地铁工程隧道结构设计技术方案

1、地铁工程隧道结构设计技术方案1.1设计规范及标准1.1.1区间主要设计规范1) 地铁设计规范(GB50157-2003)2) 混凝土结构设计规范(GB50010-2010)3) 铁路隧道设计规范(TB10003-2005)4) 地下工程防水技术规范(GB50108-2008)5)浙江省标准建筑地基基础设计规范(DB33/1001-2003)6)建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)7)浙江地区建筑基坑工程技术规程(DB33/T1008-2000)8) 建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)9) 建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)10) 建筑桩基技术规范(JGJ94-94)

2、11) 建筑结构荷载规范(GB50009-2001)(2006版)12) 建筑抗震设计规范(GB50011-2001)13) 建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)14) 钢结构设计规范(GB50017-2003)；15) 锚杆喷射混凝土支护规范(GB50086-2001)16）钢管混凝土结构设计与施工规程（CECS28：90）17）型钢混凝土组合结构技术规程（JGJ138-2001）18）铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005）19）人民防空工程设计规范（GB50225-2005）20）软土地基深层搅拌加固法技术规程（YBJ-225-91）

3、21）地铁杂散电流腐蚀防护技术规程（CJJ49-92）22）地下防水工程质量验收规范（GB50208-2002）23）混凝土外加剂应用技术规范（GB50119-2003）24）建筑与市政降水工程技术规范（JBJ/T111-98）25）地下铁道工程施工及验收规范（GB50299-1999（2003版）26）混凝土结构工程施工质量验收规范（GB50204-2002）27）国家、浙江省现行有关规范、规程等。1.1.2区间主要设计标准1）线路（1）线路平面正线数目双线最小曲线半径区间正线为350m,困难情况下为300m；辅助线为200m,困难情况下为150m；（2）线路纵坡最大纵坡区间正线为30%。；

4、困难为35%。最小纵坡区间为3%。；地下车站一般为2%o；竖曲线半径正线一般为5000m,困难时为3000m；车站端部一般为3000m,困难时为2000m。坡段长度最小坡段长度不小于150m。2）轨道钢轨：采用60kg/m；道岔：9号道岔；3）结构（1）隧道净空应满足建筑限界要求，并考虑施工工艺、施工误差、结构变形和后期沉降的影响。（2）地下结构使用寿命为100年。（3）结构设计按7度地震设防，6级人防检算。1.2结构选型及制作精度要求1.2.1衬砌环内径的确定地铁圆形隧道限界为65200mm的圆，隧道内径的确定应综合考虑限界、施工误差、测量误差、线路拟合误差、不均匀沉降等因素。如图1.2.1

5、-1所示。图1.2.1-1盾构隧道建筑限界广州、北京、上海、南京、深圳及杭州己有的盾构隧道内径设计对比如下表1.2.1-1所示：表1.2.1-1盾构隧道内径比较表尺寸广州、北京、深圳上海、南京、杭州限界6520005200线路拟合误差±10,局部±20±10,局部±20轴线施工误差±80±80后期不均匀沉降±50隧道内径6540065500综合考虑限界、施工误差、测量误差、线路拟合误差、不均匀沉降等因素，结合各地地铁等地的成功经验，隧道的内径定为5500mmo1.2.2衬砌环幅宽衬砌环宽越大即管片宽度越宽，衬砌环接缝越少，因

6、而漏水环节、螺栓亦越少，施工进度就越快，衬砌环的制作费,施工费就减少，经济效益提高，但在小半径曲线上管片宽度越宽其设计拟合误差大工程质量越差。当前管片宽度为1.0l.5m,多釆用1.2m的宽度。虽然1.5m宽度的衬砌环比起1.2m宽度的衬砌环提高了施工进度,节约了防水材料，但是随着盾构幅宽加大，施工中千斤顶的偏心及管片纠偏造成的附加荷载加大；水平运输及垂直运输系统要求高，价格高。下表1.2.2-1列出l.2ni幅宽与1.5m幅宽比较如下：为减少地基松弛，控制施工变形，提高施工便捷性，根据当前盾构机机械情况，综合考虑管片的制作、运输、拼装及曲线施工的需要，本设计釆用l.2m环宽的管片，能够减少小

7、半径曲线施工时容易岀现的错台、开裂。1.2.3管片厚度根据广州地铁一号线、二号线，上海地铁一号线、二号线，杭州地铁一号线盾构法区间隧道和国内外类似工程的成功经验，表明釆用具有一定刚度的单层柔性衬砌是合理的。其衬砌的变形、接缝张开及混凝土裂缝开展等均能控制在预期的要求内，完全能满足地铁隧道的设计要求；且使用单层衬砌，施工工艺简单、工程实施周期短、投资省。鉴于以上理由，盾构隧道采用单层装配式衬砌，管片型式选择当前常用的平板型钢筋混凝土管片。考虑结构100年使用寿命及参照己有工程实例，钢筋砕衬砌的厚度釆用350mm,釆用C50混凝土管片。表1.2.2-1管片宽度比选表项目管片宽度1.2m管片宽度1.

