地铁盾构管片在平、竖曲线上的排版探讨.doc

地铁盾构管片在平、竖曲线上的排版探讨
摘　要：以沈阳地铁一号线为例，主要通过楔形环的设计，确定城市地铁盾构隧道在曲线上掘进时楔形环与标准环的配比，从而实现在各种曲线上管片环手动排版，可供施工人员参考。
　　关键词：楔形环　标准环　楔形量　楔形角　管片排版

　　0  前言
    自19世纪盾构法诞生以来，盾构工法一直以其开挖引起的地层沉降小、施工噪音小、对环境影响小等诸多优点成为城市隧道施工的首选工法，应用非常广泛。因此，如何优化衬砌环在隧道线路上的　　布置，使衬砌环曲线上布置的更流畅合理，减少结构渗、漏水的隐患，一直是许多工程人员在探讨的问题。主要从盾构环在曲线上排布的方法出发，提出楔形环的楔形量确定方法和楔形环与标准环的配比确定方法，为工程人员提供参考。
　　1  管片设计现状
    纵观国内外各大城市地铁盾构区间所采用的管片类型，可以综合得出如下特点。
　　1．1管片厚度
    管片厚度主要取决于隧道的直径、埋深、地质条件、结构的设计使用寿命等控制参数，一般通过经验比较并结合结构分析方法来确定。国内外相关资料表明：6 m直径左右的盾构隧道管片，厚度一般有250mm、300 mm、350 mm三个取值，详细见表1。
表1  盾构隧道管片厚度比较列表

　　根据经验比较，国内盾构区间隧道管片厚度大都为300 mm或350 mm。在软土地层中一般为350 mm厚；在基底承载力较好的砂卵石地层中，一般为300mm厚。在国外，一般为250mm或300mm。譬如在日本，一般采用双层衬砌，初期支护管片厚度常取300mm。因此从工程实践比较来看，对于沈阳地铁一号线(隧道埋深为20 m左右)，300 mm厚的管片能够满足结构受力要求。
　　1．2标准环管片宽
　　据国内已建盾构区间隧道的情况，上海地铁一号线的环宽为1 000mm，广州地铁一号线的环宽为1 200mm，广州地铁二号线的环宽为l 500mm，南京地铁一期工程环宽为1 200 mm，北京地铁五号线试验段环宽为l 200mm。考虑国内的成熟经验，衬砌环的宽度首先应不小于l 200 mm。因此，沈阳地铁一号线管片设计宽度取为l 200 mm。
　　2　线路曲线概况
　　由于管片的沿线布置与线路的线形密切相关，以沈阳地铁一号线为例，平曲线的半径R分布从300 m～2 000 m不等；缓和曲线采用放射螺旋线或三次抛物线拟合，在与不同的圆曲线相结合时，其长度一般是固定的。但是，当圆曲线半径在2 000m以上时，由于曲线相对平缓，可不设置缓和曲线。竖曲线为了缓和变坡度的急剧变化，使列车通过变坡点时产生的附加加速度不超过允许值，相邻坡度差大于或等于2％。时，应设竖曲线。地下铁道为钢筋混凝土的整体道床，其弹性变形量比地面铁路碎石道床小得多，所以地下铁道设置竖曲线的要求要高。抛物线形曲率渐变，更适合列车运行，但铺设和养护复杂，竖曲线通常为圆曲线形。竖曲线的半径R一般都大于2 000 m。
　　3　楔形环设计
　　3．1楔形量(δ)及楔形角(β)的选取
　　楔形量应综合根据管片种类、管片宽度、外径、曲线半径、曲线区间楔形环使用比例、管片制作方便性及尾隙大小而决定。归纳以往的实践数据得出的楔形量、楔形角与管环外径的关系如图1、图2及表2，由于受管片配筋的制约，大多混凝土类的管片的楔形量在75 mm以内。
　　3．2楔形量(δ)及楔形角(β)的计算方法
　　假定在半径为R的圆曲线上，管片的中心弧长为L，外弧长为L0，内弧长为Li，圆心角为θ，圆曲线的偏转角为α；由m环标准环及n环楔形环组成，其比例u=m：n，楔形环的楔形量为δ，楔形角为β，盾构环外径为D，标准环的宽度为Sk，楔形环宽分别为 ；如图3、图4所示。

图1  楔形量的施工统计

图2楔形角的施工统计
表2楔形量、楔形角

图3  曲线示意图

图4  标准环与楔形环示意图

　　由上述(1)～(4)式简单整理便可得出楔形量的计算公式如下：

　　由于在做盾构管片排版设计时，通常是先确定一个标准环与楔形环的配比，因此，上述(5)式可以变形为如下表达式：

　　根据图4，很容易得出楔形角的计算式如下：

　　4　楔形环与标准环配比的确定
　　以沈阳地铁一号线为例，在曲线半径R=300的圆曲线上，假定所用标准环与楔形环的比例“为1：1，即u=m：n=1：1；由上述(6)式可以求出楔形量为：

　　即δ=48 mm
　　由上述(8)式可以求出楔形角为：

　　这样就可以以上述计算得出的楔形量和楔形角为基础，推导在其他曲线半径上所需的标准环与楔形环的比例u，统计结果见表3。
表3  楔形环与的标准环配比

　　此外，在确定圆曲线上所需楔形环的数量时，也可用圆曲线的偏转角来计算，即；然后根据表3求出标准环的数量m。
　　5　缓和曲线上盾构环的排版
　　由于缓和曲线一般是采用放射螺旋线或三次抛物线拟合而成，其曲率从无穷大变化到某一定值，因此不能和圆曲线那样采用具体的公式计算，但其长度一般都取某固定长度，并与其结合的圆曲线半径相配合，实际设计时，可根据缓和曲线的偏转角来计算所需楔形环的数量n，然后通过其长度求得的总环数来算出所需的标准环数目。
　　6　竖曲线上盾构环的排版
　　考虑到竖曲线用圆曲线拟合时，一般其半径都比较大，以沈阳地铁一号线为例，竖曲线半径采用3 000 m和5 000 m两种，以R=3 000 m的竖曲线为例，通过(6)式计算出曲线上所需标准环与楔形环的比例为u=19：1，可见比例悬殊，因此在有竖曲线或平、竖曲线交叉段管片排版时，就不考虑竖曲线的影响，只考虑平曲线的影响，至于因竖曲线而导致的累计误差，则用石棉橡胶板等作嵌缝材料来调整和纠偏，如图5所示。

图5  因竖曲线引起的管片纠偏图(以凹形竖曲线为例)
　　7　结束语
    鉴于盾构施工的自动化程度较高，管片的设计、生产和组装等工序必须经过密切的专业配合才能达到预期的技术效果；其中，尤其是施工环节最为重要，譬如说在平、竖曲线交织段，控制好盾构的姿态则至关重要。因此，只有加强施工现场的技术指导，积极进行相关领域的交流和探讨，才能确保建设质量，才能使这项技术发挥其应有的作用。
　　参考文献：
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