深圳市春風(fēng)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)受力分析

唐偉慶

(深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東深圳 518000)

盾構(gòu)法是地下隧道暗挖法施工中的一種[1]，即是用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工建造隧道的方法。盾構(gòu)法具有噪音、振動(dòng)引起的公害小,且不影響地面交通；施工人員較少、勞動(dòng)強(qiáng)度低且生產(chǎn)效率高；適宜于建造覆土較深的隧道；施工不受風(fēng)雨等氣候條件影響[2]等優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)隧道是由管片通過(guò)螺栓連接而成的裝配式結(jié)構(gòu)[3]，管片是隧道的長(zhǎng)期受載體，其計(jì)算方法對(duì)隧道的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[4]。

目前盾構(gòu)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模型主要有經(jīng)驗(yàn)類比模型、荷載結(jié)構(gòu)模型[5]、地層結(jié)構(gòu)模型[6]、收斂限制模型[7]4種模型。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算主要以荷載結(jié)構(gòu)模型為主[8]。根據(jù)計(jì)算過(guò)程中對(duì)土層抗力和管片接頭處理方法不同，荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方法又分為慣用法、修正慣用法[9]、多鉸圓環(huán)法[10]和梁-彈簧模型法[11]等4種計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，目前基于數(shù)值模擬方法越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于盾構(gòu)隧道管片受力研究。常用的數(shù)值方法包括：有限單元法，邊界元法，離散元法，有限差分法[12]。相較與傳統(tǒng)方法，數(shù)值方法具有方便、靈活和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)[13]。

春風(fēng)隧道線路由西向東經(jīng)過(guò)許多重要道路，沿線微地貌發(fā)育，主要發(fā)育海陸相沖洪積平原、灘涂、低臺(tái)地及其間溝谷地貌。沿線地形稍有起伏，標(biāo)高在-2～8.5 m間變化。針對(duì)線路情況在ZK0+837到ZK4+437共3 600 m的線路段采用盾構(gòu)法開(kāi)挖隧道。為保證隧道施工過(guò)程的順利進(jìn)行，必須對(duì)春風(fēng)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，確保其達(dá)到預(yù)期的工程條件。本文襯砌管片的內(nèi)力計(jì)算在正常使用階段按自由變形的彈性均質(zhì)圓環(huán)和梁-彈簧模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，施工階段以考慮襯砌與地層共同作用和接頭影響的彈性鉸圓環(huán)進(jìn)行復(fù)核。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道概況

春風(fēng)隧道工程西起濱河大道上步立交東側(cè)，由西往東布線。隧道起點(diǎn)至鹿丹村段沿現(xiàn)狀濱河大道地下通行，過(guò)了鹿丹村位向南偏，下穿深圳火車站及地鐵1號(hào)線后沿深圳河與沿河路之間區(qū)域向東，終止于新秀立交西側(cè)，隧道總平面如圖1所示。

圖1 春風(fēng)隧道總平面

春風(fēng)隧道全線為雙向四車道，采用上下疊層結(jié)構(gòu)布置形式。自西向東，隧道分別由西側(cè)隧道敞開(kāi)引道段+西側(cè)明挖暗埋段+西側(cè)工作井+盾構(gòu)段+東側(cè)工作井+東側(cè)明挖暗埋段+東側(cè)隧道敞開(kāi)引道段組成。隧道主要采用明挖暗埋法和全斷面掘進(jìn)法(盾構(gòu)法)開(kāi)挖，其中盾構(gòu)段起點(diǎn)ZK0+837，終點(diǎn)ZK4+437，共3 600 m。東西側(cè)各設(shè)一處盾構(gòu)工作井，盾構(gòu)機(jī)自西側(cè)盾構(gòu)井始發(fā)，東側(cè)盾構(gòu)井吊出。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 沿線地層特性

根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)揭露地層結(jié)構(gòu)自上而下分述如表1所示。

