗计算
依据瑞典的设计方法，单位耗药量计算：
q=q1+q2+q3+q4
式中 q1-基本装药量，是一般陆地梯段爆破的两倍（本工程爆破对象位于地下15～20m左右，且存在地下水，故视为水下爆破）.对水下垂直钻孔,再增加10％。例如普通坚硬岩石的深孔爆破平均单耗q1=0。5kg/m3,则水下钻孔q1=1.0kg/m3,水下垂直孔q1=1。1kg/m3；
q2—爆区上方水压增量，q2=0。01h2；
h2—水深，平均取16m；
q3-爆区上方覆盖层增量，q3=0。02h3；
h3-覆盖层（淤泥或土、砂）厚度，15m;
q4-岩石膨胀增量，q4=0。03h;
h—梯段高度，3m。
q=1.1+0.01×16+0。02×15+0。03×3=1。65kg/m3。
在爆破作业过程可参照上述数据试爆后，针对具体情况调整爆破参数。
2)布孔形式与装药结构
①基岩爆破
由于基岩埋深较深，侵入隧道内最高约3.3米，导致爆破破碎难度较大，为了便于施工及保证破碎效果，采取首先对前排孔（基岩外侧)进行爆破,然后利用前排孔爆破挤压周围土层产生的自由面，再对后排孔进行逐个起爆.施工时，首先选择两端和中间岩石较薄的地方开始钻孔，然后逐步向后推进。炮孔间排距均为0.6m，钻孔超深0.5～0.8m,装药深度比基岩厚度深约0.4～0。6m，装药参数见下表一。
表一 基岩突起装药参数表
台阶高度
H(m)
超 深
h（m)
孔 距
a(m）
排 距
b（m)
孔 深
L（m）
单 耗
㎏/m3
装 药
Q（㎏）
装 药
形式
1.0
0.4
0。6
0.6
1。4
1。65
1。48
连续
2。0
0.5
0.6
0。6
2。5
1.65
2.64
分层
3。0
0。6
0。7
0.7
3。6
1.65
4。81
分层
具体钻孔平面布置及基岩最后处的装药结构如图二、图三所示：

图2 基岩爆破布孔平面示意图炸药
超深
炸药
堵塞
地面
隧道底面
需爆破岩石
其中
=孔距，
=排距
超深=(0.5～0.8)
堵塞

图3 厚度3.0m基岩爆破装药结构示意图
②球状花岗岩爆破
因孤石厚度不均,考虑到测量以及药包吊装过程中产生的误差(误差累计不得超过10cm)。孤石爆破时，单孔单体爆破时装药长度与岩石厚度相同，多孔单体爆破时，布孔形式为矩形，与基岩爆破形式接近，相邻两个炮孔,其中一个炮孔钻至孤石底面（即钻穿)，装药至炮孔底部，孤石顶面留10cm不装药；其邻孔孔底距离孤石底面10cm，装药至炮孔底部，孤石顶面留10cm不装药。钻孔时,先找出孤石边界（即以设计参数中的孔间距向外扩展钻孔，直至钻出的孔内没有岩石为止,则可确定孤石的边界）,从边界开始进行爆破,一点一点向内推进。装药参数见下表二.
表2 球状花岗岩装药参数表
岩石体积（m3）
0.2
0.5
0.8
1。0
1.5
2
3
4
5
装药量（kg)
0。33
0.83
1.32
1。65
2．48
3。30
4.95
6。60
8。25