8、5m国内应用情况广州地铁一号线、南京地铁一号线、二号线、北京地铁、杭州地铁一号线广州地铁二号线、三号线、四号线；广佛线、深圳地铁国外应用情况日本、欧洲常用近年来欧洲较常用结构受力横断面受力：管片宽度关系不大局部抗压：随着管片加宽，千斤顶推力加大，但对平板型管片，局部抗压能满足要求；施工荷载影响：施工中千斤顶的偏心，管片纠偏造成的附加荷载随着管片的加宽，其不利影响加大纵向受力：随着管片的加宽，整体刚度变大，而且整个区间的环向接缝变少，对于控制纵向不均匀沉降有项目管片宽度1.2m管片宽度1.5m利，但环间接缝受力变大。结构防水随着管片的加宽，整个区间的环向接缝变少，有利于隧道防水经济性管片宽度越，

9、接缝越少，防水材料、钢筋、螺栓用量越省。但因为管片加重，对吊装有更咼的要求盾构机灵敏度随着管片的加宽，盾构机长，灵敏度降低施工效率整个施工系统配备合适的情况下，管片加宽，有利于提高施工速度。水平运输系统相对简单要求相对高垂直运输系统相对简单要求相对高1.2.4衬砌环分块盾构隧道圆环的分块主要由管片制作、运输、安装、防水等因素确定，国内外实践经验，通常隧道直径6m左右的盾构以6块居多。封顶块的形式有大封顶和小封顶之分。所谓大封顶，指尺寸与标准块、邻接块相当，这种形式块与块、环与环间的连接处理方便，但拼装不易。小封顶块尺寸较小,拼装成环方便。根据隧道施工的实践经验，考虑到施工方便以及受力的需要，推

10、荐采用小封顶形式，即（5+1）分块一一一块封顶块、二块邻接块、三块标准块。如图1.2.4-1所示。KffR图1.2.4-1管片衬砌环布置图1.2.5管片楔形量楔形量除了根据管片种类、管片宽度、管片环外径、曲线外径、曲线间楔形管片环使用比例、管片制作的方便性确定外，还应根据盾尾操作空隙而定。根据本次设计的区间隧道线形，其最小曲线半径为300m,综合考虑施工经验等因素,管片楔形量采用37.2mmo1.2.6衬砌拼装方式衬砌圆环有通缝、错缝两种拼装方式。错缝拼装能使圆环接缝刚度分布趋于均匀，减少结构变形，可取得较好的空间刚度，但衬砌环较之通缝内力加大，且管片制作精度不够时容易在推进过程中被顶裂，甚至

11、顶碎。通缝拼装施工难度较小，衬砌环内力较错缝衬砌环小，可减少管片配筋量，但衬砌空间刚度稍差。考虑本标段工程地质条件差，不均匀沉降是不可忽视的问题，所以推荐采用错缝拼装形式。如图1.2.6-1所示。1.2.7衬砌环类型为了满足盾构隧道在曲线上偏转及纠偏的需要，需要设计楔形衬砌环。当前衬砌环的类型有三种： 通用型管片只采用一种类型的楔形衬砌环，盾构掘进时通过盾构机内环向千斤顶传感器的信息确定下环转动的角度，以使楔形量最大处置于千斤顶冲程最长处，也就是说，管片衬砌环是能够360°旋转的，深圳地铁在国内首次采用了通用管片，当前在国内己逐渐推广使用。因为它只需一种管片类型，可降低管模成本，管片

12、拼装简单化，易于盾构推进时的纠偏，不会因管片类型供应不上造成工程质量问题。但通用衬砌环要求盾构机千斤顶均为长冲程千斤顶，同时对施工队伍的施工水平要求较高。图1.2.6-1错缝拼装实例 直线环与左右转衬砌环组合盾构隧道在曲线上是以若干段折线（最短折线长度为一环衬砌环宽）来拟合设计的光滑曲线。设计和施工采用楔形衬砌环与直线衬砌环的优选及组合进行线路拟合。根据线路偏转方向及施工纠偏的需要，设计左转弯、右转弯楔形衬砌环及直线衬砌环。设计时根据线路条件进行全线衬砌环的排版，以使隧道设计拟合误差控制在允许范围之内。盾构推进时，依据排版图及当前施工误差，确定下一环衬砌类型。直线环与左右转衬砌环组合与线路拟合

