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)機進行施工建造隧道的方法。盾構(gòu)法具有噪音、振動引起的公害小,且不影響地面交通；施工人員較少、勞動強度低且生產(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。盾構(gòu)隧道是由管片通過螺栓連接而成的裝配式結(jié)構(gòu)[3]，管片是隧道的長期受載體，其計算方法對隧道的安全運營至關(guān)重要[4]。

目前盾構(gòu)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)設(shè)計的模型主要有經(jīng)驗類比模型、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)前國內(nèi)外盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計計算主要以荷載結(jié)構(gòu)模型為主[8]。根據(jù)計算過程中對土層抗力和管片接頭處理方法不同，荷載結(jié)構(gòu)計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種計算方法。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，目前基于數(shù)值模擬方法越來越廣泛的應(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)濟等特點[13]。

春風(fēng)隧道線路由西向東經(jīng)過許多重要道路，沿線微地貌發(fā)育，主要發(fā)育海陸相沖洪積平原、灘涂、低臺地及其間溝谷地貌。沿線地形稍有起伏，標高在-2～8.5 m間變化。針對線路情況在ZK0+837到ZK4+437共3 600 m的線路段采用盾構(gòu)法開挖隧道。為保證隧道施工過程的順利進行，必須對春風(fēng)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)進行受力分析，確保其達到預(yù)期的工程條件。本文襯砌管片的內(nèi)力計算在正常使用階段按自由變形的彈性均質(zhì)圓環(huán)和梁-彈簧模型進行設(shè)計，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。隧道起點至鹿丹村段沿現(xiàn)狀濱河大道地下通行，過了鹿丹村位向南偏，下穿深圳火車站及地鐵1號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)隧道敞開引道段組成。隧道主要采用明挖暗埋法和全斷面掘進法(盾構(gòu)法)開挖，其中盾構(gòu)段起點ZK0+837，終點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 地下水補給、徑流、排泄

地下水主要由大氣降水補給和含水層側(cè)向徑流補給，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個不同的工況如表2所示。

表2 數(shù)值模擬計算工況 單位:m

2.3 有限元建模

采用 Midas軟件進行建模，TB10003-2016根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[14]，深埋隧道與淺埋隧道的劃分原則：對IV～VI級圍巖原則上按2.5倍洞頂巖石塌落高度為劃分標準；對I～III級圍巖原則上按2倍洞頂巖石塌落高度為劃分標準。洞頂巖石塌落高度h按照公式(1)進行計算：

h=0.45×2s-1ω

(1)

式中：s為圍巖級別，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的圍巖垂直均布壓力為準，B每增減1 m時的圍巖壓力增減率。針對春風(fēng)隧道，其設(shè)計寬度B=15.2 m，取i=0.1。

主要考慮荷載有：地面超載在沒有建筑物超載時按20 kPa計算，結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載按CJJ11-2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》[15]城-A級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行正常使用極限狀態(tài)標準組合(SLS)驗算。此外，針對不同工況的隧道其具體荷載分布如表3所示。

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 管片受力情況

根據(jù)有限元計算結(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算結(jié)果，對管片進行配筋計算，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)

本文針對深圳市中心城區(qū)春風(fēng)隧道項目，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其襯砌管片進行受力分析和配筋計算。計算結(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襯砌管片進行配筋設(shè)計，確保管片受力性能達到工程要求。通過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