盾构隧道的管片配筋设计介绍

盾构隧道的管片配筋设计介绍

孙凤明

中国港湾工程有限责任公司北京100027

摘要：盾构隧道在国内近几年的基础设施领域快速发展，特别是地铁区间的大量建设实践极大的提高了广大设计人员的技术水平。其中管片设计是影响盾构隧道造价的重要一环。本文结合某地铁区间的设计实例，结合软件计算，介绍管片配筋计算的一般流程，以期待为其他工程技术人员提供参考借鉴，共同提高我国在该领域的设计水平。

关键词：盾构隧道；管片；配筋；计算,实例

1计算理论

圆形隧道衬砌按平面问题计算,在软土地层中通缝拼装的衬砌结构，常用的计算模式是等刚度的弹性匀质圆环模型。该计算结果偏于安全，估得到广泛运用。

计算中主要需要考虑的荷载包括：

1)地面超载q（一般情况下按20KPa）；

2)结构自重g；

3)垂直和水平土压力q1、e1～e2；

4)外水压力（H1～H1+2R）；

5)侧向地层抗力PP；

6)地层反力q2；

7)施工荷载(盾构千斤顶顶力、不均匀压浆压力、相邻隧道施工影响等)；

8)结构内部荷载（车辆荷载及固定设施自重等）；

9)特殊荷载（地震荷载或六级人防荷载）。

结构设计时，分别就施工阶段、正常运行阶段和特殊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。但特殊荷载阶段每次仅对一种特殊荷载进行组合（无需验算裂缝宽度）。

2计算参数

2.1工程材料

该工程普通衬砌环由钢筋砼管片构成，砼强度等级为C50，钢筋采用HPB300、HRB400钢。管片环、纵向连接螺栓均采用M30螺栓，强度等级为5.8、6.8级。

2.2结构尺寸

隧道内径的确定主要取决于地下铁道的限界，同时需要考虑区间线路最小曲线半径和轨道超高、施工误差、不均匀沉降等。本项目采用B型车，圆形区间隧道建筑限界为φ5200mm，综合考虑隧道轴线的施工误差（包括测量误差）为±100mm、隧道后期不均匀沉降±50mm，则隧道的内径可定为5500mm。

衬砌环厚度需要根据工程全线的隧道覆土深度、周围环境、工程和水文地质条件、结构特点、施工条件等综合因素，通过结构计算确定。目前国内较常用的轨道交通管片主要为30cm、35cm两种厚度。本项目经技术、经济分析，钢筋砼衬砌环的厚度采用35cm。

衬砌环环宽越大，接缝越少，因而漏水环节，螺栓数量少，施工速度快。环宽增加，要求盾构机千斤顶的行程增加，盾构机长度要增加，设备投资、施工难度均相应增加。综上所述，在综合考虑管片的制造、运输、曲线施工因素、施工速度、防水质量、工程质量及设备投资等因素后，衬砌结构优选1.2m环宽。

2.2地质参数

本项目顶区间隧道设计施工参数:

②重度为19.0kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为5kPa、27.0o；静止侧压力系数为0.34；竖直和水平基床系数分别为20MPa/m、25MPa/m；渗透系数1.5E4（cm/s）。

③1a重度为18.8kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为4kPa、28.0o；静止侧压力系数为0.34；竖直和水平基床系数分别为15MPa/m、20MPa/m；渗透系数1.5E4（cm/s）。

③1重度为19.4kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为3kPa、28o；静止侧压力系数为0.33；竖直和水平基床系数分别为25MPa/m、25MPa/m；渗透系数3E4K（cm/s）。

③2重度为19.5kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为3kPa、28.0o；静止侧压力系数为0.3；竖直和水平基床系数分别为30MPa/m、35MPa/m；渗透系数1.5E3（cm/s）。

③2a重度为19.2kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为4kPa、25.5o；静止侧压力系数为0.32；竖直和水平基床系数分别为25MPa/m、30MPa/m；渗透系数5E4（cm/s）。

