大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析

晏启祥,王春艳,郑代靖,李　灿

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都　610031)



大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析

晏启祥,王春艳,郑代靖,李灿

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都610031)

摘要：以国内大型水下盾构隧道的构造设计为基础,结合国外典型盾构工程实例,分析我国水下盾构隧道衬砌构造设计现状,并对管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析,论述管片厚度与最大水压、管片外径与隧道最小覆盖层厚度之间的关系。研究表明：我国大型水下盾构隧道接缝构造正在向单道止水密封、非榫槽平顺接缝、通用楔形平板型管片错缝拼装方面发展；研究还得出管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性等一系列结论。

关键词：水下隧道；盾构隧道；管片衬砌；构造设计；统计分析

目前，国内外大型水下盾构隧道工程越来越多，如国内已经建成武汉长江隧道，南京长江隧道，崇明长江隧道，杭州庆春路隧道，杭州钱江隧道，上海翔殷路隧道、上中路隧道，国外已建成英法海峡隧道、日本东京湾隧道，荷兰绿色心脏隧道等，大型水下盾构隧道建设方兴未艾。未来我国将在长江、黄浦江、珠江、钱塘江、黄河等流域继续建设水下盾构隧道的同时，发展穿越海湾海峡等近海海底水下盾构隧道工程，特别是穿越渤海湾、杭州湾、胶州湾、北部湾、莱州湾、琼州海峡、台湾海峡、东海舟山群岛等海域的水下隧道工程已是大势所趋，盾构法水下隧道已呈现出向大断面、大幅宽、高水头、长距离发展的总体趋势。

伴随着我国水下盾构隧道的不断建设，隧道工程界获得了大量水下盾构法隧道设计与施工的实践经验与技术积累。如肖清明[1]等针对南京长江隧道拟定的4种分块方案进行了综合分析和选择；夏松林[2]研究了广州狮子洋隧道大断面原型管片衬砌结构通缝式拼装在不同水土压作用下的整体受力规律与破坏特征；姜安龙[3]针对沪崇苏通道南港隧道实际工程，开展了大直径盾构隧道管片结构理论分析；张建刚[4]等提出了适用于复杂接缝面管片接头的改进条带算法，研究了不同螺栓连接方式、不同承压衬垫方式、不同防水垫方式和不同接触状态下管片接头的力学特征；封坤[5]等对南京长江隧道原型管片衬砌结构进行了试验研究，探讨了大型水下盾构隧道结构在通缝和错缝拼装方式下的不同破坏形态；张小冬[6]等结合拟建的哈尔滨松花江隧道，对隧道周围土体及衬砌变形的力学性状进行了研究；张冬梅[7]等结合上海长江隧道衬砌结构整环试验，研究了考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法。上述研究都是针对具体工程对象以揭示其力学行为为主要目的。也有少量针对水下盾构隧道开展宏观分析和讨论的相关研究成果，如王梦恕[8]论述了水下隧道在穿越江河湖海时所有的优势，讨论了水下隧道勘察设计、施工的几项关键技术；何川[9]等分析了大型水下盾构隧道在设计、施工及长期运营阶段可能存在的结构问题以及未来亟待解决的关键问题；孙钧[10]总结了国内外跨海隧道工程建设现况及其特色。然而，这些研究基本不涉及国内大型水下盾构隧道的构造设计方面的内容，大型水下盾构隧道的构造设计、特别是接头细部的构造设计等方面的成果缺乏较为系统的总结和分析。因此，有必要对国内已建或在建的部分大型水下盾构隧道衬砌的构造参数及其细部特性进行阐述和分析，并统计出其对未来结构设计有益的技术成果。

