劉亞輝

廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510030

1 概述

地鐵因其特殊屬性，往往修建在人員密集的繁華區(qū)域，這些區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，施工場地不開闊，因此區(qū)間隧道大多采用盾構(gòu)法和暗挖法修建。

在地鐵車站出入口等隧道長度較短部分，淺埋暗挖法相對于盾構(gòu)法具有造價低和施工難度低等優(yōu)勢。淺埋暗挖法是以“新奧法”為基礎(chǔ)，針對中國特點及水文地質(zhì)系統(tǒng)創(chuàng)造性提出來的，其核心特點是“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”［1］。

當(dāng)前，淺埋暗挖法廣泛應(yīng)用于全國各地，國內(nèi)雖然對地鐵隧道暗挖法斷面形式進行了一定的研究［2］，但主要是針對區(qū)間工程的，缺乏對出入口采用淺埋暗挖法合理斷面形式的研究。因此，在設(shè)計施工時，工程人員往往采用工程類比法或經(jīng)驗法，具有一定的盲目性，而斷面設(shè)計的合理性，關(guān)乎隧道工程的安全性及經(jīng)濟性。因此，本文以某地鐵車站出入口暗挖段為工程依托，研究不同斷面形式在變形、受力、經(jīng)濟性等方面的差異。

2 工程概況

2.1 地鐵車站出入口暗挖段工程概況

某地鐵車站出入口暗挖段總長13.29 m，覆土厚度為5.15 m，地下水埋深大致位于地面以下12.4 m處，隧道底板頂埋深為11.5 m，設(shè)計暗挖段預(yù)留變形量100 mm。支護方式采用超前小導(dǎo)管+初期支護（格柵鋼架+噴射混凝土）+防水層+二次襯砌（C35 模筑混凝土）的復(fù)合式襯砌。

根據(jù)勘察報告，本項目場地較為平坦，地表分布有厚度不均的雜填土和素填土，其下為黏質(zhì)粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、細砂、鈣質(zhì)膠結(jié)等地層。

2.2 常見出入口暗挖段隧道斷面形式

地鐵車站出入口采用淺埋暗挖法施工時，當(dāng)前常見的兩種斷面形式為：

直仰拱斷面：斷面仰拱處設(shè)計為平直段，可以減少開挖土方量，且便于施工；缺點是容易造成應(yīng)力集中，受力不如曲仰拱斷面好（圖1、圖2）。

圖1 直仰拱斷面

圖2 直仰拱斷面模型

曲仰拱斷面：斷面仰拱處向下彎矩起拱，盡可能將隧道斷面做成環(huán)狀，受力較好；缺點是土方開挖量較直仰拱斷面有所增加（圖3、圖4）。

圖3 曲仰拱斷面

圖4 曲仰拱斷面模型

3 數(shù)值模擬分析

為準確把握兩種斷面形式在工程安全性、經(jīng)濟性方面的差異，本文采用MIDAS-GTS NX 有限元分析軟件，對兩種斷面形式進行對比分析。

3.1 計算假定

本次研究采用地層結(jié)構(gòu)法，為便于計算，做如下假定：

1）本研究僅針對不同斷面形式的差異，因此超前小導(dǎo)管、管棚等超前支護結(jié)構(gòu)不作為變量。為簡化計算，不考慮設(shè)置超前支護結(jié)構(gòu)；

2）隧道圍巖按均值彈塑性體考慮，材料力學(xué)特性假定遵循Drucker-Prager 屈服準則［3］，按平面應(yīng)變單元考慮，土層厚度、彈性模型、粘聚力和摩擦角根據(jù)勘察資料確定；

