王均勇,封 坤,孫文昊,魯選一,郭文琦,漆美霖

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063； 2.水下隧道技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,武漢 430071； 3.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司,武漢 430103；4.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

引言

盾構(gòu)隧道縱向變形過大導(dǎo)致管片環(huán)縫錯臺、張開，進而引發(fā)開裂、滲漏水的問題成為近年來影響盾構(gòu)隧道正常運營的難題之一[1]，探明盾構(gòu)隧道縱向結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能刻不容緩。

目前，對于盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的研究主要有理論解析、數(shù)值計算、模型試驗3類。在理論解析方面，廖少明[2]考慮了剪切荷載的作用，對盾構(gòu)隧道縱向剛度求解進行了修正；徐凌[3]引入環(huán)縫影響系數(shù)，提高了縱向剛度理論求解的普適性；張文杰等[4]在縱向剛度求解中引入橫向剛度的影響，提出了廣義盾構(gòu)隧道縱向等效連續(xù)化模型；耿萍等[5]同時考慮了軸力和彎矩對縱向彎曲變形的影響，提出了5種彎曲模式，并在經(jīng)典志波模型的基礎(chǔ)上，建立盾構(gòu)隧道縱向等效抗彎剛度計算模型；張勇等[6]基于T-P模型推導(dǎo)了地面堆載作用下盾構(gòu)隧道縱向變形的解析解。在數(shù)值計算方面，楊茜等[7]通過地層-結(jié)構(gòu)模型研究了下臥土層性能和上方局部荷載作用對隧道沉降變形的影響；王金龍[8]通過ANSYS有限元計算軟件建立三維數(shù)值模型探討了埋深、水壓、地層及穿越剛性結(jié)構(gòu)物等因素對盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的影響；張旭[9]通過建立三維有限元模型，對土體結(jié)構(gòu)性、土層參數(shù)、水土耦合效果等方面對隧道縱向受力變形的影響進行了研究；郭文琦等[10]建立殼-彈簧模型研究了二襯厚度對盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)行為的影響；羅文林等[11]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型反分析了隧道縱向彎曲剛度。在模型試驗方面，余占奎[12]基于上海地鐵盾構(gòu)隧道，研究了拼裝方式對盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的影響；何應(yīng)道[13]以廣深高速鐵路獅子洋水下隧道為原型，采用軸向等效剛度模型模擬了隧道在軟弱勻質(zhì)地層、軟硬交界地層等多種復(fù)雜條件下隧道的沉降規(guī)律；何川等[14]采用等效剛度模型，以聚氨酯板和PVC板模擬單層管片襯砌，在襯砌內(nèi)部澆入石膏模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)襯，探討了單、雙層襯砌隧道縱向沉降與彎矩的變化關(guān)系；葉飛等[15]以有機玻璃作為管片模型材料，采用雙點加載的方式探討了盾構(gòu)隧道縱向剛度有效率的取值；耿萍等[16]通過振動臺模型試驗，針對盾構(gòu)隧道穿越軟硬交界地層、聯(lián)絡(luò)橫通道、縱向接頭等抗震薄弱部位開展了系列研究。

隨著盾構(gòu)工法與盾構(gòu)設(shè)備的成熟，盾構(gòu)隧道正朝著超大直徑方向發(fā)展[17]。在此背景下，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形式也隨著隧道直徑增加愈發(fā)多樣[18]。過去盾構(gòu)隧道設(shè)計中并未作為受力構(gòu)件考慮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能否改變超大直徑盾構(gòu)隧道的縱向力學(xué)性能值得探討與研究。鑒于此，以濟南黃河隧道與武漢兩湖隧道(東湖段)為工程依托，利用大型有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值計算模型，分析不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)類型對隧道縱向力學(xué)性能的影響。

