符亞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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敞開式TBM施工鐵路隧道仰拱預制塊關鍵設計參數(shù)研究

符亞鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

以敞開式TBM施工特長鐵路隧道仰拱預制塊結構為研究背景，基于荷載結構設計理論，采用有限元軟件ANSYS構建二維平面分析模型，研究了仰拱預制塊圓心角、中心水溝溝槽深度、寬度等參數(shù)對襯砌結構變形、受力特性的影響規(guī)律。研究結果表明：圓心角對仰拱預制塊變形、內(nèi)力影響較小，設計中應根據(jù)仰拱預制塊拼裝技術及軌道結構要求來確定；中心水溝溝槽底至仰拱預制塊底部間距h對仰拱預制塊變形、內(nèi)力影響較大，設計中間距h應大于復合式襯砌厚度；擴大中心水溝寬度，可有效降低集中應力值，在滿足軌上結構承載能力的前提下，設計中可適當擴大中心水溝寬度來增大隧道排水能力。

敞開式TBM；特長鐵路隧道；荷載結構法；仰拱預制塊；設計參數(shù)

1　概述

近年來，隨著鐵路交通路網(wǎng)規(guī)劃越來越密集，鐵路設計技術標準不斷提高，線路選線時將不可避免地通過高山、丘陵地區(qū)，尤其是西部高原地區(qū)出現(xiàn)長大隧道的幾率越來越高，受限于建設工期，選取得當?shù)氖┕すしㄓ葹橹匾?。由于TBM掘進機具有高效快速、安全可靠、需求勞動力少等施工作業(yè)優(yōu)點，常被應用于長大隧道施工中[1]。敞開式TBM已成功運用于西康鐵路秦嶺隧道[2]、蘭渝鐵路西秦嶺隧道[3]中，且襯砌結構設計中均采用了仰拱預制塊特殊結構。仰拱預制塊設計參數(shù)合理性直接決定了施作作業(yè)拼裝難易程度、襯砌結構力學特性，關系到隧道施工作業(yè)安全性及襯砌結構耐久性，是敞開式TBM施工隧道長期健康性評價的重要指標。

關于TBM施工隧道TBM選型、結構設計及施工作業(yè)安全性等方面已取得相當豐碩的成果[4-6]。周佳媚[7-8]等采用數(shù)值計算和模型試驗手段研究了圍巖應力場對仰拱預制塊特殊結構力學特性的影響。王夢恕[9]結合國內(nèi)外敞開式TBM施工案例，論述了敞開式TBM在鐵路長隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術，研究了敞開式TBM施工過程中的主要技術難題及關鍵技術。徐贊[10]結合蘭渝鐵路西秦嶺隧道敞開式TBM施工經(jīng)驗，提出了仰拱預制塊特殊結構高效、快速施工管理技術。李南川[11]針對蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM施工技術難題，研究TBM掘進步進技術，提出了TBM順利、高效實現(xiàn)二次步進作業(yè)的施工技術。劉小剛[12]結合重慶和青島地鐵施工案例，研究了城市軌道交通中TBM過站、TBM選型、支護結構及運輸形式等。

綜上，國內(nèi)外敞開式TBM施工隧道案例較多，結構設計、施工處治措施等方面已取得了相應的成果。本文以敞開式TBM施工隧道仰拱預制塊特殊結構為研究背景，采用有限元軟件ANSYS構建仰拱預制塊計算模型，分析了仰拱預制塊圓心角、中心水溝溝槽尺寸等設計參數(shù)對仰拱預制塊結構變形、受力特性的影響。

2　TBM襯砌斷面設計

某特長鐵路隧道地處高原，地貌較廣，人員稀少，施工作業(yè)效率較低，受限于建設工期，擬采用敞開式TBM掘進機施工。根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》[13]，考慮到瞬變壓力作用，速度目標值250 km/h的單線鐵路隧道軌上凈空面積為58 m2，考慮到TBM施工測量及蛇形等誤差，設計中斷面預留施工誤差10 cm；考慮到軟巖變形問題設計預留變形量取15 cm，初期支護厚20 cm、模筑二次襯砌厚35 cm，設計擬采用斷面如圖1所示。