13、较好，但是管模数量较多，模具制造昂贵。 左转弯与右转弯衬砌环组合这种管片组合形式，国内当前只有在南京地铁施工中使用过。它采用几种类型的楔形衬砌环，设计和施工是釆用不同类型的楔形衬砌环的优选及组合进行线路拟合的。根据线路偏转方向及施工纠偏的需要，设计左转弯、右转弯楔形衬砌环，在直线段通过左转弯和右转弯衬砌环一一对应组合形成直线。设计时根据线路条件进行全线衬砌环的排版，以使隧道设计拟合误差控制在允许范围之内。盾构推进时，依据排版图及当前施工误差，确定下一环衬砌类型。因为采用的衬砌环类型不完全确定，所以给管片供应带来一定难度，另外在竖曲线上还要采用楔形贴片。根据对三种类型盾构衬砌环的分析，结合本工程

14、实际，推荐采用直线环与左右转衬砌环。1.2.8衬砌制作允许误差千斤顶推力是盾构推进时作用在衬砌构件上的临时荷载，是在施工荷载中给予衬砌影响最大的荷载。即使为了缓冲管片传来的推力，在管片背千斤顶面，对应千斤顶的位置,设置了橡胶传力垫。但是，因为管片与传力垫间间隙的存在,即使仅仅是0.5mm或1.0mm,也会使得在千斤顶推力作用下管片的内力分布及大小出现很大的变化。在一定条件下，考虑管片制作误差的施工状态会成为决定管片厚度及配筋的控制因素。所以在管片配筋设计时必须充分考虑施工状态时管片的力学行为。提高管片宽度方向的制作精度，减少拼装后环缝面的间隙，能够减少施工状态时管片所需的配筋，当施工状态和使用

15、状态所需的配筋相似时是比较合理的。为了保证装配式结构良好的受力性能，衬砌制作和拼装必须达到表1.2.8-1及1.2.8-2所列精度：表1.2.8-1管片制作允许误差表项目允许误差管片宽度±0.3mm管片厚度±1.0mmT弧弦长+1.0mm环缝面±0.5mm纵缝面±0.3mm环纵向螺栓孔土1.0mm表1.2.8-2管片拼装误差允许表项目允许误差环间间隙<0.8mm纵缝相邻块间隙<2.0mm对应的环向螺栓孔的不同轴度<1.0mm1.3衬砌结构设计计算1.3.1计算原则1）结构计算采用的力学模型应符合衬砌结构的实际受力状态；2）结构计算时，分

16、别就施工阶段、正常运营阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝宽度验算；3）应根据地质、水文条件的不同，分段进行计算；4）结构安全等级为一级，重要性系数取1.1。1.3.2计算模式在进行盾构隧道管片结构设计计算分析时，釆用荷载一结构模式，见图1.3.2-1所示。在确定作用在隧道上方的土层压力方面，国内外视地层情况，主要采用卸拱理论（太沙基公式为主体）和按全部地层压力计算土层压力的方法，但均带有较大近似性。国外也有取最小土压力不小于1D2D（D为隧道直径）高度的上覆土体自重（当计算土压力小于此值时）的经验法。衬砌圆环与周围土体的相互作用通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹

17、簧单元来体现，这些单元受拉时将自动脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定。除土水压力外，实际的计算荷载按施工和使用阶段可能出现的其它最不利荷载组合进行结构强度、变形计算，同时对混凝土裂缝宽度进行验算。卩II"卩丨IAa图1.3.2-1荷载-结构模式图1）计算荷载荷载分类表1.3.2-1荷载分类表荷载分类荷载名称结构自重地层压力永久荷载隧道上部地层破坏棱体范围的设施及建筑物压力水压及浮力设备重量基本可地面车辆荷载地面车辆荷载引起的侧向土压力可变荷变载隧道内部车辆行人等引起的荷载荷其它载可施工荷载（设备运输、施工机具及人员、盾构推变荷进、压注浆等引起的荷载）载地层抗力地震荷

18、载、人防荷载偶然荷载荷载取值及组合竖向地层压力按载拱理论（太沙基公式为主体）和按全部地层压力计算土层压力。而侧压力当隧道处于粘性土中时按水土合算考虑，在砂性土地层时按水土分算考虑。当在砂性土地层时水土分算时，水压按静水压力考虑。地层抗力通过设置在衬砌全环只能受压的径向弹簧单元和切向弹簧单元来体现，这些单元受拉时将自动脱离，弹簧单元的刚度由衬砌周围土体的地基抗力系数决定。同时，偏于安全方向的考虑，未计管片周围注浆引起的抗力增加效果。钢筋混凝土管片重度取25kN/m地面超载取20kPao列车荷载为列车轴重通过道床传递到管片上引起的荷载，按道床宽度内的匀布荷载考虑。该荷载仅用于进行衬砌环间剪切作用分

