唐偉慶
(深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心,廣東深圳 518000)
盾構(gòu)法是地下隧道暗挖法施工中的一種[1],即是用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工建造隧道的方法。盾構(gòu)法具有噪音、振動引起的公害小,且不影響地面交通;施工人員較少、勞動強度低且生產(chǎn)效率高;適宜于建造覆土較深的隧道;施工不受風(fēng)雨等氣候條件影響[2]等優(yōu)點。盾構(gòu)隧道是由管片通過螺栓連接而成的裝配式結(jié)構(gòu)[3],管片是隧道的長期受載體,其計算方法對隧道的安全運營至關(guān)重要[4]。
目前盾構(gòu)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)設(shè)計的模型主要有經(jīng)驗類比模型、荷載結(jié)構(gòu)模型[5]、地層結(jié)構(gòu)模型[6]、收斂限制模型[7]4種模型。當(dāng)前國內(nèi)外盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計計算主要以荷載結(jié)構(gòu)模型為主[8]。根據(jù)計算過程中對土層抗力和管片接頭處理方法不同,荷載結(jié)構(gòu)計算方法又分為慣用法、修正慣用法[9]、多鉸圓環(huán)法[10]和梁-彈簧模型法[11]等4種計算方法。隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,目前基于數(shù)值模擬方法越來越廣泛的應(yīng)用于盾構(gòu)隧道管片受力研究。常用的數(shù)值方法包括:有限單元法,邊界元法,離散元法,有限差分法[12]。相較與傳統(tǒng)方法,數(shù)值方法具有方便、靈活和經(jīng)濟(jì)等特點[13]。
春風(fēng)隧道線路由西向東經(jīng)過許多重要道路,沿線微地貌發(fā)育,主要發(fā)育海陸相沖洪積平原、灘涂、低臺地及其間溝谷地貌。沿線地形稍有起伏,標(biāo)高在-2~8.5 m間變化。針對線路情況在ZK0+837到ZK4+437共3 600 m的線路段采用盾構(gòu)法開挖隧道。為保證隧道施工過程的順利進(jìn)行,必須對春風(fēng)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,確保其達(dá)到預(yù)期的工程條件。本文襯砌管片的內(nèi)力計算在正常使用階段按自由變形的彈性均質(zhì)圓環(huán)和梁-彈簧模型進(jìn)行設(shè)計,施工階段以考慮襯砌與地層共同作用和接頭影響的彈性鉸圓環(huán)進(jìn)行復(fù)核。
春風(fēng)隧道工程西起濱河大道上步立交東側(cè),由西往東布線。隧道起點至鹿丹村段沿現(xiàn)狀濱河大道地下通行,過了鹿丹村位向南偏,下穿深圳火車站及地鐵1號線后沿深圳河與沿河路之間區(qū)域向東,終止于新秀立交西側(cè),隧道總平面如圖1所示。
圖1 春風(fēng)隧道總平面
春風(fēng)隧道全線為雙向四車道,采用上下疊層結(jié)構(gòu)布置形式。自西向東,隧道分別由西側(cè)隧道敞開引道段+西側(cè)明挖暗埋段+西側(cè)工作井+盾構(gòu)段+東側(cè)工作井+東側(cè)明挖暗埋段+東側(cè)隧道敞開引道段組成。隧道主要采用明挖暗埋法和全斷面掘進(jìn)法(盾構(gòu)法)開挖,其中盾構(gòu)段起點ZK0+837,終點ZK4+437,共3 600 m。東西側(cè)各設(shè)一處盾構(gòu)工作井,盾構(gòu)機(jī)自西側(cè)盾構(gòu)井始發(fā),東側(cè)盾構(gòu)井吊出。
1.2.1 沿線地層特性