圖1　襯砌斷面設計(單位：cm)

為了加快隧道施工進度，敞開式TBM施工中采用的復合式襯砌結構通常由仰拱預制塊(圖2)、初期支護、模筑二次襯砌構成[14]，仰拱預制塊設計合理與否，直接關系到仰拱預制塊拼裝難易程度和襯砌結構受力特性，當噴射混凝土、模筑二次襯砌厚度一定時，仰拱預制塊結構力學特性控制參數(shù)有：仰拱預制塊圓心角α、仰拱預制塊高度H、中心水溝溝底與仰拱預制塊底部之間間距h等，仰拱預制塊高度H應根據(jù)復合式襯砌厚度及軌道結構空間要求共同決定，即仰拱預制塊與復合式襯砌接觸位置厚度應大于復合式襯砌厚度，同時高度H應滿足有砟或無砟軌道道床底面至內(nèi)軌頂面的間距要求。

圖2　仰拱預制塊設計簡圖

3　仰拱預制塊設計參數(shù)研究

為獲得仰拱預制塊最優(yōu)設計參數(shù)，基于荷載—結構設計理念[15]，采用有限元軟件構建二維數(shù)值計算模型，采用統(tǒng)計法計算獲得深埋隧道承受豎向荷載p和橫向荷載q。

3.1計算模型

襯砌結構采用平面單元plane42來模擬；地層彈簧采用link10來模擬，且地層彈簧特性設置為僅受壓，初期支護、二次襯砌與仰拱預制塊的接觸設置為剛性接觸，具體數(shù)值計算模型如圖3所示。

圖3　數(shù)值計算模型

3.2計算參數(shù)

地層參數(shù)和襯砌結構等效參數(shù)如表1所示。

基于深埋隧道荷載-結構設計理念，運用表1中計算參數(shù)得到襯砌結構承受豎向荷載p=231.20 kPa，橫向荷載q=80.92 kPa，地基反力通過彈簧施加，將荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載施加到相應節(jié)點上。本次主要研究仰拱預制塊圓心角α、仰拱預制塊中心水溝溝底與仰拱預制塊底部之間間距h對仰拱預制塊特殊結構變形、受力特性的影響。

表1　計算參數(shù)

3.3量測項目

主要量測了仰拱預制塊結構應力分布情況、襯砌結構位移及變形情況。

4　結果分析

4.1圓心角α對襯砌力學特性的影響

圓心角和高度共同決定了仰拱預制塊質(zhì)量，直接影響拼裝難易程度。受限于軌下結構影響，固定中心水溝溝底至仰拱底距離h=0.58 m，選取計算變量圓心角大小α=50.00°、57.64°、66.00°。

(1)位移分析

仰拱預制塊變形越大，承載能力越低，耐久性越差。圖4為不同圓心角下仰拱預制塊合位移等值線圖及變形情況，可以看出，圓心角對變形影響較小；最大合位移均分布在仰拱預制塊與復合式襯砌接觸處，且圓心角增大，接觸處合位移相應增大。

圖4　不同圓心角下仰拱預制塊合位移等值線及變形情況

(2)應力分析

根據(jù)計算結果，仰拱預制塊X方向最大應力值均大于Y方向應力值，鋼筋混凝土屬于脆性材料，往往體現(xiàn)出的破壞形式是受壓或者受拉破壞。選取仰拱預制塊X方向應力場來分析仰拱預制塊圓心角對應力分布的影響，如圖5所示。

圖5　不同圓心角下仰拱預制塊X方向應力場等值線

整體上看，仰拱預制塊承受應力以受壓為主，頂部局部區(qū)域受拉，圓心角越大，應力值越大，當α=66.00°時最大壓應力、拉應力大小分別為4.42、0.436 MPa(滿足混凝土極限抗壓、抗拉強度)，最大壓應力均分布在中心水溝溝底，存在應力集中現(xiàn)象。故從應力角度來考慮，仰拱預制塊設計圓心角不宜過大。