19、析。荷载作用组合详见下表1.3.2-2o表1.3.2-2荷载组合表序号荷载组合验算工况费1可变荷载偶然荷载|地震人防荷载荷载1基本组合构件强度计算1.351.4(1.3)2构件裂缝宽度验算1.00.50.83构件变形计算1.00.50.84抗農何载作用下构件1.21.3强度验算(1.0)tzl人防荷载作用下构件强度验算2）管片特征管片的参数如下表1.3.2-3：表1.3.2-3计算管片几何参数表项目0.35m厚管片隧道外半径R13.10隧道中心半径R2（m）2.925隧道内半径r（m）2.75管片宽度B（m）1.2管片厚度h（m）0.35分块数目（块）6封顶块管片（F）圆心角为20。，标准块管

20、片3块（分别为Bl、B2、B3）圆心角为67.5%邻接块管片左右各1块（分别为LI、L2）圆心角为68.75。，纵向接头为16处，按22.5。等角度布置。采用错缝式拼装方案，具体为按每两环为一组，第一环的封顶块管片（F）从正上方左偏22.5°,第二环的封顶块管片（F）从正上方右偏22.5%材料计算取值管片钢筋HRB335级钢强度设计值fy=300MPa；管片佐C50,轴心抗压强度设计值fc=23.1MPa,抗拉强度设计值ft=l.89MPa。1.3.3管片衬砌环接头力学模型盾构隧道管片衬砌环的力学模型有钗接圆环模型、匀质圆环模型和梁一弹簧模型。钗接圆环模型、匀质圆环模型属于经验性为主

21、的简化计算法，此种方法因不能明示接头位置，难于反映管片衬砌结构的实际受力状况（如考虑为匀质圆环时，不能反映圆环偏转某一角度后的截面内力及变形变化、不能计算错缝时的纵向接头的剪力等），计算结果受人为影响的因素较大。梁一弹簧模型属于精确计算法，能考虑各类接头位置与刚度、错缝时的环间相互咬合效应，及隧道与周围土体的实际相互作用关系。根据精确计算法还能明确计算出衬砌管片的环向及纵向接头的各种内力值，可准确地进行各类衬砌管片接头的设计。我国以前多采用匀质圆环模型进行受力分析，随着盾构隧道设计理论的发展，当前也出现了采用梁一弹簧模型进行力学分析，两种力学模型（见图1.3.3-1）的具体情况如下：1）匀质圆

22、环模型将衬砌圆环考虑为弹性匀质圆环，用小于1的刚度折减系数T1来体现环向接头的影响，不具体考虑接头的位置，即仅降低衬砌圆环的整体抗弯刚度，如日本的修正惯用计算法。用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆，同时用弯矩增大系数&来表达错缝拼装引起的附加内力值。根据国内外经验,通常取ti为0.75,&为0.3。2)梁一弹簧模型在一衬砌圆环内，具体考虑环向接头的位置和接头的刚度，用曲梁单元模拟管片的实际状况，用接头抗弯刚度、来体现环向接头的实际抗弯刚度。为错缝式拼装时，因纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用，此时根据错缝拼装方式，除考虑计算对象的衬砌圆环外，将对其有影响的前后的衬砌圆环也作为

23、对象，采用空间结构进行计算，并用圆环径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt来体现纵向接头的环间传力效果。同时假定环间接头不会产生错动，故取接头抗剪刚度为无穷大。在采用梁一弹簧模型进行结构计算时，管片接头抗弯刚度峋，的取值很重要，它是评价评价盾构隧道管片衬砌结构设计合理与否的关键。根据研究成果，结合杭州地铁工程建设实际情况和所选用的管片结构尺寸、内力分布、接缝衬垫厚度等影响因素，管片结构设计中取接头正抗弯刚度峋+=5xl04kN.m/rad,负抗弯刚度ko-=3xl04kN.m/rado(a)匀质圆环模型(b)梁一弹簧模型图1.3.3-1管片衬砌圆环计算的两种力学模型根据以上所述，釆用有限元分析软件

