跨座式單軌盾構(gòu)隧道管片厚度研究

楊友彬

摘 要：跨座式單軌盾構(gòu)隧道因管片設(shè)置軌道梁，導(dǎo)致管片受力特性較普通管片發(fā)生變化。文章基于相關(guān)條文、規(guī)范要求及相關(guān)工程地質(zhì)特征，先擬定出管片結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)，再采用數(shù)值分析方法對多種工況下管片受力變形規(guī)律進(jìn)行分析，最后根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果確定管片厚度。

關(guān)鍵詞：跨座式單軌;盾構(gòu)隧道;軌道梁;管片厚度

中圖分類號：TU318

近年來城市軌道交通發(fā)展迅猛，其中以地鐵、輕軌最為常見。地鐵以節(jié)約地面空間、顯著改善交通等巨大優(yōu)勢為成各大中城市交通基礎(chǔ)建設(shè)的首選，輕軌作為地鐵的重要補(bǔ)充，也被廣泛修建，跨座式單軌便是輕軌的一種重要形式。地鐵區(qū)間隧道絕大多數(shù)采用盾構(gòu)法施工，跨座式單軌區(qū)間多數(shù)為高架、路基形式，少數(shù)條件限制時(shí)采用盾構(gòu)隧道。

針對傳統(tǒng)的地鐵設(shè)計(jì)施工研究眾多，對于盾構(gòu)機(jī)選型、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)理、盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)及盾構(gòu)隧道管片服役狀態(tài)及病害情況等方面均有大量的研究，也取得了大量的成果[1-6]。而針對于跨座式單軌的研究相對較少。許玉紅、周華、雷中林等[7-10]對比分析了地鐵限界與跨座式單軌限界的區(qū)別，并基于跨座式單軌的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式、軌道梁、信號裝置等對該交通模式下的限界進(jìn)行了深入研究，提出了限界計(jì)算的方法。朱英磊、潘力、郭凱等[11-15]針對跨座式單軌混凝土軌道梁的預(yù)制技術(shù)進(jìn)行了研究，提出預(yù)制軌道梁的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。向紅、謝謙、錢惠靜等[16-17]基于跨座式單軌交通的特點(diǎn)，對跨座式單軌的適應(yīng)性、運(yùn)營安全評價(jià)等進(jìn)行了全面研究?？梢姡槍缱絾诬壍叵聟^(qū)間盾構(gòu)隧道的研究較少。

本文基于前人對地鐵盾構(gòu)隧道及跨座式單軌的相關(guān)技術(shù)研究，結(jié)合跨座式單軌盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)，通過數(shù)值仿真手段對多工況條件下跨座式單軌盾構(gòu)隧道管片的內(nèi)力變形進(jìn)行分析，并通過分析結(jié)果確定管片厚度，進(jìn)而確定管片基本類型。

1 數(shù)值分析模型建立

1.1 管片基本結(jié)構(gòu)

跨座式單軌盾構(gòu)隧道因管片設(shè)置軌道梁，導(dǎo)致管片受力特性較普通管片發(fā)生了變化。管片底部應(yīng)預(yù)埋鋼板，以便與上部軌道梁臺座進(jìn)行可靠有效地連接，臺座上方設(shè)軌道梁支座，具體布置見圖1。圓形隧道限界按適應(yīng)地段最小曲線半徑考慮，根據(jù)GB 50458-2008《跨座式單軌交通設(shè)計(jì)規(guī)范》對線形的要求，結(jié)合行車及隧道內(nèi)設(shè)備布置情況，確定圓形盾構(gòu)隧道的建筑限界為5.7m?？紤]盾構(gòu)隧道施工時(shí)不可避免的施工誤差、結(jié)構(gòu)變形、隧道沉降、測量誤差等因素的影響，在隧道建筑限界周邊預(yù)留150 mm的空間余量，因此隧道管片內(nèi)凈空理論值取6.0 m。

