盾構法以其在節約地下空間資源、減少對周圍環境的影響、降低工程造價等方面的獨特優勢，被廣泛應用於地鐵、市政等工程中。
主要以廣州軌道交通2號線、8號線廣州新客站至石碧站盾構區間為工程背景，闡述盾構區間設計要點。
2.項目概況
廣州軌道交通廣州新客站至石碧站左線728.862m(含長鏈0.126)；右線總長728.41m；所有路段均采用盾構施工，其中聯絡通道設置在Z(Y)CK1+100處；最小曲線半徑1500m，最大縱坡15.668‰，最大坡長530m。
廣州新火車站-石碧站段總體規劃
廣州新火車站-石碧站縱斷面圖
3、主要設計原則和標準結構設計應滿足建築、運營、城市規劃、人防、防水、防火和防雜散電流的要求；結構應具有足夠的強度和耐久性，以滿足使用壽命的需要。
結構設計使用年限為100年；結構安全等級為壹級；隧道結構防水等級為二級；盾構圓形隧道凈空為5200mm。
4.工程地質和水文地質本工程盾構施工穿越的土層為:中粗砂、粉質粘土、硬塑狀粉質粘土和白堊系紅層強風化帶。隧道埋深為5m~9m，
5.管片結構設計1)隧道內徑:
地鐵圓形隧道凈空為φ5200mm的圓形。隧道內徑的確定應綜合考慮凈空、施工誤差、測量誤差、線路擬合誤差、不均勻沈降等因素。
結合廣州地鐵的成功經驗，隧道內徑為5400 mm .
2)管片形式和厚度:
根據廣州、上海等地盾構隧道和國外類似工程的成功經驗，表明采用具有壹定剛度的單層柔性襯砌是合理的。襯砌變形、接縫張開和混凝土裂縫發展均可控制在預期要求之內，完全滿足地鐵隧道的設計要求。采用單層襯砌，施工工藝簡單，工程實施周期短，節省投資。鑒於以上原因，盾構隧道采用單層裝配式襯砌，管片形式選用常用的平板鋼筋混凝土管片。考慮到結構的使用年限為100年，參考現有工程實例，鋼筋混凝土襯砌厚度為300mm，采用C50混凝土管片。
3)管片的寬度和塊度:
襯砌環的寬度越大，即管片寬度越寬，襯砌環的接頭就越少，因此漏環和螺栓的數量就越少，施工速度就越快，成本也就越低。但盾構機千斤頂行程較長，施工難度也有壹定提高。在小半徑曲線上，1.5m段的設計擬合誤差大於1.2m和1.0m寬段，但本工程盾構隧道最小曲線半徑為1500m，擬合誤差很小。
與環寬1.2m的管片相比，環寬1.5m的管片具有以下優點:壹方面減少了20%的環縫數量，降低了接縫滲漏的概率，提高了隧道的防水質量；另壹方面，減少了接縫止水材料和連接螺栓的使用；此外，組裝時間可減少20%，並提高了施工速度。
根據廣州目前盾構機的機械狀況，考慮管片生產、運輸、組裝和曲線施工的需要，決定采用環寬1.5m
襯砌環的劃分主要由管片制作、防水、運輸、組裝和結構力學性能等因素決定。地鐵隧道常用的管片數有六片和七片。六塊和七塊在生產、運輸、施工上沒有太大區別。在國內，上海地鐵1號線和廣州地鐵1、2、3號線盾構隧道均采用6種方案。
根據隧道的實踐經驗，考慮到施工的方便和結構受力的需要，目前的封蓋塊壹般傾向於采用小型封蓋塊的形式。封蓋塊有幾種裝配形式，如徑向楔入和縱向插入。徑向插入器的兩側線必須是內八字形或平行的，加載後容易向下滑動，這是不利的。縱向插入形式的壓蓋塊受力狀況良好，加載後不易向內滑動。它的缺點是需要加長盾構千斤頂的行程。