24、Ansys,取三环管片进行空间计算，有限元计算模型如下图1.3.3-2所示：图1.3.3-2有限元力学模型1.3.4截面内力及变形计算结果根据本投标区间埋深情况，盾构隧道管片分为三类，分别如下表134-1所示。表1.3.4-1管片类型表衬砌管片分类浅埋管片中埋管片深埋管片区间隧道埋深H<10m10m<H<15m15m<H<20m盾构隧道按覆土深度分别计算归类设计管片，部分计算结果如下表1.342：表1.3.4-2两断面单环管片各项指标汇总表工况最大正弯矩Mnax(kN.m)最大正弯矩对应轴力N(kN)最大负弯矩Mmin(kN.m最大负弯矩对应轴力N(kN)单点最大

25、变形量6max(mm)备注工况121.32624.3593.97970.073.58H<10m工况143.12413.24107.32642.061.3410m<H<15m工况151.71432.11113.76671.386.2115m<H<20m注1：截面内力为衬砌环每环(1.2m)的实际值。注2：正弯矩代表隧道内侧受拉，负弯矩代表隧道外侧受拉。970073931659893244854839816424777999739595701180662765624350(a) 轴力图/N125321979957487449770254732338214284565G

26、69786(b) 弯矩图/Nm10324082826624124199821584>1168192463966060074(c)剪力图/N口口口口口口口3.59EQ37.16E-O3I.08E-020.0143380.0179150.0215020.0250890.0286760.032253(d)位移图/m642073616647591220565BO1540375514942489523464097438671413245(a)轴力图/N1431281119198551256842290922670.244725213779702107327(b)弯矩图/Nm-108975-8742

27、765879-4433122782-1233203154186363411&4959(c) 剪力图/N1.34E-O31.O7E-O2I.60EQ20.0213450.0266700.0320100.0373500.0426900.048015(d)位移图/m671396644809618222591642565054538460511880485293458705432118(a)轴力图/N151712118631906416025!308372830-2594055264S4482-113764(b)弯矩图/Nm13278310652780271540162776015032475

28、35100977265103520(C)剪力图/N6.21E-03I.24E-O2I.86E-O20.02482?O.O3IO150.0372250.0434350.0496450.055838(d)位移图/m图1.3.4-3工况三管片内力位移结果经验算，隧道结构设计满足要求。1.4抗震分析及措施1.4.1抗震分析1)反应位移法模型和计算流程本区间隧道横断面抗震分析采用反应位移法。根据反应位移法基本原理，进行地铁区间盾构隧道抗震设计时，可将地震荷载分为两部分：一部分是盾构隧道周边天然地层的剪切力;另一部分是盾构隧道两侧受到的强制位移因为惯性荷载对地下结构的影响很小，这里不予考虑地震时地层位移沿

29、地层深度方向变化，相对应盾构隧道的计算模型如下图1.4.1-1所示。(b)计算模型图1.4.1-1反应位移法的抗剪震计算模型示意图2)计算结果分析对于地下结构来说，其埋深越浅抗震越不利，所以本区间隧道取埋深最浅处断面一进行分析。盾构隧道结构参数如上所取，地震参数由地勘资料得，弹性剪切波速为195m/s,经计算其动剪切模量Gd=77551kN/m2,基岩面速度反应谱Su=0.7*0.18=0.126m/s,土层的振周期Ts=0.689s,地层弹性抗力系数径向Ki=1.9xlO7N/m3,切向K2=1.14X107N/m3o根据公式求解得到地震作用下地层的位移以及剪切力后,加载于结构上进行计算得到

30、的内力如下表1.4.1-1所示：1-4.1-1单环管片内力值经验算，隧道结构设计满足要求。142抗震措施盾构隧道抗减震构造措施主要包括提高盾构隧道结构自身抗震性能和减少地层传递至隧道结构的地震能量两大类。1）在盾构隧道与联络横通道、竖井及泵房连接处或地形地质急变处等设置可挠性接头，以减小应力集中；2）适度增强盾构隧道结构的柔度，如可采取适当增加管片环分割数、管片接头数量、在接头位置设置弹性止水垫片、加长纵向接头螺栓长度等措施；盾构隧道的纵向拉伸量主要产生在隧道纵向接头处，所以增强盾构隧道纵向接头的变形能力是抗减震的有效措施。能够考虑纵向接头采用直螺栓、加长纵向螺栓长度、在接头处加弹性垫圈等方式

31、吸收位移，从而达到减震的目的。图142-1为弯螺栓和直螺栓的示意图。显然，直螺栓在地震时更容易变形，且变形时对隧道管片结构的损害相对较小，从抗震角度推荐采用直螺栓连接形式。直螺栓连接曲螺栓连接图1.4.2-1螺栓连接方式对比在盾构隧道接头处采用回弹能力强的止水弹性胶片，且适当增加胶片的厚度，施加预应力紧固，可达到地震时有效止水的目的，保证隧道的正常运营。如图1.4.2-2o函痴y疑止水条施工期间正常工况图1.4.2-2止水弹性胶片示意图釆用可更换的遇水膨胀橡胶密封圈作为螺栓孔密封垫圈不但可止水，还能够消震（图1.4.2-3）o图1.4.2-3螺栓孔密封垫圈示意图3）在盾构隧道与联络横通道、竖井

