廣深港客運專線益田路隧道軟硬不均地段盾構管片力學分析

薛光橋

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 益田路隧道概況

益田路隧道屬于廣深港客運專線新深圳站(不含)至深港分界段,包括深圳福田站及相關工程,設計速度目標值200 km/h。全線包括2座隧道,車站北端的益田路隧道,長6 236 m；車站南端的皇崗隧道,深圳段全長為3 932.29 m。全線隧道按單孔雙線隧道斷面設計。

益田路隧道進口里程為DK104+730,出口里程為DK110+966,隧道全長6 236 m,其中盾構段長2 444 m,盾構隧道外徑12.8 m,管片幅寬2.0 m,采用8+1(1/3封頂)分塊方案,隧道施工總工期38個月。

益田路隧道盾構段穿越的地層主要有全、中、弱風化花崗巖地層,并且部分盾構段位于全風化與中、弱風化地層交界的軟硬不均地層。由于軟硬不均地層特殊的地層特性,造成處于該段的盾構隧道受力特征發生變化,研究軟硬不均地層對隧道結構的受力影響規律,對準確確定該地層隧道的結構配筋有重要意義,也為降低工程造價、減少工程浪費提供依據。益田路隧道地質縱斷面如圖1所示。

圖1 益田路隧道地質縱斷面(單位：m)

2 研究方法

為了更全面地掌握軟硬不均地段盾構隧道的受力特征,本次研究選定一個具有代表性的隧道斷面DK110+650.452,在覆土荷載一定的情況下,對該斷面不同基巖面(W2)位置情況進行力學分析,最后繪制基巖面高度與內力關系的曲線圖,探討力學特征規律,指導設計。計算原則如下。

2.1 計算模型

(1)采用目前較為成熟且常用的修正勻質圓環模型,根據相關工程經驗,考慮縱縫的剛度折減效應,η=0.75,靠錯縫拼裝的剛度增強效應,ζ=0.3；

(2)地層效應采用全周徑向壓縮彈簧模擬,彈簧剛度結合地質勘察報告和《鐵路隧道設計規范》(TB10003—2005)中相關建議值選取。

2.2 結構受力體系

按相關工程計算經驗,盾構隧道結構常用力學體系[1]如圖2所示。

圖2 勻質圓環模型受力體系

2.3 結構配筋

采用承載能力極限狀態進行配筋計算,并對此采用正常使用極限狀態進行驗算,裂縫寬度≤0.2 mm。

配筋的構造要求：按照《混凝土結構設計規范》最小配筋率為單側0.29%,雙側不小于0.7%。

2.4 典型計算斷面(DK110+650.45)覆土荷載

該斷面覆土厚度23.3 m,隧道埋設地層上半部分為粉質黏土,下半部分為變質砂巖,非常典型的半軟半硬地層,上覆土層荷載采用太砂基理論荷載進行折減,主要地層及參數見圖3、表1。

圖3 典型計算斷面土層參數

表1 上覆土土層參數

采用太沙基理論荷載進行折減后,覆土荷載為355.13 kPa/m,側向土壓力按照各層土層的側壓力系數計算。

3 軟硬不均典型斷面地層的力學分析

3.1 按上述計算原則計算結果如表2所示。

對表2中不同巖面深度下隧道內力的變化趨勢進行統計,如圖4～圖6所示。

表2 不同工況計算結果

圖4 計算條件圖示

圖5 不同巖面深度下隧道內力的變化趨勢

圖6 最大彎矩工況下的內力

3.2 計算結果分析

根據其內力變化規律,對隧道埋設地層按圖7所示進行分區,B區為彈性抗力區,A區和C區為彈性抗力以外區域。通過對計算結果進行總結,歸納以下規律。

圖7 計算結果圖示(單位：m)

(1)當W2基巖面低于2.0 m,即如圖7所示的A區時,隨基巖面上升,內力呈下降趨勢,但趨勢并不明顯。

(2)當W2基巖面位于如圖7所示的B區時,即彈性抗力區時,隨基巖面上升,內力呈增大趨勢,直至達到3 m時,達到峰值,其后內力呈減小趨勢。

(3)當W2基巖面位于如圖7所示的C區時,隨基巖面上升,內力變化不明顯。

4 結論

通過分析,得知軟硬不均地層對盾構隧道的受力特征有比較明顯的影響,具體對益田路隧道來說,當隧道埋設深度的基巖面高度為3 m左右時,隧道管片環處于最不利受力狀態。

據此結論,在益田路隧道的盾構管片設計中,采取了以下特殊設計。

(1)調整隧道縱斷面,盡量避開不利地層下不利斷面的出現。

(2)對各個軟硬不均地段的地層進行力學驗算,按最不利條件控制配筋,并對此段的管片配筋進行適當加強,如圖8所示。

圖8 益田路隧道軟硬不均地段主筋布置

(3)要求在盾構通過軟硬不均地層時,應保證同步注漿的質量和凝結時間,盡量讓隧道兩側的地層盡快提供抗力。

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