大直徑盾構(gòu)隧道管片在復(fù)合地層中的受力特點(diǎn)分析研究

張輝

摘要：隨著盾構(gòu)直徑以及隧道埋深的增大，復(fù)合地層下大直徑盾構(gòu)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)的受力情況也越來越復(fù)雜。以貴陽地鐵S1號(hào)一期工程（皂角壩站-望城坡站）大直徑盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象，采用修正慣用法對(duì)復(fù)合地層條件下隧道襯砌管片的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算分析，深入研究復(fù)合地層條件下大直徑盾構(gòu)隧道管片襯砌的受力機(jī)理。通過計(jì)算分析及對(duì)比研究可知，大直徑盾構(gòu)隧道管片在復(fù)合地層中受力特點(diǎn)主要為拱頂側(cè)受壓，拱腰側(cè)受拉，且最大變形及彎矩均發(fā)生在拱頂處。結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形隨埋深增大而增大，但埋深相同時(shí)，良好的圍巖條件能提供較強(qiáng)的地基反力減小結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力。

關(guān)鍵詞：大直徑盾構(gòu)；復(fù)合地層；管片結(jié)構(gòu)；修正慣用法；有限元分析

0? ?引言

隨著城市化的推進(jìn)以及盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為滿足公路交通需要，盾構(gòu)隧道也朝著大直徑的方向發(fā)展[1-3]。隨著各城市盾構(gòu)隧道直徑的增大，其管片結(jié)構(gòu)受力也變得更加復(fù)雜，由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要優(yōu)化考慮的因素更多[4]。

國內(nèi)外盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以荷載-結(jié)構(gòu)法為主，其是將地層對(duì)管片結(jié)構(gòu)的作用，通過不同的荷載假定轉(zhuǎn)化為等效荷載，從而計(jì)算出襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形[5]。慣用法主要是通過將管片襯砌結(jié)構(gòu)視作勻質(zhì)圓環(huán)的方法，來近似盾構(gòu)隧道的力學(xué)特征，不考慮管片塊間及環(huán)間的接頭以及拼裝質(zhì)量的影響。而修正慣用法是在慣用法的基礎(chǔ)上，引入剛度折減系數(shù)來量化由接頭所引起的管環(huán)剛度降低，同時(shí)針對(duì)錯(cuò)縫拼裝的襯砌管片，引入彎矩增大系數(shù)來量化錯(cuò)縫拼裝后整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩的重分配[6]。在修正慣用法中，剛度折減系數(shù)和彎矩增大系數(shù)主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)取值。

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，基于修改正慣用法，運(yùn)用數(shù)值模擬手段，對(duì)復(fù)合地層中大直徑盾構(gòu)隧道管片的受力進(jìn)行分析，研究成果可為盾構(gòu)管片的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1? ?工程概況

貴陽地鐵S1號(hào)一期工程（皂角壩站-望城坡站）全長(zhǎng)30.32km，其中地下線22.64km，高架及地面線7.68km；共設(shè)車站13座（含4座換乘站），其中地下站11座，高架站2座。在皂角壩設(shè)皂角壩車輛段，在石板鎮(zhèn)設(shè)石板停車場(chǎng)。車輛采用6B編組，設(shè)計(jì)速度100km/h。

研究施工范圍為正線起點(diǎn)（DK28+453）至石板鎮(zhèn)站（DK40+960）、石板鎮(zhèn)停車場(chǎng)及出入段線（DK0+000-DK2+

235）。共設(shè)6站5區(qū)間，分別為石板鎮(zhèn)站、金竹站、中曹司站、錦江路站、黃河北路站、黃城坡站，區(qū)間隧道均為盾構(gòu)法施工。正線全長(zhǎng)約25.05km單線鋪軌，其中DT-Ⅲ型普通扣件道床8.6km，隔離墊浮置板道床5.94km，橡膠彈簧浮置板道床3.06km，鋼彈簧浮置板道床7.45km。

研究盾構(gòu)隧道沿線主要穿越中砂、粗砂、砂質(zhì)黏性土、黏土、風(fēng)化程度不同的花崗巖地層，盾構(gòu)主要掘進(jìn)斷面包括全斷面巖層、上軟下硬地層，隧道穿越主要地層地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)采用單層裝配式鋼筋混凝土，混凝土標(biāo)號(hào)為C60，隧道管片外徑14m，內(nèi)徑12.8m，管片厚度0.6m，環(huán)寬2m。整環(huán)管片采用10分塊，包括1個(gè)封頂塊、2個(gè)鄰接塊、7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，其中標(biāo)準(zhǔn)塊及鄰接塊圓心角為38.9°，封頂塊圓心角為7.7°，封頂塊采用19.5°錯(cuò)縫拼裝，縱向連接件每環(huán)共設(shè)37處。

2? ?管片內(nèi)力分布及分析

結(jié)合貴陽地鐵S1號(hào)一期工程（皂角壩站-望城坡站）盾構(gòu)隧道的線路設(shè)計(jì)及地質(zhì)條件，分別選取淺埋上土下強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、深埋上土下強(qiáng)風(fēng)化花崗巖以及深埋全斷面強(qiáng)風(fēng)化花崗巖3個(gè)不同的斷面進(jìn)行修正慣用法計(jì)算。

