鐵路大直徑盾構(gòu)隧道軌下混凝土填充結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

霍思遜

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

0 引言

鐵路大直徑盾構(gòu)隧道通常指開(kāi)挖直徑超過(guò)10m的盾構(gòu)隧道，隨著盾構(gòu)隧道直徑的增加，隧道的內(nèi)力也會(huì)加大，對(duì)內(nèi)部防災(zāi)救援疏散的要求也隨之提高。由于盾構(gòu)直徑增大后，鐵路軌道以下的空間也會(huì)隨之增加，所以優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，保證隧道安全，滿足隧道使用功能，提高施工效率的同時(shí)考慮工程成本，則成為確定鐵路大直徑盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)方案的關(guān)鍵。鐵路大直徑盾構(gòu)隧道通常為雙線隧道，因受行車時(shí)速、綜合預(yù)留空間、疏散救援模式、內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置等因素的影響，不同項(xiàng)目的盾構(gòu)隧道直徑不同，軌下結(jié)構(gòu)形式也不盡相同，有“π”型現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、預(yù)制中箱涵+現(xiàn)澆邊涵預(yù)制結(jié)構(gòu)、軌下全預(yù)制結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)形式，目前預(yù)制中箱涵+兩側(cè)現(xiàn)澆邊涵的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用最廣。

1 工程概況

某高速鐵路盾構(gòu)隧道為行車速度250km/h 的單洞雙線高鐵盾構(gòu)隧道，獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)度7.352km，為“V”字型坡隧道，隧道最大覆土厚度30.94m，最大水壓0.58MPa，局部段落隧道埋深較淺。盾構(gòu)隧道外徑13.8m，內(nèi)徑12.6m，管片厚度0.6m，管片環(huán)寬2m。盾構(gòu)管片由標(biāo)準(zhǔn)塊、臨接塊、封頂塊組成，為“7+2+1”的10 分塊形式，管片采用C60 鋼筋混凝土。隧道穿越地質(zhì)以可塑—硬塑粉質(zhì)黏土為主，地層相對(duì)較軟。

2 軌下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 初始軌下結(jié)構(gòu)方案

初步進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮軌下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力、使用功能等因素，采用了預(yù)制中箱涵+現(xiàn)澆邊涵的結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖1），結(jié)構(gòu)材料均采用C40 鋼筋混凝土。其中，中箱涵作為鐵路隧道軌下疏散通道，內(nèi)設(shè)緊急通風(fēng)設(shè)備，邊涵作為設(shè)備管廊的預(yù)留空間。

圖1 初始軌下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

施工過(guò)程中，在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)與管片安裝時(shí)，同步拼裝中箱涵，中箱涵拼裝采用專門的拼裝機(jī)具。邊涵施工與盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖面距離保持在200m 左右，也可以根據(jù)實(shí)際施工情況合理安排，通常采用特制定型臺(tái)車進(jìn)行施工。

2.2 軌下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮中箱涵不變，將邊涵結(jié)構(gòu)改為C25 素混凝土填充，最終確定結(jié)構(gòu)形式為預(yù)制中箱涵+兩側(cè)混凝土填充結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。原因如下：

圖2 預(yù)制中箱涵+兩側(cè)填充軌下結(jié)構(gòu)斷面圖

第一，軌下結(jié)構(gòu)的緊急通風(fēng)設(shè)備放置在中箱涵中，邊涵空間無(wú)使用需求。第二，隧道洞身處于相對(duì)軟弱的土質(zhì)地層，且部分段落為超淺埋段，需增加抗浮措施，中箱涵兩側(cè)改為填充素混凝土有利于增加結(jié)構(gòu)配重、增強(qiáng)縱向剛度，有利于提高軌下結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。第三，盾構(gòu)隧道獨(dú)頭掘進(jìn)長(zhǎng)達(dá)7km，隨著掘進(jìn)距離的增長(zhǎng)，管片、中箱涵、混凝土、油脂等物料運(yùn)輸距離也隨之增長(zhǎng)，運(yùn)輸效率將逐漸降低。邊涵現(xiàn)澆施工涉及鋼筋綁扎、立模澆筑等相對(duì)復(fù)雜的工序，且施工空間受限，改為素混凝土填充可提高施工效率，快速形成物料運(yùn)輸通道，降低隧道內(nèi)施工組織難度。

2.3 軌下結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

由于箱涵結(jié)構(gòu)受到自身重力、軌上結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載、盾構(gòu)管片的約束作用的影響，需將初始的預(yù)制中箱涵+現(xiàn)澆邊涵結(jié)構(gòu)與預(yù)制中箱涵+兩側(cè)填充結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，研究受力變化規(guī)律。

