符亞鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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敞開式TBM施工鐵路隧道仰拱預(yù)制塊關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

符亞鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

以敞開式TBM施工特長(zhǎng)鐵路隧道仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)為研究背景，基于荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，采用有限元軟件ANSYS構(gòu)建二維平面分析模型，研究了仰拱預(yù)制塊圓心角、中心水溝溝槽深度、寬度等參數(shù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)變形、受力特性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：圓心角對(duì)仰拱預(yù)制塊變形、內(nèi)力影響較小，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)仰拱預(yù)制塊拼裝技術(shù)及軌道結(jié)構(gòu)要求來確定；中心水溝溝槽底至仰拱預(yù)制塊底部間距h對(duì)仰拱預(yù)制塊變形、內(nèi)力影響較大，設(shè)計(jì)中間距h應(yīng)大于復(fù)合式襯砌厚度；擴(kuò)大中心水溝寬度，可有效降低集中應(yīng)力值，在滿足軌上結(jié)構(gòu)承載能力的前提下，設(shè)計(jì)中可適當(dāng)擴(kuò)大中心水溝寬度來增大隧道排水能力。

敞開式TBM；特長(zhǎng)鐵路隧道；荷載結(jié)構(gòu)法；仰拱預(yù)制塊；設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，線路選線時(shí)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(zhǎng)大隧道的幾率越來越高，受限于建設(shè)工期，選取得當(dāng)?shù)氖┕すしㄓ葹橹匾?。由于TBM掘進(jìn)機(jī)具有高效快速、安全可靠、需求勞動(dòng)力少等施工作業(yè)優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于長(zhǎng)大隧道施工中[1]。敞開式TBM已成功運(yùn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均采用了仰拱預(yù)制塊特殊結(jié)構(gòu)。仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)力學(xué)特性，關(guān)系到隧道施工作業(yè)安全性及襯砌結(jié)構(gòu)耐久性，是敞開式TBM施工隧道長(zhǎng)期健康性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

關(guān)于TBM施工隧道TBM選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工作業(yè)安全性等方面已取得相當(dāng)豐碩的成果[4-6]。周佳媚[7-8]等采用數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)手段研究了圍巖應(yīng)力場(chǎng)對(duì)仰拱預(yù)制塊特殊結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。王夢(mèng)恕[9]結(jié)合國(guó)內(nèi)外敞開式TBM施工案例，論述了敞開式TBM在鐵路長(zhǎng)隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術(shù)，研究了敞開式TBM施工過程中的主要技術(shù)難題及關(guān)鍵技術(shù)。徐贊[10]結(jié)合蘭渝鐵路西秦嶺隧道敞開式TBM施工經(jīng)驗(yàn)，提出了仰拱預(yù)制塊特殊結(jié)構(gòu)高效、快速施工管理技術(shù)。李南川[11]針對(duì)蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM施工技術(shù)難題，研究TBM掘進(jìn)步進(jìn)技術(shù)，提出了TBM順利、高效實(shí)現(xiàn)二次步進(jìn)作業(yè)的施工技術(shù)。劉小剛[12]結(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸形式等。

綜上，國(guó)內(nèi)外敞開式TBM施工隧道案例較多，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工處治措施等方面已取得了相應(yīng)的成果。本文以敞開式TBM施工隧道仰拱預(yù)制塊特殊結(jié)構(gòu)為研究背景，采用有限元軟件ANSYS構(gòu)建仰拱預(yù)制塊計(jì)算模型，分析了仰拱預(yù)制塊圓心角、中心水溝溝槽尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)變形、受力特性的影響。

2　TBM襯砌斷面設(shè)計(jì)

某特長(zhǎng)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(shè)工期，擬采用敞開式TBM掘進(jìn)機(jī)施工。根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]，考慮到瞬變壓力作用，速度目標(biāo)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(cè)量及蛇形等誤差，設(shè)計(jì)中斷面預(yù)留施工誤差10 cm；考慮到軟巖變形問題設(shè)計(jì)預(yù)留變形量取15 cm，初期支護(hù)厚20 cm、模筑二次襯砌厚35 cm，設(shè)計(jì)擬采用斷面如圖1所示。

圖1　襯砌斷面設(shè)計(jì)(單位：cm)

