广深港客运专线益田路隧道软硬不均地段盾构管片力学分析

薛光桥

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 益田路隧道概况

益田路隧道属于广深港客运专线新深圳站(不含)至深港分界段,包括深圳福田站及相关工程,设计速度目标值200 km/h。全线包括2座隧道,车站北端的益田路隧道,长6 236 m；车站南端的皇岗隧道,深圳段全长为3 932.29 m。全线隧道按单孔双线隧道断面设计。

益田路隧道进口里程为DK104+730,出口里程为DK110+966,隧道全长6 236 m,其中盾构段长2 444 m,盾构隧道外径12.8 m,管片幅宽2.0 m,采用8+1(1/3封顶)分块方案,隧道施工总工期38个月。

益田路隧道盾构段穿越的地层主要有全、中、弱风化花岗岩地层,并且部分盾构段位于全风化与中、弱风化地层交界的软硬不均地层。由于软硬不均地层特殊的地层特性,造成处于该段的盾构隧道受力特征发生变化,研究软硬不均地层对隧道结构的受力影响规律,对准确确定该地层隧道的结构配筋有重要意义,也为降低工程造价、减少工程浪费提供依据。益田路隧道地质纵断面如图1所示。

图1 益田路隧道地质纵断面(单位：m)

2 研究方法

为了更全面地掌握软硬不均地段盾构隧道的受力特征,本次研究选定一个具有代表性的隧道断面DK110+650.452,在覆土荷载一定的情况下,对该断面不同基岩面(W2)位置情况进行力学分析,最后绘制基岩面高度与内力关系的曲线图,探讨力学特征规律,指导设计。计算原则如下。

2.1 计算模型

(1)采用目前较为成熟且常用的修正匀质圆环模型,根据相关工程经验,考虑纵缝的刚度折减效应,η=0.75,靠错缝拼装的刚度增强效应,ζ=0.3；

(2)地层效应采用全周径向压缩弹簧模拟,弹簧刚度结合地质勘察报告和《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)中相关建议值选取。

2.2 结构受力体系

按相关工程计算经验,盾构隧道结构常用力学体系[1]如图2所示。

图2 匀质圆环模型受力体系

2.3 结构配筋

采用承载能力极限状态进行配筋计算,并对此采用正常使用极限状态进行验算,裂缝宽度≤0.2 mm。

配筋的构造要求：按照《混凝土结构设计规范》最小配筋率为单侧0.29%,双侧不小于0.7%。

2.4 典型计算断面(DK110+650.45)覆土荷载

该断面覆土厚度23.3 m,隧道埋设地层上半部分为粉质黏土,下半部分为变质砂岩,非常典型的半软半硬地层,上覆土层荷载采用太砂基理论荷载进行折减,主要地层及参数见图3、表1。

图3 典型计算断面土层参数

表1 上覆土土层参数

采用太沙基理论荷载进行折减后,覆土荷载为355.13 kPa/m,侧向土压力按照各层土层的侧压力系数计算。

3 软硬不均典型断面地层的力学分析

3.1 按上述计算原则计算结果如表2所示。

对表2中不同岩面深度下隧道内力的变化趋势进行统计,如图4～图6所示。

表2 不同工况计算结果

图4 计算条件图示

图5 不同岩面深度下隧道内力的变化趋势

图6 最大弯矩工况下的内力

3.2 计算结果分析

根据其内力变化规律,对隧道埋设地层按图7所示进行分区,B区为弹性抗力区,A区和C区为弹性抗力以外区域。通过对计算结果进行总结,归纳以下规律。

图7 计算结果图示(单位：m)

(1)当W2基岩面低于2.0 m,即如图7所示的A区时,随基岩面上升,内力呈下降趋势,但趋势并不明显。

(2)当W2基岩面位于如图7所示的B区时,即弹性抗力区时,随基岩面上升,内力呈增大趋势,直至达到3 m时,达到峰值,其后内力呈减小趋势。

(3)当W2基岩面位于如图7所示的C区时,随基岩面上升,内力变化不明显。

4 结论

通过分析,得知软硬不均地层对盾构隧道的受力特征有比较明显的影响,具体对益田路隧道来说,当隧道埋设深度的基岩面高度为3 m左右时,隧道管片环处于最不利受力状态。

据此结论,在益田路隧道的盾构管片设计中,采取了以下特殊设计。

(1)调整隧道纵断面,尽量避开不利地层下不利断面的出现。

(2)对各个软硬不均地段的地层进行力学验算,按最不利条件控制配筋,并对此段的管片配筋进行适当加强,如图8所示。

图8 益田路隧道软硬不均地段主筋布置

(3)要求在盾构通过软硬不均地层时,应保证同步注浆的质量和凝结时间,尽量让隧道两侧的地层尽快提供抗力。

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