本次設計采用六個方案，壹個封頂塊，兩個相鄰塊，三個標準塊。
4)環、縱縫和連接結構:
管片的連接結構包括墊片槽、嵌縫槽和凹凸榫的設計，其中前者是通用的施工方法，是否設置凹凸榫在不同時期和地區有不同的理解。凹凸榫的設置有助於提高接頭剛度，控制不均勻沈降，提高接頭防水性能，也有利於管片拼裝就位，但同時增加了管片制作和拼裝的難度，是導致管片拼裝時開裂和後期沈降的因素之壹，客觀上削弱了管片防水性能。
根據該段地質條件，考慮降低施工難度，環的縱縫不設凹凸榫。
扇形環面的外側設有彈性墊圈槽，內側設有嵌縫槽。環件采用10 M24縱向螺栓連接，既能適應壹定的變形，又能將隧道的縱向變形控制在滿足防水要求的範圍內。節段之間采用12 M24環向螺栓連接，可有效減小縱縫張開度和結構變形。
管片與襯砌環之間的連接方式根據受力特點可分為柔性連接和剛性連接。實踐證明，剛性連接不僅裝配麻煩，價格昂貴，而且在襯環中產生較大的二次應力，帶來不良後果。所以目前比較常見的是柔性連接。
根據螺栓連接形狀，可分為彎螺栓連接、直螺栓連接、斜螺栓連接和榫卯銷軸連接。通過彎曲螺栓連接的接頭具有壹定的自由度，安裝非常方便。彎曲螺栓廣泛應用於德國、法國、英國、新加坡、丹麥等國家的地鐵交通工程和國內地鐵中，這種接頭系統非常成功。直栓和斜栓是近年來發展起來的管片連接形式，手孔體積小，管片強度損失小，易於實現快速機械化安裝，但安裝難度較大，施工誤差較小。
根據廣州地鐵1號線、2號線、3號線的成功經驗，本設計中的節段與節段、環與環的連接采用廣州比較成熟的彎螺栓連接。
5)肋和端肋的結構
手孔形式設計時，為了減少手孔的弱化，環肋和端肋的長度約為180mm。
6)襯砌環形式及組裝方法
襯圈形式:
為了滿足盾構隧道在曲線上偏轉和蛇行糾偏的需要，應設計楔形襯砌環。目前國際上常用的襯環有三種。
a)楔形襯環和線性襯環的組合。
在曲線上，盾構隧道的設計是用幾條折線(最短的折線長度是壹個環襯的寬度)來擬合光滑的曲線。設計和施工采用楔形襯圈和線形襯圈的優化組合進行線路擬合。根據線路的轉彎方向和施工中糾偏的需要，設計了楔形襯砌環和左右轉彎的線形襯砌環。設計中根據線路情況布置全線襯砌環，將隧道設計擬合誤差控制在允許範圍內。盾構推進時，根據排列圖和當前施工誤差確定下壹環的襯砌類型。由於使用的襯環類型沒有完全確定，給管片供應帶來壹定困難。
b)通用部分。
目前歐洲流行通用段。它只采用壹種楔形襯環，下環的旋轉角度由盾構掘進時盾構機內環的傳感器給千斤頂的信息決定，使最大楔入量配置在千斤頂最長行程處，也就是說管片襯環可以360°旋轉。深圳地鐵首次采用通用管片。因為它只需要壹種管片類型，所以可以降低管片模具的成本，並且不會因為沒有管片類型而導致工程質量問題。但是，組裝通用管片很困難，需要有經驗的盾構機操作人員。
c)楔形襯環相互組合。