為了加快隧道施工進(jìn)度，敞開式TBM施工中采用的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)通常由仰拱預(yù)制塊(圖2)、初期支護(hù)、模筑二次襯砌構(gòu)成[14]，仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到仰拱預(yù)制塊拼裝難易程度和襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，當(dāng)噴射混凝土、模筑二次襯砌厚度一定時(shí)，仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)力學(xué)特性控制參數(shù)有：仰拱預(yù)制塊圓心角α、仰拱預(yù)制塊高度H、中心水溝溝底與仰拱預(yù)制塊底部之間間距h等，仰拱預(yù)制塊高度H應(yīng)根據(jù)復(fù)合式襯砌厚度及軌道結(jié)構(gòu)空間要求共同決定，即仰拱預(yù)制塊與復(fù)合式襯砌接觸位置厚度應(yīng)大于復(fù)合式襯砌厚度，同時(shí)高度H應(yīng)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(yù)制塊設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

3　仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)參數(shù)研究

為獲得仰拱預(yù)制塊最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，基于荷載—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念[15]，采用有限元軟件構(gòu)建二維數(shù)值計(jì)算模型，采用統(tǒng)計(jì)法計(jì)算獲得深埋隧道承受豎向荷載p和橫向荷載q。

3.1計(jì)算模型

襯砌結(jié)構(gòu)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(shè)置為僅受壓，初期支護(hù)、二次襯砌與仰拱預(yù)制塊的接觸設(shè)置為剛性接觸，具體數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示。

圖3　數(shù)值計(jì)算模型

3.2計(jì)算參數(shù)

地層參數(shù)和襯砌結(jié)構(gòu)等效參數(shù)如表1所示。

基于深埋隧道荷載-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用表1中計(jì)算參數(shù)得到襯砌結(jié)構(gòu)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(diǎn)荷載施加到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。本次主要研究仰拱預(yù)制塊圓心角α、仰拱預(yù)制塊中心水溝溝底與仰拱預(yù)制塊底部之間間距h對(duì)仰拱預(yù)制塊特殊結(jié)構(gòu)變形、受力特性的影響。

表1　計(jì)算參數(shù)

3.3量測(cè)項(xiàng)目

主要量測(cè)了仰拱預(yù)制塊結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況、襯砌結(jié)構(gòu)位移及變形情況。

4　結(jié)果分析

4.1圓心角α對(duì)襯砌力學(xué)特性的影響

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

(1)位移分析

仰拱預(yù)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(yù)制塊合位移等值線圖及變形情況，可以看出，圓心角對(duì)變形影響較小；最大合位移均分布在仰拱預(yù)制塊與復(fù)合式襯砌接觸處，且圓心角增大，接觸處合位移相應(yīng)增大。

圖4　不同圓心角下仰拱預(yù)制塊合位移等值線及變形情況

(2)應(yīng)力分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，仰拱預(yù)制塊X方向最大應(yīng)力值均大于Y方向應(yīng)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(yù)制塊X方向應(yīng)力場(chǎng)來分析仰拱預(yù)制塊圓心角對(duì)應(yīng)力分布的影響，如圖5所示。

圖5　不同圓心角下仰拱預(yù)制塊X方向應(yīng)力場(chǎng)等值線

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

綜合不同圓心角下仰拱預(yù)制塊變形情況、應(yīng)力分布趨勢(shì)以及軌下結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，本斷面設(shè)計(jì)中選擇仰拱預(yù)制塊圓心角α=57.64°。

4.2中心水溝參數(shù)對(duì)襯砌力學(xué)特性的影響

中心水溝深度和寬度共同決定了隧道過水?dāng)嗝娲笮?，水溝過深將降低水溝底部襯砌結(jié)構(gòu)剛度，改變其受力特性，加重應(yīng)力集中現(xiàn)象；水溝過寬將影響軌下結(jié)構(gòu)的承載能力，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)不利。

4.2.1中心水溝深度對(duì)仰拱預(yù)制塊力學(xué)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(jì)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(duì)襯砌力學(xué)特性的影響。

(1)位移分析

圖6為不同間距h下仰拱預(yù)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(yù)制塊底部間距h對(duì)仰拱預(yù)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(yù)制塊底部間距h對(duì)仰拱預(yù)制塊整體變形影響較大，當(dāng)間距h≥0.58 m后(初期支護(hù)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(yù)制塊與復(fù)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(yù)制塊底部之間結(jié)構(gòu)位移隨間距變化趨勢(shì)同最大合位移變化趨勢(shì)。