32、及泵房连接处或地形地质急变处等可利用压缩性强的材料实施壁后注浆；4）在竖井侧壁和衬砌混凝土之间可充填塑料泡沫等缓冲材料来减弱地震作用；1.5人防荷载结构验算人防荷载按防核武器抗力级别6级、防常规武器抗力级别6级的人防荷载进行设计。人防荷载下的计算按等效静载法进行结构计算，即将核爆动荷载转化为等效的荷载。根据“人防规范。确定作用在地铁圆形隧道结构顶部,侧向荷载为：qei=kdiKPhqe2=kd2&KPh式中：qei、qe2结构顶部，侧向等效静荷载（kN/n）2）；kdi、kd2结构顶部，侧向动力系数；&土的侧压力系数；Ph土中压缩波最大压力值。本次人防荷载参考其他城市地铁区间隧

33、道设计，取隧道顶部加荷70KPa进行结构受力分析，其结果如下表1.5-1所zjO表1.5-1单环管片内力值经验算，人防荷载不起控制作用，地铁区间圆形隧道结构满足六级人防要求。1.6施工方法概述1.6.1盾构隧道施工方法本区间拟使用盾构法施工，该法适宜在松软含水地层或城市地下管线密布，施工条件困难地段进行。盾构法施工即在盾构机钢壳体的保护下，依靠其前部的刀盘或挖掘机开挖地层，并在盾构机壳体内完成出楂、管片拼装、衬砌背后注浆，再向前推进等作业；因为盾构管片安装精度高、衬砌质量可靠、防水性能好、地表沉降小、占用场地少，所以盾构法施工具有振动小、噪音低、施工进度快、作业安全可靠，对沿线居民生活、地下地

34、面构筑物或建筑物及地面交通影响小等优点。随着盾构法的不断应用，盾构的类型也由早期单一的型式发展为如今多种型式并存的格局。除了基本的圆形盾构，各种异型盾构也正不断出现，如己经研究成功的水平或竖向双圆盾构、矩形盾构、多圆形以及任意断面型盾构，从而使盾构法施工能够适合各种条件下的使用，如单圆盾构的单线区间隧道、双圆盾构的双线区间隧道。根据不同的工程地质、水文地质条件以及施工环境与工期的要求，合理地选择盾构机类型，对保证施工质量，保护地面与地下建（构）筑物安全和加快施工进度是至关重要的。根据杭州市地质情况，区间隧道大体都坐落在第四纪松散软弱土层中，且含水量丰富，宜采用土压平衡式或泥水加压式盾构，该盾构

35、机对不同地层有较强的适合能力，在维持开挖面稳定、开挖土体的排出及环境保护方面较其它类型盾构机有较强的优势。盾构衬砌类型一般有单层、双层装配式衬砌和挤压式混凝土衬砌等。单层装配式衬砌具有施工工艺单一、操作简单、施工周期短、工程投资小、质量容易保证等特点，同时也能满足刚度、变形控制及防水的要求，所以，本工程中拟采用钢筋混凝土管片单层装配式衬砌。单圆盾构衬砌：根据单圆区间隧道建筑限界为65200mm,考虑隧道的施工误差±100mm及后期的不均匀沉降土50mm,隧道内径为5500mmo衬砌厚度为350mm,衬砌环全环由六块组成，即一块小封顶F、两块邻接块L和三块标准块B构成。环间采用错缝拼接

36、方式。为了减少对管片有效高度的削弱，环与环、块与块间均采用弯螺栓连接。环宽为1200mmO1.6.2穿越河道施工技术措施1）盾构穿越河道的风险分析本隧道区间工程穿越珊瑚沙河，主要存在以下几点风险：（1）土压力设定不合理导致河底覆土过度隆起或下沉形成渗水通道；（2）盾构纠偏过大，对土体局部挤压过度形成错缝渗水通道。2）穿越河道的风险应对措施（1）防止切口冒顶措施严格控制出土量，原则上按理论出土量出土，可适当欠挖，保持土体的密实，以免河水渗透入土体并进入盾构。若出现机械故障或其它原因造成盾构停推，应采取措施防止盾构后退。每环推进结束后，关闭螺旋机闸门方可进行拼装。在螺旋机的出口设置防喷涌设施，在发

