益田停车场出入线区间盾构隧道主体结构受力特征研究★

熊 毅

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

随着城市规模的不断扩大，人口数量逐渐增多，城市地面交通空间趋于饱和，地面交通拥挤、堵塞等问题成为城市交通工程有待解决的首要问题。城市地下轨道交通工程逐渐成为现代城市交通领域的重要发展方向。盾构法施工凭借其良好的防渗透性、施工安全、工期快等特点，在城市地下轨道交通工程中得到广泛应用。在城市轨道交通工程修建时，线路常常需要穿越房屋、桥梁等既有建(构)筑物，盾构管片在承受上部荷载的同时，还受到不同土体物理力学性质的影响，特别是隧道穿越淤泥质土、淤泥质土与砂土夹层等不良地层，容易造成管片受力不均，引起管片上浮、错台、裂缝等安全质量问题[1-3]。因此，研究盾构隧道穿越软硬复合地层以及不均匀地层过程中，隧道主体结构受力特点，对主体结构安全受力、受荷后结构沿幅宽方向变形控制以及纵向沉降有着重要的理论价值和实际意义。本文采用典型的荷载—结构模型对益田停车场出入线区间盾构隧道主体结构受力情况进行数值模拟计算，以期找到管片在软硬不均匀地层上覆荷载作用下的受力变形规律，为类似工程提供可靠经验。

2 工程概况

出入场线盾构段东起福田保税区内盾构接收井西端(起点里程右线为TRDK0+163.635、左线为TCDK0+163.870)，西接益田停车场出入线明挖段东端(终点里程右线为TRDK0+862.277、左线为TCDK0+863.450)，隧道主要下穿福田保税区和广深高速公路，线间距9 m～12 m。平面线形从盾构接收井出发后往西南偏西走向，左线由1个半径为350 m的平面曲线和2个半径为250 m的平面曲线及夹直线组成，右线由1个半径为400 m的平面曲线和2个半径为250 m的平面曲线及夹直线组成。本区间隧道由两分离单洞组成，区间于TCDK0+234处设置区间废水泵房及联络通道1座。

本段区间以2‰的下坡出发，在TCDK0+280.000处转为25‰的上坡一直进入出入场线明挖段，随后转入盾构区间。隧道埋深9 m～18.5 m。根据地质勘察报告及现场踏勘，区间隧道所在地区为海冲积平原地貌，地面高程约为3.1 m～5.3 m。隧道顶部覆土约5.5 m～18.8 m。区间隧道基本穿越淤泥质粘性土、中砂、粗砂、砾砂、圆砾土、卵石土、砾质粘性土、粉质粘土、全、强风化花岗岩中。隧道结构底部大部分位于淤泥质粘性土、中砂、粗砂中。

3 有限元计算

3.1 计算模型

隧道管片受力计算常采用荷载—结构模型，其荷载来源为隧道上覆土体及地下水。在考虑土体与结构相互作用关系同时，将隧道管片视为完全的承载结构。该计算模型原理简单、计算方便，不仅可反映隧道衬砌结构的受力变形特点，又可为隧道设计和施工提供可靠的参考。依据管片计算时管片接头的力学连接方式、接头的刚度、相邻管片连接螺栓的荷载传递与外荷载分布情况，本计算采用修正惯用法[4]。

考虑管片接头影响，进行全环刚度折减后按均质圆环进行计算，水平地层抗力按三角形抗力考虑；计算结果考虑管片环间错缝拼装效应的影响进行内力调整。弯曲刚度有效率η=0.8，弯矩增大系数ε=0.3。计算简图如图1所示，计算模型纵向取1 m进行计算(见图2)。

基本组合的结构重要性系数为1.1，其他组合结构重要性系数为1.0。采用有限元软件ANSYS进行计算分析，管片衬砌用梁单元模拟，衬砌与土体的相互作用用弹簧单元模拟。盾构隧道内径为5.4 m，隧道外径为6 m，管片厚度为0.3 m，管片宽度为1.5 m。

