铁路大直径盾构隧道轨下混凝土填充结构设计研究

霍思逊

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

铁路大直径盾构隧道通常指开挖直径超过10m的盾构隧道，随着盾构隧道直径的增加，隧道的内力也会加大，对内部防灾救援疏散的要求也随之提高。由于盾构直径增大后，铁路轨道以下的空间也会随之增加，所以优化结构受力，保证隧道安全，满足隧道使用功能，提高施工效率的同时考虑工程成本，则成为确定铁路大直径盾构隧道轨下结构方案的关键。铁路大直径盾构隧道通常为双线隧道，因受行车时速、综合预留空间、疏散救援模式、内部结构布置等因素的影响，不同项目的盾构隧道直径不同，轨下结构形式也不尽相同，有“π”型现浇结构、预制中箱涵+现浇边涵预制结构、轨下全预制结构等结构形式，目前预制中箱涵+两侧现浇边涵的结构形式应用最广。

1 工程概况

某高速铁路盾构隧道为行车速度250km/h 的单洞双线高铁盾构隧道，独头掘进长度7.352km，为“V”字型坡隧道，隧道最大覆土厚度30.94m，最大水压0.58MPa，局部段落隧道埋深较浅。盾构隧道外径13.8m，内径12.6m，管片厚度0.6m，管片环宽2m。盾构管片由标准块、临接块、封顶块组成，为“7+2+1”的10 分块形式，管片采用C60 钢筋混凝土。隧道穿越地质以可塑—硬塑粉质黏土为主，地层相对较软。

2 轨下结构设计

2.1 初始轨下结构方案

初步进行方案设计时综合考虑轨下结构的结构受力、使用功能等因素，采用了预制中箱涵+现浇边涵的结构形式（见图1），结构材料均采用C40 钢筋混凝土。其中，中箱涵作为铁路隧道轨下疏散通道，内设紧急通风设备，边涵作为设备管廊的预留空间。

图1 初始轨下结构设计方案

施工过程中，在进行盾构机掘进与管片安装时，同步拼装中箱涵，中箱涵拼装采用专门的拼装机具。边涵施工与盾构机开挖面距离保持在200m 左右，也可以根据实际施工情况合理安排，通常采用特制定型台车进行施工。

2.2 轨下结构优化设计

在优化设计过程中，考虑中箱涵不变，将边涵结构改为C25 素混凝土填充，最终确定结构形式为预制中箱涵+两侧混凝土填充结构（见图2）。原因如下：

图2 预制中箱涵+两侧填充轨下结构断面图

第一，轨下结构的紧急通风设备放置在中箱涵中，边涵空间无使用需求。第二，隧道洞身处于相对软弱的土质地层，且部分段落为超浅埋段，需增加抗浮措施，中箱涵两侧改为填充素混凝土有利于增加结构配重、增强纵向刚度，有利于提高轨下结构的整体稳定性。第三，盾构隧道独头掘进长达7km，随着掘进距离的增长，管片、中箱涵、混凝土、油脂等物料运输距离也随之增长，运输效率将逐渐降低。边涵现浇施工涉及钢筋绑扎、立模浇筑等相对复杂的工序，且施工空间受限，改为素混凝土填充可提高施工效率，快速形成物料运输通道，降低隧道内施工组织难度。

2.3 轨下结构受力计算

由于箱涵结构受到自身重力、轨上结构自重、车辆荷载、盾构管片的约束作用的影响，需将初始的预制中箱涵+现浇边涵结构与预制中箱涵+两侧填充结构进行对比，研究受力变化规律。

2.3.1 中箱涵结构受力

（1）计算荷载,恒载包括道床荷载、结构自重，活载包括列车静活载、列车横向摇摆力、列车水平离心力。道床荷载及列车活载参照现行《铁路路基支挡结构设计规范》（TB 10025—2019），该工程的轨道及列车荷载取值见表1。

表1 轨道及列车荷载表

作用在轨道底的列车动荷载动力系数按式（1）、式（2）计算。

（1）～（2）中：q为列车单位动荷载（kN·m）；为动力系数；为列车单位荷载（kN·m）；式（2）中：为轨底至轨下结构板顶的高度（m）。

列车横向摇摆力及水平离心力按现行《铁路桥涵设计规范》（TB 10002—2017）计算，其中横向摇摆力F取80kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。

列车水平离心力按式（3）计算。

式（3）中：为列车竖向活载折减系数，取1.0；为离心力率，应≤0.15；为列车荷载图示的集中荷载或分布荷载（kN 或kN·m）；为设计速度（km/h）；为曲线半径（m），取该工程盾构段最小曲线半径3000m。