37、生漏水情况时关闭螺旋机出口，将水堵在盾构外。控制壁后注浆的压力，在注浆管路中设置安全阀，以免注浆压力过高而顶破覆土。（2）防止隧道上浮及保持纵向稳定措施河底段，隧道上部负载相对较轻，可能造成隧道上浮的现象，对于隧道的稳定不利。为了减少隧道的上浮量，使隧道尽快稳定，施工期间严格控制隧道轴线，使盾构尽量沿着设计轴线推进，每环均匀纠偏，减少对土体的扰动，并加强隧道纵向变形的监测，并根据监测的结果进行针对性的注浆纠正。如调整注浆部位及注浆量，配制快凝及提高早期强度的浆液。（3）螺旋机防喷措施为了确保施工安全，防止紧急情况下螺旋机闸门因为被异物卡住或机械原因无法正常启闭，所以在螺旋机外加设一道闸门，与原

38、有闸门组成双保险，在河中段施工时，一旦发生喷涌现象，立即关闭闸门。（4）盾尾发生泄漏应急措施为防止盾尾发生漏泥、漏水，定期、定量、均匀地压注盾尾油脂。控制壁后注浆的压力，以免浆液进入盾尾，造成盾尾密封装置被击穿，引起土体中的水跟着漏入隧道，盾尾密封性能降低。管片尽量居中拼装，以防盾构与管片之间的建筑空隙过度增大，降低盾尾密封效果，引发盾尾漏泥、漏水。在河中段推进过程中，将根据情况，在管片拼装时，在盾尾整圈垫放海绵用以止水，封堵管片与盾构间的间隙，根据实际情况，每隔一定的距离压注聚氨酯止水保护圈。当盾尾发生泄漏时，针对泄漏部分集中压注盾尾油脂，利用堵漏材料进行封堵，并配制初凝时间较短的双液浆进行

39、二次注浆。根据实际情况停止推进，在特殊位置进行聚氨脂压注，进行封堵。3) 穿越前的准备工作在盾构机穿越河道前前，对其及周边环境进行详细的调查。重点摸清河底和河岸防汛墙等的结构情况、水深、河底实际标高、淤泥层厚度等等。对机械设备，特别是盾构机进行维修保养，确保在穿越施工中，机械设备的情况良好。尤其是盾尾密封装置和螺旋机闸门等要确保能够随时有效发挥作用。为了更好地减小盾构机穿越的影响，建立试推阶段,检索相对应数据，更好地控制施工。4) 盾构掘进参数的选择(1)土仓土压力的选择盾构机过河时的土压力参考制计算按水土合算进行计算，即：P=P土=koy+.hho施工过程中，实际土压力控制根据计算理论值控制

40、在理论值的±0.10.2bar范围内。（2）推进速度的选择在穿越河道的过程中，盾构推进速度不宜过快，以12cm/min为宜，避免因为推进速度过快造成对土体的过度挤压，从而导致盾构切口与河底贯穿。盾构推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，减少对河底及其防汛墙结构的影响。（3）刀盘转速的选择刀盘转速应小于l.Or/mino（4）同步注浆配比及注浆参数的选择同步注浆浆液釆用硬性水泥砂浆，配比如下：硬性水泥砂浆配比（每1.25方）盾尾注浆压力主要是受地层的水土压力的影响，注浆压力的设定以能填满管片与开挖土层的间隙为原则。注浆压力的计算可参考规范中的

41、公式并在施工过程中通过测试和试验来确定和优化参数，浆液及其注入的效果直接关系到地面沉降，所以对注浆材料及注浆压力要严格控制。注浆量计算：V=1.2tt(D/2)2-(d/2)2)盾尾同步注浆理论量为每环1.65m3,根据经验注浆时每环应按2.48m33.3m3控制(150%200%)。同时要求同步注浆速度必须与盾构推进速度一致。5)过河道段的监测技术(1) 地表监测点布设：河道两岸前后距离河边30米、15米、5米处各布设一条横向监测断面，横向断面布点为推进轴线中心处布一点，左右各布3点，测点间距为距轴线2、4、7米。(2) 布设沉降监测点时，视不同环境地质情况宜采用不同的布设方法。除了按常规布

42、置沉降观测点外，在河岸及其附近的盾构轴线外侧布置深层测点，在盾构机穿越前、穿越中和穿越后对土体的变形进行监测，并根据监测数据对施工参数进行合理的调整。1.6.3含圆砾地层盾构施工技术难题及其控制措施根据提供的工可阶段勘察报告中，本标段区间隧道穿越地层主要为2一5砂质粉土、I粉质粘土、I淤泥质粉质粘土以及3一2圆砾。其中圆砾层侵入隧道深度最大达1m左右,侵入区域长度约整个区间范围。圆砾层与软土地层相比，因圆砾层具有卵石直径大、强度高、流动性差、摩擦系数大、黏聚力小等特点，施工中面临大直径卵石排出困难、刀具磨损严重、刀盘扭矩过大和掘进效率低等问题。其中，刀具磨损问题尤为突出。成都地铁和北京地铁圆砾