綜合不同圓心角下仰拱預制塊變形情況、應力分布趨勢以及軌下結構的構造要求，本斷面設計中選擇仰拱預制塊圓心角α=57.64°。

4.2中心水溝參數(shù)對襯砌力學特性的影響

中心水溝深度和寬度共同決定了隧道過水斷面大小，水溝過深將降低水溝底部襯砌結構剛度，改變其受力特性，加重應力集中現(xiàn)象；水溝過寬將影響軌下結構的承載能力，對軌道結構不利。

4.2.1中心水溝深度對仰拱預制塊力學特性的影響

中心水溝越深，溝底至仰拱底間距h越小，固定圓心角α=57.64°，選取計算變量間距h=0.15、0.30、0.45、0.58、0.70 m來研究水溝深度對襯砌力學特性的影響。

(1)位移分析

圖6為不同間距h下仰拱預制塊合位移等值線圖及變形情況，圖7為中心水溝溝底與仰拱預制塊底部間距h對仰拱預制塊最大合位移的影響曲線。

綜合圖6、圖7，可以得到中心水溝溝底與仰拱預制塊底部間距h對仰拱預制塊整體變形影響較大，當間距h≥0.58 m后(初期支護厚度+二次襯砌厚度=0.55 m)，變形開始趨于穩(wěn)定，合位移影響曲線亦趨于平穩(wěn)，影響逐漸減小。就合位移分布情況而言，最大合位移均分布在仰拱預制塊與復合式襯砌接觸處，且間距越小，最大合位移越大，水溝溝底至仰拱預制塊底部之間結構位移隨間距變化趨勢同最大合位移變化趨勢。

圖6　不同間距下仰拱預制塊合位移等值線及變形情況

圖7　間距對最大合位移的影響曲線

(2)應力分析

選取仰拱預制塊X方向應力場來分析中心水溝溝底至仰拱預制塊底部間距h對仰拱預制塊應力分布的影響，分析工況為h=0.15、0.30、0.58、0.70 cm、無中心水溝5種工況，見圖8。圖9為間距h對中心水溝底最大壓應力值的影響曲線。

圖8　不同間距下仰拱預制塊X方向應力場等值線

圖9　間距對中心水溝溝底最大壓應力值的影響曲線

可以看出，無中心水溝時，仰拱預制塊承受壓力均為壓應力，且最大壓應力為0.87 MPa。中心水溝的存在導致仰拱預制塊頂部局部區(qū)域出現(xiàn)受拉區(qū)，且在中心水溝溝底壓應力值最大，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。間距越小，應力集中現(xiàn)象越嚴重。

4.2.2中心水溝寬度對仰拱預制塊力學特性的影響

固定圓心角α=57.64°、h=0.58 m，選取計算變量為水溝寬度d。

(1)位移分析

圖10為中心水溝寬度為d、2d工況下仰拱預制塊合位移等值線及變形情況分布圖。

圖10　不同水溝寬度仰拱預制塊合位移等值線及變形情況

從圖10可以看出，中心水溝過水斷面擴大1倍對其變形趨勢影響不大；合位移分布趨勢相同，最大合位移分布在仰拱預制塊與復合式襯砌接觸處，中心水溝寬度為d、2d時，最大合位移分別為0.268、0.181 mm，中心水溝寬度擴大降低了復合式襯砌與仰拱預制塊接觸位置合位移。就中心水溝周圍區(qū)域合位移而言，中心水溝寬度為d、2d時，合位移分別為0.050 4、0.111 mm，故水溝寬度擴大，擴大了中心水溝附近區(qū)域結構變形。

(2)應力分析

選取仰拱預制塊X方向應力場來分析中心水溝寬度對仰拱預制塊應力分布的影響，如圖11所示?？梢钥闯?，仰拱預制塊承受應力以壓應力為主，中心水溝溝底出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，水溝寬度擴大，集中應力分布區(qū)域擴大，集中應力值降低。水溝寬度為d時，水溝底應力集中部位壓應力大小為4.07 MPa，其余部位壓應力大小為3.07 MPa，增幅達32.6%；水溝寬度為2d時，水溝底應力集中部位壓應力大小為1.20 MPa，其余部位壓應力大小為1.05 MPa，增幅達14.3%，可見，中心水溝寬度增大，有效降低了中心水溝底集中應力值，但中心水溝寬度不宜過大，否則影響上部軌道結構承載能力。