從既有盾構(gòu)隧道管片實(shí)際情況看，管片環(huán)寬較大，一方面可以降低管片制作成本，減少接縫數(shù)量，減少防水材料及連接螺栓用量;另一方面利于加快施工進(jìn)度、控制隧道縱向不均勻沉降。但環(huán)寬增大可能影響盾構(gòu)機(jī)的靈活性，不利于小半徑隧道施工。結(jié)合跨座式單軌線形要求及管片制作工藝等因素，從工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)性能、掘進(jìn)速度等方面綜合考慮，擬定管片環(huán)寬為1 m。管片分塊方式根據(jù)管片制作、運(yùn)輸、盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂布置、拼裝方式、結(jié)構(gòu)受力性能、防水要求等因素綜合確定。隧道外徑小于8 m的管片環(huán)宜為5 ～7塊，隧道外徑8 ～14 m的管片環(huán)宜分為7～10塊，外徑大于14 m的管片環(huán)宜分為10～12塊。根據(jù)上述擬定的隧道限界尺寸，單洞跨座式單軌盾構(gòu)隧道管片分為6塊預(yù)制，接縫連接形式采用榫槽接頭，管片環(huán)采用錯(cuò)縫拼裝的方式，環(huán)與環(huán)、塊與塊之間采用螺栓連接。

1.2 材料參數(shù)選取

計(jì)算參數(shù)的取值很大程度上決定了數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性。本次分析采用的某跨座式單軌工程詳細(xì)勘察報(bào)告中土體物理力學(xué)參數(shù)見表1，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，地下水位按地面以下3 m考慮。

2 管片計(jì)算分析

2.1 管片結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

管片厚度是管片選型中最為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，管片厚度應(yīng)綜合考慮工程周圍環(huán)境、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、隧道覆土、施工條件等因素，通過結(jié)構(gòu)計(jì)算來確定。本文基于水文地質(zhì)情況，結(jié)合跨座式單軌的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對不同隧道埋深、不同管片厚度的組合工況進(jìn)行建模計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對比分析，得出最為經(jīng)濟(jì)合理的管片厚度取值。

本次分析采用我院自主開發(fā)的管片計(jì)算軟件，模擬過程中采用荷載-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算，圍巖抗力采用土彈簧進(jìn)行模擬。隧道覆土不超過2倍洞徑時(shí)采用土柱法計(jì)算荷載，覆土大于2倍洞徑時(shí)采用太沙基折減法計(jì)算荷載。支座處軌道梁及列車荷載經(jīng)過折算后取Pmax = 443kN/m，P min = 340kN/m。計(jì)算工況見表2，計(jì)算模型及荷載施加方式見圖2。具體分析步驟如下：①通過軟件界面輸入設(shè)計(jì)參數(shù)（規(guī)范選擇、斷面設(shè)置、土層參數(shù)、隧道位置、荷載工況等）;②基于設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行邊界設(shè)置（地層壓力、地層抗力、局部線性荷載）;③然后根據(jù)輸入條件進(jìn)行分析求解，最后提取分析結(jié)果。對于不同的計(jì)算工況，應(yīng)根據(jù)不同的管片厚度和覆土深度調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，然后按上述步驟逐一進(jìn)行計(jì)算。

2.2 管片內(nèi)力分析

工況1下的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力見圖3，12個(gè)工況下的最大結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見圖4。

（1）從圖3中可以看出，隧道拱頂洞內(nèi)側(cè)受拉，拱腰上部土層一側(cè)受拉，受到土層抗力作用，下部為洞內(nèi)側(cè)受拉;洞內(nèi)受軌道梁及列車荷載的影響，管片結(jié)構(gòu)底部土層一側(cè)受拉。這一特點(diǎn)與普通盾構(gòu)管片的受力有明顯的區(qū)別。這是因?yàn)檐壍懒和ㄟ^支座將上部荷載傳遞至管片，有支座處的管片結(jié)構(gòu)底部受力明顯增大，管片結(jié)構(gòu)底部因彎矩相對較大，所對應(yīng)的軸向受力相對偏小，這一點(diǎn)符合結(jié)構(gòu)受力規(guī)律。可見管片底部軌道梁及列車荷載理論上可以抵抗結(jié)構(gòu)底部隆起，對結(jié)構(gòu)受力有利，但若受力過大，結(jié)構(gòu)會向外變形，產(chǎn)生裂縫，降低結(jié)構(gòu)的耐久性。