43、层施工实践经验表明，一般在掘进150200m左右就需要进行开仓换刀。开仓换刀易造成掌子面坍塌和地表塌陷等问题，实施风险大。圆砾石天然极限抗压强度最高达130MPa,若盾构刀具配置不合理、施工控制不当，则会造成盾构刀具磨损严重。磨损达到一定程度，就必须进行换刀作业，如果刚好在穿越河流时换刀则可能导致隧道工作面塌方、河水倒灌、隧道淹没、人员伤亡等事故，其风险极大，必须避免发生。所以必须降低刀具在圆砾层的磨损。主要需从盾构圆砾层适合性选型、施工中土体改良及盾构施工控制等三方面来进行综合控制。1) 盾构适合性选型：采用刀盘开口率约为40%的土压平衡盾构，其中刀盘正面的开口尺寸可满足较大粒径的砾石进入土

44、仓经由螺旋机排出；在刀盘中心、外缘和每个进渣口周圈进行硬化处理并堆焊有耐磨材料，同时在刀盘外圈设置保护刀具。2) 土体改良：盾构在圆砾层段施工时通过刀盘上的4个加泥孔注入膨润土，对刀盘前方的土体进行改良，降低土体的摩擦系数，增加土体的流动性，以减小刀具的磨损。3）盾构施工控制：釆用偏低的土仓压力，较慢的推进速度（1015mm/min）来进行掘进。1.6.4盾构始发与到达端头处的处理盾构进出洞是盾构施工中技术难度大，工序较复杂的施工阶段，一旦处理不当，洞门外土体易坍方或流失，甚至使盾构失去控制。为了保证隧道进出洞的安全，需要在靠近出发口处设置密封圈或浇注洞口混凝土，同时在盾构始发或到达的端头部位

45、釆用围护结构或者进行地基加固或改良。结合本标段端头井所处的工程地质和水文地质条件，以及国内相似地铁成功经验（地质条件与本标段地质类似），建议釆用地基加固。图1.6.5-1盾构井端头平、剖面示意图用于盾构进出洞端头地基加固的方法主要有注浆法、高压旋喷、搅拌法以及冻结法等。在软土地层，加固方案主要考虑地层的工程地质条件和水文条件进行选取，对于加固范围内地层主要为砂性地层的，一般釆取旋喷桩或注浆法进行加固，对于粘性土地层，一般采取搅拌桩进行加固。高压旋喷及搅拌桩法成本低、加固效果稳定，应优先考虑旋喷桩或搅拌桩法。本区间工程两端车站为标准地下两层车站，车站基坑深度约1718m,在盾构井施工范围内有地面

46、交通导改和地下管线改迁的条件。所以推荐釆用旋喷桩进行地面加固，盾构端头加固范围与已建地铁盾构进出洞加固范围相同，即区间隧道顶部及两侧外扩3m、底部以下3m,加固长度按照9m的长度考虑。1.6.5盾构施工地表沉降控制及对周边环境的影响1）盾构推进时地表沉降的原因分析采用盾构法在软土地层中建造隧道，会引起周围地层移动，即使采用当前最先进的盾构技术，也难以完全防止这些移动。地层移动一方面直接引起地下结构物的变位，影响其使用，当变位不均匀时还会产生附加应力；另一方面，地层移动在地表引起沉降，这种沉降往往是不均匀的，当不均匀沉降过大时就会对地面建筑物产生影响。采综合国内外若干成功经验，能够认为造成地层移动的主要原因是盾构法施工过程中产生的地层损失。盾构掘进时地层移动的表现方式因盾构直径、覆土情况和地基状况的现场条件及盾构施工状况而不同，具体来说盾构法施工对地层位移的影响主要体现在下面八个方面：（1）开挖面土体的移动。盾构掘进时，若出土速度过快而顶进速度跟不上，开挖面土体则可能出现松动和崩塌，导致地层向隧道内移动，在地表产生沉降；相反，若顶进速度快而出土速度跟不上，开挖面土体将会承受较大顶进压力，破坏了原来地应力平衡状态，导致地层向前方移动，在地表产生隆起；盾构机的后退也可能使开挖面塌落或松动，引起地层损失和地表沉降。（2）土体挤入盾尾空隙。盾尾通