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北京地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工之要點(diǎn) 北京城建設(shè)計(jì)研究總院 楊秀仁 摘要：北京地鐵五號線首次在北京地區(qū)采用盾構(gòu)法修建地鐵隧道，盾構(gòu)試驗(yàn)段工程已經(jīng)取得成功。 鑒于盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)和施工在很大程度上依靠于地質(zhì)條件，而北京與上海和廣州的地質(zhì)條件差異很大，無法照搬其經(jīng)驗(yàn)，因此，通過盾構(gòu)試驗(yàn)段工程對設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并取得了大量的研究成果。 本文以這些設(shè)計(jì)和施工研究的成果為基礎(chǔ)，對設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)進(jìn)行闡述，供今后的工程參考和借鑒。 一、工程背景及盾構(gòu)隧道基本情況 1、地鐵五號線概況 北京地鐵五號線南起豐臺區(qū)的宋家莊，北至昌平區(qū)的太平莊。 線路全長27.6Km，在四環(huán)路南北分別采用了地下和地面、高架線路型式，南段的地下線長16.9km，北部的地面和高架線10.7km。 全線共設(shè)22座車站，其中地下站16座，高架和地面站6座。 圖1為地鐵五號線工程線路示意圖。 在地鐵五號線工程地下線路段，部分線路在現(xiàn)狀寬廣的道路下方通過，地面限制條件少，采用技術(shù)較為成熟的礦山法施工；而部分線路受環(huán)境條件限制，隧道基本在現(xiàn)狀低矮破舊的建筑物下通過，對地面沉降的要求較高，加上工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地面無條件降水，推薦采用盾構(gòu)法施工。 采用盾構(gòu)法施工的區(qū)段為宋家莊～劉家窯地段、東單～和平里北街地段。 2、盾構(gòu)試驗(yàn)段概況 由于北京以往沒有采用盾構(gòu)法施工地鐵隧道的工程經(jīng)驗(yàn)，且本地區(qū)的地質(zhì)條件與國內(nèi)其他采用過盾構(gòu)法施工的城市有比較大的區(qū)別，為了確保地鐵五號線正式施工能夠順利進(jìn)行，首先選擇正線典型的地段開展試驗(yàn)段施工，以 摸索和把握北京地區(qū)特有條件下的盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)。 盾構(gòu)試驗(yàn)段選在北新橋站～雍和宮站區(qū)間線路的左線（西側(cè)），試驗(yàn)段隧道長度約688m。 試驗(yàn)段線路平面見圖2，由圖上可以看出，試驗(yàn)段隧道基本在現(xiàn)狀建筑物下方穿過。 圖2 盾構(gòu)試驗(yàn)段線路平面圖 3、試驗(yàn)段工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件 (1)工程地質(zhì)條件 試驗(yàn)段范圍內(nèi)的地層從上到下依次為 ●人工填土層（Qml），其中包括： 雜填土①－1：主要成份為碎石、爐灰、房碴土等，稍濕，局部呈飽和狀態(tài)，松散～稍密，一般厚度為1～1.5m，局部最厚處為2.7m。 粘質(zhì)粉土素填土①層：稍濕～飽和，可塑～硬塑。 一般厚度為1.0m，局部最厚處為2.2m。 以上兩層的總厚度為2.0m左右，局部最厚處3.0m。 ●第四紀(jì)全新世沖洪積地層（Q4al+pl），其中包括： 粘質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土②層：稍濕～飽和，可塑～硬塑。 該層在不同地段分別夾有粉質(zhì)粘土②－1層、重粉質(zhì)粘土②－2層。 局部夾粉細(xì)砂透鏡體②－3層。 %26n bsp;該層總體厚度在雍和宮四周較薄，最薄處為4.0m，一般厚度為5.0～7.0m。 粉細(xì)砂③層：濕～飽和，密實(shí)，局部夾砂質(zhì)粉土薄層，下部為中粗砂③－1層、礫砂③－2層或粉質(zhì)粘土粘質(zhì)粉土③－3層。 該層的總體厚度為3.0～7.5m。 ●第四紀(jì)晚更新世沖洪積地層（Q3al+pl），其中包括： 圓礫④層：飽和，密實(shí)。 礫石為亞圓形，未風(fēng)化～微風(fēng)化。 一般粒徑為5～20mm，最大粒徑為150mm，中粗砂填充，局部成為中粗砂④－2層透鏡體。 