盾构法隧道管片设计、建造与保护

1、盾构法隧道管片设计、建造与保护绪论 开通及在建地铁的城市多达40多个，地铁区间隧道大部分都采用了盾构法施工。同时越来越多的城市核心区隧道及穿江越海隧道采用了盾构法隧道，随着21世纪地下空间开发时代的发展，盾构法隧道已得到越来越广泛的应用。目前盾构法隧道，国内大多为单圆隧道，直径从3m至15m左右不等，香港屯门隧道外径达到了17m。管片厚度从25cm到70cm不等。盾构法隧道的管片建造技术已较为成熟，但运营的保护却面临新的问题。盾构法隧道管片类型从材质来说：有铸铁的、钢的、钢筋混凝土的、钢纤维混凝土的， 从结构形式来说：有箱型、平板型 从曲线拟合来说： 有通用楔形、左右楔形、标准+左右楔形 从使

2、用螺栓来说：有直螺栓、斜螺栓、弯螺栓 从形状来说：有圆形（大多数）、双圆、类矩形、马蹄形. 目前国内用得比较多的是平板型钢筋混凝土管片，特殊地段加钢纤维，大直径盾构隧道大多采用通用楔形环，联络通道局部会用到钢管片，国内全铸铁等材质管片基本没有。目 录 一、盾构法隧道管片设计 二、盾构法隧道管片建造 三、盾构法隧道管片运营保护 四、管片的缺陷整治与修复 五、结束语一、盾构法隧道管片设计1、总体步骤： 确定内净空 衬砌厚度、环宽及楔形量 分块方案 连接方式 接缝构造 连接构造2、确定内净空（1）建筑限界 ：铁路、城际、地铁、道路隧道 （2）内净空与限界之间的富裕量（软土径向一般预留15cm，最近也

3、预留到55cm,硬土卵石层等可预留小些） 1）施工误差：一般5cm,拟合5cm, 2）隧道衬砌变形:设计23D%,验收规范56D% 3）后期变形（沉降或隆起）:以前软土预留不足 通常直径6m以下称为小盾构，6m-10m为中盾构，10-14m为大盾构，14m以上则为超大直径盾构，目前建成的最大直径盾构为上海长江隧道与钱江隧道，外径15m，大陆在建最大的为武汉三阳路隧道，15.2m,公铁两用；世界最大为17m的香港屯门隧道。一、盾构法隧道管片设计3、衬砌型式及厚度（1）单层衬砌和双层衬砌的选择 一般地铁隧道、过江隧道均为单层管片衬砌，但对于铁路通行货车的水底隧道（钱塘江越江隧道）、高地震烈度的水底

4、隧道（如日本东京湾水底隧道）、对内表面光滑度要求或防水要求高的水底隧道（穿黄河输水隧道）则考虑为双层衬砌，内衬现浇钢筋混凝土，考虑气密性的隧道（温州瓯江口隧道）。一、盾构法隧道管片设计3、衬砌型式及厚度（2）衬砌厚度选择 1）衬砌管片厚度取值46%D，地铁区间隧道一般为4.55.6%D;大直径隧道相对厚度较小，一般为45%D。个人认为从目前运营的角度看，建议取厚点，管片刚度大。 也有个别隧道达到7%D（青草沙水源地输水隧道，外径6.4m） 2）二次衬砌厚度150mm350mm。 衬砌厚度的选择与地质条件、荷载条件密切相关，但更多情况下是经验取值，经计算确定。一、盾构法隧道管片设计一、盾构法隧道

5、管片设计4、管片环宽及楔形量 （1）管片环宽主要与隧道直径、最小曲线半径相关，对于直径6 10m的隧道，原来环宽取值多为1.01.6m,随着盾构技术的发展，环宽有增大趋势。目前直径6m隧道环宽1.2m、1.5m，直径10m及以上隧道环宽多为1.52.0m。 （2）管片楔形量与隧道外径、环宽、最小曲线半径直接相关： =BD/R 最小半径R的确定需要考虑管片模具的再利用、掘进纠偏的需要。一、盾构法隧道管片设计5、管片分块 分块太多接缝多、防水材料消耗多、施工速度慢 分块太少管片制作、运输、拼装难度大，受力条件差一般做法： 直径6-8m隧道，分块67块； 直径9-13m隧道，分块89； 直径14-1