1 盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)不同的功能用途盾構(gòu)隧道可分為公路隧道與鐵路隧道。在兩種類型的中小型隧道中目前最為普遍使用的是單管單層結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式設(shè)置一層車道板用于通車，其他空間通過預(yù)制或現(xiàn)澆的墻板分隔成若干隧道正常運營所需的不同工作腔室。在大型隧道中則常采用單管單層雙線結(jié)構(gòu)形式，該形式在隧道底部設(shè)置預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件的內(nèi)部作為工作腔室，構(gòu)件的頂部鋪上車道板，同時被中隔墻分隔為兩車道。隨著超大型盾構(gòu)隧道的發(fā)展，單管雙層結(jié)構(gòu)成為目前國內(nèi)外逐步推廣應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式[19]。根據(jù)已有隧道修建資料，單管雙層結(jié)構(gòu)可分為3類。第一類是公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該類型上、下層均為公路交通；第二類是軌道型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該類型上、下層均為軌道交通；第三類是公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該類型通常上層用于公路交通，下層用于軌道交通。表1為國內(nèi)外典型隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計。由于軌道型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的案例目前在國內(nèi)并未出現(xiàn)，故以公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開研究。

2 依托工程概況

2.1 工程概況

濟南市濟濼路穿黃隧道位于濟南市城市中部，全長4.76 km，其中，盾構(gòu)段長2.516 km。隧道最大埋深50 m，最大水位水壓力達0.65 MPa，為國內(nèi)跨越黃河最大直徑盾構(gòu)隧道，也是黃河上第一條公鐵合用隧道。

表1 國內(nèi)外盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)統(tǒng)計

武漢兩湖隧道工程(東湖段)主線線路全長約11.45 km，為單管雙層公路隧道。隧道最大埋深42.5 m，最大水位水壓達到0.46 MPa，隧址區(qū)巖溶發(fā)育，主要穿越強中風(fēng)化泥巖。

2.2 管片襯砌

濟南黃河隧道及武漢兩湖隧道橫斷面如圖1、圖2所示，隧道其他參數(shù)見表2。

表2 隧道參數(shù)

圖1 濟南黃河隧道管片橫斷面

圖2 武漢兩湖隧道(東湖段)管片橫斷面

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

濟南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用單管雙層結(jié)構(gòu)形式中的公軌合建形式，如圖3所示。該內(nèi)部結(jié)構(gòu)幅寬2 m，中間為一個Π字形預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件中間的空間則作為地鐵通車的軌道交通區(qū)域。Π形件兩側(cè)搭接預(yù)制車道板，與Π形件頂部共同作為上層的公路車道。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片內(nèi)側(cè)之間澆筑混凝土形成非封閉二襯。

圖3 濟南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用單管雙層結(jié)構(gòu)形式中的雙層公路形式，如圖4所示。該內(nèi)部結(jié)構(gòu)幅寬6 m，下層采用Π形預(yù)制構(gòu)件且兩側(cè)用素混凝土回填。為滿足道路結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進同步施工的要求，下層立柱、上層車道板及牛腿采用現(xiàn)澆形式，待整個隧道施工完成后鋪設(shè)路面層。

圖4 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

3 數(shù)值計算模型

3.1 計算假定

由于盾構(gòu)隧道是復(fù)雜的三維拼裝結(jié)構(gòu)，其數(shù)值計算模型具有高度的非線性，為減少計算成本，現(xiàn)做計算假定如下。

(1)由于盾構(gòu)隧道接頭位置較管片主體更薄弱，因此，盾構(gòu)隧道接頭較管片主體更先達到塑性階段，以往研究通常是在鋼筋混凝土管片的彈性階段進行分析[20]，故本次將管片視為均質(zhì)彈性材料，螺栓采用雙線性本構(gòu)關(guān)系。

(2)實際工程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有搭接、現(xiàn)澆、植筋等多種連接。內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型的建立忽略上述連接，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)視為一均質(zhì)整體。

