熊 毅

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口數(shù)量逐漸增多，城市地面交通空間趨于飽和，地面交通擁擠、堵塞等問(wèn)題成為城市交通工程有待解決的首要問(wèn)題。城市地下軌道交通工程逐漸成為現(xiàn)代城市交通領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。盾構(gòu)法施工憑借其良好的防滲透性、施工安全、工期快等特點(diǎn)，在城市地下軌道交通工程中得到廣泛應(yīng)用。在城市軌道交通工程修建時(shí)，線路常常需要穿越房屋、橋梁等既有建(構(gòu))筑物，盾構(gòu)管片在承受上部荷載的同時(shí)，還受到不同土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，特別是隧道穿越淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)土與砂土夾層等不良地層，容易造成管片受力不均，引起管片上浮、錯(cuò)臺(tái)、裂縫等安全質(zhì)量問(wèn)題[1-3]。因此，研究盾構(gòu)隧道穿越軟硬復(fù)合地層以及不均勻地層過(guò)程中，隧道主體結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)安全受力、受荷后結(jié)構(gòu)沿幅寬方向變形控制以及縱向沉降有著重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。本文采用典型的荷載—結(jié)構(gòu)模型對(duì)益田停車場(chǎng)出入線區(qū)間盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，以期找到管片在軟硬不均勻地層上覆荷載作用下的受力變形規(guī)律，為類似工程提供可靠經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

出入場(chǎng)線盾構(gòu)段東起福田保稅區(qū)內(nèi)盾構(gòu)接收井西端(起點(diǎn)里程右線為TRDK0+163.635、左線為TCDK0+163.870)，西接益田停車場(chǎng)出入線明挖段東端(終點(diǎn)里程右線為TRDK0+862.277、左線為TCDK0+863.450)，隧道主要下穿福田保稅區(qū)和廣深高速公路，線間距9 m～12 m。平面線形從盾構(gòu)接收井出發(fā)后往西南偏西走向，左線由1個(gè)半徑為350 m的平面曲線和2個(gè)半徑為250 m的平面曲線及夾直線組成，右線由1個(gè)半徑為400 m的平面曲線和2個(gè)半徑為250 m的平面曲線及夾直線組成。本區(qū)間隧道由兩分離單洞組成，區(qū)間于TCDK0+234處設(shè)置區(qū)間廢水泵房及聯(lián)絡(luò)通道1座。

本段區(qū)間以2‰的下坡出發(fā)，在TCDK0+280.000處轉(zhuǎn)為25‰的上坡一直進(jìn)入出入場(chǎng)線明挖段，隨后轉(zhuǎn)入盾構(gòu)區(qū)間。隧道埋深9 m～18.5 m。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)踏勘，區(qū)間隧道所在地區(qū)為海沖積平原地貌，地面高程約為3.1 m～5.3 m。隧道頂部覆土約5.5 m～18.8 m。區(qū)間隧道基本穿越淤泥質(zhì)粘性土、中砂、粗砂、礫砂、圓礫土、卵石土、礫質(zhì)粘性土、粉質(zhì)粘土、全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中。隧道結(jié)構(gòu)底部大部分位于淤泥質(zhì)粘性土、中砂、粗砂中。

3 有限元計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

隧道管片受力計(jì)算常采用荷載—結(jié)構(gòu)模型，其荷載來(lái)源為隧道上覆土體及地下水。在考慮土體與結(jié)構(gòu)相互作用關(guān)系同時(shí)，將隧道管片視為完全的承載結(jié)構(gòu)。該計(jì)算模型原理簡(jiǎn)單、計(jì)算方便，不僅可反映隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力變形特點(diǎn)，又可為隧道設(shè)計(jì)和施工提供可靠的參考。依據(jù)管片計(jì)算時(shí)管片接頭的力學(xué)連接方式、接頭的剛度、相鄰管片連接螺栓的荷載傳遞與外荷載分布情況，本計(jì)算采用修正慣用法[4]。

考慮管片接頭影響，進(jìn)行全環(huán)剛度折減后按均質(zhì)圓環(huán)進(jìn)行計(jì)算，水平地層抗力按三角形抗力考慮；計(jì)算結(jié)果考慮管片環(huán)間錯(cuò)縫拼裝效應(yīng)的影響進(jìn)行內(nèi)力調(diào)整。彎曲剛度有效率η=0.8，彎矩增大系數(shù)ε=0.3。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，計(jì)算模型縱向取1 m進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖2)。

基本組合的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1，其他組合結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0。采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，管片襯砌用梁?jiǎn)卧M，襯砌與土體的相互作用用彈簧單元模擬。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5.4 m，隧道外徑為6 m，管片厚度為0.3 m，管片寬度為1.5 m。

3.2 計(jì)算荷載

施加于襯砌頂部的荷載采用垂直土壓力的均布荷載來(lái)考慮。其大小根據(jù)隧道覆土厚度、斷面形式、外徑和圍巖條件決定，如圖3所示。當(dāng)覆土厚度小于隧道外徑時(shí)，一般不考慮地基的土拱效應(yīng)，采用總覆土壓力；當(dāng)覆土厚度大于隧道外徑時(shí)，計(jì)算可采用松弛土壓力來(lái)考慮，一般采用太沙基公式計(jì)算[5]。