球状花岗岩爆破钻孔装药结构如图4所示：

图4 球状花岗岩爆破装药结构示意图

2。2。2起爆网路设计
由于炮孔深度达到约20米，需要爆破处理的岩石在地表下约15～20m，且孔中有水,因此,起爆药包采用软钢丝或绳悬吊于爆破点的位置，且一端固定于孔口位置，标高误差不得大于10cm。药包装在特制的PVC管体内,该起爆体须具有较好的防水性能.由于起爆体上方有约15米高的水柱，压强相当大,因此在起爆体内要适当用碎石配重，以利于起爆体的就位.炮孔采用正向装药起爆，每个药包至少装两发非电雷管，且分别属于两个爆破网路，两套网路并联后起爆。网路示意图如下图5所示:
图5 爆破网络图
2.2。3 单段最大允许装药量计算
建筑物距离最近的爆破点距离约20米。根据国家《爆破安全规程》及深圳市公安局的规定，一般民房所能承受的最大允许安全震动速度为1cm/s。
根据公式Qmax=（Vmax/K)3/α＊R3
Q——-——最大一段装药量,kg
V——--—爆破地震安全速度，1cm/s
R-——--爆破区至被保护物距离，取20m
m—-—--药量指数,取m=1/3
k -—-—与爆破场地条件有关系数,取k=160
α-—--与地质条件有关系数,α=1.9
经计算单段最大装药量为2。65kg,在施工中严格控制不超过此值，且爆破作业时，须做好爆破振动和地表位移监测，以便及时反馈数据,进一步指导施工。
2。2。4安全防护措施
地下爆破不会有飞石产生,但爆破后产生的高压气体会将炮孔内的泥浆压出孔外，为防止泥浆飞溅，爆破作业时，在钻孔上面铺上铁板,并用沙包压住.爆破前设置警戒线，并鸣哨警示.
2.2。5管线保护
因爆破硬岩处理段隧道沿线分布着大量的地下管线，包括雨水、污水、电力、燃气等，在施工中应注意保护管线，严格控制单段装药量，使震速达到设计要求。雨水、污水管道在此震速下无需做特殊保护.而燃气、电力管线需提前进行保护处理,事前把管线挖开，在管线周围1米范围填上细砂,使其在震动下有一定的缓冲，减小震动对其的影响
3.体会
城市地铁隧道盾构工法施工前必须进行地质补堪,有条件时钻孔尽可能加密，充分揭示沿线地质情况,然后综合地面交通、周边建筑物、地下管线、工期、经济性和安全风险等情况制定可行的硬岩处理措施。
采用硬岩竖井开挖方案时应注意该段地质是否适合采用明挖方式。若采用爆破处理方案前应采用物探接合人工挖槽的方式查清地下管线，避免钻孔作业时损坏管线,甚至造成事故。

参考文献：
⑴《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299—<2003版>)
⑵《地铁设计规范》（GB50157－2003）
⑶中华人民共和国《爆破安全规程》（GB 6722-2003）
⑷《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）

地
铁
与
轻
轨
结
课
论
文

学院：力建与建筑工程学院
班级：土木09—9班
姓名：梁智
学号:02090417

地铁盾构法施工管片衬砌结构设计
摘要:隧道衬砌是承受隧道周围的水、土等荷载，以确保隧道结构净空和安全的地下结构.衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。一次衬砌最常用的是管片拼装式衬砌.采用拼装式衬砌时，一次衬砌到隧道轴向（纵向)一定长度（通常为1000mm~
2000mm）的一段环状物称为管环;管环沿周向分割成n块弧状板块,该弧状板块既称为管片。管片的拼装设计、管环的分块设计等的合理性对隧道的承载能力、稳定性等性质起到至关重要的作用.
关键字:盾构隧道 管片分块 通缝拼装和错缝拼装