3.2 模型概況

為盡可能反映盾構(gòu)隧道的縱向力學(xué)特征，利用大型有限元軟件ABAQUS建立了31環(huán)盾構(gòu)隧道管片模型，如圖5、圖6所示。其中，管片及內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用C3D8R實體單元，螺栓采用B31兩節(jié)點空間線性單元。利用ABAQUS內(nèi)嵌功能將螺栓兩端嵌入管片實現(xiàn)螺栓與管片的連接。管片塊與塊以及環(huán)與環(huán)之間采用面-面接觸，其切向行為采用罰函數(shù)設(shè)置摩擦系數(shù)為0.8，法向為防止發(fā)生穿透導(dǎo)致與實際情況不符設(shè)置為硬接觸，管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間采用相同的相互作用。其他各項參數(shù)如表3所示。

圖5 濟南黃河隧道數(shù)值計算模型

圖6 武漢兩湖隧道(東湖段)數(shù)值計算模型

表3 模型參數(shù)

3.3 試驗工況及加載方式

試驗工況根據(jù)隧道拼裝形式以及有無內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為5種：通縫拼裝形式無內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道、通縫拼裝形式含內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道、錯縫拼裝形式無內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道、錯縫拼裝形式含內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道及勻質(zhì)圓環(huán)。

力學(xué)模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示，加載方式類似于簡支梁，隧道一端限制其Y、Z方向上的位移，另一段限制其X方向上的位移，隧道中間一環(huán)作為加載環(huán)承受集中力來等效彎矩的作用，力的大小為500～2 500 kN，每級增加500 kN。

圖7 隧道模型加載方式示意

4 結(jié)果分析

4.1 隧道縱向剛度分析

4.1.1 隧道縱向變形分析

現(xiàn)規(guī)定隧道軸向為坐標(biāo)橫軸，且第一環(huán)管片為零點?？v軸為隧道豎向位移，豎直向下為負(fù)值。以集中力大小2 500 kN為例，將隧道最底部的豎向位移作為整個隧道的位移得到圖8、圖9。其中，曲線命名第一項為工程名稱首字母縮寫；第二項為拼裝方式，TF表示通縫，CF表示錯縫，YZYH表示勻質(zhì)圓環(huán)；第三項表示是否考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)，考慮則標(biāo)注NBJG。

圖8 濟南黃河隧道縱向位移曲線

圖9 武漢兩湖隧道(東湖段)縱向位移曲線

從圖中可以看出，兩個隧道的變形規(guī)律相似，即跨中位移最大，并向兩端位移減少，這與簡支梁的變形規(guī)律類似。當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，武漢兩湖隧道(東湖段)位移曲線形狀未發(fā)生較大變化，而濟南黃河隧道位移曲線相比未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時更接近材料力學(xué)中梁的撓度曲線，這說明考慮公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道提高了盾構(gòu)隧道在縱向上的結(jié)構(gòu)連續(xù)性。

提取加載環(huán)底部位移作為隧道跨中位移得到圖10、圖11。從圖中可以看出，考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后隧道的豎向位移顯著減小。對于濟南黃河隧道考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式隧道跨中位移減小了13.1%～39.3%，錯縫拼裝形式隧道跨中位移減少了10.5%～23.4%；對于武漢兩湖隧道(東湖段)，通縫拼裝形式隧道跨中位移減少了14.9%～28.4%，錯縫拼裝形式隧道跨中位移減少了11.1%～23.1%。從以上結(jié)果來看，內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠顯著提高隧道的縱向剛度。

圖10 濟南黃河隧道跨中位移曲線

圖11 武漢兩湖隧道(東湖段)跨中位移曲線

4.1.2 隧道縱向剛度有效率分析

根據(jù)已有計算盾構(gòu)隧道縱向剛度有效率方法[15]，即

(1)

式中，η為縱向剛度有效率；(EI)eq為等效連續(xù)化模型的縱向剛度；EcIc為隧道實際抗彎剛度。結(jié)合撓曲線方程計算得到隧道的縱向剛度有效率，如圖12所示。

由圖12得知，濟南黃河隧道在不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.014～0.019，錯縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.029～0.032。當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.017～0.031，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時提高了15.1%～64.8%；錯縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.032～0.042，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時提高了11.7%～30.6%。武漢兩湖隧道(東湖段)在不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.03～0.034，錯縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.043～0.046。當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.036～0.048，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時提高了17.5%～39.6%；錯縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.048～0.059，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時提高了12.5%～30%。