3.2 计算荷载

施加于衬砌顶部的荷载采用垂直土压力的均布荷载来考虑。其大小根据隧道覆土厚度、断面形式、外径和围岩条件决定，如图3所示。当覆土厚度小于隧道外径时，一般不考虑地基的土拱效应，采用总覆土压力；当覆土厚度大于隧道外径时，计算可采用松弛土压力来考虑，一般采用太沙基公式计算[5]。

根据太沙基公式计算所得土柱高度为25 m，设计采用实际覆土高度18.5 m作为计算土柱高度，水压按18.5 m计算，采用水土分算，地层平均密度为1.681 g/cm3，钢筋混凝土管片密度为2.5 g/cm3，地层侧压力系数为0.33，基床系数未考虑注浆影响，水平基床系数为300 MPa/m，地面超载P0=25 kPa。主要计算参数如表1所示。此外，盾构区间隧道为7度抗震设防和6级人防设防，经计算，本区间抗震和人防荷载组合均对结构配筋计算不起主导作用。故只对基本组合和准永久组合计算，不罗列抗震和人防组合计算[6,7]。

表1 主要计算参数一览表

4 施工阶段数值模拟分析

1)基本组合及位移包络图。

通过有限元计算得到管片内力和变形图，包括竖向变形、轴力、剪力和弯矩图，如图4所示。

a.由图4a)，图4b)可知，受到管片刚度的影响，在上部荷载作用下，管片竖向变形较小，主要集中在隧道拱顶和底部，最大变形产生在隧道拱顶为0.285 mm，隧道底部产生0.117 mm的竖向位移。最大轴力分布在隧道的水平两侧，达到1 680 kN，最小轴力位于隧道顶部为1 210 kN。

b.由图4c)，图4d)可知，结构的最大剪力为168.81 kN，其位置并不明确，大约在偏离隧道竖向轴线45°的位置，结构的最小剪力为-131.297 kN，大约位于最大剪力沿竖向轴线的对称处。同时在最大剪力位置附近弯矩也出现最大值，达到185.884 kN·m(外部受拉)。在软硬不均地层，区间管片设计时应适当考虑弯剪效应所带来的影响。

2)准永久组合及位移包络图。

得到准永久组合管片内力和变形图，包括竖向变形、轴力、剪力和弯矩图，如图5所示。

a.由图5a)，图5b)可知，在回填混凝土后，随外荷载变化，整个隧道结构竖向变形变化较小，隧道管片的最大变形仍然发生在拱顶，较基础组合时有所减小，达到0.19 mm，隧道底部的竖向位移为0.084 mm。说明管片在此阶段处发生了弹性压缩变形。隧道管片一直处于纵向压缩状态，轴力为负。最大轴力分布在隧道的水平两侧，达到1 150 kN。最小轴力位于隧道顶部为821.243 kN。

b.由图5c)，图5d)可知，在准永久荷载组合下，结构的最大剪力由168.81 kN减小至119.67 kN，其分布位置仍然在大约偏离隧道竖向轴线45°处。最小剪力绝对值由131.297 kN减小至93.078 kN，最大、最小剪力下降比均为29.10%。最大弯矩分布在水平靠上的位置，由185.884 kN·m减小至132.524 kN·m，最小弯矩分布在隧道管片拱顶处，其绝对值由175.914 kN减小至124.769 kN。

5 结语

1)隧道衬砌由基本组合阶段到准永久组合阶段，随着荷载的减小，轴力、剪力、弯矩等各项指标均在减小，但各指标的减小幅度均不相同。

2)基础荷载组合下，最大轴力位于隧道两侧，最小轴力位于隧道顶部；最大剪力位置不明确，大约在偏离隧道竖向轴线45°处，而最大弯矩也出现在该位置，因此，对于软硬不均地层的隧道设计时需要考虑弯剪效应带来的影响。

3)准永久荷载组合下，最大轴力、剪力、弯矩出现的位置均未发生变化，其量值逐步减小，下降比分别达到31.55%，29.10%，28.71%。沉降变形由拱顶向下逐步减小。说明在准永久荷载组合下，盾构隧道更加安全，其内力和变形均较大程度减小。