0 引言
随着我国经济的增长、社会的发展、现代化进程的加快，城市人口和车辆都在大幅增长，造成地面建设用地日益紧张，城市交通问题日趋严峻，这迫切需要各大城市修建地铁。作为地铁建设的一种方法，盾构法具有施工速度快、自动化程度高、工期和造价可控性好、风险小、施工受外界环境影响小及节省人力物力等优点，受到了各大城市的青睐［1］。
管片作为盾构隧道的主要装配构件，其内径选择的合理与否直接关系到隧道的整体性能。大量学者对盾构管片的选型进行了研究，如: 国际隧道协会提出了盾构隧道衬砌设计方法［2］; 刘凤华［3］研究了通用管片的拟合排版和动态选型技术; 徐志玲等［4］提出了一种基于矢量运算的通用管片选型计算方法; 林建平［5］分析影响管片拼装质量的因素，总结了管片选型的一些原则; 杨志团［6］针对高压富水砂卵石地层盾构隧道管片选型中遇到的关键问题，通过类比分析确定了管片衬砌形式、限界与隧道净空、管片环宽与分块方式等。但在管片内径选择上的研究较少，且不够深入，各地基本都是在借鉴北京、上海、广州、深圳等城市盾构隧道施工经验的基础上，结合当地的工程地质、水文地质以及周边环境来确定管片内径。因此，有必要深入探究盾构隧道管片内径的选择问题，为今后的城市轨道交通建设提供参考和借鉴。
1 国内外盾构隧道管片内径调研
目前，国内外各大城市已建或在建的地铁单线盾构隧道管片内径是不统一的，如: 北京、深圳、广州、重庆、西安、成都、大连等地已建盾构隧道管片内径为5 400 mm，上海、天津、南京、苏州、杭州、宁波、昆明等地已建盾构隧道管片内径为5 500 mm，台北的管片内径为5 600 mm，德国科隆的管片内径为5 700 mm，新加坡环线的管片内径为5 800 mm，北京新建盾构隧道管片内径已调整为5 800 mm，上海、重庆新建盾构隧道管片内径调整为5 900 mm，深圳新建盾构隧道管片内径调整为6 000 mm，其基本规律是地质条件较差的城市管片内径取值大些，地质条件较好的取值小些。对国内外各大城市已完工盾构区间进行调查，发现隧道施工完成后存在调线调坡困难、建筑限界紧张( 尤其在特殊减振及高等级减振地段) 以及后期运营加固费用高等问题，如: 上海既有内径为5 500 mm的盾构隧道收敛变形超过100 mm 时，限于非常紧张的建筑限界，只能采用隧道内施加钢圈的加固方式，加固一环的费用约为30 万元，加固费用极其昂贵［7 － 9］，这迫使一些城市开始研究加大盾构隧道管片内径的问题。
考虑到国内外盾构发展的趋势以及隧道使用寿命的延长，我们认为，加大城市盾构隧道管片内径是必要的。加大管片内径，既能缓解建筑限界紧张的问题，又能为管片后期修补加固提供条件，而且还能解决速度较高线路的阻塞比问题。
2 隧道寿命分析
钢筋锈蚀会使混凝土开裂，导致其强度降低，是影响混凝土结构耐久性的最直接因素［10］。与地面建筑不同，地铁结构的耐久性不仅受到混凝土碳化、氯离子入侵的影响，而且还受到杂散电流的影响。国内外轨道交通的直流牵引供电系统普遍采用走行轨回流的供电方式，泄漏到道床及周围土壤介质便会形成杂散电流，杂散电流对地铁结构中的钢筋产生电化学腐蚀，会降低地铁结构的强度和耐久性［11］。
目前，在国内外地铁建设中普遍采用钢筋混凝土管片，钢筋混凝土管片作为地铁结构的一部分，不可避免地受到混凝土碳化、氯离子入侵以及杂散电流腐蚀的影响。在混凝土碳化、氯离子入侵以及杂散电流腐蚀共同作用下，钢筋混凝土管片的耐久性寿命为100 ～120 年［12］。这就意味着，即使不考虑其他影响因素，现有地铁运营100 ～ 120 年后，若不采取一定的管片加固措施，很难保证继续正常运营。调研国内一些城市既有地铁的现状可知，如果不加大内径，预留二次衬砌的加固空间，地铁的有效使用寿命恐怕还达不到100 年。
城市轨道交通承担着完善城市规划、优化城市组合以及引领城市发展的使命，其寿命应与城市发展寿命相一致，不允许在运营100 ～ 120 年或者不到100 年就无法继续使用，即城市轨道交通的修建必须要考虑结构后期二次衬砌加固的问题。鉴于上海既有内径为5 500 mm 的盾构隧道采用钢圈加固费用高，且地铁隧道寿命应与城市发展寿命相一致的问题，故需加大城市轨道交通盾构隧道管片内径，以便为新技术( 如抗碳化技术、氯离子迁移技术、渗透改造技术、混凝土自修复技术或二次衬砌加固技术等) 在盾构隧道中的应用预留空间，这是符合一个城市长远发展需求的。
3 建筑限界分析
目前盾构隧道的建筑限界是5 200 mm，这对于普通道床地段是合适的。但特殊减振道床地段不同，为确保减振效果，两钢轨间的道床需做成凸台设计( 如图1 所示) ，这会对隧道后期运营时的钢轨打磨造成极大影响。为满足特殊减振道床的高度要求，需将建筑限界调整至5 300 mm，北京新建线路中已明确了这一点。
