地铁大直径盾构隧道管片结构可行性及经济性分析研究

张 亮 （东莞市轨道交通有限公司，广东 东莞 523000）

0 引 言

目前国内地铁最高运行速度一般为80～100km/h，盾构隧道内径以5.4m、5.5m为主，管片厚度一般为30cm或35cm。东莞地铁2号线设计最高运行速度为120km/h，超出现行地铁设计规范最高速度限值，若管片内径仍设计5.4m或5.5m，列车以100～120km/h高速行驶时乘客将会出现较明显耳鸣耳痛现象，较大影响乘坐舒适度，而通过增大管片衬砌内净空是缓解这种现象的有效措施之一。为指导2号线设计和建设工作，有必要对内径大于5.4m盾构隧道管片结构可行性和经济性进行研究分析。

本文通过对内径5.4m～6.2m单管单线盾构隧道衬砌结构内力进行计算，并进行配筋分析，以论证各种内径结构断面的可行性。基于管片衬砌设计和配筋分析，为表征管片内径变化对管片衬砌材料造价的影响，以2号线蛤地站～陈屋站区间为工程分析背景，对多种内径的管片衬砌和盾构隧道每延米土建造价进行了综合分析比较，重点以内径6.0m盾构隧道为例进行分析。

1 结构可行性分析

1.1 分块方案

内径大于5.4m地铁盾构隧道管片分块常采用“1+2+3”模式，即用1个封顶块、2个邻接块和3个标准块构筑衬砌环。6分块管片单块尺寸和重量适中，由于可采用小封顶块，采用纵向插入拼装方式改善了结构受力。据国内外调研资料，对时速大于100km/h的单管单线区间隧道，管片内径通常在5.4m～6.2m之间取值。

1.2 荷载计算

黏性土中水土合算，砂性土中水土分算。垂直土压根据太沙基松弛土压力理论计算。对于深埋盾构隧道(埋深大于2倍隧道洞径D)，若作用在隧道结构上的土压力值小于2D覆土荷载时，断面垂直土压取2D土柱荷载。对于浅埋盾构隧道，垂直土压按全覆土柱计算。

图1 荷载－结构模式

管片结构内力及变形计算采用梁—弹簧模型，如图1所示。梁-弹簧模型将管片主截面简化为圆弧梁，对于弯矩将管片接头考虑为旋转弹簧，将管片环接头考虑为剪切弹簧。

1.3 内力计算

分别取内径为 5.4m、5.5m、5.6m、5.7m、5.8m、5.9m、6.0m、6.1m和6.2m，考虑30cm和35cm两种管片厚度，取管片宽度B=1.5m，对各种内径的管片内力进行计算。其中6.0m内径管片内力计算结果如表1所示。

内径6.0m管片内力计算结果 表1

1.4 配筋分析

考虑管片受力可能最不利截面有正弯矩最大的截面、负弯矩最大的截面、剪力最大的截面。计算模型为偏心受压构件。保护层厚度考虑防水和耐久性要求，管片内侧取30mm，外侧取40mm，采用C50混凝土，主筋为HRB335螺纹钢。

经管片裂缝宽度验算，内径6.0m管片的配筋情况如表2所示，该配筋计算是根据是盾构隧道管片衬砌的承载能力（强度）和正常使用（裂缝）要求计算出的理论配筋量。

根据施工经验，当含筋量小于130kg/m3时，管片衬砌在施工中易出现局部裂缝，因此盾构隧道管片厚度为35cm、内径在φ5400～6200mm范围时，其含筋量宜选在130～160kg/m3之间。

管片内径与钢筋含量的关系见图2，可知在相同内径情况下，随着衬砌厚度的增加，含筋量逐步减小；当内径为6.1m、管片厚度为30cm时，含筋量达到最大值。

内径6.0m管片配筋计算表 表2

2 结构经济性分析

主要对盾构隧道区间工程费进行对比分析，包括管片衬砌材料费、盾构机购置费、掘进费以及渣土处理费等。重点以内径6.0m、管片厚度35cm的盾构隧道为例进行分析。

2.1 材料费用

包括成型管片费用、防水材料（止水带、止水胶条费用）、接头螺栓费用。参考华南地区地铁施工平均费用考虑。

材料费用计算表 表3

2.2 盾构机费用

2.2.1 按下列2种方式分别进行计算

盾构机按10km/台的使用寿命全部分摊 表4

盾构机在区段中分摊一定比例 表5

图2 含筋量随内径变化曲线

②在2号线盾构区段分摊盾构机全部造价的一定比例，每延米盾构机费，式中：N为在本区段使用的盾构机台数；L为本区段长度 (m)；η为盾构机在本区段的分摊比例。

2.2.2 德国海瑞克盾构

以德国海瑞克盾构为例，内径6.0m盾构机价格为6000～7000万元/台，计算时大致采用平均价格。对2号线区段进行各种分摊比例计算，取盾构机寿命长度为10km/台，分摊比例取10%、30%、50%、70%、90%、100%等多种方式，并分别考虑使用4台、3台、2台盾构机计算，为便于对比，各种情况都分析了多种直径盾构机下的分摊费用。

蛤地站～陈屋站区间采用盾构大断面长约1.65km，即本区段盾构开挖长度L=3.3km。当使用4台盾构机时，本区段长度占4台盾构机全寿命长度的比例为3.3/40=8.25%，即η=8.25%为盾构机费用根据实际掘进长度分摊比例。具体见表4、5。

从隧道施工工期考虑，按大盾构推进速度为150m/月计算，当使用4台盾构机时，本区段工期约为6个月，工期短；当使用2台盾构机时，工期约为11个月，工期较长。

2.3 掘进费用

包含弃土外运费、管片拼装及同步注浆费、掘进开挖及刀具更换费等。参考华南地区地铁施工平均费用考虑。

2.4 总费用

根据上述各项费用计算得每延米的盾构隧道区间工程费总费用。蛤地站～陈屋站区间若采用2台内径6.0m盾构机，以30%在本区段中分摊的总费用约4.8万/m。

盾构机按10km/台的全寿命分摊时总费用 表7

3 结 论

①从衬砌结构受力和行业施工经验综合考虑，管片厚度为35cm、内径在5.4m～6.2m范围的盾构隧道衬砌含筋量设计取值宜控制在130kg/m3～160 kg/m3之间。对于最高设计时速为120km/h的东莞地铁2号线蛤地站～陈屋站区间，管片衬砌合理设计方案可选择内径为6.0m、厚度为35cm、幅宽为1.5m，采用3+2+1分块方式，管片衬砌含筋量宜控制在130kg/m3～140 kg/m3之间。

盾构机在区段中分摊一定比例时总费用表8

②单从盾构隧道结构经济性考虑，对于蛤地站～陈屋站大断面盾构区间，当使用4台盾构机时，根据实际掘进长度的分摊比例为8.25%；当使用2台盾构机时，根据实际掘进长度分摊比例为16.5%。综合经济性和工期考虑，蛤地站～陈屋站盾构区间的施工可采用2台盾构机，宜采用16%左右的分摊比例。

③结合实际盾构机的新旧情况，蛤地站～陈屋站盾构区间最终采用的盾构机合理分摊比例可按以下取值：采用2台盾构机，若盾构机是旧机，或者即使是新机但今后可在其它地方采用时，合理分摊比例取16%左右；当采用新盾构机且目前不具备在其它城市或区段中获得应用的可能性时，合理分摊比例宜取30%左右。

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