張中杰，葉冠林，湯 翔

（1.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，上海 200125；2.上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200030）

0 引言

近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相繼建成了一批超大直徑的盾構(gòu)隧道，如日本的東京灣海底道路隧道、德國(guó)漢堡易北河第四隧道、荷蘭的格雷恩哈特高速鐵路隧道、上海的上中路越江隧道、中環(huán)線軍工路隧道和南京的長(zhǎng)江隧道，隧道直徑均超過(guò)了14 m［1］。

為了提高隧道斷面的利用率，采用雙層結(jié)構(gòu)和雙向多行車道已成為超大直徑城市道路隧道的發(fā)展方向。上海軌道交通16號(hào)線地下區(qū)間工程采用了“單洞雙線”的形式，設(shè)置中隔墻分隔上、下行車線，此方法在國(guó)內(nèi)軌道交通盾構(gòu)區(qū)間中屬首創(chuàng)，具有效率高、風(fēng)險(xiǎn)小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。一般而言，在周圍軟弱黏土地層固結(jié)沉降的作用下，盾構(gòu)隧道會(huì)發(fā)生豎向壓縮變形。如中隔墻與隧道管片形成剛性連接，壓縮變形導(dǎo)致中隔墻產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，并對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利影響。因此，中隔墻頂部與隧道結(jié)構(gòu)之間需預(yù)留一定的間隙，即應(yīng)采用分離式設(shè)計(jì)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于常規(guī)的大直徑盾構(gòu)隧道已有較多的研究，國(guó)內(nèi)超大隧道襯砌管片已進(jìn)行過(guò)整環(huán)試驗(yàn)和管片接頭試驗(yàn)［2-3］，但對(duì)設(shè)置中隔墻的大直徑盾構(gòu)隧道的研究還不多見(jiàn)。本文針對(duì)管片自身重力、地層荷載和地層固結(jié)沉降3種不同荷載類型，分別采用彈性鉸圓環(huán)法、彈性地基梁法和連續(xù)介質(zhì)有限元法計(jì)算管片的變形量，為中隔墻頂部與隧道結(jié)構(gòu)之間預(yù)留間隙值的確定以及連接部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程概況

上海市軌道交通16號(hào)線工程是連接臨港新城與市中心的一條市域快速線，線路全長(zhǎng)58.9 km，地下線長(zhǎng)13.7 km，列車最高運(yùn)行速度達(dá)120 km/h?？諝鈩?dòng)力學(xué)研究表明，列車高速行駛引起的活塞風(fēng)效應(yīng)使隧道中的空氣產(chǎn)生非穩(wěn)定流動(dòng)，導(dǎo)致列車內(nèi)外的壓力顯著變化。如采用軌道交通普遍采用的內(nèi)徑5.5 m盾構(gòu)隧道，空氣壓力變化將會(huì)超過(guò)乘客的耳膜舒適標(biāo)準(zhǔn)，并可損害車輛設(shè)備和結(jié)構(gòu)。為此，綜合考慮乘客舒適度、隧道散熱、安全疏散及盾構(gòu)設(shè)備等因素，本工程首次采用了設(shè)置中隔墻的“單洞雙線”大直徑盾構(gòu)隧道區(qū)間，隧道內(nèi)徑達(dá)10.4 m，中隔墻高7.8 m，厚300 mm（見(jiàn)圖1）。隧道埋深在15～20 m，主要穿越上海地層中典型的粉質(zhì)黏土層，土層的部分物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 大斷面盾構(gòu)隧道示意圖（單位：mm）Fig.1 Cross-section of the tunnel（mm）

2 隧道變形計(jì)算方法

盾構(gòu)隧道的變形主要包括：1）隧道施工中未設(shè)置中隔墻時(shí)，管片自身重力和周圍土體荷載導(dǎo)致的變形；2）設(shè)置中隔墻后，由于周圍土體固結(jié)沉降而導(dǎo)致的變形。對(duì)不同原因?qū)е碌淖冃畏謩e采用以下計(jì)算方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil strata

2.1 管片自身重力作用下的隧道變形

采用彈性鉸圓環(huán)法（屬于荷載結(jié)構(gòu)法）對(duì)隧道環(huán)形斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型中將管片視為彈性梁，并在管片接頭處設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧來(lái)模擬螺栓［4-6］。