经计算，列车水平离心力为30kN。

（2）荷载组合,地下结构的结构重要性系数取1.1，基本组合按恒载×1.35+活载×1.4 计算，标准组合按恒载×1.0+活载×1.0 计算。

（3）计算模型,采用SAP-84 有限元软件进行分析计算，将预制中箱涵+现浇边涵结构，简化为轨下结构平面杆系有限元，采用荷载—结构模型进行计算。由于现浇边涵与预制箱涵之间采用钢筋接驳器连接，且现浇边涵架设在中箱涵的钢筋混凝土牛腿上，因此简化为铰接节点。将箱涵结构与盾构管片内弧面的接触简化为仅受压弹簧。由于两结构接触面为弧形，其接触面提供轨下结构的刚度为盾构管片本身及周边土体的综合刚度，该刚度受结构自重作用沿弧面刚度渐变，且管片最下部延径向的刚度最小。因此按单位力法在平均埋深下，将单位力施加在管片—土体构成的荷载—结构模型的最下部中点上，计算得到轨下结构与管片接触面的最小刚度，将之作为两结构间的接触刚度，其刚度值为51000kN·m。

对于预制中箱涵+两侧填充结构，将中箱涵简化为平面杆系模型，将两侧混凝土填充结构简化为仅受压的弹簧，弹簧刚度保守取为80000kN·m，中箱涵底板与管片的接触刚度仍取51000kN·m。

（4）计算结果,以盾构隧道内车辆交会工况为例，在两种结构模型下，结构的受力情况见图3、图4。

图3 预制中箱涵+现浇边涵结构受力图

图4 预制中箱涵+两侧填充结构受力图

经计算对比，将钢筋混凝土现浇边涵改为混凝土填充，由于两侧混凝土对中箱涵的约束作用变强，中箱涵顶板跨中弯矩由84.11kN·m 减小为72.3kN·m，轴力由183.7kN 减小为43.8kN，作为受弯构件的顶板的整体应力水平降低。中箱涵侧墙与顶板连接处的弯矩由36.8kN·m 增加至44.44kN·m，轴力由202kN 减小为142kN，边涵改为填充结构后，由于约束作用减小，墙顶弯矩有所增加，但对配筋不起控制作用。并且，采用现浇边涵时现浇边涵与预制中箱涵间采用钢筋接驳器连接，并设置钢筋混凝土牛腿的结构，由于牛腿的截面较小，受力性能相对较差，且受力不甚明确，两侧改为混凝土填充后，结构更简单。

2.3.2 两种结构形式对盾构管片受力的影响

除比较轨下结构本身的受力性能外，还需要比较两种轨下结构实施后对管片结构整体受力可能产生的影响。计算采用MIDAS-GTS 有限元软件，将管片—轨下结构模型简化为平面应变模型，研究列车交会工况中两种轨下结构对盾构管片的整体受力影响。荷载的计算及组合与上文的计算方法相同，盾构覆土按1.5 倍洞径，约21m 进行计算。

（1）计算模型，模型采用荷载—结构模型进行计算，将盾构管片及箱涵结构简化为梁单元，将混凝土填充简化为平面应变单元。对于盾构管片单元节点及外部对应固定点，采用弹性连接方式，分别建立仅受压的约束X 方向的法向弹簧，以及受拉压的约束Y、Z 方向的切向弹簧，模拟盾构与土体的相互作用。对于盾构管片单元与轨下结构对应节点，同样采用弹性连接方式，建立仅受压的约束X 方向的法向弹簧，模拟管片对轨下结构的支撑作用，采用受拉压的约束Y、Z 方向的切向弹簧，模拟盾构管片与轨下结构间的摩擦力。计算过程中采用施工阶段功能，先计算盾构管片结构受力情况，后激活轨下结构及其上部轨道、车辆荷载进行计算。

（2）计算结果，以盾构隧道内车辆交会工况为例，在两种结构模型下，管片结构的受力情况见图5、图6。

图5 预制中箱涵+现浇边涵结构方案的管片受力图

图6 预制中箱涵+两侧填充结构方案的管片受力图

经计算对比，现浇边涵方案盾构管片拱顶弯矩为271kN·m，轴力为2512kN；拱腰弯矩为240kN·m，轴力为2867kN。两侧填充方案下，盾构管片拱顶弯矩为267kN·m，轴力为2515kN；拱腰弯矩为233kN·m，轴力为2868kN。说明将现浇边涵改为混凝土填充结构后，由于混凝土填充会提高结构的整体刚度，对盾构管片的整体结构会形成一定的约束作用，管片弯矩有所减小，但由于相对于隧道管片的整体尺寸，混凝土填充的体积较小，约束作用有限，管片弯矩减小程度有限。由于盾构管片轴力与其所受荷载的整体水平有关，因此两种方案的轴力差别不明显。整体来看，将现浇边涵改为两侧填充，盾构管片的结构受力会得到较小幅度的改善。

3 结论

大直径盾构隧道轨下中箱涵+两侧混凝土填充结构有以下优势：第一，该结构能增强结构整体的纵向刚度，增加结构的自重，有利于盾构抗浮，且能够提高盾构整体结构的稳定性，进而确保列车运行基础稳定。第二，该结构能够减少钢筋混凝土现浇边涵钢筋绑扎、立模现浇等工序，加快施工进度，有利于洞内快速施工，提高施工效率。第三，该结构能够减少钢筋用量，通过测算，可显著降低工程造价。第四，在长距离独头掘进的铁路大直径盾构隧道中采用该结构形式可以适当优化盾构的结构受力。

综上，说明该结构设计是合理的，可考虑在后续的相关工程中加以应用。