1、设计思路
管片设计是从隧道横断面和纵断面方向两个方面进行。通常,管片的断面取决于横断面方向的设计，而地震、地基沉降带来的影响等，一般根据需要在纵断面方向的设计中进行研究。
2、 设计需要考虑的因素
管片从隧道施工开始到施工完毕后的很长时间内，都要担负着支撑各种荷载和确保隧道安全的使命。管片衬砌的设计目的就是确认覆盖整个隧道的衬砌的安全性，同时找出最合理最经济的衬砌结构。
但隧道结构应力由于施工条件、地质条件、环境条件等因素的不同，复杂多样、并且作用荷重也是一个不确定因素，所以正确把握这些现象是非常困难的。因此在设计衬砌时，首先应对各种条件做充分勘察，然后再从经验和理论两个方面去设定去设定荷重及选择计算方法。管片设计时需要考虑的因素如下:
2.1 确保隧道构造的安全
必须保证能够承受从开工到竣工后的长期使用阶段作用于隧道上的各种荷载（静、动荷载)作用。
2。2降低成本
就盾构隧道而言，管片制作成本通常占盾构法隧道总造价的30％—50%，合理的设计管片就是降低盾构隧道造价的关键环节.
2。3制作及施工容易
管片设计时，还应考虑管片制造(制作工艺、养护方法）、管片拼装成管环,直至串接成一次衬砌施工的方便性，并考虑对其他施工工序的影响小等因素.
3、管片设计原则
3。1 边界条件确定
按施工工艺及工程水文地质特点确定设计荷载及边界条件，从结构和非结
构两方面做出符合技术标准的设计。
3.2构造形式的选择
根据隧道的用途、土质条件及施工方法等因素选择管片的种类、构造、形
式及强度。
中小直径的上下水隧道，电力电信隧道多采用钢筋混凝土管片和钢管片；对铁路、公路等大直径隧道而言,已选择钢筋混凝土管片为主，偶尔也会使用铁铸管片和钢管片。无论什么地层都应先对钢筋混凝土箱型和平板型管片的适应性进行论证。当存在特殊荷载作用时也可考虑铁铸管片和钢管片的适用性.
在计算管环的断面应力时,应根据管片的种类、接头方式、接头的位置组合产生的接头效应等因素确切的评价衬砌构造特征。计算管环断面应力时，是把管环看作具有均质刚度的环还是看做多铰支环，或是看做具有转动弹簧和剪切弹簧环来考虑,应根据隧道的用途、地质土层、衬砌构造特征决定。
3.3按允许应力法设计计算
管片设计须在充分满足与用途相对应的构造安全性的基础上，进而在选用合格材料、合理施工方法的前提下，按允许应力法进行设计计算。
技术经济性比较
全面考虑工程造价、使用年限、长期维修费用及运营中的经济效益，对设计做经济技术性比选。
4、主体结构设计
4.1管片的外径
盾构发隧道中由于一次衬砌是采用管片拼装而成，因此习惯把隧道的外径称为管片的外径,管片的外径取决于隧道净空和衬砌厚度(管片厚度、二次衬砌厚度等）。对于地铁区间单线隧道，管片的外径一般为6.0米左右。
4.2管片的厚度与幅宽
管片的厚度是指盾构隧道一次衬砌的厚度。对于箱型管片，则为管片的主
梁高。管片幅宽是指一环管片在隧道纵向的宽度。
管片的厚度与隧道断面大小的比,取决于土质条件、覆盖层的厚度等，最主要的是取决于荷载条件。一般情况下.管片厚度为管片外径的4％左右，但对于大直径的隧道,尤其是箱型管片,约为5。5％左右.
管片的幅宽应根据隧道的断面，结合实际施工经验，选择在经济性、施工性方面较合理的尺寸.从便于搬运、组装以及出于对隧道曲线段上施工时盾尾长度的考虑，管片幅宽是小一些为好.但是，从降低管片制造成本，减少易出现漏水等缺陷的接头部数量、提高施工速度等方面考虑，则幅宽大一些为好。根据目前经验,是隧道断面大小而异,幅宽一般在300～1500mm范围之内。采用钢管片时,多为750~1200mm;采用混凝土管片时,多为900～1200mm.
4.3管片的分块
盾构隧道的衬砌有多块预制管片在盾尾内拼装而成，管片环的分块主要由
管片制作、运输、安装等方面的实践经验确定，但应满足受力要求.从过去
的经验及实际运用情况来看。地铁隧道分块为6~8块较多。上下水道、电力
通信等隧道一般分为5~7块.
管片A型管片、两块B型管片和一块封顶
的K型管片组成,如下图所示。K型管片有从
隧道内侧插入的(半径方向插入型），也有从隧
道轴方向插入的（轴方向插入型）。
4。4管片的接头角与插入角
由于K型管片插入方式分两种，沿半径方向
插入的角度称为接头角（），沿轴方向插入的
角度称为插入角（)。K型管片的接头角和插入角度必须
界面内力传递、组装作业施工条件和管片生产条
件确定.
如果是半径方向插入型管片,对于其中的K型管片的接头角(）以下式计算=/2+，上式中的是为便于K型管片的插入所需要的富裕角度，一般采用~,但在不妨碍操作的前提下，小一些为好.