該層中部或底部顆粒較粗成為卵石④－3層，其一般粒徑為20～80mm，最大粒徑可達(dá)210mm，中粗砂填充。 至雍和宮四周，圓礫、卵石層逐漸尖滅，出現(xiàn)粘質(zhì)粉土④－1層，厚度為3.0m左右。 第④層的總體厚度為6.0m左右，最薄處3.0m，最厚處8.3m。 粘質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土⑤層：飽和，硬塑，局部夾細(xì)砂透鏡體。 本層夾粉質(zhì)粘土重粉質(zhì)粘土⑤－1層。 本層厚度為2.0～5.0m，最薄處僅1.5m。 中粗砂⑥層：飽和，密實(shí)，含少量礫石，夾粉細(xì)砂⑥－1層和粉質(zhì)粘土重粉質(zhì)粘土⑥－2層。 本層厚度為0.7～7.8m，局部缺失。 卵石⑦層：飽和，密實(shí)。 卵石為亞圓形，未風(fēng)化，一般粒徑為20～80mm，最大粒徑為200mm，中粗砂或粘性土充填。 局部地區(qū)顆粒較細(xì)漸變?yōu)閳A礫或礫砂⑦－1層。 本層的一般厚度為2.0～5.0m。 > 粉質(zhì)粘土粘質(zhì)粉土⑧層：飽和，硬塑～堅(jiān)硬，夾重粉質(zhì)粘土⑧－1層和粉細(xì)砂⑧－2層。 本層厚度為2.0～8.0m。 卵石⑨層：飽和，密實(shí)。 卵石為亞圓形，未風(fēng)化～微風(fēng)化，表面可見溶蝕孔洞。 一般粒徑為20～60mm，最大粒徑為180mm。 中粗砂或粘性土充填。 夾中粗砂⑨－1層。 本層厚度大于7.0m。 (2) 水文地質(zhì)條件 根據(jù)工程勘察報(bào)告，地層中賦存有上層滯水、潛水和承壓水。 上層滯水：賦存于雜填土①－1層、粘質(zhì)粉土素填土①層和粘質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土②層的孔隙之中。 主要接受自來水、消防水管道以及雨污水管道、居民院落化糞池的滲漏補(bǔ)給，其次為大氣降水的垂直滲流補(bǔ)給。 水位根據(jù)補(bǔ)給強(qiáng)度不同而不同，本區(qū)間水位埋深在5.0～7.0m之間。 潛水：賦存于粉細(xì)砂③層、中粗砂③－1層、礫砂③－2層、圓礫④層、中粗砂④－2層、卵石④－3層的孔隙之中，水位埋深在14.0m左右。 本區(qū)間的潛水主要接受上層滯水和河水的垂直滲流和區(qū)域側(cè)向徑流補(bǔ)給。 在雍和宮四周，潛水具有弱承壓性，水位 高出含水層頂板為0.5～2.8m。 護(hù)城河水位僅高出河邊潛水水位0.08m，顯示河水對潛水的補(bǔ)給趨勢。 承壓水：賦存于中粗砂⑥層、卵石⑦層、粉細(xì)砂⑧－2層、卵石⑨層及其砂土夾層的孔隙之中。 主要接受潛水的垂直滲透補(bǔ)給和區(qū)域側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水流向?yàn)樽晕飨驏|。 承壓水的排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄和垂直越流補(bǔ)給深層承壓水。 本區(qū)間承壓水含水層的頂板埋深為21.0～25.0m，水頭高出含水層頂板為1.0～3.0m。 4、試驗(yàn)段盾構(gòu)隧道有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù) (1)隧道直徑：盾構(gòu)區(qū)間隧道采用圓形結(jié)構(gòu)，隧道管片設(shè)計(jì)內(nèi)凈空5400mm，（其中考慮了隧道施工誤差、測量誤差及隧道變形等因素周邊預(yù)留100mm的裕量），管片厚度為300mm，隧道外徑為6000mm。 (2)管片的型式及構(gòu)造 (見圖4)：管片環(huán)寬1200mm，環(huán)向分6塊，即3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（中心角67.5），2塊鄰接塊（中心角67.5），一塊封頂塊（中心角22.5）。 管片之間采用彎螺栓連接（螺栓直徑24mm），環(huán)向每接縫有2個螺栓，縱向共設(shè)16個螺栓（封頂塊1個，其它3個）。 (3)管片環(huán)與環(huán)之間采用錯縫拼裝方式。 管片端面采用平面式，僅設(shè)置防水膠條處留有溝槽。 (4)管片有3種類型，即標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)環(huán)和右轉(zhuǎn)環(huán)。 