圖11　不同水溝寬度仰拱預制塊X方向應力場等值線

綜上，從結構安全性及耐久性角度考慮，仰拱預制塊設計中應考慮以下3點：一是在貧水地域，排水側(cè)溝能夠滿足隧道排水要求的情況下，可不設中心水溝，通過適當擴大排水側(cè)溝來確保隧道排水能力；二是富水區(qū)域，排水側(cè)溝不能滿足隧道排水要求的情況下，需設置中心水溝，設計時中心水溝溝底至仰拱預制塊底部間距h一定要大于初期支護+二次襯砌厚度；三是富水區(qū)域排水側(cè)溝和中心水溝不能滿足隧道排水能力時，在滿足上部軌道結構承載能力的前提下，設計中可適當擴大中心水溝寬度來增大中心水溝的過水斷面，同時亦增大隧道縱坡。

5　結論及建議

基于既有敞開式TBM鐵路隧道施工及設計案例，針對仰拱預制塊特殊結構，采用數(shù)值模擬手段分析了仰拱預制塊圓心角、中心水溝溝槽幾何尺寸對仰拱預制塊力學特性的影響，具體結論如下。

(1)基于仰拱預制塊的位移及變形特性，得到仰拱預制塊圓心角、水溝寬度對其自身變形影響較??；水溝溝槽至仰拱底間距h對仰拱預制塊變形影響較大，當h>初期支護+二次襯砌厚度時，變形平穩(wěn)，設計中需確保中心水溝底至仰拱預制塊底部間距h大于復合式襯砌厚度。

(2)基于仰拱預制塊內(nèi)力特性，得到中心水溝是引起中心水溝溝底應力集中的主要原因，間距h越小，應力集中現(xiàn)象越嚴重，擴大中心水溝寬度可有效降低中心水溝溝底集中應力值。

綜上，仰拱預制塊圓心角對其內(nèi)力特性影響較小，設計中可根據(jù)施工拼裝技術要求、軌道結構要求來設定圓心角大小；而中心水溝溝槽幾何尺寸對仰拱預制塊承載力及耐久性影響較大，設計中須滿足溝槽底至仰拱預制塊底部間距h值大于復合式襯砌設計厚度；當中心水溝過水能力不足時，在滿足軌上結構承載能力的前提下，可適當加大中心水溝寬度和隧道縱坡來滿足隧道排水要求。

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Study on Key Design Parameters of Prefabricated Invert Segment for Open Type TBM Railway Tunnel Construction

FU Ya-peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Based on the load structure design method， a calculation model of tunnel is established with the finite element software ANSYS to study the effects on the deformation and the internal force of the lining structure generated by such parameters as the central angle， the depth and width of the center ditch of the prefabricated invert segment. The results show that the central angle has less effect on the deformation and internal force of the prefabricated invert segment， and the central angle is determined by the technical requirements for segment erection and the track structure. And the distance between the bottom of the central ditch and the bottom of the prefabricated invert segment has bigger effect on the deformation and internal force of the prefabricated invert segment， so the design distance should be greater than the thickness of the composite lining structure. The stress concentration can be reduced by expanding the width of the central ditch. On the basis of the requirement for track structure bearing capacity， the drainage capacity of the tunnel can be increased by expanding properly the width of the central ditch in design.

Open type TBM; Extra-long railway tunnel; Load structure method; Prefabricated invert segment; Design parameters

2016-01-03；

2016-01-11

符亞鵬(1990—)，男，助理工程師，2015年畢業(yè)于西南交通大學，工程碩士，E-mail:fyp19900328@foxmail.com。

1004-2954(2016)08-0079-05

U455.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.017