武汉市轨道交通6号线一期工程初步设计文件 第四篇 第十一册 琴台站~武胜路站区间 根据本工程的地质资料统计，隧道洞身上部及通过的地层中水平渗透系数在8.0×10－10m/s至8.0×10－3m/s范围内变化，垂直渗透系数在3.0×10－9m/s至9.0×10－3m/s范围内变化。
根据地铁越江隧道工程地质、水文地质情况及工程特点，可选择的盾构类型有土压平衡和泥水平衡盾构。不同类型的盾构对地层有一定的适应范围，盾构机选择的两个主要方面为掘进地层颗粒大小及组成和盾构通过地层的渗透系数。土压平衡盾构最适应于细颗粒地层，切削的碴土易获得塑性流动性和不透水性，土压力作用于工作面。而泥水平衡盾构最适应于较粗颗粒地层，在砂土地层易形成泥膜，以防止地下水喷出，泥水压力作用于工作面。从地质条件方面分析应采用泥水平衡盾构最佳。同时地层渗透系数对于盾构机的选型是一个很重要的因素。当地层的透水系数小于10m/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10m/s和10m/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10－4m/s时，宜选用泥水盾构。本工程段中通过的地层含水量大，从地质条件方面分析应采用泥水平衡盾构最佳。在汉江底下穿过且水压高，超过土压平衡盾构允许的最大范围，泥水平衡盾构在主要为高水压饱和透水地层中对控制开挖工作面稳定性好、地表沉降小，且更能保证施工安全，应采用泥水平衡盾构。本工程在隧道洞身上部及通过的地层中水平渗透系数为8.0×10
－9
－3
－10
－7
－7
－4
复合式泥水盾构效果图
3.4 本区间平剖面设计 3.4.1 隧道平面设计
本越江区间两端车站分别为琴台站与武胜路站。
琴台站位于汉口到汉阳江汉一桥下桥段的鹦鹉大道下，为地下岛式站台形式的车站，站台宽度根据客流需要和车站布置确定为13m，线间距16.2m。武胜路站位于中山大道与武胜路站的交叉口为地下岛式站台形式的车站，站台宽度根据客流需要和车站布置确定为13m，线间距16.2m。
线路出琴台站后以350m的曲线半径偏转向西，从长江广场高层建筑一侧穿行，下穿知音大道后，区间隧道以15度角向西斜穿汉江后以350m的曲线半径向东偏转进入汉口崇仁路下，沿崇仁路走行然后以350m的曲线半径向东偏转下穿居民区，沿崇仁路前行穿过汉正街、汉中街、长堤街两侧多处居住社区、商铺拐入中山大道，东行进入武胜路站。线路长度为1691.449m，最小曲线半径350m，线间距为12.0～18.7m。埋深14.93~41m，采用盾构法施工。为了满足消防及防灾要求，在汉江中设一座联络通道兼泵站，在江岸两侧各设1个联络通道,其中江岸北侧为风井兼联络通道。两岸楼房建筑、民居密集、交通繁忙，地下管线众多。
隧道盾构始发井布设于钟家村站~琴台站区间的竖井内，琴台站为过站车站，在武胜路站西端设盾构吊出井。在汉江北岸崇仁路下设中间风井，里程为K16+471，风井中心与琴台站相距1130.066米，风井中心与武胜路站相距561.433米。
m/s至8.0×10m/s范围变化，
－4
－3
垂直渗透系数为3.0×10m/s至9.0×10m/s范围变化，地层的最大透水系数远大于10m/s，在长江底下穿过且水压高，超过土压平衡盾构允许的最大范围，应采用泥水平衡盾构。
根据本工程的总体布置、工程地质及水文地质条件、根据盾构所穿越的地层分析，既有粉砂、粉细砂和粉质粘土等又有强度低的泥岩和强度高的中风化灰岩，考虑可能的地质变化情况，以及盾构机的适应性，推荐选择复合式泥水平衡盾构。
3.4.2 隧道纵断面设计
