方 濤

［上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

目前國內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道普遍采用凍結(jié)法預(yù)先對開挖土體及周邊區(qū)域進行加固，然后采用礦山法開挖。國內(nèi)針對凍結(jié)法開挖聯(lián)絡(luò)通道已有深入研究，且形成了一套完備的施工流程[1]。在地質(zhì)條件允許的情況下，國內(nèi)工程界也采用其他預(yù)支護方法，例如注漿[2-4]、豎井[5]、管棚導(dǎo)管[6]、深層攪拌加固[7]等。但是，礦山法存在工期長、施工環(huán)境惡劣、質(zhì)量隱患等問題。

為了提高聯(lián)絡(luò)通道施工安全性，國內(nèi)外相繼進行了聯(lián)絡(luò)通道機械掘進的研究。2000 年左右，上海和南京地鐵在地質(zhì)條件較好的區(qū)間嘗試采用矩形頂管法來修建聯(lián)絡(luò)通道[8-13]；廣州采用組合式盾構(gòu)施工地鐵某車站聯(lián)絡(luò)通道[14]。近年來，無錫和寧波地鐵相繼嘗試掘進機施工聯(lián)絡(luò)通道[15-16]；香港屯門至赤鱲角連接線工程實現(xiàn)了復(fù)雜地層條件下的頂管法施工聯(lián)絡(luò)通道[17]。

現(xiàn)有的機械法聯(lián)絡(luò)通道多采用混凝土襯砌或鋼混復(fù)合襯砌。襯砌厚度影響主線隧道開口率，開口率過大不利于隧道的整體受力性能。

市域鐵路工程盾構(gòu)段埋深較大，部分聯(lián)絡(luò)通道位于承壓水層中。為保障施工安全，應(yīng)采用機械式頂管法修建聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道擬采用無加勁肋鋼管節(jié)，既滿足逃生需求，又控制主線隧道開口率。本文采用數(shù)值分析方法，確定管節(jié)厚度，并利用現(xiàn)行國家給排水工程規(guī)范來驗證管節(jié)穩(wěn)定性。

1 背景簡介

市域鐵路功能介于國鐵與地鐵之間，是地鐵與國鐵銜接的紐帶。機場聯(lián)絡(luò)線是上海城市總體規(guī)劃確定的市域鐵路的重要組成部分。上海市擬建的市域鐵路機場聯(lián)絡(luò)線工程盾構(gòu)段采用外徑9 m、厚度0.45 m 混凝土管片襯砌，如圖1 所示。

圖1 主線盾構(gòu)隧道示意圖（單位：mm）

我國現(xiàn)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157—2013）規(guī)定，2 條單線區(qū)間隧道之間長度達到一定時，需要設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，用于消防疏散。相比較于地鐵，市域鐵路的載客量更大，運行速度更快，對疏散要求更高。針對自身特點，設(shè)計單位制定滿足消防需求的消防通道截面尺寸，如圖2 所示。為了滿足雙向逃生門的布置需求，聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)徑不能小于3.9 m。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道通道建筑限界（單位：mm）

2 模型建立

2.1 模型簡化

在一般頂管計算中，忽略縱向受力和變形，采用二維平面應(yīng)變分析。本文采用水土分算形式的梁-彈簧計算模型研究聯(lián)絡(luò)通道受力特性，如圖3 所示。圖中：H 為聯(lián)絡(luò)通道埋深；H0為地下水位埋深；H1為頂部水頭高度；q1為垂直土壓力；q2為拱背土壓力；e1' 為隧道頂部土側(cè)壓力；e2' 為隧道底部土側(cè)壓力；g為隧道自重；kn為單位面積內(nèi)等效地基土彈簧系數(shù)；pw為外部水壓力；R 為聯(lián)絡(luò)通道半徑?？紤]到聯(lián)絡(luò)通道最不利的埋置深度，聯(lián)絡(luò)通道計算埋深H=55 m。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道計算模型

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報告，計算聯(lián)絡(luò)通道處的土層分布如圖4 所示。其中⑦2層灰黃～灰色粉砂層天然含水量22.9%，天然孔隙比ε=0.646，滲透系數(shù)4.86 m/d，側(cè)壓力系數(shù)K0=0.3，地層抗力系數(shù)為59 400 kN/m3。根據(jù)承壓水長期觀測結(jié)果，該層水頭埋深6 m 左右，相應(yīng)標高為-1 m，即H0=1 m。

2.3 模型參數(shù)

圖4 地質(zhì)條件（左側(cè)數(shù)字為地層相對標高，右側(cè)數(shù)字為地層絕對標高；單位：m）

由前述，統(tǒng)一假定隧道頂部上覆土厚度55 m，地下水水位位于地表下1 m，地表超載20 kPa。不考慮土層起拱效應(yīng)，地層的側(cè)壓力系數(shù)為0.3，地層抗力系數(shù)為59 400 kN/m3。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，選用鋼管節(jié)厚度50 mm、55 mm、60 mm、65 mm、70 mm 共5 組鋼管節(jié)，模型編號為No.1～No.5。計算采用單位管節(jié)環(huán)寬（1 m）。