2.2 地層荷載作用下的隧道變形

采用彈性地基梁法（屬于荷載結(jié)構(gòu)法）對(duì)隧道環(huán)形斷面進(jìn)行計(jì)算，基于彈性鉸圓環(huán)模型，在管片外側(cè)設(shè)置地基彈簧來(lái)模擬地基反力。

2.3 地層長(zhǎng)期固結(jié)沉降作用下的隧道變形

采用連續(xù)介質(zhì)有限元法（屬于地層結(jié)構(gòu)法）進(jìn)行計(jì)算，將管片接頭部分彎曲剛度的降低，評(píng)價(jià)為環(huán)整體的彎曲剛度的折減，即管片是具有ηEI（η為彎曲剛度折減系數(shù)）彎曲剛度的均勻圓環(huán)。

3 管片自身重力作用下的隧道變形分析

3.1 計(jì)算模型

盾構(gòu)管片拼裝后至壁厚注漿漿液凝固前，管片環(huán)由于自身重力所產(chǎn)生的豎向變形采用彈性鉸圓環(huán)模型進(jìn)行分析。模型中，管片采用梁?jiǎn)卧M，管片形心半徑R=5.44 m，厚度t=0.48 m，寬度B=1.0 m，彈性模量E=33 000 N/mm2，重度γ=24.5 kN/m3。管片的環(huán)向變形需考慮管片間固定螺栓抗彎剛度的影響，接頭采用旋轉(zhuǎn)彈簧模擬。管片環(huán)的底部為固定鉸支座，頂部為豎向滑動(dòng)支座。計(jì)算模型示意圖如圖2所示。

3.2 管片接頭抗彎剛度的確定

在實(shí)際工程中，裝配式圓形管片結(jié)構(gòu)的接頭能夠承受一定的彎矩、軸力和剪力，位移和相應(yīng)的內(nèi)力基本上呈線性關(guān)系。因此，可將接頭簡(jiǎn)化為理想的彈性鉸，并用接頭的剛度系數(shù)Kθ表示彈性鉸的剛度特征。由于本工程沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)研究，參考日本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定管片接頭的抗彎剛度。

圖2 彈性鉸圓環(huán)法計(jì)算模型示意圖Fig.2 Calculation model of elastic hinge ringmethod

圖3為管片接頭彎曲試驗(yàn)的彎矩-回轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，接頭的受力變形關(guān)系呈現(xiàn)一定的非線性關(guān)系，當(dāng)彎曲角度＜0.005 rad時(shí)，抗彎剛度Kθ=1 000～2 000 tf·m/rad=9 800～19 600 kN·m/rad。以下均取Kθ=無(wú)窮大（無(wú)接縫）、Kθ=9 800 kN·m/rad及Kθ=19 600 kN·m/rad 3種情況分別討論。

圖3 管片接頭彎曲試驗(yàn)的彎矩-回轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.3 Bendingmoment Vs rotation angle

3.3 計(jì)算結(jié)果

自身重力作用下管片豎向變形的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 自身重力作用下管片豎向變形的結(jié)果Fig.4 Vertical deformation of segment ring under dead load

4 地層荷載作用下的隧道變形分析

當(dāng)隧道襯砌管片在盾構(gòu)內(nèi)部組裝完成并從盾構(gòu)尾脫出后，需對(duì)管片與周圍土體之間的空隙進(jìn)行壁后注漿，管片環(huán)將承受注漿壓力的作用。隨著壁后注漿體凝固硬化，周圍地層的水土壓力將會(huì)傳遞到襯砌管片上，襯砌管片將會(huì)發(fā)生一定的變形。

4.1 計(jì)算模型

圖5為彈性地基梁法計(jì)算模型，管片和管片接頭亦采用梁?jiǎn)卧娃D(zhuǎn)動(dòng)彈簧模擬，在管片外側(cè)以地基彈簧（單向受壓彈簧）模擬地基反力的作用。本工程盾構(gòu)隧道所處地層主要是黏土或粉質(zhì)黏土地層（④層、⑤層和⑥層），采用水土合算，盾構(gòu)隧道上部荷載為覆土壓力（覆土厚度16.5 m），側(cè)向土壓力由側(cè)向土壓力系數(shù)確定，下部土壓力采用上部土壓力和自身重力的反力。其中垂直土壓力pe1=165.62 kN/m2、pw1=140.14 kN/m2，水平土壓力q1=213.64 N/m2、q2=345.94 N/m2，地基反力系數(shù)k=2.5 MN/m3。