6、5m隧道，分块1011块封顶块：1/3封顶、 1/2封顶、等分一、盾构法隧道管片设计采用错缝拼装的隧道，封顶块的选择还需要考虑如何实现错缝。1/2分块方案错缝拼装示意图等分方案错缝拼装示意图错缝拼装的好处是刚度相对均匀，但适应变形的能力弱，现在也在考虑软土大变形地段采用上海地铁通缝的做法。一、盾构法隧道管片设计6、连接方式及吊装方式 单点吊装 真空吸盘吊装一、盾构法隧道管片设计6、连接方式及吊装方式弯螺栓连接型式图直螺连接型式图 斜螺栓连接型式图 大直径盾构管片通常采用斜螺栓中小直径的为弯螺栓对抗震要求比较高的采用直螺栓一、盾构法隧道管片设计7、接缝构造 接缝要考虑弹性密封垫止水带单道或双道防

7、水，或附加遇水膨胀止水条，内侧引排水和嵌缝，外侧挡水条。 从受力角度，要考虑纵环缝根据地质条件及抗不均匀沉降的需要，是否设置榫槽，是全缝面设置、局部设置还是设置抗剪切件。 同时接缝构造要考虑盾构千斤顶的位置及局部荷载的抗力要求。 7、连接构造 设计中注意手孔及螺栓孔细部尺寸及角度的设计可脱模。一、盾构法隧道管片设计8、管片配筋 管片配筋除根据环向受力计算配置钢筋外，还要考虑手孔、角部、端面、箍筋、分布筋的布置。最近从有些管片施工中的破损角度来看，对管片分布筋的布置偏弱，有待加强。需要指出的争议点是：对于直径10mm以下的箍筋，部分厂家采用焊接封闭成环是不符和焊接规范的，建议还是135弯钩。一、

8、盾构法隧道管片设计8、管片配筋 对于荷载较大的钢筋混凝土管片，为控制裂缝发展宽度，必要是可采用钢筋钢纤维（聚丙烯纤维复合管片）。 在常州地铁1号线穿越某大学图书馆设计中，采用钢纤维管片，效果很好。一、盾构法隧道管片设计9、管片防水及耐久性设计管片防水及耐久性设计应给出水压条件下的抗渗等级，地铁一般为C50P10，一般要求抗渗透能力不低于2倍的实际水压，地铁规范要求检漏水压是实际水压的3倍。目前水下隧道管片等级最高C60P12，下一步根据穿江越海隧道的高水压要求会进一步提高管片性能等级。二、盾构法隧道管片设计10、管片计算通常采用修正惯用法为主，梁-弹簧模型为辅的计算，并将二者的内力进行包络后进

9、行配筋，并核算结构变形。此外还要进行整体抗震设计、耐久性设计。 一、盾构法隧道管片设计目 录 一、盾构法隧道管片设计 二、盾构法隧道管片建造 三、盾构法隧道管片运营保护 四、管片的缺陷整治与修复 五、结束语1、建立工艺流程布置合理，高效制作的管片厂 办公区外，要考虑： 砂、石料堆放、 钢筋堆放及加工区 钢筋笼制作区 混凝土拌合浇筑 钢模堆放区（与蒸养区一起） 水养池区 成品堆放区二、盾构法隧道管片建造1、建立工艺流程布置合理，高效制作的管片厂 A、管片厂的组成分为：混凝土拌站、砂石料堆场、水泥粉煤灰和矿粉筒仓、试验室、标养室、钢筋加工区、管片浇捣区、管片养护区、管片堆放区、管片试拼装区，生活区