在結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中，基于有限元軟件內(nèi)嵌地基彈簧功能，設(shè)置管片結(jié)構(gòu)不同位置所處地層的基床系數(shù)，模擬大直徑盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)在不同埋深復(fù)合地層中受力情況，對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)變形、彎矩、軸力、剪力的大小及分布進(jìn)行計(jì)算分析。其中，C60鋼筋混凝土彈性模量E取3.5×104MPa，管片襯砌環(huán)剛度折減系數(shù)η取0.7，彎矩提高系數(shù)ξ取0.3。

2.1? ?結(jié)構(gòu)變形分析

通過修正慣用法計(jì)算，得到管片襯砌結(jié)構(gòu)變形分布如圖1所示。由圖1可知，大直徑盾構(gòu)隧道在復(fù)合地層下的結(jié)構(gòu)變形分布規(guī)律主要為襯砌拱頂和拱底向圓心方向發(fā)生位移，拱腰兩側(cè)向背離圓心方向發(fā)生位移，成擠壓式橢圓形，且最大位移均發(fā)生在拱頂位置。

通過計(jì)算求得不同斷面下襯砌結(jié)構(gòu)的位移變形量如表2所示。由結(jié)構(gòu)變形分布圖和變形分布計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，當(dāng)隧道斷面所處地層相同時(shí)，隧道埋深越大，管片襯砌結(jié)構(gòu)變形越大。當(dāng)隧道埋深相同時(shí)，地層條件和地層抗力不同時(shí)，管片襯砌結(jié)構(gòu)變形相近，說明管片襯砌結(jié)構(gòu)變形主要受隧道埋深影響。

2.2? ?結(jié)構(gòu)軸力分析

通過修正慣用法計(jì)算管片襯砌結(jié)構(gòu)軸力分布如圖2所示。由圖2可知，復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)隧道的軸力分布規(guī)律如下：管片襯砌結(jié)構(gòu)在地層作用下主要表現(xiàn)為受壓，最大軸力發(fā)生在拱腰位置，且向拱頂及拱底位置呈減小的趨勢(shì)；最小軸力發(fā)生在拱頂位置。

計(jì)算求得不同斷面下襯砌結(jié)構(gòu)的軸力大小如表3所示。由圖3所示計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)隧道斷面所處地層相同時(shí)，隧道埋深越大，管片襯砌結(jié)構(gòu)軸力越大。當(dāng)隧道埋深相同時(shí)，地層條件和地層抗力不同時(shí)，管片襯砌結(jié)構(gòu)所受軸力大小變化不明顯。

2.3? ?結(jié)構(gòu)彎矩分析

通過修正慣用法計(jì)算得到管片襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布如圖3所示。由圖3可知，復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)隧道的彎矩分布規(guī)律主要為管片襯砌結(jié)構(gòu)拱頂及拱底受正彎矩，拱腰兩側(cè)受負(fù)彎矩，且最大正彎矩發(fā)生在拱頂側(cè)，最大負(fù)彎矩發(fā)生在拱腰兩側(cè)。

不同斷面下襯砌結(jié)構(gòu)的軸力大小如表4所示。由表4的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)隧道斷面所處地層相同時(shí)，隧道埋深越大，管片襯砌結(jié)構(gòu)所受彎矩越大，當(dāng)隧道埋深相同時(shí)，地層條件和地層抗力不同時(shí)，地層基床系數(shù)越大，管片襯砌結(jié)構(gòu)所受彎矩越小。

2.4? ?結(jié)構(gòu)剪力分析

通過修正慣用法計(jì)算得到管片襯砌結(jié)構(gòu)剪力分布如圖4所示。由圖4可知，復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)隧道的剪力，主要分布在管片襯砌結(jié)構(gòu)拱頂和拱底位置，且沿中心軸線呈對(duì)稱分布。

不同斷面下襯砌結(jié)構(gòu)的軸力大小如表5所示。由表5的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)隧道斷面所處地層相同時(shí)，隧道埋深越大，管片襯砌結(jié)構(gòu)剪力越大。當(dāng)隧道埋深相同時(shí)，地層條件和地層抗力不同時(shí)，管片襯砌結(jié)構(gòu)所受剪力大小變化不明顯。

3? ?結(jié)束語

本文以貴陽地鐵S1號(hào)一期工程（皂角壩站-望城坡站）大直徑盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象，采用修正慣用法對(duì)復(fù)合地層條件下隧道襯砌管片的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行計(jì)算分析，深入研究復(fù)合地層條件下大直徑盾構(gòu)隧道管片襯砌的受力機(jī)理。

通過采用修正慣用法，對(duì)該大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在復(fù)合地層中受力狀態(tài)的計(jì)算分析可知：管片襯砌結(jié)構(gòu)在復(fù)合地層中受力特點(diǎn)主要為拱頂側(cè)受壓，拱腰側(cè)受拉，且最大變形及彎矩均發(fā)生在拱頂處。當(dāng)隧道斷面所處地層相同時(shí)，管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形隨隧道埋深增大而增大。當(dāng)隧道所處埋深相近時(shí)，所處地層的基床系數(shù)越大，地基反力越大，則管片結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力越小。

綜上所述，當(dāng)大直徑盾構(gòu)隧道所處較大埋深時(shí)，良好的圍巖條件能夠提供較強(qiáng)的地基反力從而減小管片結(jié)構(gòu)所受內(nèi)力。文中研究成果可運(yùn)用于復(fù)合地層大直徑盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)與施工中。

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