根據(jù)太沙基公式計(jì)算所得土柱高度為25 m，設(shè)計(jì)采用實(shí)際覆土高度18.5 m作為計(jì)算土柱高度，水壓按18.5 m計(jì)算，采用水土分算，地層平均密度為1.681 g/cm3，鋼筋混凝土管片密度為2.5 g/cm3，地層側(cè)壓力系數(shù)為0.33，基床系數(shù)未考慮注漿影響，水平基床系數(shù)為300 MPa/m，地面超載P0=25 kPa。主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。此外，盾構(gòu)區(qū)間隧道為7度抗震設(shè)防和6級(jí)人防設(shè)防，經(jīng)計(jì)算，本區(qū)間抗震和人防荷載組合均對(duì)結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算不起主導(dǎo)作用。故只對(duì)基本組合和準(zhǔn)永久組合計(jì)算，不羅列抗震和人防組合計(jì)算[6,7]。

表1 主要計(jì)算參數(shù)一覽表

4 施工階段數(shù)值模擬分析

1)基本組合及位移包絡(luò)圖。

通過(guò)有限元計(jì)算得到管片內(nèi)力和變形圖，包括豎向變形、軸力、剪力和彎矩圖，如圖4所示。

a.由圖4a)，圖4b)可知，受到管片剛度的影響，在上部荷載作用下，管片豎向變形較小，主要集中在隧道拱頂和底部，最大變形產(chǎn)生在隧道拱頂為0.285 mm，隧道底部產(chǎn)生0.117 mm的豎向位移。最大軸力分布在隧道的水平兩側(cè)，達(dá)到1 680 kN，最小軸力位于隧道頂部為1 210 kN。

b.由圖4c)，圖4d)可知，結(jié)構(gòu)的最大剪力為168.81 kN，其位置并不明確，大約在偏離隧道豎向軸線45°的位置，結(jié)構(gòu)的最小剪力為-131.297 kN，大約位于最大剪力沿豎向軸線的對(duì)稱處。同時(shí)在最大剪力位置附近彎矩也出現(xiàn)最大值，達(dá)到185.884 kN·m(外部受拉)。在軟硬不均地層，區(qū)間管片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮彎剪效應(yīng)所帶來(lái)的影響。

2)準(zhǔn)永久組合及位移包絡(luò)圖。

得到準(zhǔn)永久組合管片內(nèi)力和變形圖，包括豎向變形、軸力、剪力和彎矩圖，如圖5所示。

a.由圖5a)，圖5b)可知，在回填混凝土后，隨外荷載變化，整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)豎向變形變化較小，隧道管片的最大變形仍然發(fā)生在拱頂，較基礎(chǔ)組合時(shí)有所減小，達(dá)到0.19 mm，隧道底部的豎向位移為0.084 mm。說(shuō)明管片在此階段處發(fā)生了彈性壓縮變形。隧道管片一直處于縱向壓縮狀態(tài)，軸力為負(fù)。最大軸力分布在隧道的水平兩側(cè)，達(dá)到1 150 kN。最小軸力位于隧道頂部為821.243 kN。

b.由圖5c)，圖5d)可知，在準(zhǔn)永久荷載組合下，結(jié)構(gòu)的最大剪力由168.81 kN減小至119.67 kN，其分布位置仍然在大約偏離隧道豎向軸線45°處。最小剪力絕對(duì)值由131.297 kN減小至93.078 kN，最大、最小剪力下降比均為29.10%。最大彎矩分布在水平靠上的位置，由185.884 kN·m減小至132.524 kN·m，最小彎矩分布在隧道管片拱頂處，其絕對(duì)值由175.914 kN減小至124.769 kN。

5 結(jié)語(yǔ)

1)隧道襯砌由基本組合階段到準(zhǔn)永久組合階段，隨著荷載的減小，軸力、剪力、彎矩等各項(xiàng)指標(biāo)均在減小，但各指標(biāo)的減小幅度均不相同。

2)基礎(chǔ)荷載組合下，最大軸力位于隧道兩側(cè)，最小軸力位于隧道頂部；最大剪力位置不明確，大約在偏離隧道豎向軸線45°處，而最大彎矩也出現(xiàn)在該位置，因此，對(duì)于軟硬不均地層的隧道設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮彎剪效應(yīng)帶來(lái)的影響。

3)準(zhǔn)永久荷載組合下，最大軸力、剪力、彎矩出現(xiàn)的位置均未發(fā)生變化，其量值逐步減小，下降比分別達(dá)到31.55%，29.10%，28.71%。沉降變形由拱頂向下逐步減小。說(shuō)明在準(zhǔn)永久荷載組合下，盾構(gòu)隧道更加安全，其內(nèi)力和變形均較大程度減小。