根據(jù)鉆探揭露,場地內(nèi)揭露地層結(jié)構(gòu)自上而下分述如表1所示。
1.2.2 水文地質(zhì)條件
1.2.2.1 地下水
根據(jù)其賦存介質(zhì)的類型,沿線地下水主要有3種類型:一種是第四系松散層中的上層滯水;一種是第四系地層中的孔隙水,一類為基巖裂隙(構(gòu)造裂隙)水。勘察期間(2016年3月—2016年5月)測得全線混合穩(wěn)定水位埋深為2.0~6.9 m,混合穩(wěn)定水位高程為-0.16~4.63 m。
1.2.2.2 地下水補給、徑流、排泄
地下水主要由大氣降水補給和含水層側(cè)向徑流補給,與地表水系具較好水力聯(lián)系。受地形地貌控制,沿線地下水徑流為由北向南方向排泄。
表1 場地地層參數(shù) 單位:m
盾構(gòu)襯砌環(huán)尺寸為外徑15 200 mm、內(nèi)徑13 900 mm、厚度650 mm、幅寬2 000 mm。管片幾何尺寸示意如圖2所示。
圖2 管片幾何尺寸示意
根據(jù)圍巖情況、隧道埋深影響,將隧道分為8個不同的工況如表2所示。
表2 數(shù)值模擬計算工況 單位:m
采用 Midas軟件進(jìn)行建模,TB10003-2016根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[14],深埋隧道與淺埋隧道的劃分原則:對IV~VI級圍巖原則上按2.5倍洞頂巖石塌落高度為劃分標(biāo)準(zhǔn);對I~I(xiàn)II級圍巖原則上按2倍洞頂巖石塌落高度為劃分標(biāo)準(zhǔn)。洞頂巖石塌落高度h按照公式(1)進(jìn)行計算:
h=0.45×2s-1ω
(1)
式中:s為圍巖級別,ω為寬度影響系數(shù),ω=1+i(B-5),其中B為隧道寬度,i是以B=5 m的圍巖垂直均布壓力為準(zhǔn),B每增減1 m時的圍巖壓力增減率。針對春風(fēng)隧道,其設(shè)計寬度B=15.2 m,取i=0.1。
主要考慮荷載有:地面超載在沒有建筑物超載時按20 kPa計算,結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載按CJJ11-2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》[15]城-A級考慮取車輛荷載集中力為150 kN,作用效應(yīng)組合按照持久狀況進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合(SLS)驗算。此外,針對不同工況的隧道其具體荷載分布如表3所示。
2.4.1 管片受力情況
根據(jù)有限元計算結(jié)果,得到8種工況下春風(fēng)隧道襯砌管片彎矩包絡(luò)圖和軸力包絡(luò)圖分別如圖3和圖4所示。由圖可知:8種工況下襯砌管片的最大彎矩和最大軸力均出現(xiàn)在拱頂封頂塊位置,具體數(shù)值匯總?cè)绫?所示。
圖3 襯砌管片彎矩包絡(luò)圖(單位:kN· m)
2.4.2 配筋情況
根據(jù)表4所示8種工況下的管片最大彎矩和最大軸力計算結(jié)果,對管片進(jìn)行配筋計算,得到不同工況下襯砌管片的配筋結(jié)果如表5所示。
本文針對深圳市中心城區(qū)春風(fēng)隧道項目,以自由變形的彈性均質(zhì)圓環(huán)和梁-彈簧模型為理論基礎(chǔ)采用有限元方法建立分析模型對其襯砌管片進(jìn)行受力分析和配筋計算。計算結(jié)果表明:在不同工況下襯砌管片的最大彎矩和最大軸力均出現(xiàn)在拱頂位置,在此基礎(chǔ)上利用最大彎矩和最大軸力對襯砌管片進(jìn)行配筋設(shè)計,確保管片受力性能達(dá)到工程要求。通過本文分析理清了襯砌管片受力分析的基本方法思路,為今后類似的工程項目研究提供了參考。
表3 隧道荷載分布 單位:kN/m2
表4 不同工況下的最大彎矩、軸力
圖4 襯砌管片軸力包絡(luò)圖(單位:kN)
表5 隧道配筋結(jié)果