14 武汉市轨道交通6号线一期工程初步设计文件 第四篇 第十一册 琴台站~武胜路站区间 琴台站为地下三层岛式车站，地面标高26米，轨面标高-0.25米，线路从车站北端部开始以30‰的下坡、坡长660m，进入汉江最低点附近，然后采用14.76‰的坡上坡210m，再以30‰的上坡720m到达武胜路站的西端，武胜路站设为地下三层岛式车站，地面标高24.3米，轨面标高4.5米。
本区间隧道洞身主要穿越的地层为3-2a粘土，3-5粉质粘土，4-1粉砂，4-2粉细砂，20-2 中风化泥岩，4-2b粉质黏土。其中约70%为粉细砂层渗透系数为1.5~2.2×10-23cm/s为中等透水层。
受力大小。衬砌厚度的确定应根据隧道所处地层的条件、覆土厚度、断面大小、接头刚度等因素综合考虑确定，并应满足衬砌构造（如手孔大小等）、防水抗渗以及拼装施工（如千斤顶作用等）的要求。
单层的钢筋混凝土管片衬砌厚度一般为衬砌环外径的5%?6%，对于外径6200mm的隧道，其管片厚度为310mm?370mm。目前武汉在建的2、4号线盾构区间管片均采用300mm的管片，但考虑根据武汉地铁6号线一期区间隧道的埋深、工程地质及水文地质条件以及周围的环境情况，经借鉴国内其他城市的经验及武汉既有各线盾构隧道工程的教训，考虑管片刚度较大后，对隧道抗变形及抗振动有利，初步确定管片的厚度为350mm。隧道内净空直径为5500，则隧道管片的外径为D外径＝5500＋350＋350＝6200mm。
第4章 盾构法区间隧道
4.1 隧道衬砌结构设计 4.1.1 隧道内径
隧道内径的确定应在建筑限界的基础上，考虑施工误差、测量误差、隧道轴线拟合误差、不均匀沉降等因素，在隧道建筑限界以外周边预留150mm的裕量。圆形隧道的建筑限界为D＝5200mm，考虑上述因素后圆形隧道净空内径为D＝5200?150×2＝5500mm。
4.1.3 盾构管片结构参数汇总
盾构管片结构参数 表5.1-1
管片内径 管片外径 管片厚度 管片螺栓类环向螺栓 12套 纵向螺栓 16套 混凝土等级 C50 抗渗等级 P12 错缝拼装 拼装方式 分块 型 弯螺栓 5500mm 6200mm 350mm 6块 管片拼装方式、厚度、盾构法隧道衬砌主要有：预制管片衬砌、预制砌块衬砌、挤压混凝土衬砌等。国内地铁已建及在建的盾构区间基本使用预制管片衬砌，实践经验表明，预制管片衬砌具有拼装速度快、机械化施工程度高、防水性能好等优点，能满足设计及施工的要求。
预制管片衬砌有箱形和板形两种不同的构造型式。在相同材料用量前提下，箱形管片刚度大、便于连接、造价较低，但在盾构机千斤顶作用下易破坏，常应用于较大断面直径的隧道；在相同衬砌厚度的前提下，板形管片则强度高、刚度大，能承受较大的盾构机千斤顶推力，常应用于中、小断面直径的隧道。地铁区间隧道外径6m左右，属中、小断面隧道，宜用板形钢筋混凝土管片。
图4-1圆形隧道横断面布置图
4.1.4 隧道建筑限界与内净空
隧道结构应考虑施工误差、测量误差、不均匀沉降等因素的影响。根据国内经验，一般盾构隧道内径有5400mm和5500mm两种，考虑到越江区间大范围穿越动水砂层施工的困难性，单线盾构隧道采用内径5500mm、衬砌厚度350mm的圆形隧道。
4.1.2 衬砌厚度
衬砌的厚度对隧道土建工程量以及工程造价有显著的影响。在结构安全、功能合理的前提下，应尽可能采用较经济的衬砌厚度。衬砌的刚度与厚度的三次方成正比，厚度的改变直接改变了衬砌的整体刚度，以及衬砌与周围地层的刚度比，进而影响衬砌周边土体压力的分布和衬砌本身的
4.1.5 单双层衬砌的比较
15 武汉市轨道交通6号线一期工程初步设计文件 第四篇 第十一册 琴台站~武胜路站区间 本盾构隧道采用具有一定接头刚度的单层柔性衬砌，在满足结构强度及使用寿命的同时，其衬砌圆环的变形、管片接缝的张开量及混凝土裂缝的开展和防水性能，均能控制在允许范围内；采用单层衬砌，施工工艺简单、投资省、可确保施工进度。因此，本次研究推荐采用单层钢筋混凝土管片装配式衬砌。
