曾格華

(深圳市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心 深圳 518035)

建成于上世紀(jì)90年代的上海地鐵1號(hào)線為長三角及華南沿海地區(qū)的第一條城市軌道交通線路，其區(qū)間盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5.5 m，此后，同樣軟土地層大量分布的南京、杭州、蘇州、廣州及深圳等城市借鑒上海地鐵1號(hào)線相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，其軌道交通盾構(gòu)隧道內(nèi)徑大多采用5.4 m或5.5 m。

上海地鐵多年監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)表明，軟土地層中盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形明顯[1-2]。目前，結(jié)構(gòu)收斂變形的治理一般采用內(nèi)張鋼圈及微擾動(dòng)注漿的綜合措施[3]，但內(nèi)張鋼圈需占用隧道斷面空間，且隨著客流量的增大，通行列車的大型化也使得區(qū)間隧道設(shè)計(jì)斷面界限空間已明顯不足，隧道內(nèi)徑亟須擴(kuò)大。

本文以杭紹城際鐵路地下盾構(gòu)段為研究對(duì)象，針對(duì)擴(kuò)大內(nèi)徑后的盾構(gòu)隧道管片環(huán)結(jié)構(gòu)安全性開展研究，以期為工程設(shè)計(jì)及運(yùn)營維護(hù)提供參考。

1 工程概況

杭紹城際鐵路地下盾構(gòu)段管片環(huán)結(jié)構(gòu)組成見圖1。其管片環(huán)結(jié)構(gòu)包括1塊封頂塊(F，20°)、2塊鄰接塊(L，68.75°)，以及3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B，67.5°)組成，全線以錯(cuò)縫拼裝為主。管片環(huán)內(nèi)徑5 900 mm，管片厚度350 mm，采用C55混凝土預(yù)制，環(huán)內(nèi)縱縫接頭均布設(shè)有2根M30彎螺栓，環(huán)間環(huán)縫接頭由16根6.8級(jí)M30彎螺栓連接。

圖1 杭紹城際盾構(gòu)隧道管片環(huán)結(jié)構(gòu)組成

隧道平均埋深15 m，穿越地層主要為淤泥質(zhì)黏土，參照地勘資料，土體主要參數(shù)見表1。

表1 隧道穿越地層及其土體參數(shù)

2 管片環(huán)結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

2.1 工況設(shè)置及計(jì)算模型

考慮土層差異，管片環(huán)共有淺埋、中埋、深埋及超深埋等4種設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)應(yīng)覆土深度范圍為≤11，>11～15，>15～22 m，以及>22 m，據(jù)此設(shè)置4種計(jì)算工況，見表2。

表2 各工況隧道埋深及穿越土層土體參數(shù)

結(jié)構(gòu)計(jì)算根據(jù)修正慣用法模型，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)解析方法[4]，其中，管片環(huán)彎曲剛度有效率η及彎矩提高率ζ分別取值0.8，0.3[5]，考慮水土合算[6]，對(duì)淺埋、中埋、深埋及超深埋等4種工況的管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形及管片裂縫等特征進(jìn)行安全性復(fù)核計(jì)算。4種工況管片初步配筋方案見表3。

表3 各工況管片配筋方案

管片環(huán)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及外荷載系統(tǒng)見圖2。

q-上覆土自重，平均重度18.3 kN/m3；e1-拱頂高度處水平土壓力；e2-拱底高度處水平土壓力；g-管片環(huán)自重，混凝土重度25 kN/m3；K-下部豎直荷載，K=q+g；Ph-土層土體水平抗力，Ph =k·ΔD；k-土體水平抗力系數(shù)，管片環(huán)水平直徑收斂變形量ΔD采用多次迭代逼近確定。

2.2 計(jì)算結(jié)果

1) 結(jié)構(gòu)內(nèi)力及強(qiáng)度復(fù)核。外荷載采用基本組合，其中永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取值1.35，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取值1.4。管片主截面受力分析圖見圖3，接頭截面受力分析圖見圖4。經(jīng)計(jì)算，管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況匯總于表4。