1国内大断面水下盾构隧道管片设计参数介绍

水下隧道衬砌构造设计主要包括管片衬砌环分块、衬砌内外径、管片厚度与幅宽、管片拼装方式、接头构造与螺栓连接形式、管片楔形量等，这些构造设计基本决定了管片衬砌的整体型式，也是水下盾构隧道设计时需要重点考虑的关键因素。由于国内水下盾构隧道衬砌构造设计现状能反映我国盾构隧道衬砌设计的基本水平，因此，有必要以我国2008年建成的武汉长江隧道、2009年建成的上海崇明越江隧道、2010年建成的南京长江隧道、2011年建成的广深港客运专线狮子洋隧道和杭州庆春路隧道、2014年建成的钱江隧道和2015年建成的南京纬三路长江隧道等7座标志性水下隧道工程的构造设计现状进行阐述。

武汉长江隧道盾构段长2.54 km，内径10.0 m，外径11.0 m，管片幅宽2.0 m，厚度0.50 m，分块形式为6B(40°)+2L(40°)+K(40°)，见图1，采用C50钢筋混凝土平板型管片，抗渗等级为P12。一环内纵向采用M30型8.8级螺栓插销式直螺栓36个等圆心角布置，管片在环向接缝处布置M36型8.8级弯螺栓4个。管片楔形量为55 mm。管片接缝处设有环纵向凹凸榫槽，并在凹凸榫槽内外各设1道弹性密封垫，最终在衬砌结构上形成了2道防水线。

图1　武汉长江隧道管片分块及接缝构造示意(单位：mm)

南京长江隧道盾构段长3.02 km，内径13.3 m，外径14.5 m，管片幅宽2.0 m，厚度0.60 m，管片环由1块封顶块管片(F)圆心角为12.86°，7块标准块管片(分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7)圆心角均为38.57°，以及左右各1块邻接块管片(分别为L1、L2)构成，圆心角均为38.57°，见图2，采用C60钢筋混凝土平板型管片，抗渗等级为P12。纵向接头42处，按4°27′和10°37′55.71″的角度交替布置。管片的楔形量为48 mm。接缝部位相对平整，在管片内外侧分设2道弹性止水密封垫。

图2　南京长江隧道管片分块及接缝构造示意(单位：mm)

上海崇明越江隧道盾构段长7.47 km，采用通用楔形管片作为隧道衬砌。隧道内径为13.7 m，外径为15.0 m，管片幅宽2.0 m，厚度0.65 m，每环由10块管片构成，见图3。其中标准块7块(B)，邻接块2块(L)，封顶块1块(F)。采用C50钢筋混凝土平板型管片，抗渗等级为P12。管片环与环之间用38根斜螺栓相连接，每环管片的块与块之间以20根M39环向螺栓连接，采用通用楔形管片错缝拼装，管片的楔形量为40 mm。管片接缝构造平顺不设榫槽，只在管片外侧设置一道防水密封垫。

图3　上海崇明越江隧道管片分块及接缝构造示意(单位：mm)

广深港客运专线狮子洋隧道盾构段长9.34 km，内径9.8 m，外径10.8 m，管片幅宽2.0 m，厚度0.50 m，管片环由1块封顶块管片(F)圆心角为16.36°，5块标准块管片(分别为B1、B2、B3、B4、B5)圆心角均为49.09°以及左右各1块邻接块管片(分别为L1、L2)构成，圆心角均为49.09°，见图4，采用C50钢筋混凝土平板型管片，抗渗等级为P12。纵向接头22处，按16°21′49.09″等角度布置。环向和纵向螺栓均采用6.8级M36型斜螺栓，管片楔形量为24 mm。管片接缝上设置2道弹性密封垫。

图4　狮子洋隧道管片分块及接缝构造示意(单位：mm)

杭州庆春路隧道盾构段1.77 km，盾构隧道内径10.3 m，外径11.3 m，采用通用楔形管片，管片厚度0.5 m，幅宽2.0 m。每环由9块管片组成，分块形式为6B(40°)+2L(40°)+F(40°)，见图5，采用C50钢筋混凝土平板型管片，抗渗等级为P12。管片环与环之间采用36根M30斜螺栓连接，块与块之间通过2条环向M36斜螺栓连接。管片接缝构造平顺不设榫槽，只在管片外侧设置1道防水密封垫。

