軌道梁支座對盾構法隧道結構受力的影響分析

楊醒宇

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司， 650000， 昆明∥工程師)

國內外跨座式單軌主要采用高架線路敷設，極少采用地下或地面線路敷設[1-3]。當線路位于建(構)筑物密集的城市繁華地段或下穿鐵路、河道等地段時，為兼顧城市景觀、周邊建(構)筑、地面交通安全以及地層適用性等制約因素，跨座式單軌線路不可避免地需要采用盾構法隧道進行實施。總體而言，目前關于跨座式單軌交通的研究主要集中在線路設計、高架結構、軌道梁、支座等方面[4-9]，而跨座式單軌交通中盾構隧道結構受力方面的研究成果極少。本文綜合考慮盾構結構型式、軌道梁支座結構、底座型式、線路線型、隧址地質條件，對跨座式單軌交通盾構隧道結構受力進行分析。

1 軌道梁支座布置型式

本文研究依托的工程，盾構隧道外徑6.7 m，內徑6.0 m，管片幅寬1.0 m。曲線段軌道梁支座橫斷面布置如圖1所示。盾構隧道內沿線路方向軌道梁每隔20 m布置2個鑄鋼支座，支座與盾構隧道管片通過鋼筋混凝土底座進行連接與固定。底座寬度b=1.8 m，底座底至支座頂高度h=1.056 m，底座縱向長度與管片幅寬相等l=1.0 m。

圖1 曲線段盾構隧道內軌道梁支座布置斷面圖

2 底座底面壓力分析

盾構隧道中軌道梁底座受到來自支座傳遞的豎向荷載Fz、水平荷載Fy、彎矩Mx、支座與墊石自重G1、底座自重G2。

根據平截面假定，底座底面壓力為線性分布，底座底面壓力由橋梁自重、車輛活載、離心力、車輛搖擺力、車輛制動力、支座自重、墊石自重、底座自重共8種荷載壓力線性疊加組成，底面壓力分布圖如2所示。

圖2 底座底面壓力分布示意圖

盾構隧道設計一般以正常使用狀態中裂縫驗算起控制作用，根據相關規范[10]對荷載進行準永久組合，永久荷載分項系數取1.0，可變荷載分項系數取0.8。

3 軌道梁支座影響分析

3.1 彎矩分析

采用隧址所在地區主要地層代表性參數，按照前述分析模型進行計算，可得到不同線型段盾構隧道內力。圖3為土層中盾構隧道彎矩圖，圖4為巖層中盾構隧道彎矩圖。圖中，彎矩以管片內側受拉為正，外側受拉為負[11]。

圖3 土層中盾構隧道彎矩圖

圖4 巖層中盾構隧道彎矩圖

由圖3和圖4可知，土層中無軌道梁支座作用的盾構隧道段，彎矩呈“花生”型分布，最大正彎矩位于拱頂與拱底，最大負彎矩位于拱腰兩側。巖層中無軌道梁支座作用的盾構段，彎矩呈“心”型分布，最大正彎矩位于拱頂，最大負彎矩位于拱肩，拱腰、拱底彎矩值較小。

軌道梁支座作用會造成盾構隧道拱底向下彎曲，拱底彎矩由正彎矩轉變為負彎矩受力。對于直線段，偏心荷載較小，彎矩基本呈對稱分布。隨著曲線半徑減小，彎矩逐漸轉變為非對稱分布，拱底負彎矩值也逐漸增大。對于土層，最大正彎矩區位于拱頂且變化較小，最大負彎矩由拱腰位置逐漸轉移至拱肩處，拱底負彎區為非控制性負彎矩區。對于巖層，拱頂與拱肩彎矩變化較小，曲線半徑減小主要影響拱腰以下部位彎矩分布，有支座作用的拱底位置處負彎矩區為全斷面控制性負彎矩區。

