隧道展訊 在過去十年中，TBM 機械化掘進已成為最主要的開挖方法，適用于軟弱地層、軟弱巖石和裂隙硬巖等各種地層條件。預制混凝土管片安裝在 TBM 后面，以支撐開挖、抵抗永久性地面和地下水荷載，并提供水密性。此外，預制管段專為生產、運輸和施工中的臨時荷載而設計。

在 ACI 533 指南發布之前，當地或國際權威機構為設計師和承包商提供的指南很少。本文 是世界上第一個由國際規范機構出版的指南，它滿足了這一需求，并在單一出版物中涵蓋了設計、制造和結構部分的所有主要方面。本指南提供了結構概念和詳細設計、密封和墊圈設計、連接設計、耐久性設計以及沉降和監控公差所需的程序。本文件是根據全球合作、隧道開挖經驗以及可用的國家和國際建議起草的。除了設計的一般方面，

混凝土預制隧道管片必須使用荷載和阻力系數設計 (LRFD) 方法進行設計。表 1 列出了為預制混凝土隧道管片設計的控制荷載工況和分解荷載組合。鋼筋混凝土和纖維增強混凝土 (FRC) 的設計分別需要 ACI 318-19 和 ACI 544.7R-16 中的強度折減系數。

分段環幾何結構和系統

取決于隧道預期用途和客戶要求的內部空間要求決定了隧道內拱的尺寸。ACI 533.5R 將隧道分為四大類：鐵路和地鐵、公路、公用設施以及供水和污水隧道。“指南”中解釋了每個類別的內部空間要求。圖 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內徑 (ID) 與襯砌厚度之比的范圍。這包括用于 13-18 英尺內徑隧道的 15-25 英寸范圍，以及用于內徑超過 18 英尺的隧道的 18-25 英寸范圍。對于直徑為 19-23 英尺的隧道，建議使用 5 英尺的環長，對于直徑大于 30 英尺的隧道，環長增加到 6.5 英尺。

圖 1：公路隧道內部空間示意圖：a）低點泵站斷面，a）典型斷面。

平行環、帶矯正環的平行環、右/左錐形環和通用環系統（見圖 2）屬于不同的分段環系統。平行環（圖 2(a)）本身并不適合曲線。在右/左環（圖 2(b)）中，通常每個環的一個圓周面垂直于隧道軸線呈錐形，而另一面則傾斜于隧道軸線。按順序交替的右錐形環和左錐形環產生直線驅動。這種環型可以保證水密性，但缺點是需要不同類型的模板組。目前，通用環系統（圖 2（c））是最傳統的系統，其中每個環的兩個圓周面通常傾斜于隧道軸線，并且對齊可以通過分段環的旋轉來協商。該系統的主要優點是只需要一種模板集 [3]。

圖 2：不同的環系統、錐形和曲線協商示意圖：a) 平行環，b) 右/左環，c) 通用環。

環通常包含許多節段，節段長細比為 8-13。對于直徑達 20 英尺的隧道，一般建議將環分成 6 段并使用 5+1 或 4+2 配置（后一個數字代表關鍵段的數量）。當隧道直徑在20-26英尺和26-36英尺之間時，可分別采用7段環和8段環。對于直徑在 36 到 46 英尺之間的隧道，可以采用 9 段環。最后，對于大于 46 英尺的隧道，9+1 配置是最常見的配置。

圖 3：分段幾何的主要系統：a) 六角形，b) 矩形，c) 梯形，d) 菱形系統。

如圖 3 所示，各個段的幾何形狀可分為四個主要類別或系統：六邊形、矩形、梯形和菱形。由于六角形部分（圖 3(a)）阻礙了墊圈的有效使用，它們損害了襯里的水密性，現在很少使用。對于矩形系統（圖 3(b)），不能始終保證交錯的縱向接頭，十字接頭本身可能會出現，這可能會導致泄漏。在梯形系統（圖 3(c)）中，由于交錯的縱向接頭，消除了創建十字接頭的可能性，但安裝過程使得很難將幾個關鍵段放置在反鍵段之間。菱形系統（圖 3（d））是目前最常見的系統，因為它消除了十字形關節，具有良好的密封性能，并允許連續安裝環。另一個主要優點是帶角度的節段接頭，它可以防止在節段插入期間摩擦墊圈，并有助于在圓周接頭中使用快速連接銷釘。