這種管片組合目前國內僅在南京地鐵建設中使用。它采用幾種類型的楔形襯圈，設計和施工采用楔形襯圈的優化組合進行線路擬合。根據線路的偏轉方向和施工糾偏的需要，設計有左轉彎和右轉彎的楔形襯砌環，在直線段由左轉彎和右轉彎襯砌環壹壹對應組合成壹條直線。設計中根據線路情況布置全線襯砌環，將隧道設計擬合誤差控制在允許範圍內。盾構推進時，根據排列圖和當前施工誤差確定下壹環的襯砌類型。由於使用的襯環類型沒有完全確定，給管片供應帶來壹定困難。
結合廣州的實際情況，采用標準環、左轉彎環和右轉彎環三種襯砌環，其中轉彎環用於隧道糾偏。
7)管片組裝形式:
襯環有兩種裝配形式:錯縫和直縫。交錯節點組裝可以使圓環的節點剛度分布趨於均勻，減少結構變形，獲得更好的空間剛度。但襯砌環內力大於直縫拼裝，制造精度不夠時，管片在推進過程中容易開裂甚至斷裂。直縫拼裝施工難度較小，襯砌環內力小於錯縫襯砌環，可減少管片配筋量，但襯砌空間剛度略差。
根據廣州地鐵1、2、3號線的成功經驗和現有管片制作的精度水平，本工程確定采用交錯管片拼裝。
8)分段標記
每個循環段分為六個塊，即三個標準塊(A1，A2，A3)，兩個相鄰塊(B，C)和壹個封蓋塊(K)。襯環有三種:標準環(P)、左轉環(L)和右轉楔環(R)。
路段標線分為永久標線和臨時標線。永久標記在制造時鏡像鑄造在鋼模上，主要體現管片環型(標準環、左轉彎環、右轉彎環)、塊型(標準塊、相鄰塊、封蓋塊)、管片端面對接標記、螺栓孔對接標記。管片脫模後臨時標記為噴塗，主要標記管片編號和生產日期。
9)特殊分段設計
應急疏散通道和廢水泵房通道與主隧道相連。
at管片設計為特殊管片環，可拆除主隧道內的局部管片。
鋼管節段用於特殊節段時，臨時鋼管節段容易拆卸，但加工難度大，成本高。鋼筋混凝土管片雖然拆卸困難，但成本低，制作簡單。鋼筋混凝土切割和植筋技術的發展已非常普遍，建議采用鋼筋混凝土特殊節段。
6、管片結構設計
6.1計算原理
1)在砂土中水土壓力單獨計算，在粘性土中水土壓力經濟計算；
2)垂直荷載應考慮上覆土的重量。地層反力與垂直水土壓力、襯砌自重和地面超載平衡；
3)側向荷載根據地層的側壓力系數或C、φ角計算；地面過載20KPa；
4)采用地震作用和主要荷載的組合來驗算結構，提高了節點的整體抗震能力；
5)襯砌計算考慮了接頭剛度、組裝應力和盾構千斤頂力的影響。
6)結構抗浮安全系數:考慮摩擦時≥1.15，不考慮摩擦時≥1.05。
7)管片裂紋寬度≤0.2毫米.
6.2荷載的計算盾構隧道的結構設計主要考慮以下荷載:
地面過載(壹般按20kpa計算)
結構自重g
垂直和水平土壓力Q1，E1-E2
水壓
橫向地層阻力
生成反應
施工荷載(盾構千斤頂力)
結構內部荷載
特殊荷載(地震荷載、人防荷載)
在結構設計中，針對施工階段和正常運營階段可能出現的最不利荷載組合，分別對結構強度、剛度和裂縫寬度進行了校核。但在特殊荷載階段，壹次只組合壹個特殊荷載，並考慮材料強度綜合調整系數(不需要驗算裂縫寬度)。
6.3計算簡圖YCK1+400處斷面，埋深約9m，計算荷載采用標準值。計算結果見圖4.1-2:
圖1計算模型
6.4分析
加固情況(每環):
環向鋼筋:12φ18；縱向鋼筋:18 ~ 10。具體配筋見下圖:
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