忽略管節(jié)厚度引起的襯砌軸線變化，則5 組計算模型的通用參數(shù)如下：垂直土壓力q1=504 kPa；拱背最大土壓力q2max=19.4 kPa；拱頂水壓力qwot=540 kPa；拱底水壓力qwob=580kPa；拱頂側(cè)向土壓力e1=151.2 kPa；拱底側(cè)向土壓力 e2=162.8 kPa。鋼材統(tǒng)一選用Q345號鋼，考 慮材料的抗壓強度設(shè)計值為280 MPa，彈性模量206 000 MPa。

2.4 計算模型建立

根據(jù)模型簡化，鋼管節(jié)采用梁單元簡化，為了方便施加外荷載和地基彈簧，將管節(jié)等圓心角剖分為360 個單元。Ansys 計算模型如圖5 所示。

對于梁單元，外部土壓力荷載需分配到單元節(jié)點上，在施加前計算合力并分解到x、y 方向。水壓力的施加采用面荷載的方式。其外部荷載如圖6 所示。為了盡量反映隧道的收斂變形情況，只在隧道拱頂和拱底處施加x 方向約束。

鋼材近似理想彈塑性材料，鋼管節(jié)計算截面為矩形，且截面高度較小。本次計算中采用彈性模型模擬鋼材，將塑性發(fā)展作為安全儲備。

圖5 Ans ys 計算模型

圖6 外荷載示意圖

3 結(jié)果分析

鋼管設(shè)計過程中，根據(jù)兩方面判別設(shè)計厚度的合理性：一方面是材料的受力性能，另一方面是管節(jié)整體收斂變形。依據(jù)計算結(jié)果，5 種模型的受力和變形的規(guī)律基本一致。圖7 所示為No. 1 模型鋼頂管的y 向變形、軸力、彎矩圖。

由圖7 可知：由于采用水土分算模型，考慮承壓水影響，管節(jié)彎矩偏小，在拱頂和拱底處呈現(xiàn)內(nèi)側(cè)受拉，在拱腰處呈現(xiàn)外側(cè)受拉。管節(jié)的軸向力較大，且全周都處于受壓狀態(tài)。管節(jié)整體下沉，拱頂位移大于拱底位移，收斂變形呈現(xiàn)“橫鴨蛋”型。

表1 給出了5 種厚度鋼管節(jié)的計算結(jié)果。由表1 可知，鋼管在外荷載作用條件下，主要承受軸壓力。5 組模型中鋼管節(jié)都處于小偏心受壓狀態(tài)。利用壓彎構(gòu)件計算方法，不考慮塑性發(fā)展變形，則5 組模型鋼頂管截面正應(yīng)力最大值如表2 所示。由表2 可知，5 組模型正截面應(yīng)力遠遠沒有達到材料強度，計算情況均滿足條件。需要考察隧道收斂變形和局部屈曲情況。

圖7 工況No.1 計算結(jié)果

表1 5 種工況計算結(jié)果

相對于混凝土圓頂管0.3%D（D 為混凝土圓頂管直徑）的變形要求，在現(xiàn)行規(guī)范層面，尚未有對圓形鋼頂管收斂變形的明確要求。根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》（DG/T J08-212—2013）附錄H 中規(guī)定，盾構(gòu)段及連接通道橫斷面的相對變形允許值，取值范圍為0.3%～0.5%。本次計算中選取0.5%作為收斂變形限值。

表1 還統(tǒng)計了5 種厚度鋼管節(jié)的收斂變形情況。由表1 可知，隨著管節(jié)厚度增加，管節(jié)剛度增大，收斂變形減小。當厚度為60 mm 時，鋼管收斂變形已經(jīng)小于0.5%限值。

表2 5 種工況截面最大正應(yīng)力

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還需要考慮局部屈曲導(dǎo)致的鋼管節(jié)承載能力下降情況。根據(jù)中國工程建設(shè)協(xié)會標準《給水排水工程工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246：2008）8.3 節(jié)對管節(jié)臨界壓力的驗算，計算結(jié)果顯示60 mm 的管節(jié)厚度，在考慮腐蝕條件下，仍然能夠滿足管壁穩(wěn)定性的要求。

根據(jù)上述分析，鋼頂管厚度選取60 mm。相比于厚400 mm 的混凝土管節(jié)和鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)管節(jié)，采用鋼管節(jié)能夠有效降低主線盾構(gòu)隧道的開口率。

4 結(jié) 論

（1）考慮水土分算計算模型，在承壓水影響下，管節(jié)彎矩偏小，軸壓力較大，管節(jié)截面處于小偏心狀態(tài)。5 組模型的截面強度計算均能夠滿足設(shè)計要求。

（2）5 組模型的隧道變形均呈現(xiàn)“橫鴨蛋”型。在現(xiàn)行規(guī)范中，暫無對鋼頂管收斂變形限值規(guī)定。本文根據(jù)工程經(jīng)驗和其他相關(guān)規(guī)定，選取0.5%D 作為限值。

（3）為了滿足0.5%D 限值的收斂變形，管節(jié)的厚度需要60 mm。

（4）利用給排水相關(guān)規(guī)范驗算鋼管屈曲變形性能。計算結(jié)果表明，在考慮腐蝕條件下，60 mm 能夠滿足管節(jié)穩(wěn)定性要求。

（5）根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，在本文相同設(shè)計條件下，混凝土管節(jié)和鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)管節(jié)的厚度一般為300～400 mm。采用鋼管節(jié)能夠有效降低主線盾構(gòu)隧道的開口率。