表4 管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

圖3 管片主截面受力分析圖

圖4 接頭截面受力分析圖

基于平截面假定[7]，由管片及接頭截面受力及彎矩平衡條件，可計(jì)算得到一定內(nèi)力作用下的管片截面混凝土及鋼筋受力狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 環(huán)內(nèi)各截面受力狀態(tài)

由表5可知，管片最大正負(fù)彎矩截面及接頭截面的混凝土及鋼筋均受力正常，即各截面處于安全狀態(tài)。

2) 管片環(huán)變形及管片裂縫寬度復(fù)核。變形及裂縫寬度復(fù)核計(jì)算中，外荷載采用準(zhǔn)永久組合，其中永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取值1.0，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取值1.0。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 各工況管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形

由表6計(jì)算結(jié)果可知，各工況收斂變形量均小于設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)0.3%D(D為管片環(huán)外徑)，管片最大裂縫寬度均小于0.2 mm的控制值[8]。

3 管片環(huán)結(jié)構(gòu)安全敏感性分析

盾構(gòu)隧道管片環(huán)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，同時(shí)，其賦存內(nèi)外環(huán)境多變，對(duì)其自身結(jié)構(gòu)及外荷載各參數(shù)變化引起的管片環(huán)結(jié)構(gòu)受力變形特征進(jìn)行敏感性分析，可量化各因素的影響，據(jù)此可制定優(yōu)化結(jié)構(gòu)安全的技術(shù)措施。

3.1 土體水平抗力影響

同時(shí)考慮施工擾動(dòng)程度及隧道賦存土層土體特性的差異，對(duì)土體水平抗力系數(shù)設(shè)定多種取值進(jìn)行分析工況的設(shè)置。

根據(jù)勘察報(bào)告，隧道典型穿越土層為③-1淤泥質(zhì)黏土，其水平抗力系數(shù)原位測試值為20 MN/m3，該土體受施工擾動(dòng)影響大。考慮盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工過程中刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)及管片背后高壓注漿導(dǎo)致該土層土體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，設(shè)置5種計(jì)算分析工況，對(duì)各工況條件下的管片環(huán)內(nèi)力及變形特征進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 各工況管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形

根據(jù)表7可得相應(yīng)結(jié)論如下。

1) 水平抗力的增加可同時(shí)減小環(huán)內(nèi)最大正負(fù)彎矩值，即在水平抗力系數(shù)取值較小的3 000 kN/m3時(shí)，相比不考慮水平抗力，管片環(huán)內(nèi)最大正負(fù)彎矩值分別減小10.6%及13.9%，當(dāng)水平抗力系數(shù)取接近設(shè)計(jì)推薦值的15 000 kN/m3時(shí)，管片環(huán)內(nèi)最大正彎矩值分別減小34.1%及44.6%。由此可見，管片環(huán)水平抗力是增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)受力合理性的有利因素，管片環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮土體水平抗力，同時(shí)，盾構(gòu)隧道施工方案的制定及施工過程的操作中應(yīng)采取相應(yīng)措施盡量減少和避免對(duì)隧道周邊土層土體的擾動(dòng)。

2) 相比結(jié)構(gòu)受力，土體水平抗力對(duì)管片環(huán)收斂變形量的影響更為顯著。當(dāng)水平抗力系數(shù)取3 000 kN/m3及15 000 kN/m3時(shí)，管片環(huán)收斂變形量相比無水平抗力情況分別減小13.1%及41.9%，顯然，保證水平抗力是控制管片環(huán)收斂變形量的一項(xiàng)重要手段。

3.2 埋深土層側(cè)壓力系數(shù)影響

埋深土層土體類型的差異導(dǎo)致其側(cè)土壓力系數(shù)變化明顯，同時(shí)，同一土層的不同勘察點(diǎn)得到的該參數(shù)亦可能存在較大波動(dòng)范圍。對(duì)管片環(huán)考慮土體水平抗力，對(duì)其水平向荷載中的側(cè)土壓力系數(shù)設(shè)定多個(gè)取值。

隧道穿越土層類型眾多，根據(jù)勘察報(bào)告，設(shè)定土體側(cè)壓力系數(shù)λ取值范圍為0.3～0.8，計(jì)算分析工況設(shè)置及其計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 各工況管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形