圖5 彈性地基梁法計(jì)算模型Fig.5 Calculationmodel of elastic foundation beam method

4.2 計(jì)算結(jié)果

地層荷載作用下隧道豎向變形法的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

5 地層固結(jié)沉降作用下的隧道變形分析

在軟弱黏土層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道的施工，伴隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)周圍的土體會(huì)受到一定程度的擾動(dòng)，被擾動(dòng)的土體會(huì)產(chǎn)生一定程度的超靜孔隙水壓力。當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)之后，隨著超靜孔隙水壓力的消散，這部分土體將會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期的固結(jié)沉降［7］。另外，盾構(gòu)隧道所處黏土層的上下存在含水砂層，當(dāng)對(duì)這些含水層進(jìn)行降水施工時(shí)，地下水位的降低也會(huì)導(dǎo)致黏土層產(chǎn)生長(zhǎng)期固結(jié)沉降。黏土地層的這種長(zhǎng)期固結(jié)沉降作用不僅會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)隧道伴隨地層沉降發(fā)生整體的沉降變形，而且隧道橫斷面也會(huì)發(fā)生豎向的壓縮變形。

5.1 計(jì)算模型

采用平面連續(xù)介質(zhì)有限元法分析地層長(zhǎng)期固結(jié)沉降對(duì)襯砌隧道變形的影響（見(jiàn)圖7）。在本工程中，盾構(gòu)隧道在臨港新城北站—臨港新城站區(qū)間將穿越較厚的黏土地層。本次分析取此黏土層厚度為16.86 m。黏土地層采用劍橋模型，砂土層采用彈性模型，盾構(gòu)隧道管片以及中隔墻結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M。計(jì)算模型采用對(duì)稱半結(jié)構(gòu)，中隔墻的剛度取實(shí)際的一半，中隔墻頂部與盾構(gòu)隧道剛接。

圖6 地層荷載作用下的隧道變形Fig.6 Deformation of segment ring under ground load

本次分析取黏土層中存在25 kN/m2的超靜孔隙水壓力，伴隨該超靜孔隙水壓力的消散，計(jì)算土體的固結(jié)沉降以及隧道結(jié)構(gòu)的變形。

隧道管片、中隔墻以及底部“口”字形結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M，隧道管片接頭的抗彎剛度折減效應(yīng)采用剛度折減系數(shù)η考慮。本次分析分別對(duì)有、無(wú)中隔墻和η=0.5、η=0.8共4種工況進(jìn)行分析計(jì)算。

圖7 有限單元?jiǎng)澐謭D及荷載條件Fig.7 Finite elementmesh and loading condition

表2 分析工況Table 2 Different cases analyzed

5.2 計(jì)算結(jié)果

圖8為盾構(gòu)隧道和周圍土體的整體變形圖，圖9為盾構(gòu)隧道豎向壓縮變形量的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，在有中隔墻的2個(gè)工況中（工況1和工況2），中隔墻成為阻止隧道豎向變形的支撐結(jié)構(gòu)，隧道豎向壓縮變形量?jī)H為0.02～0.03 cm。在沒(méi)有中隔墻的2個(gè)工況中（工況3和工況4），隧道的豎向壓縮變形量隨著周圍土體沉降量的增大而顯著增加，在地表沉降＜2 cm時(shí)呈現(xiàn)出線性關(guān)系；在地表沉降超過(guò)2cm時(shí)呈現(xiàn)出一定的非線性，其斜率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，隧道的最終壓縮變形量為0.2～0.3 cm。

在設(shè)置了中隔墻的工況1和工況2中，中隔墻頂部與隧道管片形成剛性連接，隧道頂部產(chǎn)生了較大的正彎矩。因此，采用分離式設(shè)計(jì)，中隔墻頂部與隧道之間預(yù)留一定的間隙。

6 隧道豎向總壓縮變形量和中隔墻構(gòu)造

表3為盾構(gòu)隧道在自身重力、周邊地層荷載以及周邊地層因長(zhǎng)期固結(jié)沉降共同作用下所產(chǎn)生的變形量。綜合上述計(jì)算分析，隧道管片與中隔墻之間的間隙值應(yīng)取為10～15 cm為宜。

在實(shí)際工程中，中隔墻頂部與隧道結(jié)構(gòu)之間采用分離式設(shè)計(jì)，預(yù)制板與隧道頂部管片的間隙取為120 mm，采用巖棉填塞。中隔墻頂部和底部采用型鋼（L-150×150）夾具分別固定在隧道管片和底部口字型結(jié)構(gòu)上。盾構(gòu)隧道中隔墻節(jié)點(diǎn)詳圖如圖10所示。

