雙圓隧道設計施工初探

摘 要：本文主要介紹我公司與日本大林組株式會社合作在上海地鐵M 8線進行雙圓隧道的設計施工投標中，涉及的一些新的設計思想、理念，以及雙圓隧道施工的要點。通過介紹及分析，以期拋磚引玉，為解決目前地鐵隧道施工存在的一些問題，提高我們對隧道施工的認識，改進我們的施工工藝，并對以后的施工起到積極有益的幫助。
關鍵詞：雙圓隧道、耐久性、沉降、防水

1 前言
上海市軌道交通楊浦線(M8線)魯班路站一黃興綠地站雙圓盾構工程，是為改善楊浦區擁擠的交通狀況與中原地區居民的出行而建設的市府重大工程。
本區間隧道工程為國內首次采用DOT盾構技術，在這一領域國內還是一個空白。鑒于技術上的考慮，我們與日本株式會社大林組(雙圓盾構施工在日本排名第一)、 日本石川島播磨重工業株式會社(雙圓盾構機制造與設計單位)、 日本石川島建材株式會社(雙圓隧道管片生產單位)合作，共同編制雙圓隧道的投標書。該投標書包括DOT盾構機的設計、雙圓隧道的設計，在設計過程中，結合國外先進的施工技術，認真分析了國內的設計施工現狀，形成了本次投標的主要思想。
通過M 8線雙圓盾構的投標使我們在雙圓盾構技術方面有了一個嶄新的認識。
2 設計方針
(1) 針對性：對上海特有的軟質粘土、淺覆土等問題作了針對性考慮；
(2) 合理性：對隧道斷面直徑、省略二次襯砌等作了合理性考證：
(3) 耐久性：設計始終貫穿業主“使用100年”的要求，在管片防裂、防水止水等方面，提出了采用高精度、高質量管片鋼模，高水密性砼，高強度、高粘度、高彈性、高抗老化性的防水密封材料，以及雙液注漿等技術要求；
(4) 安全性：對隧道沉降、地表沉降等問題作了認真分析，并對施工工藝提出了相應要求；
(5) 特殊性：雙圓盾構與單圓盾構相比，橫斷面形狀特殊，給防止背土以及管片拼裝提出了極高的要求。為此，設計中有相當量的工作均圍繞該特殊性展開。
3 設計要點
(1) 隧道內徑的確定：
隧道限界尺寸=5200mm。根據以往經驗，掘進時平面偏差控制在±50mm以下，雙圓側傾角偏差在±0.5°之內，換算成長度約為±40mm。另外，考慮上海沉降誤差的一50mm，計算可得內徑=5430mm。考慮管片制作一般采用50mm為模數，最終取5450mm為設計內徑。另外，可得出長徑尺寸為10.05m。
(2) 管片厚度、寬度的決定：
管片厚度在考慮滿足強度要求的同時，還考慮到1 00年使用的耐久性要求， 以及不采用二次襯砌，今后補襯無空間的因素，選定其厚度為350mm。
管片寬度，主要考慮提高拼裝施工的速度，以及減少管片連接部從而達到提高防水、止水的要求，結合日本成功的經驗，其寬度定為1200mm。
(3) 管片拼裝：
上海目前多采用“通縫拼裝”工藝，有拼裝方便，可消化一定程度的施工誤差的特點，但也有整體剛度不高，容易導致成環“扭轉”現象發生的缺點。
雙圓盾構隧道中，如發生成環“扭轉”現象，則會導致中間立柱傾斜，甚至根本拼不成成環的后果發生。因此，本設計強調了不采用“通縫拼裝”工藝，而采用“錯縫拼裝”工藝。
“錯縫拼裝”工藝在日本廣泛使用，并被證明可大大減少成環間縱縫的間隙，其結果起到了提高隧道耐久性以及防水性能的作用。
“錯縫拼裝”對管片制作的精度要求極高。本設計采用了日本設計制作的管片鋼模，并要求日本技術人員到中國指導、監督管片制作的品質管理。
(4) 管片的結構計算：
管片設計的計算采用了反映“錯縫拼裝”的縱縫連接以及管片間環縫連接的計算模型。分別進行了土壓靜力計算和抗震計算。
在滿足了強度要求的基礎上，另外考慮“使用100年”的耐久性要求，通過計算壁片砼產生的裂縫的寬度限制，計算出了鋼筋配筋量。
(5) 管片排版圖設計：
排版圖分平面布置圖和縱斷面布置圖。其中“S”為直線用標準型管片，“TT”為平面轉彎用鍥形管片、“VT”為縱斷面上下坡用鍥形管片。對“S”標準型管片，考慮上下左右施工誤差的偏移，分別在平面和縱斷面分別考慮了4％糾偏用的管片。
本區間鍥形管片只使用“TT”平面轉彎用鍥形管片、“VT”為縱斷面上下坡用鍥形管片兩種，易于管片的錯縫拼裝，并且節約了管片鋼模的成本。
(6) 各類管片的形狀：
“S”標準管片、“TT”平面轉彎鍥形管片、“VT”縱斷面上下坡鍥形管片，以及糾偏管片，其中寬度均為1200mm。管片端面只留有止水條槽。
(7) 沉降：
觀察近20年來上海的盾構隧道，最大有50mm的沉降。導致隧道的結構體發生沉降的原因主要有：上海特有的軟體地基、列車振動、壓密以及地下水下降等。但我們認為盾構隧道壁后注漿材料以及工藝上的不足也是引起隧道結構體沉降的一大原因之一。
計算采用了不均勻沉降50mm的情況下，對管片的強度等產生的影響的方法進行了驗算。計算結果表明50mm不均勻沉降發生在100m以上的范圍都不會對結構產生強度上的破壞。
設計中還列舉了用有限元計算沉降的例子，說明按同類設計要求進行施工，施工中或建成后的結構體的實測沉降量應小于理論計算值。
因此，首先應解決的是因施工工藝造成沉降的問題。雙圓盾構隧道壁后注漿質量的優劣是直接引發隧道結構體或地表沉降的主要原因之一。而且，如注漿不均勻，嚴重的可能造成雙圓以立柱為界，發生斷裂現象。因此，本設計根據日本的成熟經驗，要求進行雙液注漿，以達到減少因施工因素導致沉降的目的。
(8) 集水井與泵房：
集水方式為在線路兩側安排排水溝，并在隧道最深部設置集水池。排水方式為潛水泵上抽排水方式。集水池位置設置于鐵軌下方，結構上集水池可下人檢修。集水池單體蓄水量為4m 3。與集水池連接的管片為鋼制管片，其管片及相關部件均由結構計算后決定。
本著“以人為本”的設計理念，我們在集水井(泵房)位置設置聯絡通道，滿足地鐵工程的防災需要。