通過上述結(jié)果分析可以看到，兩種形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)對通縫拼裝隧道的縱向剛度有效率提升效果更顯著，其中，公軌合建形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)對通縫拼裝形式隧道的縱向剛度有效率提高了50%以上。對于不同隧道拼裝形式而言，公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)對縱向剛度有效率的提升效果均優(yōu)于雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖12 隧道縱向剛度有效率

4.2 隧道內(nèi)力分析

以錯縫拼裝為例，兩個隧道在荷載為2 500 kN下MISES應(yīng)力云圖如圖13、圖14所示。

圖13 濟南黃河隧道錯縫MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖14 武漢兩湖隧道(東湖段)錯縫MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖13(a)、圖14(a)中可以看出，兩個隧道在錯縫拼裝形式下應(yīng)力分布特點基本一致，且數(shù)值較大的MISES應(yīng)力集中分布在拱頂處。濟南黃河隧道拱頂處的MISES應(yīng)力值在0.13～0.46 MPa范圍內(nèi)，且越靠近加載環(huán)位置的管片環(huán)其MISES應(yīng)力值更大。同時，在加載環(huán)兩側(cè)的3環(huán)范圍內(nèi)由于彎矩傳遞效應(yīng)還發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。武漢兩湖隧道(東湖段)在錯縫拼裝形式下，拱頂應(yīng)力值為0.26～0.7 MPa，且上述濟南黃河隧道中應(yīng)力分布特點同樣能夠在武漢兩湖隧道(東湖段)中體現(xiàn)。

考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，兩個隧道的應(yīng)力分布各自發(fā)生了不同變化。從圖13(b)中可以看到，濟南黃河隧道在考慮公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片應(yīng)力值整體上減小，拱頂、拱肩、拱腰等位置的MISES應(yīng)力值較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時最大減小了50%以上。然而，其下層軌道交通運行區(qū)域內(nèi)，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)下側(cè)兩側(cè)墻與管片連接位置之間，MISES應(yīng)力值為0.42～0.98 MPa，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時的拱頂?shù)腗ISES應(yīng)力值大了40%～61.5%，說明該區(qū)域應(yīng)力值較大，應(yīng)考慮填充混凝土、加鋼板等補強措施。

從圖14(b)中可以看到，武漢兩湖隧道(東湖段)在考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片的MISES應(yīng)力分布規(guī)律與未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時基本一致，即拱頂處應(yīng)力值較大。觀察其MISES應(yīng)力數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，管片應(yīng)力較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時減小了25%以上，這說明無論是公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還是雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)均可起到承載作用。同時，雙層車道內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯著減小了拱腰位置的MISES應(yīng)力值。當(dāng)未考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，隧道拱腰位置的MISES應(yīng)力值為0.18～0.44 MPa，而當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后為0.09～0.36 MPa，減小了18%～50%。

從受力條件上來說，兩種類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)均能夠起到分擔(dān)荷載的作用，但公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致管片拱底一定范圍內(nèi)的應(yīng)力值過大，相較之下雙層車道內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生管片出現(xiàn)較大范圍應(yīng)力增加現(xiàn)象，因此更有利于受力。

4.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形受力分析

4.3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)縱向變形分析

圖15、圖16為濟南黃河隧道和武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向位移云圖。從圖中可以看出，兩種類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)跨中位移最大，向兩端逐漸減小，即其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形與管片變形規(guī)律一致，符合梁的變形規(guī)律。從圖15可以看出，公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)在縱向上的變形主要包括錯臺與張開，隧道最大豎向位移為8.9 mm，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了向上0.68～1.5 mm的位移。從圖16中可以看出，雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)在縱向上發(fā)生的變形同樣為錯臺與張開，最大豎向位移為8 mm，但在隧道兩端并未出現(xiàn)向上的位移。

圖15 濟南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)縱向位移云圖(單位：mm)

圖16 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)縱向位移云圖(單位：mm)

