薛光橋

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yùn)專線新深圳站(不含)至深港分界段,包括深圳福田站及相關(guān)工程,設(shè)計(jì)速度目標(biāo)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(shè)計(jì)。

益田路隧道進(jìn)口里程為DK104+730,出口里程為DK110+966,隧道全長6 236 m,其中盾構(gòu)段長2 444 m,盾構(gòu)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(gè)月。

益田路隧道盾構(gòu)段穿越的地層主要有全、中、弱風(fēng)化花崗巖地層,并且部分盾構(gòu)段位于全風(fēng)化與中、弱風(fēng)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(gòu)隧道受力特征發(fā)生變化,研究軟硬不均地層對隧道結(jié)構(gòu)的受力影響規(guī)律,對準(zhǔn)確確定該地層隧道的結(jié)構(gòu)配筋有重要意義,也為降低工程造價(jià)、減少工程浪費(fèi)提供依據(jù)。益田路隧道地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 益田路隧道地質(zhì)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(gòu)隧道的受力特征,本次研究選定一個(gè)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(jìn)行力學(xué)分析,最后繪制基巖面高度與內(nèi)力關(guān)系的曲線圖,探討力學(xué)特征規(guī)律,指導(dǎo)設(shè)計(jì)。計(jì)算原則如下。

2.1 計(jì)算模型

(1)采用目前較為成熟且常用的修正勻質(zhì)圓環(huán)模型,根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),考慮縱縫的剛度折減效應(yīng),η=0.75,靠錯(cuò)縫拼裝的剛度增強(qiáng)效應(yīng),ζ=0.3；

(2)地層效應(yīng)采用全周徑向壓縮彈簧模擬,彈簧剛度結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10003—2005)中相關(guān)建議值選取。

2.2 結(jié)構(gòu)受力體系

按相關(guān)工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn),盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)常用力學(xué)體系[1]如圖2所示。

圖2 勻質(zhì)圓環(huán)模型受力體系

2.3 結(jié)構(gòu)配筋

采用承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行配筋計(jì)算,并對此采用正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算,裂縫寬度≤0.2 mm。

配筋的構(gòu)造要求：按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》最小配筋率為單側(cè)0.29%,雙側(cè)不小于0.7%。

2.4 典型計(jì)算斷面(DK110+650.45)覆土荷載

該斷面覆土厚度23.3 m,隧道埋設(shè)地層上半部分為粉質(zhì)黏土,下半部分為變質(zhì)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(jìn)行折減,主要地層及參數(shù)見圖3、表1。

圖3 典型計(jì)算斷面土層參數(shù)

表1 上覆土土層參數(shù)

采用太沙基理論荷載進(jìn)行折減后,覆土荷載為355.13 kPa/m,側(cè)向土壓力按照各層土層的側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算。

3 軟硬不均典型斷面地層的力學(xué)分析

3.1 按上述計(jì)算原則計(jì)算結(jié)果如表2所示。

對表2中不同巖面深度下隧道內(nèi)力的變化趨勢進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖4～圖6所示。

表2 不同工況計(jì)算結(jié)果

圖4 計(jì)算條件圖示

圖5 不同巖面深度下隧道內(nèi)力的變化趨勢

圖6 最大彎矩工況下的內(nèi)力

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)其內(nèi)力變化規(guī)律,對隧道埋設(shè)地層按圖7所示進(jìn)行分區(qū),B區(qū)為彈性抗力區(qū),A區(qū)和C區(qū)為彈性抗力以外區(qū)域。通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行總結(jié),歸納以下規(guī)律。

圖7 計(jì)算結(jié)果圖示(單位：m)

(1)當(dāng)W2基巖面低于2.0 m,即如圖7所示的A區(qū)時(shí),隨基巖面上升,內(nèi)力呈下降趨勢,但趨勢并不明顯。

(2)當(dāng)W2基巖面位于如圖7所示的B區(qū)時(shí),即彈性抗力區(qū)時(shí),隨基巖面上升,內(nèi)力呈增大趨勢,直至達(dá)到3 m時(shí),達(dá)到峰值,其后內(nèi)力呈減小趨勢。

(3)當(dāng)W2基巖面位于如圖7所示的C區(qū)時(shí),隨基巖面上升,內(nèi)力變化不明顯。

4 結(jié)論

通過分析,得知軟硬不均地層對盾構(gòu)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(dāng)隧道埋設(shè)深度的基巖面高度為3 m左右時(shí),隧道管片環(huán)處于最不利受力狀態(tài)。

據(jù)此結(jié)論,在益田路隧道的盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)中,采取了以下特殊設(shè)計(jì)。

(1)調(diào)整隧道縱斷面,盡量避開不利地層下不利斷面的出現(xiàn)。

(2)對各個(gè)軟硬不均地段的地層進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)算,按最不利條件控制配筋,并對此段的管片配筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng),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(gòu)通過軟硬不均地層時(shí),應(yīng)保證同步注漿的質(zhì)量和凝結(jié)時(shí)間,盡量讓隧道兩側(cè)的地層盡快提供抗力。

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