大断面水下盾构隧道管片设计参数及其统计分析

第６０卷第２期　２０１６年２月　铁道标准设计　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　Ｖ０１．６０　ＮＯ．２　

Ｆｅｂ．２０１６　

文章编号：１００４—２９５４（２０１６）０２—００９９—０６　

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　中图分类号：Ｕ４５５．４３　文献标识码：Ａ　ＤＯｌ：１０．１３２３８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－２９５４．２０１６．０２．０２１　

Ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌ　

ＹＡＮ　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　ｅｘｔｅｒｎａｔ　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　

收稿日期：２０１５—０４—１４；修回日期：２０１５—０５—２８　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）　作者简介：晏启祥（１９７１一），男，教授，博士，研究方向为盾构法隧道理　论与新技术。　

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　

［６］　［７］　［８］　［９］　［１０］　刘伟．矮塔斜拉桥承台大体积混凝土水化热分析与裂缝预防［Ｊ］．　施工技术，２０１４（１２）：２０４—２０７．　张忠．核反应堆厂房基础整浇温度应力有限元分析及测试研究　［Ｄ］．天津：天津大学，２０１２．　庞健，柏兴伟．灌河大桥承台大体积混凝土温控措施及监测分析　［Ｊ］．公路交通科技：应用技术版，２０１４（１２）：２８９—２９３．　高纪兵，何官健，雷江洪，等．苏通大桥大体积承台混凝土温控研　究［Ｊ］．施工技术，２００５（１）：２４２—２４６．　刘山洪，高丽，王一，等．大跨Ｐｃ连续刚构桥大体积混凝土承台温　控措施研究［Ｊ］．重庆交通大学学报：自然科学版，２００８（１１）：　８８８—８９１．　［１Ｉ］孙小猛，徐登云．基于多目标优化的大体积混凝土承台冷却水管　布置研究［Ｊ］．铁道标准设计，２０１４（５）：７４—７７．　［１２］朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制［Ｄ］．北京：中国水利　水电出版社，２０１２．　［１３］张心斌，程大业，等．核电站大体积混凝土裂缝控制及施工技术　［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１４．　ｌＯ０　铁道标准设计　第６Ｏ卷　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¨　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　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　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　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　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　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　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　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　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　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、２０１　１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。　

（ａ）管片分块　（ｂ）管片接缝构造　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ｌ３．３　ｍ，外　径ｌ４．５　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Ｌｌ、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。　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　ｉｎ，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