由上述各工況計(jì)算結(jié)果可知，管片環(huán)內(nèi)最大正負(fù)彎矩值及收斂變形量隨埋深土層側(cè)壓力系數(shù)值的增加而線性減小，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)每增加0.1，最大正負(fù)彎矩及收斂變形值減小約17%。顯然，側(cè)土壓力為管片環(huán)結(jié)構(gòu)受力變形的有利因素，諸如基坑開挖的土體卸載等工程活動(dòng)對(duì)管片環(huán)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)影響明顯，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)營期健康監(jiān)護(hù)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)的制定須考慮相關(guān)不利工況的影響，并嚴(yán)格限制隧道周邊相關(guān)工程活動(dòng)的間距及規(guī)模。

3.3 錯(cuò)縫拼裝形式、環(huán)間搭接量及接頭構(gòu)造等影響

埋深土層土體抗力系數(shù)不變，考慮錯(cuò)縫拼裝形式、環(huán)間凹凸榫尺寸，以及接頭構(gòu)造(包括螺栓孔高度、螺栓等級(jí)及螺栓有效長度等)等因素的差異對(duì)管片環(huán)整體抗彎剛度的影響，對(duì)彎曲剛度有效率設(shè)定多個(gè)取值，并分別對(duì)應(yīng)設(shè)置其彎矩增大系數(shù)后，設(shè)定各計(jì)算工況見表9。

表9 各工況相關(guān)參數(shù)

表10 各工況管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形

由上述計(jì)算結(jié)果可知，管片環(huán)錯(cuò)縫拼裝形式、環(huán)間搭接量及接頭構(gòu)造等因素的差異對(duì)管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響較小(彎曲剛度系數(shù)取值0.5及0.8時(shí)，管片環(huán)內(nèi)最大正負(fù)彎矩值相差不足10%)，但管片環(huán)收斂變形量變化較大，彎曲剛度系數(shù)取值0.5，管片環(huán)收斂變形量相比其取值0.8時(shí)增長約50%。因此，設(shè)計(jì)方案中選擇錯(cuò)縫拼裝形式時(shí)，接頭方位盡量靠近彎矩較小的45°區(qū)域，環(huán)間搭接量即凹凸榫槽的尺寸較大，接頭螺栓加強(qiáng)及正負(fù)彎矩接頭的螺栓分別采用內(nèi)外側(cè)布設(shè)等措施可有效地減小管片環(huán)的收斂變形量。

3.4 管片厚度對(duì)管片環(huán)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的敏感性分析

同樣采用考慮土層水平抗力的計(jì)算模型，對(duì)管片厚度、外徑變化等因素引起的管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形特征變化規(guī)律進(jìn)行分析。

表11 各工況相關(guān)參數(shù)

表12 各工況管片環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形

管片厚度增加，管片環(huán)結(jié)構(gòu)剛度增加，同時(shí)，管片環(huán)外徑增大，因此其外荷載亦有增大，管片環(huán)內(nèi)最大正負(fù)彎矩值均有小幅增加(增幅約為5%)，收斂變形隨管片厚度的增大而減小，梯度約為10%。

4 結(jié)語

以杭紹城際鐵路地下段盾構(gòu)隧道為實(shí)例，針對(duì)擴(kuò)大內(nèi)徑后的管片環(huán)，首先復(fù)核其常規(guī)工況下的結(jié)構(gòu)安全，認(rèn)為：擴(kuò)大內(nèi)徑后，管片環(huán)結(jié)構(gòu)在常規(guī)工況條件下能夠滿足安全性要求。然后對(duì)其在多種特定工況條件下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比后建議如下。

1) 施工方案的制定及實(shí)際操作中應(yīng)采取措施避免和減少對(duì)隧道周邊土層的擾動(dòng)。

2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)營期監(jiān)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的制定須考慮特定工況，并嚴(yán)格限制隧道周邊相關(guān)工程活動(dòng)的間距及規(guī)模。

3) 設(shè)計(jì)方案中，將接頭盡量布設(shè)在45°區(qū)域、增大環(huán)間搭接量、接頭螺栓加強(qiáng)及采用雙排螺栓等措施可有效地減小管片環(huán)的收斂變形量。

4) 增大管片厚度可在一定程度上減小管片環(huán)收斂變形，經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選后，可適當(dāng)增大管片厚度。