2）盾构衬砌拼装机通过计算机软件辅助管片拼装，可实现管片拼装的自动化，同时缩短了管片拼装时间，提高管片拼装速度及功效。
3）由于只采用一种楔形管片环拟合线路，不需要设计直线环或专用的转弯环，减少了钢模数量。
4）由于只有一种类型的管片衬砌环，管片生产时便于管理。
本区间衬砌推荐采用预制装配式钢筋混凝土平板形管片单层衬砌，考虑提高结构耐久性，增
4.1.6 衬砌环类型选择
地铁区间隧道的线路是由直线与曲线（圆曲线及缓和曲线）所组成，为了满足盾构隧道在曲线上偏转及蛇行纠偏的需要，应设计楔形衬砌环。目前通常采用的衬砌环类型有三种：
（1）标准衬砌环+左右转弯衬砌环组合
直线地段除施工纠偏外，采用标准衬砌环；曲线地段可通过标准衬砌环与左、右转弯衬砌环组合使用以模拟曲线。
该方法施工方便，操作简单。国内常采用这种方式，有丰富的施工及设计经验。 （2）楔形衬砌环之间相互组合
这种管片组合形式，国内目前只有在南京地铁施工中使用。它采用几种类型的楔形衬砌环，设计和施工采用楔形衬砌环与楔形衬砌环的优选及组合进行线路拟合。根据线路偏转方向及施工纠偏的需要，设计左转弯、右转弯楔形衬砌环，在直线段通过左转弯和右转弯衬砌环一一对应组合形成直线。该种管片拼装时，每个千斤顶行程均不同，施工操作复杂，环面缝隙可能会增大。对施工管理水平要求很高。
（3）通用型管片
通用管片为只采用一种类型的楔形管片环，盾构掘进时根据盾构机内环向千斤顶传感器的信息和线路线形设计的要求，根据曲线拟合确定下一环衬砌绕管片中心线转动的角度，以达到设计线路和纠偏的目的，使线路的偏移量在规定的范围内。
该方法由于只需一种管片形式，不再需要设计直线环或专用的转弯环，便于管片的制作、贮存、运输及施工管理，同时可能减少钢模数量。
从理论上分析，通用环管片在设计及施工上均优于较普通环，目前武汉在建的2、4号线盾构区间管片均采用通用环管片，且效果良好，因此本区间推荐采用通用环,其理由为：
1）盾构区间隧道由若干平、竖曲线组成，通过管片不同的旋转角度实现对平、竖曲线的拟合，可最大程度地减小曲线拟合误差的积累。
强结构抗振动能力，结合武汉在建区间的经验，考虑管片添加改性聚丙烯纤维等掺料，提高结构抗渗性能和耐久性，对于过江区间，为了保证在高承压水头下管片的防水效果，在管片纵缝接触面设凹凸榫。
4.1.7 衬砌环分块及宽度
管片环宽应综合考虑各方面因素，并根据工程的具体条件以及实际的施工经验，现有盾构机举重臂能力及千斤顶行程等客观条件，选择既经济又合理的环宽尺寸。
上海地铁最初的环宽为1000mm，北京地铁在建的盾构隧道环宽尺寸为1200mm，广州、深圳等城市地铁1500mm环宽应用逐渐增加。各衬砌环宽度的比较见下表。
环宽尺寸综合比选表 项 目 结 构 防水 盾构机的灵敏度 造 价 应用情况 1200mm左右 ≥1500mm 随着环宽加大,纵向刚度逐渐增大 随着环宽加大,附加内力增大,结构配筋增加 管片加宽,纠偏时曲线施工的附加力增大 随着环宽的增加,抗变形能力通常增强. 管片接缝多,不利于防水 接缝较少，较利于防水 接缝少,较利于防水 高 中 低 ≤1000mm 随着环宽的增加,工程造价相应有所减少 国外以前常用 国外较常用 国外近年来应用 国内广州、深圳地铁近年国内以往常用 国内目前应用最普遍 来应用 目前武汉地铁中已洞通的2号线以及正在施工的4号线的盾构区间均采用1500mm环宽管片，从工程的实施情况看，现有1500mm环宽能满足小半径曲线段的施工要求，且较大的环宽尺寸无论从施工进度方面还是从工程造价方面均有较明显的优势，是今后的发展趋势。
因此，综合考虑武汉既有工程经验，衬砌环的分块及环宽应尽量减少纵向、环向接缝。故从