段的結構設計

澆注和初始固化后，將分段從模板上剝離。設計必須考慮管片在自重 (w) 下剝離時（例如澆鑄后 6 小時）所需的強度。
分段脫模之后是分段存儲，分段在運輸到施工現場之前堆疊以獲得所需的強度。通常，構成完整環的所有段都堆疊成一堆。該設計考慮了位于上方的段的自重和靜載，偏心度為 e = 4 英寸，位于堆疊支撐位置和上段支撐位置之間。

分段搬運由專門設計的起重設備進行，例如機械夾具、真空起重器和叉車。對于機械夾緊和真空吊具的搬運，采用用于分段脫模和叉車搬運的設計程序，采用類似于分段存儲的裝載方案和偏心率。

在管片運輸階段，預制管片被運輸到施工現場，并最終運輸到 TBM 拖曳裝置。每個環的一半或所有部分都通過一個小車運輸到 TBM。類似于存儲階段的設計程序和 4 英寸的偏心率通常被推薦用于設計。

除了表 1 中列出的載荷系數外，還建議將動態影響系數 2.0 用于處理和運輸的載荷情況。圖 4 顯示了上述負載情況下的負載方案和支撐條件。

圖 4 a) 脫模和升降機搬運過程中作用在管片上的力，b & c) 存儲、叉車搬運和運輸過程中作用在管片上的力，d) 叉車搬運方案

在用半液態灌漿填充地面和管片之間的環形空間期間，會在襯砌上產生荷載。這是通過施加徑向壓力來建模的，徑向壓力從拱頂處的最小灌漿壓力到隧道內底的最大灌漿壓力呈線性變化。對于自重和灌漿壓力的荷載組合，如表 1 所示，建議兩種荷載的荷載系數均為 1.25。

圖 5：TBM 千斤頂力的載荷工況：a) 推力千斤頂推動圓周接頭的示意圖，b) 使用預應力混凝土中后張錨固區的簡化方程時爆破拉力和相應參數的示意圖，c) Iyengar (1962) 圖作為常用的分析方法，d) 3D FEA 結果。

表 1（載荷工況 8）中所示的載荷系數可用于計算所需的強度。在其他方法中，可以使用彈性方程、梁-彈簧模型（圖 6）、FEM 和離散元法 (DEM) 分析這種載荷情況。

圖 6 a) 雙環梁-彈簧模型，徑向彈簧模擬地面，關節彈簧模擬縱向和周向接頭；(b) 環形接頭方案

襯里中產生的環向力通過沿存在墊圈和應力消除槽的縱向接頭的減小的橫截面積傳遞。類似于TBM推力千斤頂力的載荷工況，分析方法包括簡化的爆破方程[2, 4]（圖7）、艾揚格[5]圖的分析方法和2D/3D FEM模擬。

圖 7：DAUB [4] 建議在縱向接頭中使用簡化的應力塊概念進行力傳遞。

詳細的設計注意事項和適用性極限狀態 (SLS)

ACI 533.5R 指南 [1] 總結了國際權威機構關于預制混凝土隧道管片推薦抗壓強度的可用指南。鋼筋分為三種不同類型：a) 橫向鋼筋 – 主鋼筋垂直于隧道軸線放置，b) 縱向鋼筋 – 平行于隧道軸線放置，通常設計為最低溫度和收縮鋼筋，c) 節點鋼筋 – 放置在接頭附近以抵抗爆裂和剝落應力。“指南”中介紹了最常見的鋼筋細節，包括鋼筋尺寸和推薦的最小混凝土保護層和鋼筋間距。

隧道段 SLS 驗證包括應力驗證、變形驗證和開裂驗證。由于潛在的滲水，開裂是導致使用性能降低的主要原因，因此需要特別注意。設計應確保彎曲裂縫寬度不大于“指南”中給出的允許裂縫寬度。