如果是轴向插入型管片,其中K型管片一般不需要接头角度（)。但是，考虑到包括盾构机长度在内的施工条件和管片接头与管片环之间的干扰，还是需要设定管片的插入角度（）.管片的插入角度多取决于施工条件,但是取～的居多。
4.5管片的楔形量
盾构在曲线段施工和蛇形修正时，需要使用一种幅宽不等的管片环,称为楔形管片环。当其宽度特别小呈窄板状时称为楔形垫板环。楔形管片环中最大宽度与最小宽度称为楔形量.
通常,蛇形修正用楔形管片环数量大概是直线区间所需管片环数量3％~5％.
如果是可以将蛇形修正楔形管片环作为缓曲线用楔形管片环使用,而且可以使用的缓曲线线区间比较长时，楔形管片环的数量应为直线区间和这些缓曲线区间所需环数之和的3％~5％.
楔形量出了根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线区间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作间隙而定。总结过去的使用经验，绝大多数混凝土管片环的楔形量在75mm以内。对于口径大于10m的或特殊形状的隧道，楔形量的确定还需进一步计算校核.
4.6管片的拼装
盾构隧道的拼装方式有两种，通缝拼装和错缝拼装。通缝拼装时,管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变形较大、内力较小.而采用错缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较大,导致变形较小、内力较大。同时错缝拼装时，要求纵向螺栓的布置能够进行一定角度的错缝拼装，因此，对于管片的分块设计要求比通缝拼装条件下要高。错缝拼装的偏转角度根据纵向螺栓的布置而定，可以两环一组错缝拼装,也可以三环一组错缝拼装，通常将K型管片放在隧道拱顶范围以内。
一般情况下,一条线上需要三种管片环来模拟直线和曲线线形，但是为了减少管片模具,降低工程造价，而且方便管片的生产、运输和吊装等，因此提出了管片通用环的概念,将直线段上的管片环直接设计成楔形环，用两楔形环一组错缝拼装来模拟直线线形。其中基本拼装方式是：第一环K型管片在左侧水平位置（指的是K型管片的中心位置）;第二环K型管片在右侧水平位置（相当于第二环在第一环的基础上又转）。同时还可以模拟曲线线形和用于蛇形修正。
5、 小结
在通缝和错缝式拼装的情况下，管片内力总体分布规律大致相同,但受错缝式拼装影响，纵向和环向接头相互作用所产生的附加内力使得相同地质和埋深条件下的错缝式拼装管片环最大弯矩值较通缝式拼装约大20%，而相应轴力却较通缝式拼装约小10％，由此说明错缝式拼装所引起的管片附加内力较为明显，这虽然对管片环的整体承载较为不利，却提高了结构的整体性,使得错缝式拼装管片环最大位移值较通缝式拼装约小20％。
对我国现行地铁区间盾构隧道地质和埋深条件而言，即使管片结构出现了细小裂缝，衬砌结构还能承受较大荷载，从而使得实际工程中盾构隧道出现坍塌的可能性极小，因此在相关设计中应将管片环的最大变形量作为结构设计控制标准.

参考文献

［1］ 关宝树 。 地下工程[M]北京:高等教育出版社，2007
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[1]张冰 . 地铁盾构施工[M］北京：人民交通出版社，2011
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［1]周晓军，周佳媚 . 城市地下铁道与轻轨交通[M]成都：西南交通大学出版社,2008