图5　杭州庆春路隧道管片分块及接缝构造示意(单位：mm)

上述隧道的构造设计见表1。

这7座隧道管片内径大致在10～14 m、外径在11～15 m范围内，管片厚度50～65 cm，分为8～10分块，标准块重力90～160 kN，最高水头大多处于40～70 m之间。它们的共同点是都采用RC平板型管片，幅宽都为2 m，管片抗渗等级P12，且都采用错缝拼装方式；由于各座隧道的曲线半径要求不同，因此其楔形量差别较大，最小的楔形量为24 mm、最大的达55 mm。值得注意的是，狮子洋隧道局部地段采用了双层衬砌结构型式，大型水下盾构隧道有采用通用楔形环的趋势。

上海市黄浦江上的部分大型水下盾构隧道衬砌构造设计见表2。其内径在8.0～13.5 m，管片厚度在45～60 cm，分块数8～10块，标准块重力50～160 kN。比较表1和表2可以看出，2000年前，水下盾构隧道采用RC箱形管片为主，通缝拼装，2000年以后，主要以RC平板形管片为主，错缝拼装；管片的幅宽以2004年建设的上中路隧道开始，从最初的1.5 m以下提高到了2.0 m。目前国内内径在8.0 m以上的水下盾构隧道衬砌幅宽基本都采用2.0 m幅宽。

表1　国内典型水下盾构隧道衬砌构造设计

表2　上海黄浦江水下盾构隧道衬砌构造设计

2衬砌构造设计参数统计

2.1　管片厚度与外径关系

目前，管片厚度一般先根据隧道外径按经验确定，然后通过计算，考虑各种因素后综合确定。也可根据管片衬砌各截面的最大压应力应小于混凝土衬砌的抗压强度，即需满足σθmax≤fck/k加以确定，k为安全系数。如图6所示的荷载模式，假定管片衬砌为均质圆环，P为径向外水压力，q为地层围岩竖向均布荷载，e为地层围岩水平侧压力中的矩形部分，Δe为隧道高度上竖向围岩压力差引起的水平不均匀侧压力。在弯矩和轴力共同作用下任一截面上的弯矩和轴力分别见式(1)和式(2)，其中，θ为衬砌截面与Y轴正方向的夹角，以顺时针旋转为正；M(θ)为衬砌θ截面所受的弯矩，以内侧受拉为正；N(θ)为衬砌θ截面所受的轴力，以受压为正；r为圆形衬砌截面中性轴所在圆半径，取隧道内外半径之和的一半。管片衬砌在地层围岩和水压力荷载共同作用下任意截面的最大压应力见式(3)。Iz为横截面对中性轴z的惯性矩，Iz为BH3/12，B为管片幅宽，H为管片厚度；y为截面上所求应力点相对中性轴的纵坐标，A为横截面面积BH，a为隧道衬砌内半径，b为隧道衬砌外半径，R为衬砌截面任意点相对圆心半径。将式(1)、式(2)代入式(3)可以看出，在特定荷载情况下，要将混凝土衬砌的最大压应力控制在强度允许范围内，则需要在半径r增大的同时，增大Iz和A，即增大管片厚度值。因此，可以根据公式(3)确定出特定荷载下不同半径衬砌所需要的厚度值。

图6　衬砌环荷载示意

(1)

(2)

(3)

显然，在特定荷载和管片幅宽情况下，式(3)中y取±H/2，R取衬砌内径时，各截面σθ极值仅与管片衬砌外径、厚度以及截面所处的位置角θ有关。选取所有截面σθ极值中的最大值，即为σθmax。根据截面最大压应力应小于混凝土衬砌的抗压强度，可获得管片衬砌外径与其最小所需厚度的相互关系。