1.2.2 水文地質(zhì)條件

1.2.2.1 地下水

根據(jù)其賦存介質(zhì)的類型，沿線地下水主要有3種類型：一種是第四系松散層中的上層滯水；一種是第四系地層中的孔隙水，一類為基巖裂隙(構(gòu)造裂隙)水。勘察期間(2016年3月—2016年5月)測(cè)得全線混合穩(wěn)定水位埋深為2.0～6.9 m，混合穩(wěn)定水位高程為-0.16～4.63 m。

1.2.2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄

地下水主要由大氣降水補(bǔ)給和含水層側(cè)向徑流補(bǔ)給，與地表水系具較好水力聯(lián)系。受地形地貌控制，沿線地下水徑流為由北向南方向排泄。

表1 場(chǎng)地地層參數(shù) 單位：m

2 管片受力分析

2.1 管片幾何尺寸

盾構(gòu)襯砌環(huán)尺寸為外徑15 200 mm、內(nèi)徑13 900 mm、厚度650 mm、幅寬2 000 mm。管片幾何尺寸示意如圖2所示。

圖2 管片幾何尺寸示意

2.2 隧道工況分類

根據(jù)圍巖情況、隧道埋深影響，將隧道分為8個(gè)不同的工況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算工況 單位:m

2.3 有限元建模

采用 Midas軟件進(jìn)行建模，TB10003-2016根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]，深埋隧道與淺埋隧道的劃分原則：對(duì)IV～VI級(jí)圍巖原則上按2.5倍洞頂巖石塌落高度為劃分標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)I～I(xiàn)II級(jí)圍巖原則上按2倍洞頂巖石塌落高度為劃分標(biāo)準(zhǔn)。洞頂巖石塌落高度h按照公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

h=0.45×2s-1ω

(1)

式中：s為圍巖級(jí)別，ω為寬度影響系數(shù)，ω=1+i(B-5)，其中B為隧道寬度，i是以B=5 m的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，B每增減1 m時(shí)的圍巖壓力增減率。針對(duì)春風(fēng)隧道，其設(shè)計(jì)寬度B=15.2 m，取i=0.1。

主要考慮荷載有：地面超載在沒(méi)有建筑物超載時(shí)按20 kPa計(jì)算，結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載按CJJ11-2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]城-A級(jí)考慮取車輛荷載集中力為150 kN，作用效應(yīng)組合按照持久狀況進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合(SLS)驗(yàn)算。此外，針對(duì)不同工況的隧道其具體荷載分布如表3所示。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.4.1 管片受力情況

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，得到8種工況下春風(fēng)隧道襯砌管片彎矩包絡(luò)圖和軸力包絡(luò)圖分別如圖3和圖4所示。由圖可知：8種工況下襯砌管片的最大彎矩和最大軸力均出現(xiàn)在拱頂封頂塊位置，具體數(shù)值匯總?cè)绫?所示。

圖3 襯砌管片彎矩包絡(luò)圖(單位：kN· m)

2.4.2 配筋情況

根據(jù)表4所示8種工況下的管片最大彎矩和最大軸力計(jì)算結(jié)果，對(duì)管片進(jìn)行配筋計(jì)算，得到不同工況下襯砌管片的配筋結(jié)果如表5所示。

3 總結(jié)

本文針對(duì)深圳市中心城區(qū)春風(fēng)隧道項(xiàng)目，以自由變形的彈性均質(zhì)圓環(huán)和梁-彈簧模型為理論基礎(chǔ)采用有限元方法建立分析模型對(duì)其襯砌管片進(jìn)行受力分析和配筋計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：在不同工況下襯砌管片的最大彎矩和最大軸力均出現(xiàn)在拱頂位置，在此基礎(chǔ)上利用最大彎矩和最大軸力對(duì)襯砌管片進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，確保管片受力性能達(dá)到工程要求。通過(guò)本文分析理清了襯砌管片受力分析的基本方法思路，為今后類似的工程項(xiàng)目研究提供了參考。

表3 隧道荷載分布 單位：kN/m2

表4 不同工況下的最大彎矩、軸力

圖4 襯砌管片軸力包絡(luò)圖(單位：kN)

表5 隧道配筋結(jié)果