3）二次襯砌設(shè)置彈性結(jié)構(gòu)單元，采用平面應(yīng)變單元模擬。二次襯砌采用C35 模筑混凝土，彈性模量取31.5×104MPa；

4）噴射混凝土設(shè)置彈性結(jié)構(gòu)單元，采用梁屬性，實心矩形截面，截面高度按初期支護厚度350 mm 選取，寬度按每延米設(shè)置；

（5）鋼架不單獨設(shè)置結(jié)構(gòu)單元，采用等效折減的方式將其彈性模量和重度折算進噴射混凝土，組成型鋼混凝土結(jié)構(gòu)［4］。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的等效模量和等效重度計算方法參考《組合結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（JGJ 138—2016）》［5］中的規(guī)定，詳見式（1）和式（2）。

式中：E為型鋼混凝土等效彈性模量，kN/m2；

Eg為型鋼彈性模量，kN/m2；

Ag為型鋼截面積，m2；

Eh為噴射混凝土彈性模量，kN/m2；

A為總截面積，m2。

式中：γ為型鋼混凝土等效重度，kN/m2；

γg為型鋼重度，kN/m2；

γh為噴射混凝土重度，kN/m2。

3.2 模擬計算步驟

本工程暗挖段采用CD 法施工，共涉及11 個施工階段，依次為：1）初始地應(yīng)力；2）左側(cè)上導(dǎo)開挖；3）左側(cè)上導(dǎo)支護（包括上部臨時支護）；4）左側(cè)下導(dǎo)及左側(cè)仰拱開挖；5）左側(cè)下導(dǎo)及左側(cè)仰拱支護（包括下部臨時支護）；6）右側(cè)上導(dǎo)開挖；7）右側(cè)上導(dǎo)支護；8）右側(cè)下導(dǎo)及右側(cè)仰拱開挖；9）右側(cè)下導(dǎo)及右側(cè)仰拱支護；10）拆除臨時支護；11）施作二襯。此外，每個開挖+支護循環(huán)均采用0.6+0.4的釋放荷載系數(shù)。

3.3 數(shù)值模型的建立

模型左右邊界各取3 倍毛洞開挖跨徑，下邊界取3倍毛洞開挖高度，上部邊界統(tǒng)一取至地表。隧道輪廓線網(wǎng)格劃分尺寸控制為0.5 m，圍巖網(wǎng)格劃分尺寸控制為1 m，建立模型及網(wǎng)格劃分見圖3、圖4。直仰拱斷面模型共建立1528 個單元，曲仰拱斷面模型共建立1542個單元。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.4.1 變形分析

兩種斷面數(shù)值模擬變形見圖5、圖6，圖中分別標注了在施作二襯后，隧道斷面拱頂沉降、仰拱隆起以及拱腳收斂等節(jié)點數(shù)據(jù)，并將圖中變形量進行統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

圖5 直仰拱斷面數(shù)值模擬隧道變形云圖（單位:mm）

圖6 曲仰拱斷面數(shù)值模擬隧道變形云圖（單位:mm）

表1 變形量統(tǒng)計單位:mm

由圖5、圖6 及表1 可知，兩種斷面在拱頂沉降和拱底隆起部分變形相差不大，但是在拱腳收斂的控制上，直仰拱斷面比曲仰拱斷面收斂變形多14.8 mm，占比達到了59.6%（相對曲仰拱斷面而言），相差較大。

綜上所述，兩種斷面在控制隧道斷面豎向變形上相差不大，但是在控制隧道斷面橫向變形上，相差較大，曲仰拱斷面比直仰拱斷面對收斂變形的控制更好。

3.4.2 初期支護受力分析

比較兩種斷面初期支護鋼架軸力圖和彎矩圖，見圖7、圖8，并統(tǒng)計圖中受力值，結(jié)果見表2。

圖7 直仰拱斷面數(shù)值模擬初期支護受力云圖

圖8 曲仰拱斷面數(shù)值模擬初期支護受力云圖

表2 初期支護內(nèi)力值統(tǒng)計

由圖7、圖8 及表2 可知，兩種斷面形式初期支護的受力特性相似，軸力、彎矩分布規(guī)律也基本一致。

從初期支護軸力來看，兩種斷面形式在拱頂、拱腰處相差不大，差值最大處為拱頂（19 kN），占比僅為0.92%（相對曲仰拱斷面而言）。但在仰拱處，差值23 kN雖然不大，但占比達到了40.3%（相對曲仰拱斷面而言），所以在仰拱處初期支護軸力影響不可忽略。