二、盾構(gòu)試驗(yàn)段工程的主要研究內(nèi)容 %26nbsp ; 盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與施工在很大程度上依靠于地質(zhì)條件，我國的上海和廣州已經(jīng)采用盾構(gòu)法成功實(shí)施了不少工程，也作過不少研究，但這兩地區(qū)的地質(zhì)條件與北京差異較大。 上海地區(qū)的地層為淤泥質(zhì)地層，非常松軟，自穩(wěn)能力差，側(cè)壓力比較大且分布均勻；廣州地區(qū)的地層除在淺表有一層比較薄的土層外，基本為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化～微風(fēng)化巖層，圍巖的強(qiáng)度模量高，自穩(wěn)能力好；而北京地區(qū)表層從0～80m范圍基本為第四紀(jì)沖洪積地層，既有表層的松散回填土層，又有從粘土～粉土～各種粒徑的砂層～礫石層～卵石層等各層交替組合形成的地層，從性質(zhì)上與上海地區(qū)截然不同，而與廣州地區(qū)的地層也有較大的區(qū)別。 試驗(yàn)段工程從設(shè)計(jì)、管片生產(chǎn)和施工等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要開展的研究項(xiàng)目有： 1．盾構(gòu)隧道管片地層的相互作用和管片接頭剛度研究 通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、管片接頭試驗(yàn)、管片抗彎試驗(yàn)和現(xiàn)場大量的實(shí)驗(yàn)測試，并結(jié)合理論分析，探索北京特有地層條件下的盾構(gòu)隧道管片與地層的相互作用形式及規(guī)律。 提出北京特有地層條件下，盾構(gòu)隧道四周地層荷載的分布、變化規(guī)律和取值方法。 基于研究成果提出的土壓分布規(guī)律，對管片設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化； 2．管片生產(chǎn)技術(shù)的研究 為確?；炷凉芷馁|(zhì)量，對高性能混凝土配合比、混凝土構(gòu)件自動蒸養(yǎng)系統(tǒng)、盾構(gòu)管片生產(chǎn)工藝及試驗(yàn)設(shè)施、施工機(jī)具等進(jìn)行研究，并編制了管片生產(chǎn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)制混凝土盾構(gòu)管片操作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。 3．盾構(gòu)施工技術(shù)的研究 在試驗(yàn)段施工過程中，對盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)、開挖面穩(wěn)定措施、管片拼裝技術(shù)、地表沉降控制技術(shù)、壁后注漿技術(shù)、盾構(gòu)施工監(jiān)測技術(shù)和盾構(gòu)施工測量技術(shù)等進(jìn)行研究。 三、北京特有地層條件下盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)與施工 通過開展上述各項(xiàng)研究，初步把握了北京特有地層條件下盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。 1、管片接頭研究 管片接頭作用的大小，將直接影響到整環(huán)隧道的受力，一般情況下螺栓的作用越強(qiáng)，隧道的內(nèi)力就越大，另外，螺栓對隧道的變形有一定的限制作用。 對北京地層條件作用下螺栓的作用，目前還沒有見到文獻(xiàn)報(bào)道，需要研究確定。 %26n bsp; 我們從兩個方面研究了采用彎螺栓連接的管片接頭。 （1）現(xiàn)場測試研究 我們在試驗(yàn)段隧道埋設(shè)了螺栓應(yīng)力計(jì)，以測試管片拼裝后到推出盾尾一段時間螺栓的受力行為和螺栓應(yīng)力值，每組測試斷面由兩環(huán)管片組成，相互驗(yàn)證。 螺栓應(yīng)力計(jì)測點(diǎn)布置方式見圖5。 試驗(yàn)段只進(jìn)行了環(huán)向螺栓應(yīng)力測試，螺栓應(yīng)力隨時間變化規(guī)律見圖6、圖7所示，其應(yīng)力變化過程主要有初始階段、推進(jìn)階段、應(yīng)力維持階段和應(yīng)力上升階段等。 ●初始階段 對螺栓首先進(jìn)行標(biāo)定，然后插入到螺栓孔中，在螺栓上緊以前，其應(yīng)力維持在較低的水平。 