軟土區軌道交通盾構隧道擴大內徑的結構安全性研究

曾格華

(深圳市政府投資項目評審中心 深圳 518035)

建成于上世紀90年代的上海地鐵1號線為長三角及華南沿海地區的第一條城市軌道交通線路，其區間盾構隧道內徑為5.5 m，此后，同樣軟土地層大量分布的南京、杭州、蘇州、廣州及深圳等城市借鑒上海地鐵1號線相關建設經驗，其軌道交通盾構隧道內徑大多采用5.4 m或5.5 m。

上海地鐵多年監護數據表明，軟土地層中盾構隧道結構變形明顯[1-2]。目前，結構收斂變形的治理一般采用內張鋼圈及微擾動注漿的綜合措施[3]，但內張鋼圈需占用隧道斷面空間，且隨著客流量的增大，通行列車的大型化也使得區間隧道設計斷面界限空間已明顯不足，隧道內徑亟須擴大。

本文以杭紹城際鐵路地下盾構段為研究對象，針對擴大內徑后的盾構隧道管片環結構安全性開展研究，以期為工程設計及運營維護提供參考。

1 工程概況

杭紹城際鐵路地下盾構段管片環結構組成見圖1。其管片環結構包括1塊封頂塊(F，20°)、2塊鄰接塊(L，68.75°)，以及3塊標準塊(B，67.5°)組成，全線以錯縫拼裝為主。管片環內徑5 900 mm，管片厚度350 mm，采用C55混凝土預制，環內縱縫接頭均布設有2根M30彎螺栓，環間環縫接頭由16根6.8級M30彎螺栓連接。

圖1 杭紹城際盾構隧道管片環結構組成

隧道平均埋深15 m，穿越地層主要為淤泥質黏土，參照地勘資料，土體主要參數見表1。

表1 隧道穿越地層及其土體參數

2 管片環結構安全復核

2.1 工況設置及計算模型

考慮土層差異，管片環共有淺埋、中埋、深埋及超深埋等4種設計方案，分別對應覆土深度范圍為≤11，>11～15，>15～22 m，以及>22 m，據此設置4種計算工況，見表2。

表2 各工況隧道埋深及穿越土層土體參數

結構計算根據修正慣用法模型，采用結構力學解析方法[4]，其中，管片環彎曲剛度有效率η及彎矩提高率ζ分別取值0.8，0.3[5]，考慮水土合算[6]，對淺埋、中埋、深埋及超深埋等4種工況的管片環結構內力、變形及管片裂縫等特征進行安全性復核計算。4種工況管片初步配筋方案見表3。

表3 各工況管片配筋方案

管片環結構計算模型及外荷載系統見圖2。

q-上覆土自重，平均重度18.3 kN/m3；e1-拱頂高度處水平土壓力；e2-拱底高度處水平土壓力；g-管片環自重，混凝土重度25 kN/m3；K-下部豎直荷載，K=q+g；Ph-土層土體水平抗力，Ph =k·ΔD；k-土體水平抗力系數，管片環水平直徑收斂變形量ΔD采用多次迭代逼近確定。

2.2 計算結果

1) 結構內力及強度復核。外荷載采用基本組合，其中永久荷載分項系數取值1.35，可變荷載分項系數取值1.4。管片主截面受力分析圖見圖3，接頭截面受力分析圖見圖4。經計算，管片環結構內力情況匯總于表4。

表4 管片環結構內力

圖3 管片主截面受力分析圖

圖4 接頭截面受力分析圖

基于平截面假定[7]，由管片及接頭截面受力及彎矩平衡條件，可計算得到一定內力作用下的管片截面混凝土及鋼筋受力狀態，計算結果見表5。

表5 環內各截面受力狀態

由表5可知，管片最大正負彎矩截面及接頭截面的混凝土及鋼筋均受力正常，即各截面處于安全狀態。

2) 管片環變形及管片裂縫寬度復核。變形及裂縫寬度復核計算中，外荷載采用準永久組合，其中永久荷載分項系數取值1.0，可變荷載分項系數取值1.0。計算結果見表6。

表6 各工況管片環結構內力及變形

由表6計算結果可知，各工況收斂變形量均小于設計控制標準0.3%D(D為管片環外徑)，管片最大裂縫寬度均小于0.2 mm的控制值[8]。

3 管片環結構安全敏感性分析

盾構隧道管片環結構組成復雜，同時，其賦存內外環境多變，對其自身結構及外荷載各參數變化引起的管片環結構受力變形特征進行敏感性分析，可量化各因素的影響，據此可制定優化結構安全的技術措施。

3.1 土體水平抗力影響

同時考慮施工擾動程度及隧道賦存土層土體特性的差異，對土體水平抗力系數設定多種取值進行分析工況的設置。

根據勘察報告，隧道典型穿越土層為③-1淤泥質黏土，其水平抗力系數原位測試值為20 MN/m3，該土體受施工擾動影響大。考慮盾構機掘進施工過程中刀盤轉動及管片背后高壓注漿導致該土層土體結構發生較大變化，設置5種計算分析工況，對各工況條件下的管片環內力及變形特征進行計算。計算結果見表7。