4.3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向變形分析

圖17、圖18為濟南黃河隧道與武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向位移云圖。

圖17 濟南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向變形云圖

圖18 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向變形云圖

從圖17可以看出，濟南黃河隧道上層車道板發(fā)生了形如“M”狀變形，左跨與右跨車道板發(fā)生了向上的彎曲，中跨車道板向下彎曲，且中跨豎向位移最大，為8.892 mm。同時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)下層軌道交通區(qū)域側(cè)墻發(fā)生了向外的彎曲，側(cè)墻上下兩端出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)，整個側(cè)墻結(jié)構(gòu)受到彎扭作用。

從圖18中可以看出，雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)上層車道板較公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位移小，同時并未出現(xiàn)位移向上的現(xiàn)象。然而，下層車道板跨中出現(xiàn)了向上的位移，整個車道板呈開口向下的弧形。觀察雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)上層車道側(cè)墻與下側(cè)Π形件側(cè)墻，發(fā)現(xiàn)其受力特征與公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)墻一致，均受到了彎扭作用。

4.3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力分析

圖19、圖20為不同類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的MISES應(yīng)力云圖。

圖19 濟南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖20 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖19可以看出，公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)車道板處的MISES應(yīng)力值較小，為0.27～0.77 MPa。相比之下，下層側(cè)墻和非封閉二襯部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是側(cè)墻與非封閉二襯之間的連接部位MISES應(yīng)力值最大達到18 MPa，而下層側(cè)墻與非封閉二襯的厚度與其他位置相比較薄，因此，該部位考慮采用對應(yīng)的補強措施。同時，上層側(cè)墻與管片連接處MISES應(yīng)力值在1～2 MPa，需注意現(xiàn)澆側(cè)墻時的施工質(zhì)量問題。

從圖20可以看出，雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)上層車道板MISES應(yīng)力值為0.001 9～0.17 MPa；下層車道板MISES應(yīng)力值為0.085～0.33 MPa，且在其與側(cè)墻連接處應(yīng)力值達到0.67 MPa，應(yīng)力值顯著大于上層車道板。同時，上層車道側(cè)墻與盾構(gòu)管片連接位置也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大達到2.5 MPa。

綜合上述兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力特點，可以得到盾構(gòu)隧道縱向受力時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)自身各部位的連接點及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的連接部位是受力關(guān)鍵點?，F(xiàn)有連接方式主要有搭接、現(xiàn)澆、植筋、灌漿套筒等，不同的連接方式也將導(dǎo)致連接點的剛度不同，對整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力也會有所影響，應(yīng)根據(jù)具體工程實際謹(jǐn)慎選擇。

5 結(jié)論

以濟南黃河隧道和武漢兩湖隧道(東湖段)為工程背景，建立了31環(huán)隧道縱向三維模型，對比討論了公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)對盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的影響，得到主要結(jié)論如下。

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠顯著提高隧道的縱向剛度。隧道考慮公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，跨中位移最大減小了39.3%，考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，跨中位移最大減小了28.4%。

(2)隧道考慮公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率提高了15.1%～64.8%，錯縫拼裝形式的縱向剛度有效率提高了11.7%～30.6%；隧道考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度提高了17.5%～39.6%，錯縫拼裝形式的縱向剛度有效率提高了12.5%～30%。兩種形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)對通縫拼裝形式隧道的縱向剛度有效率提升效果更顯著，公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)對剛度的提升效果優(yōu)于雙層公路型。

(3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)隧道縱向上受力起到承載作用。當(dāng)隧道考慮公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片MISES應(yīng)力值可減小50%以上；當(dāng)隧道考慮雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片MISES應(yīng)力值可減小25%以上。

(4)兩種類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)在縱向上的變形主要以錯臺、張開為主，同時內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)墻均受到彎扭的作用。

(5)內(nèi)部結(jié)構(gòu)自身連接部位及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片之間的連接點應(yīng)力值較大，且有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，在實際工程中應(yīng)謹(jǐn)慎選擇連接方式。