10、管理区。电力供应要涵盖所有作业。钢筋加工、管片浇捣都在室内厂房，有行车运输。 B、钢筋加工区：原材料堆放、原材料加工（切断、成型、调直、滚弧）、钢筋骨架焊接（胎架、CO2焊机）、钢筋骨架堆放、管片浇捣区：骨架临时堆放、钢模、浇捣设备、翻身区、蒸养设备、管片临时堆放（温水养护）。 C、管片养护区：养护水池（7天全浸没）、湿润养护区 D、管片堆放区：管片堆场（场地、排水、专用垫条、通道） E、管片试拼装区：试拼装台架、检漏工作台 F、混凝土拌站：拌合楼、筒仓、地材堆放仓 电力要足够，水源要保证（适合混凝土拌合），消防措施、排水设施。 厂区建设最好是按照标准化要求。 对管片厂的检查验收，首先是对方案

11、进行审批，然后实地检查各个功能区的情况，水、电、气、锅炉、管道、行车、加工设备、通道和道路、地坪、试验室标养室配备、拌合楼的专业验收。 施工单位同时要有管片制作施工方案，建厂方案也可以在管片制作施工方案里面。管片制作方案里要有质量安全管理体系，施工流程和质量验收、安全管理办法等。二、盾构法隧道管片建造2、原材料的控制 选用洁净符合要求的河沙，机制砂原则不用，更不能用海沙。 氯离子的控制（按耐久性规范执行） 碱含量控制（按耐久性规范执行） 堆场的原材料要防止二次污染二、盾构法隧道管片建造2、原材料的控制 管片所用的水泥、粉煤灰、矿粉和外加剂牌号先要明确，监理审批，粉煤灰、矿粉和外加剂的适配很重要

12、，会有泌水、气泡等问题。 地材（石子）的产地要考察，固定产地后，黄沙石子的样品要封样 混凝土配比先要试配，耐久性指标氯离子扩散系数要先做试验（养护60天的标准试块浸泡在盐水里90天）。 管片其它配件如橡胶止水带、高强螺栓、定位销，要事先定厂家，审批、做试验。 关于管片的缺陷，标准里面是不允许出现缺角掉边的，实际问题发生后，进行修补。要有一个标准，应提出一个管片修补方案，相关各方（施工、监理、设计、业主）讨论后确定 修补前，按照方案上的标准，由总包、监理一起认可后，方可以修补 管片的质量保证，不但是在厂里的生产过程中，也包含养护、堆放、进入盾构现场，最终以现场总包和推进单位的验收为准。二、盾构法

13、隧道管片建造3、高精度钢模 精度符合要求（内外弧长、厚度、半径、螺栓孔误差等） 要有足够的刚度，不宜变形 操作方便（合拢、脱模） 耐久性要好，能满足循环次数要求。二、盾构法隧道管片建造3、高精度钢模 管片钢模加工厂家要有审批，管片钢模要有出厂验收， 厂家要提供激光检测数据，钢模到现场后要进行抽样检测：内径千分尺、深度游标卡尺、塞尺。宽度-钢模内腔8点（内外弧各4处）千分尺，内外弧弦长-钢卷尺，钢模内腔高度-深度游标卡尺。环面角度端面角度-靠尺加塞尺，螺栓孔直径-游标卡尺。 施工中，钢模要进行：快速检测，每天一次，仅对钢模宽度检测；定期检测，每200环一次，上面这些指标都检测。（1）、钢模合拢之

14、后，测量每一块钢模的宽度尺寸。（2）、端、侧板紧固螺栓，预埋件紧固螺栓、定位销紧到位。（钢筋笼入模之后，再合模。）内弧保护层垫块必须使用水泥压制品。不少于12块垫块，侧向和端向应有垫块和措施隔离。（钢模的检查和验收） 二、盾构法隧道管片建造4、钢筋笼的制安 精度符合要求（必须在钢筋胎模里制作） 严格控制钢筋保护层厚度不足（厚50mm保护层) 预埋件及预留孔洞定位准确 如有预埋滑槽的定位 管片排版图要先出来，不同深度的管片（浅埋、深埋）配筋不一样，部分管片是否要植入芯片也要先明确。 （1）合格的钢筋原材料，且复试合格，每支钢筋的断料尺寸准确，公差在允许范围之内。骨架在验收合格的胎架上焊接主筋之间