结合公式(3)中，参照国内外相关规范[11-12]，对某Ⅵ级围岩深埋水下铁路隧道，水平侧压力系数取0.5，垂直均布压力q=γh，h=0.45×2S-1ω，其中ω为宽度影响系数ω=1+i(B-5)；B为坑道宽度；i为B每增减1 m时的围岩压力增减率，当B<5 m时，i=0.2；B>5 m时，i=0.1，根据统计数据水压P取0.65 MPa，混凝土fck/k取25.0 MPa时，计算出了隧道管片衬砌外径为11.0～16.0 m时管片最小所需厚度见图7，其斜率为0.034。

图7　管片外径与管片所需最小厚度

根据实际工程统计，管片外径与管片厚度之间的相互关系也列于图8，其斜率为0.033，且外径11 m时其管片厚度平均约0.50 m。从图7和图8中可以看出工程样本统计曲线与计算统计曲线斜率较为接近，因此，工程设计时斜率可近似选取为0.03，管片厚度可按以下线性公式确定

(4)

图8　管片外径与管片厚度统计

2.2　管片厚度与水压关系

国外典型水下盾构法隧道有英法海峡隧道、日本东京湾隧道、荷兰西斯凯尔特隧道、德国易北河隧道等。英法海峡隧道最大埋深100 m，水深40 m；日本东京湾海底公路隧道最大埋深50～60 m，水深20～28 m，最大水压0.60 MPa；荷兰西斯凯尔特隧道直径为11.33 m，地层透水强，考虑到潮位变化，作用在隧道底的最大水压可达0.65 MPa；德国易北河隧道全长3.1 km，隧道顶距河床底最小覆土约7.0 m，预计隧道承受最大水压高达0.64 MPa。结合表1和国外典型隧道的最大水压情况的统计结果，可以绘出管片衬砌厚度与最大水压的关系如图9所示。图9表明，管片衬砌实际的厚度与最大水压之间没有明确的相关性，即使水压较高，若管片衬砌外径并不大，其对管片衬砌所需厚度的影响并不明显。

图9　管片衬砌厚度与最大水压的关系统计

2.3　管片外径与埋深关系

合理确定隧道的最小覆盖厚度是修建水下盾构隧道的关键技术之一。如果覆盖层厚度太小，隧道工作面就有面临塌方、涌水、开挖面支护压力不易控制以及隧道上浮等问题。隧道最小覆盖厚度与岩石强度和基岩以上水深有关，岩石强度高，基岩以上海水浅，最小覆盖厚度可以降低；此外，最小覆盖厚度还与灌浆压力有关，高灌浆压力则要求有足够的岩石覆盖厚度；与此同时，隧道最小覆盖厚度还应考虑河势演变，河床冲刷等因素。隧道合理埋置深度的确定可以参照已建隧道的工程设计资料，尤其是对于相同工程地质和水文地质区域内的隧道而言，已建成隧道的成功设计和施工经验是待建隧道的重要参考。国内外已建典型水下盾构隧道最小埋深如表3所示，最小的7.0 m，最大的达21.0 m，由于覆盖层最小厚度与隧道所穿越的地层岩性紧密相关，并非呈现出外径越大，覆盖层越厚的趋势。更多的资料汇总后示于图10。

表3　国内外典型水下盾构隧道最小覆盖层厚度与管片外径关系

从图10可见，根据已建工程实例，水下盾构隧道的平均覆盖层厚度和最小覆盖层厚度并没有随着隧道外径的加大而有显著增长，但考虑盾构施工过程中的顶推隆起等因素的影响，建议最小覆盖层厚度与盾构隧道外径之间要呈现正相关关系。大多数隧道的平均覆盖层厚度在20～30 m，而最小覆盖层厚度在10～18 m。

图10　国内外水下盾构隧道埋置深度

2.4　管片分块数及标准块重力与外径关系

对图11和图12中管片外径与管片分块数、标准块重力等关系实施拟合，拟合所得曲线的显著性水平检验R2分别为0.92、0.93，表明拟合的趋势线和统计的公式一定程度上能反映数据的对应关系。从图11、图12可见，随着管片外径的增大，衬砌环分块数量、标准块重力都有增大的趋势，而标准块对应的圆心角有减小趋势。