3.2 軸力分析

圖5為土層中盾構隧道軸力圖，圖6為巖層中盾構隧道軸力圖。軸力以受拉為正，受壓為負[11]。由圖5和圖6可知，土層中，無軌道梁支座作用的盾構隧道段軸力呈“花生”型分布，拱腰軸力最大，拱頂拱底軸力相對較小。巖層中，無軌道梁支座作用的盾構隧道段軸力呈“梨”型分布，拱頂軸力較大，拱腰拱底軸力相對較小。

圖5 土層中盾構隧道軸力圖

圖6 巖層中盾構隧道軸力圖

土層中，在軌道梁支座作用下，軸力分布由“花生”型分布轉變為“葫蘆”型分布，底座位置處軸力局部向內突出(局部增大)。軌道梁支座作用導致盾構隧道拱腰以下軸力明顯減小，且曲線半徑越小，軸力越小但差異并不顯著。巖層中，軌道梁支座作用同樣會造成拱腰以下軸力明顯減小，底座位置處軸力局部增大，與土層中情況類似。

3.3 剪力分析

圖7為土層中盾構隧道剪力圖，圖8為巖層中盾構隧道剪力圖。剪力以截面順時針轉動為正，以截面逆時針轉動為負[11]。

圖7 土層中盾構隧道剪力圖

圖8 巖層中盾構隧道剪力圖

由圖7和圖8可知，土層中，無軌道梁支座作用的盾構隧道段剪力呈“花生”型并關于隧道中心呈中心對稱分布，拱頂、拱腰、拱底剪力值接近于0，最大負剪值位于盾構隧道45°、225°處，最大正剪值位于135°、315°處。巖層中，無軌道梁底座作用的盾構隧道段剪力呈“梨”型分布，最大負剪值位于60°處，最大正剪值位于120°處，拱腰以下剪力值較小。

土層中，在軌道梁支座作用下，剪力分布由“花生”型分布轉變為“三葉草”型分布，有三處負剪值較大，約分別位于45°、210°、285°處，三處正剪值較大，約分別位于120°、255°、330°處，拱底由于底座荷載作用，局部變化明顯，且曲線半徑越小，局部差異越大。巖層中，在軌道梁底座作用下，除拱底外其他位置處剪力值基本無變化，最大負剪值、最大正剪值均位于拱底附近，剪力最大值隨著曲線半徑減小而增大。

3.4 縱向受力分析

本工程管片環之間共采用16個M30螺栓進行連接，在有軌道梁支座段對連接螺栓進行了加強，螺栓等級由5.8級提高為8.8級。

R=800曲線段軌道梁支座荷載產生管片環間剪切荷載基本組合值為1 322.74 kN。抗剪強度驗算公式如下：

式中：

Nv——受剪承載力設計值；

d——螺桿直徑；

fv——螺栓的抗剪強度設計值。

從抗剪驗算結果可知，采用8.8級螺栓能夠承受軌道梁支座產生的環間剪切力，且安全余量較大。

4 結語

本文針對跨座式單軌交通軌道支座對盾構隧道底部管片的壓力作用進行了研究，并詳細分析了軌道梁支座作用對巖、土層中盾構隧道結構受力的影響。主要結論如下：

1) 軌道梁支座作用對盾構隧道底部內力影響較大。在支座荷載作用下，盾構隧道底部彎矩分布由正彎矩分布轉變為負彎矩分布，底部軸力明顯減小，底部剪力增大且局部急劇變化。

2) 軌道梁支座荷載作用對圓心以上盾構隧道結構影響較小。在軌道梁支座荷載作用下，盾構隧道底部的內力分布變化明顯，但圓心以上盾構隧道結構的軸力、彎矩、剪力基本無變化。

3) 巖層相對于土層而言，盾構隧道彎矩值明顯減小，軸力值顯著增大，軌道梁支座作用的影響同樣相對較小。

4) 環間螺栓采用8.8級，可滿足軌道梁支座處盾構管片抗剪承載力要求，且安全余量較大，軌道梁支座作用對盾構隧道縱向受力影響較小。