曾格华

(深圳市政府投资项目评审中心 深圳 518035)

建成于上世纪90年代的上海地铁1号线为长三角及华南沿海地区的第一条城市轨道交通线路，其区间盾构隧道内径为5.5 m，此后，同样软土地层大量分布的南京、杭州、苏州、广州及深圳等城市借鉴上海地铁1号线相关建设经验，其轨道交通盾构隧道内径大多采用5.4 m或5.5 m。

上海地铁多年监护数据表明，软土地层中盾构隧道结构变形明显[1-2]。目前，结构收敛变形的治理一般采用内张钢圈及微扰动注浆的综合措施[3]，但内张钢圈需占用隧道断面空间，且随着客流量的增大，通行列车的大型化也使得区间隧道设计断面界限空间已明显不足，隧道内径亟须扩大。

本文以杭绍城际铁路地下盾构段为研究对象，针对扩大内径后的盾构隧道管片环结构安全性开展研究，以期为工程设计及运营维护提供参考。

1 工程概况

杭绍城际铁路地下盾构段管片环结构组成见图1。其管片环结构包括1块封顶块(F，20°)、2块邻接块(L，68.75°)，以及3块标准块(B，67.5°)组成，全线以错缝拼装为主。管片环内径5 900 mm，管片厚度350 mm，采用C55混凝土预制，环内纵缝接头均布设有2根M30弯螺栓，环间环缝接头由16根6.8级M30弯螺栓连接。

图1 杭绍城际盾构隧道管片环结构组成

隧道平均埋深15 m，穿越地层主要为淤泥质黏土，参照地勘资料，土体主要参数见表1。

表1 隧道穿越地层及其土体参数

2 管片环结构安全复核

2.1 工况设置及计算模型

考虑土层差异，管片环共有浅埋、中埋、深埋及超深埋等4种设计方案，分别对应覆土深度范围为≤11，>11～15，>15～22 m，以及>22 m，据此设置4种计算工况，见表2。

表2 各工况隧道埋深及穿越土层土体参数

结构计算根据修正惯用法模型，采用结构力学解析方法[4]，其中，管片环弯曲刚度有效率η及弯矩提高率ζ分别取值0.8，0.3[5]，考虑水土合算[6]，对浅埋、中埋、深埋及超深埋等4种工况的管片环结构内力、变形及管片裂缝等特征进行安全性复核计算。4种工况管片初步配筋方案见表3。

表3 各工况管片配筋方案

管片环结构计算模型及外荷载系统见图2。

q-上覆土自重，平均重度18.3 kN/m3；e1-拱顶高度处水平土压力；e2-拱底高度处水平土压力；g-管片环自重，混凝土重度25 kN/m3；K-下部竖直荷载，K=q+g；Ph-土层土体水平抗力，Ph =k·ΔD；k-土体水平抗力系数，管片环水平直径收敛变形量ΔD采用多次迭代逼近确定。

2.2 计算结果

1) 结构内力及强度复核。外荷载采用基本组合，其中永久荷载分项系数取值1.35，可变荷载分项系数取值1.4。管片主截面受力分析图见图3，接头截面受力分析图见图4。经计算，管片环结构内力情况汇总于表4。

表4 管片环结构内力

图3 管片主截面受力分析图

图4 接头截面受力分析图

基于平截面假定[7]，由管片及接头截面受力及弯矩平衡条件，可计算得到一定内力作用下的管片截面混凝土及钢筋受力状态，计算结果见表5。

表5 环内各截面受力状态

由表5可知，管片最大正负弯矩截面及接头截面的混凝土及钢筋均受力正常，即各截面处于安全状态。

2) 管片环变形及管片裂缝宽度复核。变形及裂缝宽度复核计算中，外荷载采用准永久组合，其中永久荷载分项系数取值1.0，可变荷载分项系数取值1.0。计算结果见表6。

表6 各工况管片环结构内力及变形

由表6计算结果可知，各工况收敛变形量均小于设计控制标准0.3%D(D为管片环外径)，管片最大裂缝宽度均小于0.2 mm的控制值[8]。

3 管片环结构安全敏感性分析

盾构隧道管片环结构组成复杂，同时，其赋存内外环境多变，对其自身结构及外荷载各参数变化引起的管片环结构受力变形特征进行敏感性分析，可量化各因素的影响，据此可制定优化结构安全的技术措施。

3.1 土体水平抗力影响

同时考虑施工扰动程度及隧道赋存土层土体特性的差异，对土体水平抗力系数设定多种取值进行分析工况的设置。

根据勘察报告，隧道典型穿越土层为③-1淤泥质黏土，其水平抗力系数原位测试值为20 MN/m3，该土体受施工扰动影响大。考虑盾构机掘进施工过程中刀盘转动及管片背后高压注浆导致该土层土体结构发生较大变化，设置5种计算分析工况，对各工况条件下的管片环内力及变形特征进行计算。计算结果见表7。