圖6　不同間距下仰拱預(yù)制塊合位移等值線及變形情況

圖7　間距對(duì)最大合位移的影響曲線

(2)應(yīng)力分析

選取仰拱預(yù)制塊X方向應(yīng)力場(chǎng)來分析中心水溝溝底至仰拱預(yù)制塊底部間距h對(duì)仰拱預(yù)制塊應(yīng)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(duì)中心水溝底最大壓應(yīng)力值的影響曲線。

圖8　不同間距下仰拱預(yù)制塊X方向應(yīng)力場(chǎng)等值線

圖9　間距對(duì)中心水溝溝底最大壓應(yīng)力值的影響曲線

可以看出，無中心水溝時(shí)，仰拱預(yù)制塊承受壓力均為壓應(yīng)力，且最大壓應(yīng)力為0.87 MPa。中心水溝的存在導(dǎo)致仰拱預(yù)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(yīng)力值最大，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。間距越小，應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重。

4.2.2中心水溝寬度對(duì)仰拱預(yù)制塊力學(xué)特性的影響

固定圓心角α=57.64°、h=0.58 m，選取計(jì)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(yù)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(yù)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?dāng)嗝鏀U(kuò)大1倍對(duì)其變形趨勢(shì)影響不大；合位移分布趨勢(shì)相同，最大合位移分布在仰拱預(yù)制塊與復(fù)合式襯砌接觸處，中心水溝寬度為d、2d時(shí)，最大合位移分別為0.268、0.181 mm，中心水溝寬度擴(kuò)大降低了復(fù)合式襯砌與仰拱預(yù)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(shí)，合位移分別為0.050 4、0.111 mm，故水溝寬度擴(kuò)大，擴(kuò)大了中心水溝附近區(qū)域結(jié)構(gòu)變形。

(2)應(yīng)力分析

選取仰拱預(yù)制塊X方向應(yīng)力場(chǎng)來分析中心水溝寬度對(duì)仰拱預(yù)制塊應(yīng)力分布的影響，如圖11所示。可以看出，仰拱預(yù)制塊承受應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，中心水溝溝底出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，水溝寬度擴(kuò)大，集中應(yīng)力分布區(qū)域擴(kuò)大，集中應(yīng)力值降低。水溝寬度為d時(shí)，水溝底應(yīng)力集中部位壓應(yīng)力大小為4.07 MPa，其余部位壓應(yīng)力大小為3.07 MPa，增幅達(dá)32.6%；水溝寬度為2d時(shí)，水溝底應(yīng)力集中部位壓應(yīng)力大小為1.20 MPa，其余部位壓應(yīng)力大小為1.05 MPa，增幅達(dá)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(yīng)力值，但中心水溝寬度不宜過大，否則影響上部軌道結(jié)構(gòu)承載能力。

圖11　不同水溝寬度仰拱預(yù)制塊X方向應(yīng)力場(chǎng)等值線

綜上，從結(jié)構(gòu)安全性及耐久性角度考慮，仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下3點(diǎn)：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(shè)中心水溝，通過適當(dāng)擴(kuò)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(shè)置中心水溝，設(shè)計(jì)時(shí)中心水溝溝底至仰拱預(yù)制塊底部間距h一定要大于初期支護(hù)+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(shí)，在滿足上部軌道結(jié)構(gòu)承載能力的前提下，設(shè)計(jì)中可適當(dāng)擴(kuò)大中心水溝寬度來增大中心水溝的過水?dāng)嗝?，同時(shí)亦增大隧道縱坡。

5　結(jié)論及建議

基于既有敞開式TBM鐵路隧道施工及設(shè)計(jì)案例，針對(duì)仰拱預(yù)制塊特殊結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬手段分析了仰拱預(yù)制塊圓心角、中心水溝溝槽幾何尺寸對(duì)仰拱預(yù)制塊力學(xué)特性的影響，具體結(jié)論如下。

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

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

綜上，仰拱預(yù)制塊圓心角對(duì)其內(nèi)力特性影響較小，設(shè)計(jì)中可根據(jù)施工拼裝技術(shù)要求、軌道結(jié)構(gòu)要求來設(shè)定圓心角大??；而中心水溝溝槽幾何尺寸對(duì)仰拱預(yù)制塊承載力及耐久性影響較大，設(shè)計(jì)中須滿足溝槽底至仰拱預(yù)制塊底部間距h值大于復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)厚度；當(dāng)中心水溝過水能力不足時(shí)，在滿足軌上結(jié)構(gòu)承載能力的前提下，可適當(dāng)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(xué)，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