|
1．对承受水头压力的考虑
盾构掘进机推进荷载是直接传递到衬砌上，地层和海水荷载也是直接传递到隧道衬砌上。所以，在决定衬砌管片的厚度时，对这一点的考虑是重要的。当衬砌承受的水头压力为Pw时，衬砌环向应力为Pwr/h，其中r为开挖断面半径,h为衬砌厚度。当同样大小的水头压力作用于盾构掘进机工作面时，衬砌的平均纵向应力则为Pwr/2h，在考虑盾构掘进机推进和控制的要求时，衬砌的设计是采用最大值，即2倍的静水压力。因而隧道衬砌设计的厚度必须满足以上这两个条件。
从长远的观点来看，地层和海水的荷载，同将来的隧道运营车辆活动荷载相比,是占据支配地位。密封防水的隧道迟早会要承受大海峡的整个静水压力。所以，时地层荷载是按有效应力测算。初步计算是采用粘弹性方法进行手算。
在最后的设计中，采用了由摩特·麦克多纳尔特公司开发的ANVISC计算机程序．进行了有限单元计算，还进行了广泛的参数方程和灵敏度研究，包括有盾构掘进、衬砌拼装、注浆加固、允许地层荷载施加在衬砌管片上的分阶段建设进程，都采用了模拟试验。不同的地层，尤其是冰碛地层和泥灰质地层都进行了模型制作，采用莫尔、库伦、虎克和勃朗土力学原理，制作模型的地层强度从峰值至残余强度，并假定其具有脆性和应变软化的转换特性。模拟试验的结果，通过计算机绘制的比例图，以图解形式表示出来。计算机使用的软件很快地把信息从摩特·麦克多纳尔特公司的Croydon计算机中心传递到哥本哈根的COWI顾问公司咨询部。
2．管片钢筋的涂膜处理
至于混凝土本身，根据强度高和渗透性非常低的要求，在混凝土的组成中，粉料(飞灰和微硅粉）含量最小为25％，其骨料为花岗岩。
管片设计钢筋用量约70kg／m3。由于覆盖层厚和静水压力大，在管片在向接头部位设计的钢筋构造是密集的。许多钢筋网片需要用来承受裂缝应力。一般来说，这些钢筋网片包括许多相互垂直地焊接成梯形的网片或许多Z形钢筋，它们依次同周围的主钢筋相焊接。这些钢筋骨架一般是用自动焊接机焊接的。特种的直线形钢筋外表是事先经过静电喷涂环氧涂膜的。然而，这种环氧涂膜层在后来的焊接过程中易遭破坏，因而，实际上这样做并不适当。
采用另一种方法则在钢筋上涂膜是必要的，即对预制钢筋骨架构造实施整体涂膜。其方法是将制作完成后的钢筋骨架整个地泡在液槽内浸渍。这一技术一般是用于管子涂膜．还未推广应用于其它方面。
该技术可行性的指导原则确定后，采用一系列的测试手段，才能决定管片结构的制作选用这种骨架构造。最初考虑到，使用涂膜钢筋有可能影响钢筋和混凝土之间的握囊力；还考虑到径向接头钢筋损坏的风险，因这部分钢筋骨架应力是很大的。所以，于1988年夏天在英国水泥协会进行了试验，使之能适应已经颁布的设计标准。
管片边缘经常承受大的剪切应力，必须确保管片边缘完好无损，因此对管片的径向接头作了进一步测试。这些接头的支承面设计成曲面，以消除靠近管片边缘的接触，并使弯距减到最小。密封垫片测试采用两倍工作压力。
在设计中用作防水的主要屏障是橡胶垫片，它是安置在沿管片外边缘上的槽口内。管片的每条槽口的尺寸都稍大一些，以便喷涂树脂，这是一种补充措施。剩下的渗流水被引入泄水孔内，泄水孔位于管片接头内边缘槽口里的填缝后面。
3．管片型式及允许误差
隧道每环衬砌包括6块厚400mm、宽1650mm的管片和1块封顶块管片，见图8。管片接缝处理见图9。管片制作和拼装允许误差见表2。衬砌管片呈左（或右）楔形状，所以没有平行环。在盾构推进中，根据偏差量的变化，混合使用左楔或右楔来控制方向。
图8 预制混凝土管片
管片制作和拼装允许误差 表2
4．管片防水设计
为了确保管片的防水设计，在管片四周接头处要增大支承面，供盾构掘进时受压用，它是采用在管片边缘上形成厚实的斜面，使管片局部接触受压时，减少管片开裂的危险。
5．横向通道管片
在横向通道的接合口，主隧道的衬砌断面要有变化，使直径4．5m的横向通道施工简单化，把对盾构掘进机推进时间的延误减少到最小程度。横向通道的复合管片厚355mm，采用球墨铸铁管片，并充填纤维补强混凝土，使之能承受较大的顶力，以取代预制混凝土管片。这种管片的设计，与主隧道衬砌管片拼装系统相适应。在每条横向通道隧道里，6个整环管片均用普通的拼装方法，在盾构掘进机后面进行拼装。
图9 混凝土衬砌接缝图
6．管片拼装设计应用
大海峡隧道内径7．7m，衬砌采用带衬垫的预制混凝土管片，用弯曲螺栓连结。起重系统将隧道载重车上的管片提起送至管片提供装置上，这个能容纳一整环隧道管片的管片提供装置，沿轴向将管片送至管片拼装机。一台真空起吊机将管片从平板车上提起，放在高架式管片提供装置上。德国沃斯公司设计的单身两头管片拼装机上的液压机械栓，再将这些重7．1t的管片提离管片供应装置。这种两头可同时拼装管片的拼装机，其机身连结在一个底盘上，拼装机工作运转范围为±200°。根据客户需要，拼装机必须用400kN·m的扭矩对氯丁橡胶衬垫进行挤压，并在管片螺栓以前将管片纵缝接头拼拢，以利螺栓串接作业。进行整环衬砌拼装，仅需25min。36只盾构千斤顶的推力使隧道环缝接头紧合。盾构还设置真圆保持器，当需要在衬砌背面注浆充填时，可对圆环衬砌进行支护。
隧道衬砌的设计，必须能适应隧道工程的快速建设，使盾构掘进机发挥最大的经济效益。与此同时，隧道衬砌也要迎合两条主隧道之间的横向通道和排水口建设的需要，并且要把对横向通道和排水口建设的干扰降低到最小程度。除此以外，隧道衬砌还要能承受由于受最大8×10Pa的静水压力影响而产生非常大的盾构推进荷载，保持密封防水，抵抗地层的侵蚀，按设计要求，确保隧道100年的运营安全。
在招投标设计过程中，COWI顾问公司的摩特·海·安德森国际公司借鉴了现有混凝土衬砌隧道在相类似地层中的经验，对施工可能损害隧道耐用性等各种因素进行了综合研究。
|