管片质量控制办法
为加强轨道办对管片质量控制，制定以下质量控制办法。
1、管片生产原材料质量控制
原材料、预埋件的采购及检测遵守国家强制性规范规定，并符合管片的特殊性技术要求。所有原材料定矿、定厂、定规格、定质量指标采购，对检测不合格的材料禁止使用，相关资料报监理工程师批准后投入使用。
1．1、 水泥
管片用水泥检验、验收必须达到以下要求：
(1）质量要求符合GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》规定。
（2）水泥贮存期不超过三个月，严禁使用过期水泥.
（3）对进场的同厂家、同品质、同出厂编号、同生产日期的水泥,以500ｔ为一批（不足500ｔ的按一批对待）验收，每批至少取样一次，做胶砂强度(3d、28d)、安定性、凝结时间、细度等项目试验。
1．2、 砂
选用产品：河砂
（1)质量要求： 细度模数宜为2。3-3。0，符合II区颗粒级配的中砂，含泥量≤1.0%，泥块含量≤0.5％，严禁使用海砂、山砂和风化严重的多孔砂。其他质量指标符合JGJ52《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》规定。
（2)试验按《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》（JGJ52)进行。每600t为一批验收，每批至少取样一次,做筛分分析试验、视比重试验、容量试验、含泥量试验等。
1．3、碎石
采用5～25毫米连续粒级的石子。
（1）质量要求：要求碎石质地坚硬,针片状颗粒含量〈8％，含泥量≤0。5％,泥块含量≤0。2%；其他质量指标符合JGJ53《普通混凝土用碎石和卵石质量标准及检验方法》规定.
(2)对进场碎石每600t为一批验收，每批至少取样一次，做筛分分析试验、含泥量和针、片状含量试验、压碎指标值试验。碎石的试验按《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ53)进行.
1．4 、水
采用可饮用的自来水。
1．5、外加剂
采用适用于蒸养混凝土的，减水率不低于15％，碱含量≤3。0％,氯离子含量≤0.5％;其它应符合《混凝土外加剂》（GB8076-1997）的规定。每10吨为一检验批.
1．6 、 粉煤灰
采用二级优质粉煤灰，符合《用于水泥和混凝土中粉煤灰》(GB1596-1991）标准中规定的各项技术性能及质量指标。
1．7、 钢材
由业主指定的供应商提供的HPB235、HRB335钢筋,钢材必须达到以下要求：
(1）光圆钢筋（HPB235）符合《钢筋混凝土用热扎光圆钢筋》(GB13013—1991）的规定；
（2）带肋钢筋（HRB335）符合《钢筋混凝土用热扎带肋钢筋》(GB1499—1998)，力学性能；
（3）其他使用钢材，结构钢符合《普通碳素结构钢技术条件》（GB/T700-1988）的Q235B的性能要求，Φ8线材盘圆应符合《低碳钢热扎圆盘条》（GB/T701—1997）的性能要求.
(4)钢材验收：
1)供应商每次供货应提交钢筋（钢材）的质量保证书，否则不得进场,进场钢筋应具有识别标签，标签上标明制造商试验号及批号；
2)钢筋按相应规范规定进行屈服点、抗拉强度、延伸量和冷弯试验及外观验收；
3）进场后的钢筋每批以同品种、同等级、同一截面尺寸、同厂家生产的每60t为一批进行试验。如果试验结果及外观验收不符合要求，则该批钢筋将不予接收。
1。8、原材料的堆放
砂、石原料根据不同规格分仓堆放，堆场均加盖，在气候异常的情况下骨料基本上能保持较稳定的含水率,存量可满足10天的生产量，各分仓显著位置挂上明显标识，严禁出现混料现象。钢筋存放于室内堆场，并有明显的标识；不同厂家、不同规格的钢筋分类堆放.
2、管片高性能混凝土配合比
（1） 混凝土配合比通过设计和试配决定，试配时使用实际将采用的原材料，配制的混凝土拌和物应满足和易性、凝结时间等施工条件，制成的混凝土应满足结构强度、耐久性等质量要求；
(2） 混凝土配合比设计在混凝土浇筑前至少60天内完成；
(3） 在配合比未得到项目工程师、业主或监理批准前,不得浇筑混凝土；
（4） 当做出符合要求的试拌和配合比后，提出每种配合比的详细资料，包括力学指标、各集料的级配、混合级配、配合比、水胶比、集料-水泥比及坍落