双圆隧道设计施工初探
摘 要：本文主要介绍我公司与日本大林组株式会社合作在上海地铁M 8线进行双圆隧道的设计施工投标中，涉及的一些新的设计思想、理念，以及双圆隧道施工的要点。通过介绍及分析，以期抛砖引玉，为解决目前地铁隧道施工存在的一些问题，提高我们对隧道施工的认识，改进我们的施工工艺，并对以后的施工起到积极有益的帮助。
关键词：双圆隧道、耐久性、沉降、防水
1 前言
上海市轨道交通杨浦线(M8线)鲁班路站一黄兴绿地站双圆盾构工程，是为改善杨浦区拥挤的交通状况与中原地区居民的出行而建设的市府重大工程。
本区间隧道工程为国内首次采用DOT盾构技术，在这一领域国内还是一个空白。鉴于技术上的考虑，我们与日本株式会社大林组(双圆盾构施工在日本排名第一)、 日本石川岛播磨重工业株式会社(双圆盾构机制造与设计单位)、 日本石川岛建材株式会社(双圆隧道管片生产单位)合作，共同编制双圆隧道的投标书。该投标书包括DOT盾构机的设计、双圆隧道的设计，在设计过程中，结合国外先进的施工技术，认真分析了国内的设计施工现状，形成了本次投标的主要思想。
通过M 8线双圆盾构的投标使我们在双圆盾构技术方面有了一个崭新的认识。
2 设计方针
(1) 针对性：对上海特有的软质粘土、浅覆土等问题作了针对性考虑；
(2) 合理性：对隧道断面直径、省略二次衬砌等作了合理性考证：
(3) 耐久性：设计始终贯穿业主“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、高质量管片钢模，高水密性砼，高强度、高粘度、高弹性、高抗老化性的防水密封材料，以及双液注浆等技术要求；
(4) 安全性：对隧道沉降、地表沉降等问题作了认真分析，并对施工工艺提出了相应要求；
(5) 特殊性：双圆盾构与单圆盾构相比，横断面形状特殊，给防止背土以及管片拼装提出了极高的要求。为此，设计中有相当量的工作均围绕该特殊性展开。
3 设计要点
(1) 隧道内径的确定：
隧道限界尺寸=5200mm。根据以往经验，掘进时平面偏差控制在±50mm以下，双圆侧倾角偏差在±0.5°之内，换算成长度约为±40mm。另外，考虑上海沉降误差的一50mm，计算可得内径=5430mm。考虑管片制作一般采用50mm为模数，最终取5450mm为设计内径。另外，可得出长径尺寸为10.05m。
(2) 管片厚度、宽度的决定：
管片厚度在考虑满足强度要求的同时，还考虑到1 00年使用的耐久性要求， 以及不采用二次衬砌，今后补衬无空间的因素，选定其厚度为350mm。
管片宽度，主要考虑提高拼装施工的速度，以及减少管片连接部从而达到提高防水、止水的要求，结合日本成功的经验，其宽度定为1200mm。
(3) 管片拼装：
上海目前多采用“通缝拼装”工艺，有拼装方便，可消化一定程度的施工误差的特点，但也有整体刚度不高，容易导致成环“扭转”现象发生的缺点。
双圆盾构隧道中，如发生成环“扭转”现象，则会导致中间立柱倾斜，甚至根本拼不成成环的后果发生。因此，本设计强调了不采用“通缝拼装”工艺，而采用“错缝拼装”工艺。
“错缝拼装”工艺在日本广泛使用，并被证明可大大减少成环间纵缝的间隙，其结果起到了提高隧道耐久性以及防水性能的作用。
“错缝拼装”对管片制作的精度要求极高。本设计采用了日本设计制作的管片钢模，并要求日本技术人员到中国指导、监督管片制作的品质管理。
(4) 管片的结构计算：
管片设计的计算采用了反映“错缝拼装”的纵缝连接以及管片间环缝连接的计算模型。分别进行了土压静力计算和抗震计算。
在满足了强度要求的基础上，另外考虑“使用100年”的耐久性要求，通过计算壁片砼产生的裂缝的宽度限制，计算出了钢筋配筋量。