表7 各工况管片环结构内力及变形

根据表7可得相应结论如下。

1) 水平抗力的增加可同时减小环内最大正负弯矩值，即在水平抗力系数取值较小的3 000 kN/m3时，相比不考虑水平抗力，管片环内最大正负弯矩值分别减小10.6%及13.9%，当水平抗力系数取接近设计推荐值的15 000 kN/m3时，管片环内最大正弯矩值分别减小34.1%及44.6%。由此可见，管片环水平抗力是增强其结构受力合理性的有利因素，管片环结构设计时应适当考虑土体水平抗力，同时，盾构隧道施工方案的制定及施工过程的操作中应采取相应措施尽量减少和避免对隧道周边土层土体的扰动。

2) 相比结构受力，土体水平抗力对管片环收敛变形量的影响更为显著。当水平抗力系数取3 000 kN/m3及15 000 kN/m3时，管片环收敛变形量相比无水平抗力情况分别减小13.1%及41.9%，显然，保证水平抗力是控制管片环收敛变形量的一项重要手段。

3.2 埋深土层侧压力系数影响

埋深土层土体类型的差异导致其侧土压力系数变化明显，同时，同一土层的不同勘察点得到的该参数亦可能存在较大波动范围。对管片环考虑土体水平抗力，对其水平向荷载中的侧土压力系数设定多个取值。

隧道穿越土层类型众多，根据勘察报告，设定土体侧压力系数λ取值范围为0.3～0.8，计算分析工况设置及其计算结果见表8。

表8 各工况管片环结构内力及变形

由上述各工况计算结果可知，管片环内最大正负弯矩值及收敛变形量随埋深土层侧压力系数值的增加而线性减小，当侧压力系数每增加0.1，最大正负弯矩及收敛变形值减小约17%。显然，侧土压力为管片环结构受力变形的有利因素，诸如基坑开挖的土体卸载等工程活动对管片环结构受力状态影响明显，隧道结构设计及运营期健康监护监测标准的制定须考虑相关不利工况的影响，并严格限制隧道周边相关工程活动的间距及规模。

3.3 错缝拼装形式、环间搭接量及接头构造等影响

埋深土层土体抗力系数不变，考虑错缝拼装形式、环间凹凸榫尺寸，以及接头构造(包括螺栓孔高度、螺栓等级及螺栓有效长度等)等因素的差异对管片环整体抗弯刚度的影响，对弯曲刚度有效率设定多个取值，并分别对应设置其弯矩增大系数后，设定各计算工况见表9。

表9 各工况相关参数

表10 各工况管片环结构内力及变形

由上述计算结果可知，管片环错缝拼装形式、环间搭接量及接头构造等因素的差异对管片环结构内力的影响较小(弯曲刚度系数取值0.5及0.8时，管片环内最大正负弯矩值相差不足10%)，但管片环收敛变形量变化较大，弯曲刚度系数取值0.5，管片环收敛变形量相比其取值0.8时增长约50%。因此，设计方案中选择错缝拼装形式时，接头方位尽量靠近弯矩较小的45°区域，环间搭接量即凹凸榫槽的尺寸较大，接头螺栓加强及正负弯矩接头的螺栓分别采用内外侧布设等措施可有效地减小管片环的收敛变形量。

3.4 管片厚度对管片环结构状态的敏感性分析

同样采用考虑土层水平抗力的计算模型，对管片厚度、外径变化等因素引起的管片环结构内力及变形特征变化规律进行分析。

表11 各工况相关参数

表12 各工况管片环结构内力及变形

管片厚度增加，管片环结构刚度增加，同时，管片环外径增大，因此其外荷载亦有增大，管片环内最大正负弯矩值均有小幅增加(增幅约为5%)，收敛变形随管片厚度的增大而减小，梯度约为10%。

4 结语

以杭绍城际铁路地下段盾构隧道为实例，针对扩大内径后的管片环，首先复核其常规工况下的结构安全，认为：扩大内径后，管片环结构在常规工况条件下能够满足安全性要求。然后对其在多种特定工况条件下的结构状态进行计算和对比后建议如下。

1) 施工方案的制定及实际操作中应采取措施避免和减少对隧道周边土层的扰动。

2) 结构设计及运营期监护标准的制定须考虑特定工况，并严格限制隧道周边相关工程活动的间距及规模。

3) 设计方案中，将接头尽量布设在45°区域、增大环间搭接量、接头螺栓加强及采用双排螺栓等措施可有效地减小管片环的收敛变形量。

4) 增大管片厚度可在一定程度上减小管片环收敛变形，经济技术比选后，可适当增大管片厚度。