16 武汉市轨道交通6号线一期工程初步设计文件 第四篇 第十一册 琴台站~武胜路站区间 减少漏水环节，节约连接件用量，降低管片制作和运输费用，加快施工进度，并考虑盾构机械设备能力和合适的拼装方法，经检算，对盾构隧道衬砌环设计如下：盾构隧道衬砌环宽度取1500mm，采用半纵向插入的拼装方式。衬砌环沿环向分为6块，即3块标准块（A块）＋2块邻接块（B块）＋1块封顶块（K块），采用6块分块,K块纵向插入式分块方式。
纵缝和环缝均采用螺栓连接，环向管片间设2个螺栓，纵向共设16个螺栓。管片重心处设一个吊装孔，兼作二次注浆孔。
砌削弱太大。
斜螺栓连接构造简单，施工方便，便于快速施工，在欧洲普遍使用，适用于地层稳定的地段，一般用于大直径盾构隧道。
弯螺栓连接对衬砌削弱小，施工简单，接头刚度小。在国内普遍采用，本次设计采用弯螺栓连接方式。
环与环间以16根纵向螺栓相连，既能适应一定的纵向变形，又能将隧道纵向变形控制在防水要求的范围内。块与块间以12根环向螺栓紧密相连，能有效减少纵缝张开及结构变形。
环向螺栓、纵向螺栓均采用锌基铬酸盐涂层作防腐蚀处理。
4.1.8 管片拼装方式
错缝拼装已成功应用于武汉地铁在建项目，从已建的武汉地铁盾构隧道拼装实践来看，管片衬砌的制作和拼装精度可以满足错缝拼装的要求，衬砌的刚度和防水效果均较满意。本区间管片拼装方式采用错缝拼装。
4.1.10 接头面构造形式
接头面有平面式和榫槽式两种。平面式接头构造简单，加工方便，拼装快捷，接头剪力主要靠连接螺栓承担，主要适用于地层分布较均匀，土体刚度较大的情形。
榫槽式接头刚度好，管片间剪力传递可靠，抵抗变形能力强，适用于强度低、灵敏度高的地
4.1.9 管片接缝连接
目前常用的接头连接方式有：直螺栓连接、弯螺栓连接和斜螺栓连接。
我国最早的上海地铁1号线盾构区间隧道就是采用直螺栓作为管片衬砌间的连接方式。直螺栓构造较简单，施工方便，在隧道衬砌为箱形管片时适用性较好。但其用于平板形管片，在接头两侧需设置预埋钢连接盒或较大的手孔，对管片衬砌削弱较大。
后来施工的广州地铁1、2号线以及北京地铁五号线、十号线及四号线隧道均采用弯螺栓作为管片衬砌间的连接方式。弯螺栓连接时，接头两侧不需预埋连接盒，手孔也比直螺栓小，对管片截面的削弱也小。实践表明，弯螺栓连接确实存在钢材用量大、拼装困难等缺点。
斜螺栓连接方式就是在接头一侧管片中预埋钢或塑料的连接套筒（螺母），在接头另一侧设较小的手孔，拼装时用直螺栓从手孔中斜向插入，并与预埋连接套筒相连接。该方式兼有直螺栓连接方式和弯螺栓连接方式的优点，在欧洲国家中应用较广。
从环向螺栓的设置方式上，有单排螺栓和双排螺栓两种型式。双排螺栓可增加接头的刚度，既可承受较大的正弯矩，也可承受较大的负弯矩，但是管片制作和螺栓拼装均较繁琐。单排螺栓虽然接头刚度较小，但也能满足管片拼装和隧道使用的要求，且符合柔性衬砌的设计思路，施工也方便，在中小断面隧道中得以大量应用。
直螺栓连构造简单、施工方便，一般用于箱形管片中，用于平板型管片时，对小直径管片衬
层，详见下图：
榫槽式 平面式
接头面构造示意图
本区间为越江区间地层，盾构区间隧道穿越的土层主要为粘土层、粉砂、粉细砂等地层含水量大，对管片防水要求较高，接头面推荐采用管片纵缝接触面设置凹凸榫的榫槽式。
由于管片拼装时不可避免地存在一定误差，接头面的四个周边容易产生应力集中而被破坏。该现象可通过在接头面周边设置退缝槽来解决。
4.1.11 特殊管片衬砌
盾构区间隧道中，在一些特殊地段需专门设计特殊衬砌环，包括：区间正线隧道与联络通道交接处设开口衬砌环，盾构机始发和接收处的接头衬砌环等。
根据初勘报告场区范围内大部分地基土对钢结构有强腐蚀性，部分具有中等腐蚀性，因此，