图1 盾构隧道特殊减振地段短枕式整体道床( 单位: mm)
将盾构隧道的建筑限界调整至5 300 mm，如果不考虑预留二次衬砌加固的空间，则在限界外预留± 100mm 的施工误差( 包括测量误差) 、± 50 mm 的后期不均匀沉降，可将盾构隧道的管片内径确定为5 600 mm( 如图2 所示) ; 若考虑预留二次衬砌加固的空间，则在限界外预留± 100 mm 的施工误差( 包括测量误差) 、300 mm 的二次衬砌加固空间，可将盾构隧道的管片内径确定为5 800 mm( 如图3 所示) 。
盾构隧道管片内径为5 400、5 600、5 800 mm 时，相应的隧道建筑限界对比见表1。
由图2、图3 及表1 可看出，城市轨道交通盾构隧道的管片内径确定为5 800 mm 及以上是比较合适的。
图2 管片内径为5 600 mm 时隧道直线段建筑限界( 单位: mm)
图3 管片内径为5 800 mm 时隧道直线段建筑限界( 单位: mm)
4 轨道铺设分析
目前，北京、深圳等地已建的管片内径为5 400mm 的盾构隧道，其一般直线地段及钢弹簧浮置板直线地段轨道结构断面如图4 所示。由图4 可以看出:在一般直线地段，当施工误差达到100 mm 时，道床排水沟非常窄，只有113 mm，如遇曲线段，排水沟将更窄; 在钢弹簧浮置板地段，当施工误差达到100 mm时，浮置板道床无法实施，要保证浮置板能正常铺设，施工容许误差就必须控制在30 mm 以内，否则就需要通过调线调坡来解决。
当盾构隧道的管片内径加大到5 600 mm 时，其一般直线地段及钢弹簧浮置板直线地段轨道结构断面如图5 所示。由图5 可以看出: 在一般直线地段，当施工误差达到100 mm 时，道床铺设不受影响; 在钢弹簧浮置板地段，当施工误差达到100 mm 时，浮置板道床仍无法实施，要保证浮置板能正常铺设，施工容许误差必须控制在82 mm 以内，否则也需要通过调线调坡来解决。
表1 不同管片内径下隧道建筑限界对比
图4 管片内径为5 400 mm 时直线段轨道结构断面( 单位: mm)
图5 管片内径为5 600 mm 时直线段轨道结构断面( 单位: mm)
当盾构隧道的管片内径加大到5 800 mm 时，其一般直线地段及钢弹簧浮置板直线地段轨道结构断面如图6 所示。由图6 可以看出: 在一般直线地段，当施工误差达到100 mm 时，道床铺设不受影响; 在钢弹簧浮置板地段，当施工误差达到100 mm 时，浮置板道床仍可正常实施，其施工容许误差最大可达143 mm。
图6 管片内径为5 800 mm 时直线段轨道结构断面( 单位: mm)
不同盾构隧道管片内径下轨道结构高度及施工容许误差如表2 所示。由表2 可知: 盾构隧道的管片内径越大，道床容许的施工误差就越大。考虑到各大城市地质条件的复杂性，盾构掘进施工难度大，施工误差不易控制，故管片内径选择为5 800 mm 及以上对轨道结构有利。
表2 不同管片内径下轨道结构高度及施工容许误差
5 技术经济性分析
盾构隧道的管片内径不同，其技术经济性也不同。以济南王府庄站—大杨庄站盾构区间为例，选取内径为5 400、5 600、5 800 mm，覆土为10、12、15、20 m 的管片，对其使用阶段的技术经济性进行分析，结果如表3 所示。
表3 不同管片内径下的技术经济性对比
由表3 可知: 在管片厚度不变的条件下，增大管片内径，结构弯矩和轴力相应增大，但增加值并不大，也就是说，300 mm 厚的管片即可满足管片内径增大时的受力要求，管片内径每增大200 mm，正线每千米费用约增加310 万元。
尽管管片内径从5 400 mm 增大到5 800 mm，正线每千米投入增加620 多万元，但这为后期的二次衬砌加固留足了空间，采用钢筋混凝土衬砌加固的方式，后期正线每千米的加固费用为700 万元; 若不留加固空间，采用隧道内施加钢圈加固的方式，后期正线每千米的加固费用为2． 5 亿元。可见，将管片内径由5 400 mm 加大到5 800 mm，虽然增加了前期投入，但可为二次衬砌加固预留空间，大幅降低后期的维修保养费用。
6 结论与讨论
1) 修建盾构隧道时须考虑后期的二次衬砌加固问题，城市新建盾构隧道的管片内径建议选择为5 800mm 及以上，这虽然会增加前期的投入，但可大幅降低后期的维修保养费用。
2) 为确保特殊地段道床的减振效果，将盾构隧道的建筑限界调整为5 300 mm 是合理的。
3) 尽管加大盾构隧道管片内径是符合实际需求的，但随着管片内径的加大也会引起一些问题，如: 盾构隧道管片内径加大，而运营列车限界未加大，如何合理利用二次衬砌加固前加大的空间，以及如何低成本改造现有盾构，以适应施工要求等，这些问题均有待进一步探讨。
摘自：隧道建设