2.3.1 中箱涵結(jié)構(gòu)受力

（1）計(jì)算荷載,恒載包括道床荷載、結(jié)構(gòu)自重，活載包括列車靜活載、列車橫向搖擺力、列車水平離心力。道床荷載及列車活載參照現(xiàn)行《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10025—2019），該工程的軌道及列車荷載取值見(jiàn)表1。

表1 軌道及列車荷載表

作用在軌道底的列車動(dòng)荷載動(dòng)力系數(shù)按式（1）、式（2）計(jì)算。

（1）～（2）中：q為列車單位動(dòng)荷載（kN·m）；為動(dòng)力系數(shù)；為列車單位荷載（kN·m）；式（2）中：為軌底至軌下結(jié)構(gòu)板頂?shù)母叨龋╩）。

列車橫向搖擺力及水平離心力按現(xiàn)行《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002—2017）計(jì)算，其中橫向搖擺力F取80kN，作為一個(gè)集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中心線作用于鋼軌頂面。

列車水平離心力按式（3）計(jì)算。

式（3）中：為列車豎向活載折減系數(shù)，取1.0；為離心力率，應(yīng)≤0.15；為列車荷載圖示的集中荷載或分布荷載（kN 或kN·m）；為設(shè)計(jì)速度（km/h）；為曲線半徑（m），取該工程盾構(gòu)段最小曲線半徑3000m。

經(jīng)計(jì)算，列車水平離心力為30kN。

（2）荷載組合,地下結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1，基本組合按恒載×1.35+活載×1.4 計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)組合按恒載×1.0+活載×1.0 計(jì)算。

（3）計(jì)算模型,采用SAP-84 有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算，將預(yù)制中箱涵+現(xiàn)澆邊涵結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為軌下結(jié)構(gòu)平面桿系有限元，采用荷載—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。由于現(xiàn)澆邊涵與預(yù)制箱涵之間采用鋼筋接駁器連接，且現(xiàn)澆邊涵架設(shè)在中箱涵的鋼筋混凝土牛腿上，因此簡(jiǎn)化為鉸接節(jié)點(diǎn)。將箱涵結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)管片內(nèi)弧面的接觸簡(jiǎn)化為僅受壓彈簧。由于兩結(jié)構(gòu)接觸面為弧形，其接觸面提供軌下結(jié)構(gòu)的剛度為盾構(gòu)管片本身及周邊土體的綜合剛度，該剛度受結(jié)構(gòu)自重作用沿弧面剛度漸變，且管片最下部延徑向的剛度最小。因此按單位力法在平均埋深下，將單位力施加在管片—土體構(gòu)成的荷載—結(jié)構(gòu)模型的最下部中點(diǎn)上，計(jì)算得到軌下結(jié)構(gòu)與管片接觸面的最小剛度，將之作為兩結(jié)構(gòu)間的接觸剛度，其剛度值為51000kN·m。

對(duì)于預(yù)制中箱涵+兩側(cè)填充結(jié)構(gòu)，將中箱涵簡(jiǎn)化為平面桿系模型，將兩側(cè)混凝土填充結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為僅受壓的彈簧，彈簧剛度保守取為80000kN·m，中箱涵底板與管片的接觸剛度仍取51000kN·m。

（4）計(jì)算結(jié)果,以盾構(gòu)隧道內(nèi)車輛交會(huì)工況為例，在兩種結(jié)構(gòu)模型下，結(jié)構(gòu)的受力情況見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 預(yù)制中箱涵+現(xiàn)澆邊涵結(jié)構(gòu)受力圖

圖4 預(yù)制中箱涵+兩側(cè)填充結(jié)構(gòu)受力圖

經(jīng)計(jì)算對(duì)比，將鋼筋混凝土現(xiàn)澆邊涵改為混凝土填充，由于兩側(cè)混凝土對(duì)中箱涵的約束作用變強(qiáng)，中箱涵頂板跨中彎矩由84.11kN·m 減小為72.3kN·m，軸力由183.7kN 減小為43.8kN，作為受彎構(gòu)件的頂板的整體應(yīng)力水平降低。中箱涵側(cè)墻與頂板連接處的彎矩由36.8kN·m 增加至44.44kN·m，軸力由202kN 減小為142kN，邊涵改為填充結(jié)構(gòu)后，由于約束作用減小，墻頂彎矩有所增加，但對(duì)配筋不起控制作用。并且，采用現(xiàn)澆邊涵時(shí)現(xiàn)澆邊涵與預(yù)制中箱涵間采用鋼筋接駁器連接，并設(shè)置鋼筋混凝土牛腿的結(jié)構(gòu)，由于牛腿的截面較小，受力性能相對(duì)較差，且受力不甚明確，兩側(cè)改為混凝土填充后，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。