17 武汉市轨道交通6号线一期工程初步设计文件 第四篇 第十一册 琴台站~武胜路站区间 开口衬砌环采用钢筋混凝土管片，采用通缝拼装，以便于衬砌开口部位管片的拆除和支撑。
盾构机始发和接收处的接头衬砌环内预留连接件，以便于衬砌环与盾构井连接成整体。
1.3 结构计算简图的确定，需符合结构的实际工作条件，并反映结构与周围地层的相互作用。
4.2.2 计算标准
2.1 对于盾构法施工隧道，按荷载的短期效应组合，并考虑长期效应组合的影响所求得的钢筋混凝土裂缝允许宽度不大于0.2mm。
2.2 区间结构安全等级为一级，结构重要性系数取1.1，偶然组合时取1.0。 2.3 区间结构按6?地震烈度设防，按7度采取相应的构造措施；按6级人防设防。 2.4 作用效应计算模式不定性分项系数取为1.0，结构几何尺寸分项系数取为1.0，作用效应系数均取为1.0。
4.1.12 工程材料
普通衬砌环由钢筋砼管片构成，砼强度等级为C50，抗渗等级为P12，钢筋采用HRB400级、HPB300级钢。
管片连接螺栓的材料为8.8级的钢材。预埋件采用Q235B钢。 所有外露铁件均需进行防腐蚀处理。
4.1.13 管片制作要求
为保证装配式结构良好的受力性能，避免衬砌过大开裂和变形，保证结构的耐久性，衬砌制作和拼装必须达到下列精度：
(1)单块管片的允许误差，宽度为0.5mm；弧弦长为1.0mm；环向螺栓孔及孔位为1.0mm；厚度为1.0mm。
(2)整环拼装的允许误差，相邻环的环面间隙为1.0～1.5mm，纵缝相邻块间隙为1.5～2.5mm；纵向螺栓孔孔径、孔位分别为±1mm；衬砌环外径为±3mm。
(3)采用错缝拼装时，单块管片制作允许误差，其宽度为±0.3mm，整环拼装相邻环面间隙为0.6～0.8mm，其余标准同本款(1）、(2）项。
4.2.3 计算断面
本计算选取三个具有代表性的断面，用匀质圆环模型进行计算。
由于盾构所穿越地层变化较大，故在结构计算时将根据隧道所处地层的变化选择岸边最大埋深、江中最大埋深及覆土最浅等三个断面进行计算。
根据地层、结构顶埋深、地面建筑物情况取最不利情况，分别按施工阶段和使用阶段进行计算，经综合比较计算，控制工况为使用阶段。
4.2.4 计算模型
采用通缝拼装的衬砌结构，以往常用的计算模式是等刚度的弹性匀质圆环或弹性铰圆环。但对错缝拼装的衬砌结构，就必须考虑接头部位抗弯刚度的下降、环间剪切键等对隧道结构总体刚度的补强作用。本方案首先采用比较成熟的η-ζ法（即惯用法）进行设计计算，以确
4.2 隧道衬砌结构计算 4.2.1 计算原则
1.1 区间隧道结构采用以概率理论为基础的极限状态设计法，以可靠指标度量结构构件的可靠度，采用以分项系数的设计表达进行设计。
1.2 结构构件根据承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行下列计算和验算。 （1）承载力：所有结构构件均应进行承载力（包括压曲失稳）计算。 （2）变形：对使用上需控制变形值的结构构件，应进行变形验算。
（3）抗裂及裂缝宽度：对使用上要求不出现裂缝的构件，需进行混凝土拉应力验算；对使用上允许出现裂缝的构件，需按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合的影响求出最大裂缝宽度进行裂缝宽度验算。
定管片设计的初步参数，然后选用较先进的梁弹簧模型进行校核分析，最终得到经济合理的衬砌结构。
1）η-ζ法
本计算方法首先将单环以匀质圆环计算，但考虑环向接头存在，圆环整体的弯曲刚性降低，取圆环抗弯刚度为ηEI（η为<1的弯曲刚性有效率，本次计算η取0.75计算），算出圆环水平直径处变位y后，计入两侧抗力PP=k·y（如图5.2.1）。然后考虑错缝拼装后整体补强效果，进行弯矩的重分配（见图5.2.2）。
18
琴台站~武胜路站区间设计说明 - 图文