圖8 固結(jié)沉降量達(dá)到10 cm時(shí)地層和隧道管片的變形量Fig.8 Deformation of ground and tunnel segmentwhen the consolidation settlement reaches 10 cm

圖9 固結(jié)沉降量與管片豎向壓縮變形量的關(guān)系Fig.9 Correlation between consolidation settlement and vertical compression deformation of tunnel segment

表3 隧道豎向壓縮變形量Table 3 Vertical compression deformation of tunnel segment cm

圖10 盾構(gòu)隧道中隔墻節(jié)點(diǎn)詳圖Fig.10 Detail of nodes of separation wall of shield-bored tunnel

7 結(jié)論

考慮到地鐵車輛高速運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓變化對(duì)乘客舒適度的影響，為滿足逃生通道設(shè)置和防災(zāi)、減災(zāi)要求，上海市軌道交通16號(hào)線工程首次采用了內(nèi)徑為10.4 m的“單洞雙線”大斷面盾構(gòu)隧道，在隧道中央設(shè)置分隔上下行車線的中隔墻。本文通過(guò)采用彈性鉸圓環(huán)法、彈性地基梁法和連續(xù)介質(zhì)有限元法，分別對(duì)管片在自身重力、地層荷載和地層長(zhǎng)期固結(jié)沉降作用下的豎向變形進(jìn)行了計(jì)算分析，據(jù)此在中隔墻與隧道管片之間設(shè)置了120 mm間隙和相應(yīng)的連接構(gòu)造。

2012年6月，16號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間土建貫通（見(jiàn)圖11），2013年12月全線通車。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，隧道的豎向變形為70～80 mm，采用數(shù)值分析預(yù)測(cè)所確定的中隔墻和管片空隙及分離式構(gòu)造設(shè)計(jì)能夠滿足工程使用要求。

圖11 盾構(gòu)隧道現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Photo of shield-bored tunnel

：

［1］ 傅德明，周文波.超大直徑盾構(gòu)隧道工程技術(shù)的發(fā)展［C］//地下交通工程與工程安全：第五屆中國(guó)國(guó)際隧道工程研討會(huì)文集.北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2011：53-61.（FU Deming，ZHOUWenbo.Development of Super-largediameter shield tunneling technologies［C］//Undergrouned Traffic Engineering and Engineering Safety：The 5th China Intermational Tummel Engineering Symposium.Beijing：China Civil Engineering Society，2011：53-61.（in Chinese））

［2］ 蘭學(xué)平，魯亮，劉麗惠.超大隧道襯砌管片接頭力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2009（25）：110-114.（LAN Xueping，LU Liang，LIU Lihui.Experimental study on mechanical properties for segment joints of super large tunnel lining［J］.Structural Engineers，2009（25）：110-114.（in Chinese））

［3］ 郭瑞，何川，封坤，等.大斷面水下盾構(gòu)隧道管片接頭抗彎剛度及其對(duì)管片內(nèi)力影響研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2013（34）：46-53.（GUO Rui，HE Chuan，F(xiàn)ENG Kun，et al.Bending stiffness of segment joint and its effects on segment internal force for underwater shield tunnelwith large cross-section［J］.China Kailway Society，2013（34）：46-53.（in Chinese））

［4］ 周順華.城市軌道交通結(jié)構(gòu)工程［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004：173-174.（ZHOU Shunhua.China railway traffic and structure engineering［M］.Shanghai：Tongji University Press，2004：173-174.（in Chinese））

［5］ 馮華美.地鐵大直徑盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算研究［J］.隧道建設(shè)，2011，31（S1）：209-213.（FENG Huamei.Design and calculation of segment of tunnel bored by large-diameter shield［J］.Tunnel Construction，2011，31（S1）：209-213.（in Chinese））

［6］ 游曉敏.考慮大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的計(jì)算方法研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2007.（YOU Xiaomin.Study on the structuralmodel with characteristics of large shiel tunnel［D］.Shanghai：School of Civil Engineering，Tongji University，2007.）

［7］ Takeru ARIIZUMI.Variation of the load acting on established shield tunnel lining induced by settlement due to consoilidation of ground［J］.JSCE，No.750/III-65，115-134.