螺栓擰緊分兩次實(shí)現(xiàn)，第一次先進(jìn)行預(yù)緊，施加總緊固力的20％～30％，第二次緊固到位，從圖上可以明顯看出其過程，擰緊螺栓后，當(dāng)管片尚位于盾尾內(nèi)部時，螺栓應(yīng)力一直維持在緊固應(yīng)力的水平。 ●推進(jìn)階段 隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，盾構(gòu)管片被推出盾尾，在此過程中，螺栓的應(yīng)力均勻下降，其下降幅度很大，有些部位甚至螺栓應(yīng)力接近0，這一過程顯示出螺栓的暫時“失效”現(xiàn)象。 初步分析其主要原因是：隨著盾構(gòu)管片推出盾尾，具有一定壓力的同步注漿漿液逐步布滿管片隧道四周，產(chǎn)生軸向的壓力，使個管片之間的橡膠止水帶被進(jìn)一步擠密，導(dǎo)致螺栓松弛。 ●應(yīng)力維持階段 盾構(gòu)推出盾尾，螺栓應(yīng)力松馳后，在一定時間范圍內(nèi)，螺栓繼續(xù)維持低應(yīng)力水平，量值增加不大。 一般情況下這一階段可持續(xù)8～10個小時左右，與漿液的凝固時間基本一致。 初步分析其主要原因是：盾尾注漿漿液凝固并達(dá)到強(qiáng)度以前，對盾構(gòu)隧道的作用仍基本為軸向力，與上一階段相似。 ●應(yīng)力上升階段 應(yīng)力維持階段后，隨時間的推移，螺栓的應(yīng)力呈線性上升，直到維持與初期緊固應(yīng)力相當(dāng)?shù)乃健? 應(yīng)力上升階段的時間一般持續(xù)30天左右。 初步分析其主要原因是：隨著注漿漿液硬化，管片與地層間形成了硬性接觸，地層的變形直接作用在管片上，又由于各方向地層荷載的不同，破壞了原來一直保持的周邊均勻作用，使管片接頭發(fā)生轉(zhuǎn)角，螺栓受拉。 這種地層變形達(dá)到一定的程度后，地層與隧道間又形成了一個相對平衡的受力體，并維持穩(wěn)定。 根據(jù)以上各階段的情況，可以初步歸納以下幾個結(jié)論： a.在盾尾拼裝階段，螺栓的主要作用是將預(yù)制管片連接起來，確保推出盾尾前隧道環(huán)的穩(wěn)定，并保持盾構(gòu)隧道的外形； b.盾尾注漿漿液的凝固時間決定了盾構(gòu)隧道與地層作用（直接作用）的早晚，地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段隧道的這一時間為8～10小時，在有條件的情況下，應(yīng)盡量縮短漿液的凝固時間； c.由于北京地層具備比較好的自穩(wěn)能力，對圓形盾構(gòu)隧道而言，隧道與地層相互作用達(dá)到穩(wěn)定的時間比較長，約為30天； d.隧道與地層的受力平衡作用要靠隧道的變形來形成，一般情況下螺栓應(yīng)力上升階段的時間比較長，建議施工期間在管片推出盾尾后2天左右對螺栓進(jìn)行二次緊固，這樣可以相對提早使隧道與地層間形成受力平衡關(guān)系； e.地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段螺栓的初始緊固應(yīng) 力為50～100 N/mm2左右。 （2）管片接頭剛度試驗(yàn)研究 根據(jù)對不同接頭剛度的管片環(huán)的力學(xué)分析，接頭剛度大小對管片的受力有較大影響，而管片接頭剛度由于接觸面受力和變形的復(fù)雜性，僅靠理論分析無法準(zhǔn)確給出。 因此我們開展了管片接頭剛度室內(nèi)試驗(yàn)研究，采用原型管片進(jìn)行測試。 試驗(yàn)主要想達(dá)到以下幾個目的： a.研究管片環(huán)向接頭彎曲變形特性； b.研究管片環(huán)向接頭的剛度； c.研究彎曲過程中接頭聯(lián)接螺栓的受力和變形規(guī)律； d.研究彎曲過程中接頭四周的鋼筋與混凝土的變形和破壞規(guī)律。 試驗(yàn)采用的管片型式與加載方式見圖8。 （注：橫向力考慮從內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別加載兩種方式） 為了能夠模擬管片接頭的實(shí)際受力狀態(tài)，分別考慮從頂部施加不同量值軸力和從側(cè)向施加側(cè)力。 軸力值范圍由25t～175t，側(cè)力值由0開始一直加載至構(gòu)件破壞。 試驗(yàn)所得M—θ關(guān)系曲線見圖9、圖10。 接頭的破環(huán)方式基本為管片邊緣外皮的呈層剝落，見圖11所示。 (軸向壓力為75t；正彎矩加載) 試驗(yàn)基本結(jié)論： 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的軸力作用下，管片的張開角度與彎矩基本呈直線變化。 