15、，主付筋之间间距准确，避开模芯、预埋件，钢筋保护层准确。整体骨架尺寸公差在允许范围之内，弧度与钢模和顺。 （2）主筋与主筋之间，主筋与箍筋焊接要牢固，一些附加筋不得跳焊太多，内弧与外弧主筋对焊接点必须饱满。（钢筋的检查和验收）二、盾构法隧道管片建造5、高强混凝土的配置与浇筑 高强混凝土配合比设计：水、砂子、石骨料、粉煤灰、石粉、减水剂等。 配合比设计中尤其关注原材料含水率的变化，同时过多的惰性材料加入，虽能满足混凝土强度、抗渗透性要求，但对混凝土收缩等控制不利，管片生产均是现场浇筑混凝土，建议混凝土塌落度在满足要求的条件下取低值。 控制混凝土入模温度，冬季、夏季施工要有针对性措施。（1）、从拌

16、站出拌机的湿料，应在半小时之内到达浇捣点，塌落度5080mm，和易性满足浇捣要求。（坍落度检查）（2）、湿料拌制过程中应选加含气量小的，易于气体排出的外加剂，最大限度变的减少，尤其侧板处的气泡。 浇筑与振捣（欠与过均不合规，试验确定）。（1）、砼湿料应分层布料，料斗应紧贴外弧面。分层厚度不大于30cm，插入或振捣的插入距离应考虑激振力一般不大于30cm。（2）、刮尺应反复多拉，保证外弧面密实。补料较多处一定要振捣。（3）、收水作业必须随捣随光，直到外弧面光实发生初凝。芯棒的松动和拔出应随温度和季节。一般应在浇捣完后二小时。（混凝土浇捣记录，混凝土试块）二、盾构法隧道管片建造6、高强混凝土的养护

17、 （1）、管片在收水结束之后，外弧面应盖上塑料布，并拉上蒸养罩进入静停一般为二小时。之后进行放蒸汽升温，升温速度不大于15/小时.恒温一般为5055.恒温时间35小时，降温即停止供汽。（蒸养记录）（2）、起模应根据同条件养护试块，一般不低于设计强度40%。起模时应注意侧向吊不得损坏定位孔。起模之后立即吊入温水喷淋养护区。一般放置810小时。并对每块管片进行外观检查。有严重缺陷的应立即进行分析和追查，找出原因。（混凝土质量检查验收）（3）、离开喷淋后进入水养池，这时水养池与管片表面温差不应大于20.在水养池放置7天，7天后吊入堆场并喷淋养护7天湿润。（水养记录）（管片检漏记录、管片出厂记录）二、

18、盾构法隧道管片建造7、管片存放与运输 管片做好标识后必须分层堆放，中间设置软木，水平堆放层数原则不超过五层，竖向堆放经核算原则不超过3层。 管片的起吊与运输均应有专用器具，平稳轻缓，防止碰伤管片。 二、盾构法隧道管片建造8、管片的检测 试拼装整体检测：一般进行三环试拼装，对超重管片也可以二次二环拼装试验。 渗水性检测：根据管片验收规范及设计要求进行。 钢筋保护层厚度的检测： 单环抗弯能力检测 二、盾构法隧道管片建造9、管片试生产 管片施工可以试生产1-2环，检验钢模和各道工序是否顺转，然后可以进行首件制施工，可以定为50环，进行水平拼装二次。首件制是形成一个良好的施工节奏，是对各道工序施工的合

19、理性有效性的一次测试。最后形成一个工艺标准，来指导后续的大规模施工。首件制的做法，和常规的差不多，就是定下检查点，总包和分包、监理一起验收。过程中各种记录应该完善齐全，便于总结。管片的型号、生产日期、谁施工的都要有记录。过程中发生的各种问题，原因和解决都要有记录。 首件制前要有准备会议，明确各项准备工作、工艺要求，首件制后要有总结会议。钢模验收和首件制会议（包括水平拼装验收）应请设计一起参加。首件制准备会议，要有：看现场，车间、钢模、钢筋、成品。施工单位汇报施工准备工作，首件制的内容和工艺要求，监理单位评介施工准备工作，提出首件制的工作计划：准备会议、总结会议，提出工艺控制要求，标准、表式。设

