预制混凝土隧道管片设计、制造和施工主要方面指南

隧道展讯 在过去十年中，TBM 机械化掘进已成为最主要的开挖方法，适用于软弱地层、软弱岩石和裂隙硬岩等各种地层条件。预制混凝土管片安装在 TBM 后面，以支撑开挖、抵抗永久性地面和地下水荷载，并提供水密性。此外，预制管段专为生产、运输和施工中的临时荷载而设计。

在 ACI 533 指南发布之前，当地或国际权威机构为设计师和承包商提供的指南很少。本文 是世界上第一个由国际规范机构出版的指南，它满足了这一需求，并在单一出版物中涵盖了设计、制造和结构部分的所有主要方面。本指南提供了结构概念和详细设计、密封和垫圈设计、连接设计、耐久性设计以及沉降和监控公差所需的程序。本文件是根据全球合作、隧道开挖经验以及可用的国家和国际建议起草的。除了设计的一般方面，

混凝土预制隧道管片必须使用荷载和阻力系数设计 (LRFD) 方法进行设计。表 1 列出了为预制混凝土隧道管片设计的控制荷载工况和分解荷载组合。钢筋混凝土和纤维增强混凝土 (FRC) 的设计分别需要 ACI 318-19 和 ACI 544.7R-16 中的强度折减系数。

分段环几何结构和系统

取决于隧道预期用途和客户要求的内部空间要求决定了隧道内拱的尺寸。ACI 533.5R 将隧道分为四大类：铁路和地铁、公路、公用设施以及供水和污水隧道。“指南”中解释了每个类别的内部空间要求。图 1 示意性地展示了公路隧道的典型布局。
ACI 533.5R 提供了不同尺寸隧道的内径 (ID) 与衬砌厚度之比的范围。这包括用于 13-18 英尺内径隧道的 15-25 英寸范围，以及用于内径超过 18 英尺的隧道的 18-25 英寸范围。对于直径为 19-23 英尺的隧道，建议使用 5 英尺的环长，对于直径大于 30 英尺的隧道，环长增加到 6.5 英尺。

图 1：公路隧道内部空间示意图：a）低点泵站断面，a）典型断面。

平行环、带矫正环的平行环、右/左锥形环和通用环系统（见图 2）属于不同的分段环系统。平行环（图 2(a)）本身并不适合曲线。在右/左环（图 2(b)）中，通常每个环的一个圆周面垂直于隧道轴线呈锥形，而另一面则倾斜于隧道轴线。按顺序交替的右锥形环和左锥形环产生直线驱动。这种环型可以保证水密性，但缺点是需要不同类型的模板组。目前，通用环系统（图 2（c））是最传统的系统，其中每个环的两个圆周面通常倾斜于隧道轴线，并且对齐可以通过分段环的旋转来协商。该系统的主要优点是只需要一种模板集 [3]。

图 2：不同的环系统、锥形和曲线协商示意图：a) 平行环，b) 右/左环，c) 通用环。

环通常包含许多节段，节段长细比为 8-13。对于直径达 20 英尺的隧道，一般建议将环分成 6 段并使用 5+1 或 4+2 配置（后一个数字代表关键段的数量）。当隧道直径在20-26英尺和26-36英尺之间时，可分别采用7段环和8段环。对于直径在 36 到 46 英尺之间的隧道，可以采用 9 段环。最后，对于大于 46 英尺的隧道，9+1 配置是最常见的配置。

图 3：分段几何的主要系统：a) 六角形，b) 矩形，c) 梯形，d) 菱形系统。

如图 3 所示，各个段的几何形状可分为四个主要类别或系统：六边形、矩形、梯形和菱形。由于六角形部分（图 3(a)）阻碍了垫圈的有效使用，它们损害了衬里的水密性，现在很少使用。对于矩形系统（图 3(b)），不能始终保证交错的纵向接头，十字接头本身可能会出现，这可能会导致泄漏。在梯形系统（图 3(c)）中，由于交错的纵向接头，消除了创建十字接头的可能性，但安装过程使得很难将几个关键段放置在反键段之间。菱形系统（图 3（d））是目前最常见的系统，因为它消除了十字形关节，具有良好的密封性能，并允许连续安装环。另一个主要优点是带角度的节段接头，它可以防止在节段插入期间摩擦垫圈，并有助于在圆周接头中使用快速连接销钉。