但當(dāng)彎矩超過某一特定值時，其線性關(guān)系的斜率增大。 該特定值已經(jīng)大大超過管片的實(shí)際限值。 由于管片螺栓布置對截面的不對稱，內(nèi)剛度（向內(nèi)彎曲剛度）一般相當(dāng)于外剛度（向外彎曲剛度）值的兩倍。 在試驗(yàn)段隧道軸力作用下的轉(zhuǎn)角基本上可以用下述公式描述（不同軸力條件下也同樣可以有類似公式描述）： 由上述公式可以推導(dǎo)出地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段管片的向內(nèi)和向外彎曲的接頭剛度為： %26nb sp; Kθ內(nèi)＝34000KN-M/rad Kθ外＝17000KN-M/rad 考慮到北京地區(qū)地層具有一定的自穩(wěn)能力，在設(shè)計(jì)計(jì)算時，可對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作一定折減后采用，建議取值為： Kθ內(nèi)＝30000KN-M/rad Kθ外＝15000KN-M/rad 通過現(xiàn)場測試和接頭剛度試驗(yàn)，基本摸清了盾構(gòu)管片接頭在施工過程中和隧道形成后的受力規(guī)律，并提供了北京地層條件下類似工程的管片接頭剛度參考值。 2、盾構(gòu)隧道與地層的相互作用規(guī)律研究 為研究盾構(gòu)隧道施工過程中地層荷載作用的變化規(guī)律以及荷載分布規(guī)律，我們進(jìn)行了現(xiàn)場測試、室內(nèi)模型試驗(yàn)和理論分析等方面的研究。 （1） 現(xiàn)場測試研究 在現(xiàn)場進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、隧道與地層的接觸應(yīng)力和變形測試，測試斷面測點(diǎn)的分布見圖12、圖13所示。 經(jīng)過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，無論管片與地層的接觸應(yīng)力還是鋼筋應(yīng)力均呈現(xiàn)與前述螺栓軸力基本相似的變化狀態(tài)和規(guī)律。 接觸應(yīng)力發(fā)展規(guī)律（見圖14）： ●初始階段 當(dāng)管片拼裝完成，仍停留在盾尾內(nèi)部時，由于尚未受到四周的荷載作用，因此接觸應(yīng)力較小。 ●推進(jìn)階段 管片逐步推出盾尾并同步注漿后，接觸應(yīng)力呈線性逐漸增加。 主要原因是管片推出后，由于注漿漿液壓力形成了對管片的作用。 此過程一般持續(xù)1～2小時。 ●穩(wěn)定階段 在管片推出盾尾，同步注漿完成后，其接觸應(yīng)力能夠維持在一定數(shù)值范圍內(nèi)，直到注漿漿液凝固。 ●后期發(fā)展 接觸應(yīng)力在盾構(gòu)剛剛推出盾尾時，在隧道周邊的分布是比較均勻的，反映出半流體作用的特征（見圖15）。 但當(dāng)漿液凝固后，周邊的接觸應(yīng)力發(fā)展則呈現(xiàn)出不平衡的狀態(tài)，上大下?。ㄒ妶D16）。 初步分析其原因，在管片剛剛推出盾尾并進(jìn)行同步回填注 漿時刻，此時的土壓力基本呈現(xiàn)出受漿液流體壓力作用的形態(tài)，即在隧道周邊分布比較均勻，其量值與注漿壓力基本一致，注漿壓力將使四周土體與管片之間產(chǎn)生一定的超壓（預(yù)壓），此階段的土壓力最大。 這充分反映出注漿壓力是管片與土作用發(fā)生的一個最要害因素。 當(dāng)注漿漿液凝固后，隨著地層應(yīng)力重分布和超壓減小，土壓力分布發(fā)生了微妙的變化。 注漿造成的周邊地層超壓逐漸減小甚至消失，使周邊地層的土壓力減小。 同時，由于頂部超壓減小后，地層在一定范圍內(nèi)的塌落作用，在隧道拱頂兩側(cè)形成馬鞍形的土壓力分布，側(cè)壓力也基本呈上大下小的形式分布。 之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，初步分析是由于北京地層較好，頂部土層松弛荷載不能完全傳遞到隧底，最終穩(wěn)定的土壓力呈現(xiàn)出倒梯形或矩形的形態(tài)。 根據(jù)盾構(gòu)試驗(yàn)段測試結(jié)果，研究顯示隧道的拱部荷載僅相當(dāng)于上部一定范圍內(nèi)超壓消失后形成的土體卸載拱壓力，反映出土體有部分自承載作用，其卸載拱高度視不同隧道的埋深和地質(zhì)條件而不同，基本在1.0D～1.6D之間（D為隧道直徑）。 