2.3.2 兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)盾構(gòu)管片受力的影響

除比較軌下結(jié)構(gòu)本身的受力性能外，還需要比較兩種軌下結(jié)構(gòu)實(shí)施后對(duì)管片結(jié)構(gòu)整體受力可能產(chǎn)生的影響。計(jì)算采用MIDAS-GTS 有限元軟件，將管片—軌下結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變模型，研究列車交會(huì)工況中兩種軌下結(jié)構(gòu)對(duì)盾構(gòu)管片的整體受力影響。荷載的計(jì)算及組合與上文的計(jì)算方法相同，盾構(gòu)覆土按1.5 倍洞徑，約21m 進(jìn)行計(jì)算。

（1）計(jì)算模型，模型采用荷載—結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，將盾構(gòu)管片及箱涵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?，將混凝土填充?jiǎn)化為平面應(yīng)變單元。對(duì)于盾構(gòu)管片單元節(jié)點(diǎn)及外部對(duì)應(yīng)固定點(diǎn)，采用彈性連接方式，分別建立僅受壓的約束X 方向的法向彈簧，以及受拉壓的約束Y、Z 方向的切向彈簧，模擬盾構(gòu)與土體的相互作用。對(duì)于盾構(gòu)管片單元與軌下結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)，同樣采用彈性連接方式，建立僅受壓的約束X 方向的法向彈簧，模擬管片對(duì)軌下結(jié)構(gòu)的支撐作用，采用受拉壓的約束Y、Z 方向的切向彈簧，模擬盾構(gòu)管片與軌下結(jié)構(gòu)間的摩擦力。計(jì)算過(guò)程中采用施工階段功能，先計(jì)算盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力情況，后激活軌下結(jié)構(gòu)及其上部軌道、車輛荷載進(jìn)行計(jì)算。

（2）計(jì)算結(jié)果，以盾構(gòu)隧道內(nèi)車輛交會(huì)工況為例，在兩種結(jié)構(gòu)模型下，管片結(jié)構(gòu)的受力情況見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 預(yù)制中箱涵+現(xiàn)澆邊涵結(jié)構(gòu)方案的管片受力圖

圖6 預(yù)制中箱涵+兩側(cè)填充結(jié)構(gòu)方案的管片受力圖

經(jīng)計(jì)算對(duì)比，現(xiàn)澆邊涵方案盾構(gòu)管片拱頂彎矩為271kN·m，軸力為2512kN；拱腰彎矩為240kN·m，軸力為2867kN。兩側(cè)填充方案下，盾構(gòu)管片拱頂彎矩為267kN·m，軸力為2515kN；拱腰彎矩為233kN·m，軸力為2868kN。說(shuō)明將現(xiàn)澆邊涵改為混凝土填充結(jié)構(gòu)后，由于混凝土填充會(huì)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)盾構(gòu)管片的整體結(jié)構(gòu)會(huì)形成一定的約束作用，管片彎矩有所減小，但由于相對(duì)于隧道管片的整體尺寸，混凝土填充的體積較小，約束作用有限，管片彎矩減小程度有限。由于盾構(gòu)管片軸力與其所受荷載的整體水平有關(guān)，因此兩種方案的軸力差別不明顯。整體來(lái)看，將現(xiàn)澆邊涵改為兩側(cè)填充，盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)受力會(huì)得到較小幅度的改善。

3 結(jié)論

大直徑盾構(gòu)隧道軌下中箱涵+兩側(cè)混凝土填充結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢(shì)：第一，該結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的縱向剛度，增加結(jié)構(gòu)的自重，有利于盾構(gòu)抗浮，且能夠提高盾構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而確保列車運(yùn)行基礎(chǔ)穩(wěn)定。第二，該結(jié)構(gòu)能夠減少鋼筋混凝土現(xiàn)澆邊涵鋼筋綁扎、立模現(xiàn)澆等工序，加快施工進(jìn)度，有利于洞內(nèi)快速施工，提高施工效率。第三，該結(jié)構(gòu)能夠減少鋼筋用量，通過(guò)測(cè)算，可顯著降低工程造價(jià)。第四，在長(zhǎng)距離獨(dú)頭掘進(jìn)的鐵路大直徑盾構(gòu)隧道中采用該結(jié)構(gòu)形式可以適當(dāng)優(yōu)化盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力。

綜上，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，可考慮在后續(xù)的相關(guān)工程中加以應(yīng)用。