沈阳地铁暗挖区间衬砌设计计算方法比较

赵 瑾，朱 榆

(1.沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁沈阳 110013;2.辽宁省建设科学研究院，辽宁沈阳 110005)

目前，沈阳地铁隧道正处于建设的高峰期。由于城市地面建筑物拥挤，地下管线错综复杂，地铁区间在繁华城区街道修建是避免不了的。采用明挖法施工占地多，交通干扰大，地下管线拆迁量大，容易造成环境污染，诸多局限性日益突出。而暗挖法克服了上述缺点，减少了对环境的影响，能保证交通畅通和地下管线的正常使用。而暗挖区间工程造价一直备受投资方关注。暗挖隧道衬砌作为关键控制指标之一，其厚度、混凝土强度、配筋率等参数的设计，这些都与衬砌采用的计算模型密切相关。选择合理的二衬计算模型，对体现暗挖区间的优越性、降低建设造价及提高工程经济性影响都很大。

地下工程中常用的计算方法是荷载结构法和地层结构法［1-3］。暗挖区间二衬设计仍以荷载结构法为主，但计算模型中未考虑初支的影响，这使得计算结果偏于保守。本文针对沈阳地铁一号线延伸线四号街站—张士站区间暗挖段隧道的衬砌，采用荷载结构法中的考虑初支的复合衬砌的方法进行计算，并与未考虑初支影响荷载结构法进行比较。

1 工程概况

暗挖区间段起于四号街站东端，沿开发大路向东前行，在流花湖街和开发大路交界的中西合资沈阳金鑫莱阳食品有限公司前，线路略向左偏，继续沿开发大路至张士站。区间隧道为马蹄形断面，复合衬砌。线路呈“∨”坡，隧道结构底最大埋深19.328 m(覆土厚度12.878 m)，最小埋深10.368 m(覆土厚3.918 m)，平均埋深14.848 m(覆土厚度8.398 m)。暗挖主体结构顶板穿过的岩土层多为粉质黏土层、中粗砂层、砾砂层。暗挖主体结构底板穿过的岩土层多为中粗砂层、砾砂层、粉质黏土。暗挖主体结构边墙多穿过粉质黏土层、中粗砂层、砾砂层、黏土层。暗挖标准断面结构如图1，初支选用C20早强喷射混凝土，二衬选用C30防水混凝土，初支和二衬厚度均为300 mm。主筋采用HRB 335级钢筋。计算土层参数如下:覆土厚度12.878 m;覆土重度19.2 kN/m3;地下水位4 m;饱和重度20.06 kN/m3;侧压系数0.42;竖直地基反力系数30 MPa/m;水平地基反力系数28 MPa/m。

图1 结构断面示意(单位:mm)

2 未考虑初支影响荷载结构法计算结果

2.1 内力计算

计算采用有限元软件MIDAS-GTS。隧道二衬用弹性梁单元模拟，地层对衬砌结构的抗力采用弹簧单元模拟，计算模型如图2。按水土合算得区间隧道二衬内力，弯矩左右对称，最大正弯矩出现在隧道顶部，为314 kN·m，最大负弯矩出现在左右两侧拱脚，为－386 kN·m;轴力左右对称，最大轴力出现在仰拱，为2 610 kN，最小轴力出现在隧道顶部，为1 480 kN。对计算内力中的两组数据做最不利分析，见表1。

图2 计算模型示意

2.2 配筋计算

根据相关规范文献［4-6］取荷载分项系数并验算裂缝宽度，计算两组最不利内力组合工况下配筋。

3 考虑初支影响荷载结构法计算结果

3.1 模型介绍

此计算模型采用有限元软件MIDAS-GTS进行模拟计算，隧道结构计算采用直接刚度法进行结构计算，采用概率极限状态设计法校核，并结合施工条件等因素，综合分析确定。将区间隧道复合衬砌(二衬与初支)均用弹性梁单元模拟，同时参与模型计算。实际施工中初期支护与二次衬砌之间是采用微膨胀性水泥浆液填充，在计算模型则采用弹簧连接模拟二衬与初支二者之间的联系。由于初期支护不防水，在模型中直接将水荷载加于二次衬砌上。地层对衬砌结构的抗力采用弹簧单元模拟［7］。

3.2 内力计算

计算采用有限元软件MIDAS-GTS，按水土合算得区间隧道初支与二衬内力，可以看出弯矩左右对称，最大正弯矩出现在隧道顶部，为311 kN·m，最大负弯矩出现在左右两侧拱脚，为－336 kN·m;轴力左右对称，最大轴力出现在仰拱，为1 850 kN，最小轴力出现在隧道顶部，为1580 kN。

3.3 配筋计算

根据相关规范［4-6］取荷载分项系数并验算裂缝宽度，计算两组最不利内力组合工况下配筋。

4 计算结果对比分析

4.1 内力比较

考虑到区间隧道在一般埋深下主要是弯矩问题，也就是影响设计配筋的主要是弯矩，所以主要对弯矩进行比较。内力比较见表1。

表1 二衬截面内力比较

比较两种方法计算后的弯矩和轴力，由于荷载对称，其弯矩是针对中心轴对称的，最大正弯矩在顶部，最大负弯矩在左右两侧拱脚处。由表1可知，未考虑初支影响荷载结构法和考虑初支影响荷载结构法计算的内力结果存在一定程度的差异，前者在内力上比后者大15%左右，这是由于计算模型的原因，前者计算偏于保守，后者更接近于实际情况，能得到较为理想的计算结果，应该优先选择此计算模型。

4.2 配筋比较

对两种方法计算内力后的配筋结果进行比较见表2(这里的配筋比较只是指主筋，不包括构造筋)。

表2 二衬截面内力比较

从表2可看出:考虑初支影响荷载结构法的配筋明显要比未考虑初支影响荷载结构法的配筋少，每延米区间隧道二衬钢筋减少量为292.6 kg，此计算模型更经济。

5 结论

1)沈阳地铁区间隧道采用未考虑初支影响荷载结构法进行二衬设计是可用的，但计算结果偏于安全。

2)考虑初支影响荷载结构法模型更适合沈阳地铁暗挖区间隧道二衬设计，用其计算可得到更为理想的结果。

3)目前沈阳地铁暗挖区间隧道二衬设计偏于保守，在合理选择二衬厚度的条件下，对减少每延米的配筋量进行设计优化，能降低工程造价。

［1］ 王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论［M］．合肥:安微教育出版社，2004．

［2］ 刘钊，余才高，周振强．地下工程设计与施工［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］ 施仲衡．浅埋暗挖法设计理论论述［J］．现代隧道技术，2005(2):37-39．

［4］ 中华人民共和国建设部．GB 50010—2002 混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［5］ 中华人民共和国建设部．GB 50157—2003 地铁设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2003．

［6］ 中华人民共和国建设部．GB 50009—2001 建筑结构荷载规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2001．

［7］ 李东勇，徐祯祥，王琳静．地铁暗挖隧道初期支护联合系统数值模拟分析［J］．铁道建筑，2007(5):34-37．