而由于初始注漿預(yù)加壓力的作用，實(shí)際側(cè)壓力值遠(yuǎn)較理論側(cè)壓力值大，在試驗(yàn)段條件下，其量值接近于隧道頂部的壓力值。 側(cè)壓力在高度方向的分布基本為頂部偏大，底部偏小。 但考慮到隨時間推移而產(chǎn)生的土體蠕變還將造成底部壓力逐步上升，因此，設(shè)計(jì)時基本可按照矩形分布考慮。 鋼筋應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律基本相似，本文不再贅述。 根據(jù)研究的管片接頭及土壓力分布規(guī)律，我們對隧道進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算和重新設(shè)計(jì)，大大減少了管片的配筋。 優(yōu)化前后的鋼筋用量見下表： %26n bsp; 優(yōu)化前后管片鋼筋用量 項(xiàng) 目 原配筋 （主筋22mm） 優(yōu)化配筋 （主筋18mm） 主筋＋構(gòu)造筋含量（kg/m3） 188.70 143.95 主筋配筋含量（kg/m3） 135.45 90.70 優(yōu)化后主筋減少數(shù)量（kg/m3） / 44.75 3、管片構(gòu)造方面需要注重的問題 （1）管片的鋼筋構(gòu)造形式與受力 在盾構(gòu)試驗(yàn)段實(shí)施過程中，我們開展了管片鋼筋構(gòu)造形式有關(guān)的試驗(yàn)研究，進(jìn)行了原型管片的彎曲試驗(yàn)。 一般情況下，管片鋼筋可采用網(wǎng)片式分布和肋形分布方式。 網(wǎng)片式分布是在管片的內(nèi)外各設(shè)一層由主筋和附加筋組成的網(wǎng)片，兩層網(wǎng)片間設(shè)拉結(jié)鋼筋；肋型分布是將管片的鋼筋按照一榀一榀鋼筋骨架的方式布置，類似一條條小梁的鋼筋骨架，鋼骨架之間采用箍筋連接。 我們采用原型管片進(jìn)行了純彎實(shí)驗(yàn)，以測試構(gòu)件的抗彎能力，實(shí)驗(yàn)裝置見圖18所示。 由于肋形布筋方式內(nèi)外側(cè)鋼筋的整體聯(lián)系牢靠，一般情況下其承載能力較網(wǎng)片式布筋高，因此，建議今后設(shè)計(jì)時宜采用肋式布筋方式。 （2）管片的細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)注重的問題 管片螺栓手孔和注漿孔部位應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)筋。 由于管片螺栓手孔較大（長度可能達(dá)到300mm以上），對管片結(jié)構(gòu)混凝土有明顯的削弱，設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮設(shè)置加強(qiáng)筋，這樣除補(bǔ)強(qiáng)外，還可以起到避免螺栓的緊固力對孔口混凝土的破壞的作用。 在管片安裝時，基本是利用管片注漿孔兼作起吊孔，拉拔試驗(yàn)顯示的破壞形態(tài)證實(shí)比較輕易產(chǎn)生埋件四周混凝土的拉脫，因此孔周應(yīng)設(shè)螺旋狀加強(qiáng)筋。 這樣可以有效提高埋件的抗拉拔能力。 管片接觸部位的邊緣應(yīng)適當(dāng)回退，設(shè)置1～2mm的錯臺；管片邊角應(yīng)設(shè)至少5mm*5mm的倒角；螺栓孔口等空洞的四周也應(yīng)設(shè)倒角，以方便螺栓穿入。 注漿孔埋件在迎土側(cè)應(yīng)保留20～25mm的混凝土層，以防止同步注漿漿液流入，需要注漿時可用鋼釬擊穿預(yù)留混凝土。 4、關(guān)于管片混凝土配合比 盾構(gòu)隧道管片一般采用高性能混凝土。 高性能混凝土對耐久性、工作性、適應(yīng)性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性等方面均有較高的要求。 盾構(gòu)試驗(yàn)段管片高性能混凝土的主要要求是： ●塌落度40-60mm，易于澆注和振搗； ●抗壓強(qiáng)度大于C50； ●抗?jié)B等級P10； ●低堿 集料反應(yīng)活性即每立方米混凝土中的總堿含量低于3Kg； ●低收縮性即28天的收縮絕對值小于400*10-6（目的是保證管片的尺寸精度）； ●硬化后混凝土外觀要求無裂縫，氣泡少，顏色均勻。 