段的结构设计

浇注和初始固化后，将分段从模板上剥离。设计必须考虑管片在自重 (w) 下剥离时（例如浇铸后 6 小时）所需的强度。
分段脱模之后是分段存储，分段在运输到施工现场之前堆叠以获得所需的强度。通常，构成完整环的所有段都堆叠成一堆。该设计考虑了位于上方的段的自重和静载，偏心度为 e = 4 英寸，位于堆叠支撑位置和上段支撑位置之间。

分段搬运由专门设计的起重设备进行，例如机械夹具、真空起重器和叉车。对于机械夹紧和真空吊具的搬运，采用用于分段脱模和叉车搬运的设计程序，采用类似于分段存储的装载方案和偏心率。

在管片运输阶段，预制管片被运输到施工现场，并最终运输到 TBM 拖曳装置。每个环的一半或所有部分都通过一个小车运输到 TBM。类似于存储阶段的设计程序和 4 英寸的偏心率通常被推荐用于设计。

除了表 1 中列出的载荷系数外，还建议将动态影响系数 2.0 用于处理和运输的载荷情况。图 4 显示了上述负载情况下的负载方案和支撑条件。

图 4 a) 脱模和升降机搬运过程中作用在管片上的力，b & c) 存储、叉车搬运和运输过程中作用在管片上的力，d) 叉车搬运方案

在用半液态灌浆填充地面和管片之间的环形空间期间，会在衬砌上产生荷载。这是通过施加径向压力来建模的，径向压力从拱顶处的最小灌浆压力到隧道内底的最大灌浆压力呈线性变化。对于自重和灌浆压力的荷载组合，如表 1 所示，建议两种荷载的荷载系数均为 1.25。

图 5：TBM 千斤顶力的载荷工况：a) 推力千斤顶推动圆周接头的示意图，b) 使用预应力混凝土中后张锚固区的简化方程时爆破拉力和相应参数的示意图，c) Iyengar (1962) 图作为常用的分析方法，d) 3D FEA 结果。

表 1（载荷工况 8）中所示的载荷系数可用于计算所需的强度。在其他方法中，可以使用弹性方程、梁-弹簧模型（图 6）、FEM 和离散元法 (DEM) 分析这种载荷情况。

图 6 a) 双环梁-弹簧模型，径向弹簧模拟地面，关节弹簧模拟纵向和周向接头；(b) 环形接头方案

衬里中产生的环向力通过沿存在垫圈和应力消除槽的纵向接头的减小的横截面积传递。类似于TBM推力千斤顶力的载荷工况，分析方法包括简化的爆破方程[2, 4]（图7）、艾扬格[5]图的分析方法和2D/3D FEM模拟。

图 7：DAUB [4] 建议在纵向接头中使用简化的应力块概念进行力传递。

详细的设计注意事项和适用性极限状态 (SLS)

ACI 533.5R 指南 [1] 总结了国际权威机构关于预制混凝土隧道管片推荐抗压强度的可用指南。钢筋分为三种不同类型：a) 横向钢筋 – 主钢筋垂直于隧道轴线放置，b) 纵向钢筋 – 平行于隧道轴线放置，通常设计为最低温度和收缩钢筋，c) 节点钢筋 – 放置在接头附近以抵抗爆裂和剥落应力。“指南”中介绍了最常见的钢筋细节，包括钢筋尺寸和推荐的最小混凝土保护层和钢筋间距。