(5) 管片排版图设计：
排版图分平面布置图和纵断面布置图。其中“S”为直线用标准型管片，“TT”为平面转弯用锲形管片、“VT”为纵断面上下坡用锲形管片。对“S”标准型管片，考虑上下左右施工误差的偏移，分别在平面和纵断面分别考虑了4％纠偏用的管片。
本区间锲形管片只使用“TT”平面转弯用锲形管片、“VT”为纵断面上下坡用锲形管片两种，易于管片的错缝拼装，并且节约了管片钢模的成本。
(6) 各类管片的形状：
“S”标准管片、“TT”平面转弯锲形管片、“VT”纵断面上下坡锲形管片，以及纠偏管片，其中宽度均为1200mm。管片端面只留有止水条槽。
(7) 沉降：
观察近20年来上海的盾构隧道，最大有50mm的沉降。导致隧道的结构体发生沉降的原因主要有：上海特有的软体地基、列车振动、压密以及地下水下降等。但我们认为盾构隧道壁后注浆材料以及工艺上的不足也是引起隧道结构体沉降的一大原因之一。
计算采用了不均匀沉降50mm的情况下，对管片的强度等产生的影响的方法进行了验算。计算结果表明50mm不均匀沉降发生在100m以上的范围都不会对结构产生强度上的破坏。
设计中还列举了用有限元计算沉降的例子，说明按同类设计要求进行施工，施工中或建成后的结构体的实测沉降量应小于理论计算值。
因此，首先应解决的是因施工工艺造成沉降的问题。双圆盾构隧道壁后注浆质量的优劣是直接引发隧道结构体或地表沉降的主要原因之一。而且，如注浆不均匀，严重的可能造成双圆以立柱为界，发生断裂现象。因此，本设计根据日本的成熟经验，要求进行双液注浆，以达到减少因施工因素导致沉降的目的。
(8) 集水井与泵房：
集水方式为在线路两侧安排排水沟，并在隧道最深部设置集水池。排水方式为潜水泵上抽排水方式。集水池位置设置于铁轨下方，结构上集水池可下人检修。集水池单体蓄水量为4m 3。与集水池连接的管片为钢制管片，其管片及相关部件均由结构计算后决定。
本着“以人为本”的设计理念，我们在集水井(泵房)位置设置联络通道，满足地铁工程的防灾需要。
其中，D块管片设置为钢管片，当盾构推进结束后，在钢管片上设置联络口。
(9) 衬砌接缝的防水：
① 防水设计条件
② 密封材料
a) 密封材料的设计方法
O密封KMU：硬度(JIS)=A38
水膨 率=约2.7倍
止水止水带密封原理是：止水带接触压力(橡胶弹力+材料的遇水膨胀力)大于外部水压力。
O止水可能条件：σ≧Pw
σ：接触面应力
Pw：作用水压
材料的遇水膨胀性，能够补充材料的弹性不足，增加接触面的应力，并能填充缝隙。
止水带性能的一个原因是密封材料具有自封效果，达到超出橡胶材料弹性所能提供的接触面应力，本次使用的材料，根据试验结果自封效应系数为2.7，使止水安全系数为2.0。
即：耐水压力可达2.0倍的橡胶材料的弹性压力。
b) 密封材料的形状设计
③ 管片的精度
衬砌接缝、管片接头的止水性能的好坏，很大部分取决于管片的制作精度。特别是双圆盾构的管片的精度高低，也是影响止水性能的最重要因素。
4 结语
双圆隧道在上海是一个新的尝试。在和日本同行的合作过程中，我们获得了很多有益的东西。这些东西对我们正在进行的地铁隧道设计、越江公路隧道设计施工有非常大的促进作用。归纳如下：
管片端面设计采用平接口，是管片可以很好的适应错缝拼装和曲线施工。
性能优越的止水条设计，配合管片端面设计，使施工更方便。
中间泵房设计在隧道下部，施工更方便。
通过对隧道沉降的分析，隧道抗震的验算，使我们对盾构施工所采用的同步注浆浆液有了更深刻的认识。双液注浆是控制地面沉降，隧道本体沉降，减少渗漏水的有效手段。也是保证隧道一百年使用寿命的有效手段之一。