在上述要求中，強(qiáng)度和抗?jié)B指標(biāo)是比較輕易滿足的，但抗裂和收縮要求對混凝土配合比的要求很難滿足，通過多種配合比的試驗(yàn)研究，最終采用的管片混凝土配合比如下： 材料用量(Kg/m3) 坍落度（mm） 抗壓強(qiáng)度（MPa) 水 水泥 純礦渣 DFS-2 砂子 石子 1天 14天 28天 114 228 152 11.2 722 1231 40 35.4 63.3 73.2 采用此配合比生產(chǎn)的管片除強(qiáng)度等滿足要求外，也具有很好的外觀質(zhì)量。 地鐵五號線盾構(gòu)試驗(yàn)段工程管片的養(yǎng)護(hù)采用自主研發(fā)的能自動控溫控濕的蒸養(yǎng)罩，有效地防止 了混凝土因溫度原因產(chǎn)生開裂。 5、掌子面穩(wěn)定、壁后注漿和沉降猜測 在施工過程中，為確保地層的穩(wěn)定，有效控制沉降，采取了一系列的措施。 經(jīng)過驗(yàn)證，取得了比較好的效果，施工完成的隧道，其上方地表沉降基本控制在17mm以內(nèi)，有效防止了上方地面建筑物的破壞。 本文僅簡要闡述幾個主要的結(jié)果。 掌子面的穩(wěn)定、壁后注漿和沉降控制為相輔相成的三個方面，只有三個方面都得到保證，才能達(dá)到目的。 （1）掌子面的穩(wěn)定 不同地層條件下，應(yīng)采取不同措施穩(wěn)定掌子面。 a) 粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土地層 土的粘結(jié)力較大，在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，易造成粘性土附著于刀盤上造成刀盤扭矩增大，或者土體進(jìn)入土倉后被壓密固化，造成開挖、排土均無法進(jìn)行的情況。 此時應(yīng)通過刀盤上的注漿孔向刀盤前方的土體注入泡沫，在增加土體流動性的同時，降低其粘著性，防止開挖土附著于刀頭或土室內(nèi)壁。 b)粉細(xì)砂及砂礫層及卵石層 由于其滲透性較大，流動性差，對刀具的磨損大，施工期間僅靠泡沫的潤滑和地層改良作用已不能完全滿足施工的要求。 在推進(jìn)過程中除了使用泡沫以外，還應(yīng)輔以膨潤土漿液，以加強(qiáng)刀具的潤滑、冷卻，改善工作狀態(tài)，同時起到補(bǔ)充地層土體微細(xì)顆粒的不足，提高土體流動性和止水性的作用。 掘進(jìn)結(jié)束時倉內(nèi)的水、泡沫輕易通過地層流失，造成土倉內(nèi)壓力的消散，給土壓力維持穩(wěn)定帶來一定的困難。 此時，在盾構(gòu)掘進(jìn)結(jié)束，需較長時間停機(jī)時，應(yīng)向土倉內(nèi)注入膨潤土漿液并用刀盤充分?jǐn)嚢瑁纳仆羵}內(nèi)土體的密閉性，防止開挖面坍塌。 c)粉土層及砂質(zhì)地層 由于粉土與砂土在土倉內(nèi)較好地拌和，粉土中的粘粒成分改善了土倉內(nèi)土的流動性，因此在通過這類地層時，刀盤的扭矩較小，掘進(jìn)速度接近與粘質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土層中的速度，唯一比較困難的是土壓力的維持相對較難，土倉內(nèi)壓力散失較快，停機(jī)需向內(nèi)加 入膨潤土漿液，以維持土壓和開挖面穩(wěn)定。 盾構(gòu)密閉艙的土壓力大小是保證前方土體穩(wěn)定的重要因素。 根據(jù)試驗(yàn)段經(jīng)驗(yàn)，密閉艙的土壓力一般應(yīng)保持在開挖面理論土壓力的1.3倍左右。 圖19是施工中實(shí)際土壓力和理論土壓力比較曲線，途中壓力水平較高部分為盾構(gòu)始發(fā)段的土壓力值，此階段認(rèn)為加大了施工壓力。 （2）壁后注漿 盾構(gòu)隧道從盾尾推出時，隧道與地層間的空隙采用注漿的辦法填充。 根據(jù)北京地區(qū)的地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)以及現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)的型式，漿液應(yīng)具備以下性能： a. 具有良好的長期穩(wěn)定性及流動性，并能保證適當(dāng)?shù)某跄龝r間，以適應(yīng)盾構(gòu)施工以及遠(yuǎn)距離輸送的要求。 b. 具有良好的充填性能。 c. 在滿足注漿施工的前提下，盡可能早地獲得高于地層的早期強(qiáng)度。 d. 漿液在地下水環(huán)境中，不易產(chǎn)生稀釋現(xiàn)象。 e. 漿液固結(jié)后體積收縮小，泌水率小。 f. 原料來源豐富、經(jīng)濟(jì)，施工 治理方便，并能滿足施工自動化技術(shù)要求。 g. 漿液無公害，價格便宜。 根據(jù)上述要求，基本可以確定應(yīng)采用惰性漿液。 