其中，D塊管片設置為鋼管片，當盾構推進結束后，在鋼管片上設置聯絡口。
(9) 襯砌接縫的防水：
① 防水設計條件

② 密封材料
a) 密封材料的設計方法
O密封KMU：硬度(JIS)=A38
水膨 率=約2.7倍
止水止水帶密封原理是：止水帶接觸壓力(橡膠彈力+材料的遇水膨脹力)大于外部水壓力。
O止水可能條件：σ≧Pw

σ：接觸面應力
Pw：作用水壓
材料的遇水膨脹性，能夠補充材料的彈性不足，增加接觸面的應力，并能填充縫隙。
止水帶性能的一個原因是密封材料具有自封效果，達到超出橡膠材料彈性所能提供的接觸面應力，本次使用的材料，根據試驗結果自封效應系數為2.7，使止水安全系數為2.0。
即：耐水壓力可達2.0倍的橡膠材料的彈性壓力。
b) 密封材料的形狀設計
③ 管片的精度
襯砌接縫、管片接頭的止水性能的好壞，很大部分取決于管片的制作精度。特別是雙圓盾構的管片的精度高低，也是影響止水性能的最重要因素。
4 結語
雙圓隧道在上海是一個新的嘗試。在和日本同行的合作過程中，我們獲得了很多有益的東西。這些東西對我們正在進行的地鐵隧道設計、越江公路隧道設計施工有非常大的促進作用。歸納如下：
管片端面設計采用平接口，是管片可以很好的適應錯縫拼裝和曲線施工。
性能優越的止水條設計，配合管片端面設計，使施工更方便。
中間泵房設計在隧道下部，施工更方便。
通過對隧道沉降的分析，隧道抗震的驗算，使我們對盾構施工所采用的同步注漿漿液有了更深刻的認識。雙液注漿是控制地面沉降，隧道本體沉降，減少滲漏水的有效手段。也是保證隧道一百年使用壽命的有效手段之一。