图11　管片外径与管片分块数统计

图12　管片外径与标准块管片重力统计

2.5　管片楔形量与外径关系

代表性水下隧道工程的管片外径与管片楔形量统计关系见图13，统计数据含复兴东路隧道管片楔形量66 mm、上中路隧道管片楔形量40 mm的样本等8座隧道的样本，其中含重合样本2座。从图13可以看出，对于隧道管片环外径大于10 m的大型水下盾构隧道，楔形量通常在40～70 mm。

图13　管片外径与管片楔形量统计图

管片的楔形量由隧道平面曲线半径、竖曲线半径及路线纠偏需要等因素综合确定，其计算公式为Δ=B×D/R，其中B为管片环宽；D为隧道衬砌外径；R为隧道转弯半径。由公式可知，楔形量与管片外径存在明确的关系，只是为了考虑纠偏要求，需要根据经验采用一个较小的隧道转弯半径来计算。

3结论与建议

通过我国大型水下盾构隧道的构造设计现状及其相关参数的统计分析可以看出：我国大型水下盾构隧道接缝防水型式逐步简化，从2道弹性防水密封垫减少为1道，说明盾构隧道单道防水设计已经能够满足工程要求；接缝端面逐渐平顺化，放弃了凹凸榫槽等强化接头刚度的构造措施；盾构隧道管片衬砌基本固化

为RC平板型衬砌，并大量采用通用楔形环错缝拼装；在管片衬砌厚度和外径自由变化的同时，管片幅宽提高到2.0 m后基本维持不变；另外，水下盾构隧道已经开始出现双层衬砌结构形式。从管片外径与管片楔形量、管片厚度、管片分块数、标准块圆心角、标准块重力等衬砌构造设计参数的相关性进行统计分析看出，管片外径与管片厚度、管片分块数和标准块重力之间呈正相关性，而与标准块圆心角和楔形量之间的相关性不明显；管片衬砌厚度与最大水压之间也没有明确的相关性；与此同时，盾构隧道外径与隧道的平均覆盖层厚度和最小覆盖层厚度之间相关性不明显，盾构隧道平均覆盖层厚度和最小覆盖层厚度主要受穿越地层岩性及其围岩级别的影响，但鉴于盾构施工过程中顶推隆起等因素会诱发施工安全等问题，建议最小覆盖层厚度与盾构隧道外径之间应呈现正相关关系；目前大多数水下盾构隧道的平均覆盖层厚度在20～30 m，而最小覆盖层厚度在10～18 m。

参考文献：

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[12][日]土木学会编.隧道标准规范(盾构篇)及解说[M].朱伟，译.北京：中国建筑工业出版社，2001.

Conformation Design and Statistical Analysis of Large Underwater Shield TunnelYAN Qi-xiang, WANG Chun-yan, ZHENG Dai-jing, LI Can

(Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Abstract：Based on conformation design of large underwater shield tunnel at home, combined with typical engineering practice of shield construction abroad, this paper analyzes current conformation design of underwater shield tunnel in our country; statistically analyzes the correlation between segment external diameter and constitution design parameters of lining concerning segment wedge, lining thickness, segment partition number, central angle of standard piece and standard weight; discusses the relationship between segment thickness and maximum water pressure, between diameter of tunnel external segment and minimum thickness of covering layer. The research results show that the joint structure of large underwater shield tunnel in China tends to employ single sealing, smooth joint without rabbet, and universal wedge-shaped segment of plate type and staggered assembling; the external diameter of segment ring positively correlates to segment thickness, number of blocks and standard weight of segment.

Key words：Underwater tunnel; Shield tunnel; Segment lining; Conformation design; Statistical analysis

中图分类号：U455.43

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.021

文章编号：1004-2954(2016)02-0099-06

作者简介：晏启祥(1971—)，男，教授，博士，研究方向为盾构法隧道理论与新技术。

基金项目：国家自然科学基金项目(51178400，51278425)，教育部新世纪人才支持项目(NCET-11-0713)

收稿日期：2015-04-14； 修回日期：2015-05-28