我們在實(shí)驗(yàn)室對惰性漿液的成分和配比進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)后確定了漿液的成分和凝聚時間。 漿液的主要成分為生石灰、粉煤灰、細(xì)砂、膨潤土（鈉土）和水等材料，凝聚時間在10小時左右。 注入壓力要考慮不同地層的多種情況，注入壓力一般是2～4bar，由于在砂質(zhì)或砂卵石地層中漿液的擴(kuò)散快，因此注入壓力可比其它地層的注入壓力適當(dāng)減小。 一般每環(huán)管片的漿液注入量為3～4m3，施工中假如發(fā)現(xiàn)注入量持續(xù)增多時，必須檢查超挖、漏失等因素。 而注入量低于預(yù)定注入量時，可以考慮是注入漿液的配比、注入時期、盾構(gòu)推進(jìn)速度過快或出現(xiàn)故障所致，必須認(rèn)真檢查采取相應(yīng)的措施。 （3）沉降猜測 沉降控制主要是通過施工中的開挖面穩(wěn)定和隧道背后注漿實(shí)現(xiàn)。 但在施工過程中應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件對地面沉降進(jìn)行初步的猜測，以指導(dǎo)施工采取措施。 盾構(gòu)試驗(yàn)段工程作了大量的地表沉降觀測和拱頂下沉觀測，這些實(shí)測數(shù)據(jù)反映了盾構(gòu)隧道推進(jìn)過程各個階段地表隆沉的情況。 圖20顯示出某一監(jiān)測斷面在離開開挖面不同距離時的地表隆沉情況。 %26nbsp ;根據(jù)沉降特點(diǎn)，將沉降分為以下幾個階段： ●預(yù)先隆沉階段 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)距離觀測斷面較近時（0～2.5D），由于盾構(gòu)機(jī)推力對土體擾動，地下水位、變化開挖面塌落、施工參數(shù)（如土壓、推力等）變化等多方面因素影響，地表可能產(chǎn)生沉降或稍微隆起； ●盾構(gòu)機(jī)通過階段 盾構(gòu)機(jī)通過直到盾尾經(jīng)過觀測斷面正下方期間（-2.5D～0），因盾構(gòu)機(jī)主體脫出前，漿液未及時充填引起的沉降及施工中超挖后土體應(yīng)力狀態(tài)變化較大，引起地層損失，這是盾構(gòu)施工中產(chǎn)生地表沉降最主要的組成部分； ●后續(xù)固結(jié)沉降階段 盾構(gòu)經(jīng)過后（盾構(gòu)后方-2.5D之后），盾構(gòu)推進(jìn)對地層的影響并未完全消失，所以土體將進(jìn)一步固結(jié)和蠕變殘余變形，時間可以長達(dá)1～2個月。 試驗(yàn)段施工中，各階段產(chǎn)生的地表沉降量所占的比重分別為：盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前，地表產(chǎn)生的沉降僅占總沉降量的5%—15%，盾構(gòu)機(jī)通過過程中產(chǎn)生的沉降占總沉降量的45%—50%，通過后的后續(xù)沉降占40—45%。 由此可以看出，北京地區(qū)進(jìn)行的盾構(gòu)法施工與上海地區(qū)軟土地層盾構(gòu)法施工引起的地表沉降組成有較大差別。 主要表現(xiàn)在，上海采用盾構(gòu)法施工隧道沉降除上述四個階段外，還有一個明顯的長期潛變的沉降過程，其產(chǎn)生的沉降量占總地表沉降量的35%左右，而在北京的地質(zhì)條件下長期潛變并不明顯，在以上劃分中歸到后續(xù)固結(jié)沉降一起，其所占比重一般小于總沉降量的5%。 根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同地層的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過分析整理，回歸后得到地表沉降最大值的計(jì)算公式： 式中：D為隧道直徑，h為隧道中心埋深，K’為與地層有關(guān)的系數(shù)。 粘質(zhì)土層：K’＝0.9~1.1 粉質(zhì)土層：K’＝1.1~1.3 砂質(zhì)土層：K’＝1.3~1.5 利用上述經(jīng)驗(yàn)公式，可以對不同情況下的地面沉降最大值進(jìn)行初步猜測。 四、結(jié)語 盾構(gòu)試驗(yàn)段是在北京地鐵工程中實(shí)施的第一個盾構(gòu)隧道工程，通過結(jié)合工程進(jìn)行的一系列試驗(yàn)研究，我們試圖摸索北京特有地層下采用盾構(gòu)法施工的一些經(jīng)驗(yàn)，本文的目的是想與業(yè)界分享這些粗淺的成果和經(jīng)驗(yàn)，文中若有不妥之處，請業(yè)內(nèi)專家指正。