對于初期支護彎矩來說，特別是拱頂和仰拱處，曲仰拱斷面較直仰拱斷面小得多，占比分別達到了60%（相對曲仰拱斷面而言）和23.2%（相對曲仰拱斷面而言），而仰拱處也是隧道斷面彎矩最大處，對整個隧道的安全性起到至關(guān)重要的作用。

綜上所述，可以認為曲仰拱斷面較直仰拱斷面初期支護受力更好，更安全。

3.4.3 二次襯砌受力分析

兩種斷面二次襯砌受力見圖9、圖10，統(tǒng)計圖中受力值，結(jié)果見表3。

由圖9、圖10 及表3 可知，整體來看，兩種斷面形式二次襯砌的受力特性相似，與直仰拱斷面相比，曲仰拱斷面各部位二次襯砌受力值均較小。

圖9 直仰拱斷面數(shù)值模擬二次襯砌受力云圖

圖10 曲仰拱斷面數(shù)值模擬二次襯砌受力云圖

表3 二次襯砌內(nèi)力值統(tǒng)計單位：kPa

二次襯砌在豎向上均是在拱頂處達到受力最大值，此處兩斷面相差56 kPa，但相對于此處內(nèi)力值而言，占比僅為18.9%（相對曲仰拱斷面而言）。在仰拱處，雖然差值為35 kPa，但占比達到了51.5%（相對曲仰拱斷面而言），可見，斷面形式的不同，導(dǎo)致兩斷面二次襯砌在仰拱處豎向上受力相差較大，近似圓弧狀的仰拱受力更好。

二次襯砌均在兩側(cè)拱腰處達到橫向受力最大值，兩側(cè)拱腰處差值分別為92 kPa 和88 kPa，相對于此處內(nèi)力值而言，占比分別為65.7%（相對曲仰拱斷面而言）和61.5%（相對曲仰拱斷面而言），可見，斷面形式的不同，導(dǎo)致兩斷面二次襯砌在兩側(cè)拱腰處橫向上受力相差較大，曲仰拱斷面受力更好。

4 經(jīng)濟性對比

對于工程而言，受力和安全性是至關(guān)重要的一方面，但是經(jīng)濟性也是不容忽視的特點。直仰拱斷面雖然內(nèi)力值較曲仰拱斷面大，但是開挖土方量少，二次襯砌用混凝土量也少，經(jīng)濟性上的優(yōu)勢不可忽略。

將兩種斷面主要工程量差值（曲仰拱斷面-直仰拱斷面）進行統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

由表4 可知，暗挖段隧道采用兩種不同斷面每延米造價相差6061.18 元，對于地鐵車站出入口來說，通常暗挖段長度較短，以本工程為例，暗挖段為13.29 m，工程造價相差約80564 元，對于地鐵出入口工程造價來說，差距較小，可以忽略不計。

表4 每延米工程量差值統(tǒng)計

5 結(jié)語

本文以某地鐵車站出入口暗挖段隧道為依托，利用數(shù)值分析的方法，研究了淺埋暗挖法在地鐵車站出入口短隧道應(yīng)用時不同斷面形式在變形、受力以及經(jīng)濟性等方面的差異，得出了以下結(jié)論：

1）兩種斷面形式在控制豎向變形方面相差不大，但曲仰拱斷面控制收斂變形較好。

2）在同等條件下，曲仰拱斷面的初期支護、二次襯砌受力更好，安全性更好。

3）兩種斷面在工程造價上存在差異，但對于地鐵車站出入口短距離暗挖段來說，兩者的差距同整個工程造價相比，差距不明顯。

綜上，在地鐵車站出入口短距離暗挖段設(shè)計施工時，推薦采用曲仰拱的斷面形式。