墊圈、連接裝置和緊固件的設計

在單程管片襯砌中，隧道的水密性由管片和墊片保證，這些管片和墊片放置在管片之間的縱縫和周向縫中。在“指南”中，提供了選擇墊圈材料的程序、不同水壓的解決方案、考慮松弛的適當安全因素、考慮隧道尺寸的墊圈輪廓、公差和所需的施工間隙/偏移。介紹了水密性和負載撓度測試以及墊圈凹槽設計的詳細信息。解釋了墊圈的短期行為，并討論了短期松弛后墊圈負載連接系統的設計。介紹了墊圈系統的新發展，包括錨定墊圈和最近開發的墊圈纖維錨固技術；使用基于銷的空腔消除點加載的軟角解決方案；以及基于通過墊片型材直接鉆孔和注入的管片接頭后密封的新修復方法。

環內各段之間和環與環之間的連接可分為螺栓、銷釘和導桿三類。螺栓（圖 8（a））通常用于環內的段之間，以及矩形系統的環之間。由于裝配過程的運動學，銷釘（圖 8(b)）僅用于圓周接頭的環之間。導向桿（圖 8(c)）可用作定心裝置，在具有鎖定功能的分段安裝過程中提供導向和定心。導桿通常與銷釘結合使用。連接設備的最新發展包括在定位銷的一側集成了一個可擰緊的插座，以減少安裝公差并為工人提供更順暢的裝配過程。傳統的緊固系統是帶鉆孔的后安裝錨栓，可能會損壞混凝土、鋼筋或分段墊片，對結構性能、密封性能、防腐蝕保護和長期耐用性產生負面影響。ACI 533.25 [1] 介紹了用于管片的新型嵌入式緊固系統，作為一種持久且可持續的解決方案。

圖 8：管片連接裝置：a) 縱向接頭中的螺栓系統，b) 圓周接頭中的銷釘系統，c) 縱向接頭中的導桿

公差、尺寸控制和耐久性

公差是段的實際尺寸的允許偏差，無論是作為單個組件還是作為系統與其設計尺寸。在 ACI 533.5R 指南 [1] 中，公差分為兩大類生產公差和施工公差。介紹了指南和標準規定的生產環節公差，并討論了不同的測量程序及其缺點。使用干涉儀和跟蹤系統的 3D 激光測量是最佳實踐。測試環被解釋為一種系統公差控制方法，橢圓化和接頭未對準是兩個主要的結構公差。

隧道的設計使用壽命通常為 100-125 年。在鉆孔隧道中，隧道的耐久性與管片的耐久性直接相關。“指南”中討論了最常見的退化機制。這包括由氯化物侵蝕和碳化、硫酸鹽和酸侵蝕、堿骨料反應、霜凍侵蝕和凍融破壞引起的鋼筋腐蝕。解釋了雜散電流引起的腐蝕作為鐵路/地鐵隧道特有的主要耐久性問題。還介紹了針對不同耐久性因素的緩解方法。提出了雜散電流腐蝕緩解方法，包括使用 FRC 分段，并解釋了分段在雜散電流與其他常規退化因素的耦合作用下的耐久性。將不同的環境暴露類別作為主要輸入，為耐久性設計引入規范性方法。解釋了確保隧道典型使用壽命的建議，包括混凝土強度、最大水灰比 (w/c)、最小水泥含量和最小空氣含量。

結論

ACI 533.5R 指南 [1] 整合了預制管片設計和施工各個方面的最新進展、國際最佳實踐和最新信息，可用作管片隧道襯砌的通用指南。除了結構設計規則外，本指南還涉及節段環幾何形狀、形狀、配置和系統的詳細信息，以及詳細的混凝土設計注意事項。墊圈設計、連接裝置、公差、測量、尺寸控制和耐久性都進行了討論。準備好的“指南”是當前不斷發展的技術領域的實踐狀態。

相關推薦：城市交通軌道展、隧道展、城市軌道交通展覽會、城市軌道交通展覽會展位預定