表7 各工況管片環結構內力及變形

根據表7可得相應結論如下。

1) 水平抗力的增加可同時減小環內最大正負彎矩值，即在水平抗力系數取值較小的3 000 kN/m3時，相比不考慮水平抗力，管片環內最大正負彎矩值分別減小10.6%及13.9%，當水平抗力系數取接近設計推薦值的15 000 kN/m3時，管片環內最大正彎矩值分別減小34.1%及44.6%。由此可見，管片環水平抗力是增強其結構受力合理性的有利因素，管片環結構設計時應適當考慮土體水平抗力，同時，盾構隧道施工方案的制定及施工過程的操作中應采取相應措施盡量減少和避免對隧道周邊土層土體的擾動。

2) 相比結構受力，土體水平抗力對管片環收斂變形量的影響更為顯著。當水平抗力系數取3 000 kN/m3及15 000 kN/m3時，管片環收斂變形量相比無水平抗力情況分別減小13.1%及41.9%，顯然，保證水平抗力是控制管片環收斂變形量的一項重要手段。

3.2 埋深土層側壓力系數影響

埋深土層土體類型的差異導致其側土壓力系數變化明顯，同時，同一土層的不同勘察點得到的該參數亦可能存在較大波動范圍。對管片環考慮土體水平抗力，對其水平向荷載中的側土壓力系數設定多個取值。

隧道穿越土層類型眾多，根據勘察報告，設定土體側壓力系數λ取值范圍為0.3～0.8，計算分析工況設置及其計算結果見表8。

表8 各工況管片環結構內力及變形

由上述各工況計算結果可知，管片環內最大正負彎矩值及收斂變形量隨埋深土層側壓力系數值的增加而線性減小，當側壓力系數每增加0.1，最大正負彎矩及收斂變形值減小約17%。顯然，側土壓力為管片環結構受力變形的有利因素，諸如基坑開挖的土體卸載等工程活動對管片環結構受力狀態影響明顯，隧道結構設計及運營期健康監護監測標準的制定須考慮相關不利工況的影響，并嚴格限制隧道周邊相關工程活動的間距及規模。

3.3 錯縫拼裝形式、環間搭接量及接頭構造等影響

埋深土層土體抗力系數不變，考慮錯縫拼裝形式、環間凹凸榫尺寸，以及接頭構造(包括螺栓孔高度、螺栓等級及螺栓有效長度等)等因素的差異對管片環整體抗彎剛度的影響，對彎曲剛度有效率設定多個取值，并分別對應設置其彎矩增大系數后，設定各計算工況見表9。

表9 各工況相關參數

表10 各工況管片環結構內力及變形

由上述計算結果可知，管片環錯縫拼裝形式、環間搭接量及接頭構造等因素的差異對管片環結構內力的影響較小(彎曲剛度系數取值0.5及0.8時，管片環內最大正負彎矩值相差不足10%)，但管片環收斂變形量變化較大，彎曲剛度系數取值0.5，管片環收斂變形量相比其取值0.8時增長約50%。因此，設計方案中選擇錯縫拼裝形式時，接頭方位盡量靠近彎矩較小的45°區域，環間搭接量即凹凸榫槽的尺寸較大，接頭螺栓加強及正負彎矩接頭的螺栓分別采用內外側布設等措施可有效地減小管片環的收斂變形量。

3.4 管片厚度對管片環結構狀態的敏感性分析

同樣采用考慮土層水平抗力的計算模型，對管片厚度、外徑變化等因素引起的管片環結構內力及變形特征變化規律進行分析。

表11 各工況相關參數

表12 各工況管片環結構內力及變形

管片厚度增加，管片環結構剛度增加，同時，管片環外徑增大，因此其外荷載亦有增大，管片環內最大正負彎矩值均有小幅增加(增幅約為5%)，收斂變形隨管片厚度的增大而減小，梯度約為10%。

4 結語

以杭紹城際鐵路地下段盾構隧道為實例，針對擴大內徑后的管片環，首先復核其常規工況下的結構安全，認為：擴大內徑后，管片環結構在常規工況條件下能夠滿足安全性要求。然后對其在多種特定工況條件下的結構狀態進行計算和對比后建議如下。

1) 施工方案的制定及實際操作中應采取措施避免和減少對隧道周邊土層的擾動。

2) 結構設計及運營期監護標準的制定須考慮特定工況，并嚴格限制隧道周邊相關工程活動的間距及規模。

3) 設計方案中，將接頭盡量布設在45°區域、增大環間搭接量、接頭螺栓加強及采用雙排螺栓等措施可有效地減小管片環的收斂變形量。

4) 增大管片厚度可在一定程度上減小管片環收斂變形，經濟技術比選后，可適當增大管片厚度。