20、计单位提要求，业主和质监站提要求。首件制验收会议，要有： 看管片外观质量，看管片水平拼装现场 施工单位：有首件制总结，有首件制的各种施工记录，水平拼装记录，形成施工工艺规程。监理单位：有首件制的评介，有首件制的各种记录。设计业主提出意见。二、盾构法隧道管片建造10、特殊管片的制作 钢管片：钢精度加固、防腐耐久性 钢混复合管片 二、盾构法隧道管片建造11、管片配件 螺栓螺母、注浆孔（兼吊装孔）： 弹性密封垫： 传力衬垫：氯丁橡胶板 定位棒、剪力销： 海绵条、遇水膨胀条 泡沫透水棒、嵌缝橡胶 螺栓孔帽 预埋滑槽 二、盾构法隧道管片建造12、管片拼装 A、盾构姿态控制 B、管片精细拼装到位，关键是封

21、顶快的拼装、由于需要径向插入再纵向推入，弹性密封垫的保护 C、螺栓的拼装及拧紧 D、管片的保护二、盾构法隧道管片建造目 录 一、盾构法隧道管片设计 二、盾构法隧道管片建造 三、盾构法隧道管片运营保护 四、管片的缺陷整治与修复 五、结束语三、盾构法隧道管片的运营保护 随着盾构隧道在地铁区间隧道、市政隧道、综合管廊等工程中的应用，以前我们考虑盾构隧道施工对既有环境的保护，现在则要考虑盾构隧道周边环境建设对地铁盾构隧道的保护。既有地铁运营的城市均颁布了地铁保护的相关规定，如杭州市已制定杭州市城市轨道交通运营管理办法，对地铁周边设置控制保护区及特别保护区，对在控制保护区内从事相关工程建设活动的均应保护

22、地铁工程。三、盾构法隧道管片的运营保护 1、新建工程与盾构隧道的关系 A、紧邻开挖 B、上跨或上挖基坑， C、上、下穿 D、平行作业根据城市轨道交通结构安全保护技术规范（CJJ T 202-2013）及各地的保护规定，可以从临近程度及影响程度划分为保护等级。三、盾构法隧道管片的运营保护 2、盾构隧道的保护标准根据城市轨道交通结构安全保护技术规范（CJJ T 202-2013）三、盾构法隧道管片的运营保护 2、盾构隧道的保护标准浙江省的城市轨道交通设施结构安全保护技术规程，总体来说地方保护标准高于国家标准。三、盾构法隧道管片的运营保护 3、盾构隧道的保护监测根据隧道是否运营及能否人工监测条件，分

23、别采用人工监测及自动监测，辅以人工管片结构内部巡查（渗漏水等）。监测可分为：管片结构状态监测：裂缝、渗漏水、破损、管片变形、错台、连接隧道运营状态监测：隆沉、弯曲三、盾构法隧道管片的运营保护 4、盾构隧道的保护措施评估及状态后评估邻近工程施工前，应开展周边工程建设方案的预评估，优化施工方案，加强盾构隧道保护措施，根据评估结果开展施工；施工中根据监测结果的大小实施开展过程评估，进一步修改施工方案，加强地铁保护控制。施工完成后进行盾构隧道服役状态评估，并开展缺陷整治。目 录 一、盾构法隧道管片设计 二、盾构法隧道管片建造 三、盾构法隧道管片运营保护 四、管片的缺陷整治与修复 五、结束语四、管片的缺陷整治与修复1、砼管片病害形态 由于盾构姿态不良及周边环境条件影响（基坑开挖、旁边新建建筑物等）会造成： 管片裂缝、错台、渗漏水、收敛变形大、管片破损露筋、钢构件外露、锈蚀等。四、管片的缺陷整治与修复2、管片裂缝整治建议 构件裂缝为张开性裂缝，需针对裂缝宽度不同对管片结构进行裂缝整治： 对于裂缝大于0.2mm但小于0.3mm的管片结构，采用改性环氧树脂浆液注浆封闭进行修复，保护管片钢筋，保证管片结构的耐久性。 对于0.2mm以下的裂缝属于管片结构计算允许的裂缝，采用涂刷表面防水封闭材料，封闭裂缝保护钢筋，