隧道段 SLS 验证包括应力验证、变形验证和开裂验证。由于潜在的渗水，开裂是导致使用性能降低的主要原因，因此需要特别注意。设计应确保弯曲裂缝宽度不大于“指南”中给出的允许裂缝宽度。

垫圈、连接装置和紧固件的设计

在单程管片衬砌中，隧道的水密性由管片和垫片保证，这些管片和垫片放置在管片之间的纵缝和周向缝中。在“指南”中，提供了选择垫圈材料的程序、不同水压的解决方案、考虑松弛的适当安全因素、考虑隧道尺寸的垫圈轮廓、公差和所需的施工间隙/偏移。介绍了水密性和负载挠度测试以及垫圈凹槽设计的详细信息。解释了垫圈的短期行为，并讨论了短期松弛后垫圈负载连接系统的设计。介绍了垫圈系统的新发展，包括锚定垫圈和最近开发的垫圈纤维锚固技术；使用基于销的空腔消除点加载的软角解决方案；以及基于通过垫片型材直接钻孔和注入的管片接头后密封的新修复方法。

环内各段之间和环与环之间的连接可分为螺栓、销钉和导杆三类。螺栓（图 8（a））通常用于环内的段之间，以及矩形系统的环之间。由于装配过程的运动学，销钉（图 8(b)）仅用于圆周接头的环之间。导向杆（图 8(c)）可用作定心装置，在具有锁定功能的分段安装过程中提供导向和定心。导杆通常与销钉结合使用。连接设备的最新发展包括在定位销的一侧集成了一个可拧紧的插座，以减少安装公差并为工人提供更顺畅的装配过程。传统的紧固系统是带钻孔的后安装锚栓，可能会损坏混凝土、钢筋或分段垫片，对结构性能、密封性能、防腐蚀保护和长期耐用性产生负面影响。ACI 533.25 [1] 介绍了用于管片的新型嵌入式紧固系统，作为一种持久且可持续的解决方案。

图 8：管片连接装置：a) 纵向接头中的螺栓系统，b) 圆周接头中的销钉系统，c) 纵向接头中的导杆

公差、尺寸控制和耐久性

公差是段的实际尺寸的允许偏差，无论是作为单个组件还是作为系统与其设计尺寸。在 ACI 533.5R 指南 [1] 中，公差分为两大类生产公差和施工公差。介绍了指南和标准规定的生产环节公差，并讨论了不同的测量程序及其缺点。使用干涉仪和跟踪系统的 3D 激光测量是最佳实践。测试环被解释为一种系统公差控制方法，椭圆化和接头未对准是两个主要的结构公差。

隧道的设计使用寿命通常为 100-125 年。在钻孔隧道中，隧道的耐久性与管片的耐久性直接相关。“指南”中讨论了最常见的退化机制。这包括由氯化物侵蚀和碳化、硫酸盐和酸侵蚀、碱骨料反应、霜冻侵蚀和冻融破坏引起的钢筋腐蚀。解释了杂散电流引起的腐蚀作为铁路/地铁隧道特有的主要耐久性问题。还介绍了针对不同耐久性因素的缓解方法。提出了杂散电流腐蚀缓解方法，包括使用 FRC 分段，并解释了分段在杂散电流与其他常规退化因素的耦合作用下的耐久性。将不同的环境暴露类别作为主要输入，为耐久性设计引入规范性方法。解释了确保隧道典型使用寿命的建议，包括混凝土强度、最大水灰比 (w/c)、最小水泥含量和最小空气含量。

结论

ACI 533.5R 指南 [1] 整合了预制管片设计和施工各个方面的最新进展、国际最佳实践和最新信息，可用作管片隧道衬砌的通用指南。除了结构设计规则外，本指南还涉及节段环几何形状、形状、配置和系统的详细信息，以及详细的混凝土设计注意事项。垫圈设计、连接装置、公差、测量、尺寸控制和耐久性都进行了讨论。准备好的“指南”是当前不断发展的技术领域的实践状态。

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