③3重度为18.8kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为5kPa、26.5o；静止侧压力系数为0.32；竖直和水平基床系数分别为25MPa/m、30MPa/m；渗透系数1.5E4（cm/s）。

③4重度为19.1kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为2kPa、27.5o；静止侧压力系数为0.30；竖直和水平基床系数分别为40MPa/m、45MPa/m；渗透系数1.5E3（cm/s）。

④1重度为17.9kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为17kPa、16.5o；静止侧压力系数为0.49；竖直和水平基床系数分别为10MPa/m、15MPa/m；渗透系数6E6（cm/s）。

④2a重度为18.3kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为14kPa、20.5o；静止侧压力系数为0.35；竖直和水平基床系数分别为20MPa/m、25MPa/m；渗透系数1.5E4（cm/s）。

④2a重度为18.4kN/m3，直剪固快C、Ф值分别为10kPa、22.5o；静止侧压力系数为0.46；竖直和水平基床系数分别为18MPa/m、20MPa/m；渗透系数8E6（cm/s）。

3计算结果

圆形区间隧道的结构计算，应根据各区段结构所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、结构特点、施工条件、隧道相邻影响等因素，结合已有的试验、测试资料，选用合适的计算参数计算。根据本工程区间的隧道所处土层及埋深，介绍工况一浅埋（h≤10m）、工况二中埋（10m＜h≤15m）及工况三深埋（15m＜h≤20m）分别进行计算。

浅埋（h≤10m）工况：钻孔Q5CJ3处，隧道拱顶埋深8.61m。隧道断面周围的土层主要是②粉质粘土。地面超载为20kPa，经荷载计算断面的垂直荷载为196.23kPa。拱顶水平荷载118.97kPa，拱底水平荷载199.86kPa。由地勘可知水平基床系数取30.00MPa/m。添加荷载后计算获得管片内力为：（1）拱顶处弯矩计算值为122kNm，轴力计算值为462kN。（2）侧墙处弯矩计算值为105kNm，轴力计算值为700kN。（3）拱底处弯矩计算值为111kNm，轴力计算值为581kN。可拟定配筋组合为：内侧6E22+2E18，外侧8E18+2E10。管片配筋率为163.5kg/m3。

中埋（10m＜h≤15m）工况：钻孔Q6CJ5处，隧道拱顶埋深11.84m。隧道断面周围的土层主要是③2粉砂。地面超载为20kPa，经荷载计算断面的垂直荷载为261.23kPa。拱顶水平荷载157.36kPa，拱底水平荷载237.03kPa。由地勘可知水平基床系数取35.00MPa/m。添加荷载后计算获得管片内力为：（1）拱顶处弯矩计算值为135kNm，轴力计算值为619kN。（2）侧墙处弯矩计算值为106.384kNm，轴力计算值为890kN。（3）拱底处弯矩计算值为127kNm，轴力计算值为736kN。可拟定配筋组合为：内侧6E25+2E20

外侧2E25+6E20+2E10。管片配筋率为195.1kg/m3。

深埋（15m＜h≤20m）工况：钻孔Q6CZ2处，隧道拱顶埋深16.72m。隧道断面周围的土层主要是③2粉砂。地面超载为20kPa，经荷载计算断面的垂直荷载为353.87kPa。拱顶水平荷载224.54kPa，拱底水平荷载305.77kPa。由地勘可知水平基床系数取35.00MPa/m。添加荷载后计算获得管片内力为：（1）拱顶处弯矩计算值为163kNm，轴力计算值为842kN。（2）侧墙处弯矩计算值为126kNm，轴力计算值为1161kN。（3）拱底处弯矩计算值为155kNm，轴力计算值为961kN。可拟定配筋组合为：内侧6E25+2E28外侧8E25+2E10。管片配筋率为227.4kg/m3。

参考文献：

[1]《地铁设计规范》（GB50157-2013）

[2]《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）