（2）從圖4 中12個(gè)工況的最大內(nèi)力對比結(jié)果可知，管片厚度越大，管片計(jì)算內(nèi)力也越大。就管片彎矩而言，覆土厚度增加，管片彎矩隨之變大，但當(dāng)覆土超過25 m后，管片彎矩卻減小，這是因?yàn)楦餐吝^大時(shí)，管片結(jié)構(gòu)埋入巖層中，地層對結(jié)構(gòu)的抗力較大所致;就管片軸力而言，管片軸力隨著覆土深度的增大而增大，但管片為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，抗壓能力強(qiáng)，軸力增大有利于改善結(jié)構(gòu)受彎受力狀態(tài)。

2.3 管片變形分析

（1）圖5給出工況1的管片結(jié)構(gòu)徑向變形圖，圖5中圓形圖線為管片變形前的狀態(tài)，橢圓圖線為管片變形后的狀態(tài)。從圖5中可以看出，管片受力后整體有向下移動的趨勢。值得注意的是，管片底部因受軌道梁及列車荷載作用，結(jié)構(gòu)底部沉降量與頂部沉降量相當(dāng)。

（2）圖6給出12個(gè)工況的最大變形值對比結(jié)果，從圖6中可知，管片最大徑向變形隨覆土增加先增大后減小，在覆土15 m時(shí)管片徑向變形值最大。這是因?yàn)楫?dāng)覆土超過2倍洞徑時(shí)，土壓力的計(jì)算采用太沙基折減的方法，使得實(shí)際土壓力并非隨覆土增加而線性增大。

3 管片厚度確定

圖7、圖8給出300 mm、350 mm、400 mm3種不同厚度管片結(jié)構(gòu)最大內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，圖9給出300 mm、350 mm、400 mm3種不同厚度管片結(jié)構(gòu)的最大徑向變形計(jì)算結(jié)果。從圖7～圖9中可知，管片越厚結(jié)構(gòu)所受彎矩就越大;結(jié)構(gòu)所受軸力受管片厚度變化的影響較小，相同的覆土深度，結(jié)構(gòu)所受的軸力相當(dāng);結(jié)構(gòu)徑向變形明顯隨著管片厚度的增加而減小。

綜合300 mm、350 mm、400 mm3種管片厚度的受力、變形規(guī)律可知，管片厚度越大，結(jié)構(gòu)剛度也隨之增大，結(jié)構(gòu)變形隨之減小，但彎矩變大，軸力受管片厚度影響較小;管片結(jié)構(gòu)既不能受力過大，也不可變形過大。因此，根據(jù)管片內(nèi)力及變形計(jì)算結(jié)果，推薦本次分析的跨座式單軌工程隧道管片厚度取350mm。

4 結(jié)論及建議

（1）跨座式單軌盾構(gòu)隧道因管片設(shè)置軌道梁，導(dǎo)致管片受力特性較普通管片發(fā)生了變化。因此，在管片計(jì)算中應(yīng)當(dāng)充分考慮軌道梁及列車荷載對管片結(jié)構(gòu)受力的影響。

（2）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，覆土厚度增加，管片彎矩值隨著變大，但當(dāng)覆土超過25 m后，管片彎矩值卻減小;管片軸力隨著覆土深度的增大而增大;管片最大徑向變形隨覆土的增加先增大后減小，當(dāng)覆土15 m時(shí)，管片徑向變形最大。

（3）基于工程水文地質(zhì)情況，結(jié)合跨座式單軌的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對不同隧道埋深、不同管片厚度的組合工況進(jìn)行建模計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果對比分析，建議該類型盾構(gòu)隧道管片厚度取值為350 mm。

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收稿日期 2019-04-12

責(zé)任編輯 朱開明