邓娟红 戴 旺 欧阳伟强 刘扬良 戴精灵

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 410008， 长沙∥第一作者， 高级工程师)

传统盾构隧道内安装管线及固定设备一般采用打孔、化学锚栓与金属支架配合的方式，存在安装效率低、施工环境差、对管片损伤大、保养维修困难等问题。为解决该问题，国内很多城市轨道交通盾构隧道均采用预埋滑槽技术作为解决方案。但该技术目前在磁浮盾构隧道中尚无相关应用。

目前，磁浮交通盾构隧道工程设计可参考CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通设计规范》[1]及DBJ 43/T 007—2017《湖南省中低速磁浮交通设计标准》[2]，但规范中尚缺乏盾构管片预埋滑槽的相关内容。因此，有必要研究预埋滑槽技术在磁浮交通盾构隧道中的应用，为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

长沙磁浮快线东延线(以下简为“东延线”)接入T3航站楼。其中，东延线下穿机场防吹坪区段(以下简为“下穿段”)总长5 698 m，采用盾构法施工，建成后将成为世界上最长的中低速磁浮隧道。下穿段盾构管片采用厚350 mm的预制管片拼装而成，管片内径为6 200 mm、外径为6 900 mm，每环管片宽1.5 m。

盾构管片预埋滑槽采用全环预埋的方式，在钢模上开螺栓定位孔，将槽道固定在钢模上来保证槽道的准确定位。预埋滑槽采用CBY38/23-Z1型号。滑槽槽道截面的名义尺寸为：宽37.5～39.0 mm，高22.5～24.0 mm。锚杆外径为10 mm，锚固长度为73 mm。

2 预埋滑槽盾构管片计算模型的建立

2.1 计算参数

对下穿段盾构隧道进行力学性能计算分析。盾构管片及地层的物理力学参数见表1。

表1 盾构管片及地层的物理力学参数

2.2 盾构管片荷载的施加

强、弱电电缆自重荷载为1.51 kN/m，疏散平台自重荷载为2.0 kN/m，疏散平台活荷载为6.8 kN/m(包含人员满载荷载3.3 kN/m，以及活塞风引起的往复荷载3.5 kN/m)。疏散平台荷载是盾构管片的控制性荷载，因此，盾构管片所受最大附加荷载p0为：

p0=(p1+p2)β

(1)

式中：

p1——疏散平台自重；

p2——疏散平台活载；

β——紧急疏散时的荷载系数，取1.4。

将相关参数代入式(1)，计算得到沿盾构管片切向的最大荷载为18.48 kN。每个疏散平台[3](宽约0.95 m，每1.5 m设置1道)支点是由两个T形螺栓承载的，则疏散平台在列车正常运行时对固定其的槽道产生的疲劳工作荷载的最大值为9.24 kN，此疲劳工作荷载满足GB 50157—2013《地铁设计规范》中的要求。

计算断面处隧道拱顶埋深为24 m。根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[4]的相关规定，围岩级别为Ⅴ级，通过计算得到围岩高度ha为8.424 m。隧道结构埋深h>21.06 m，故按深埋公式进行计算。隧道结构施加的荷载如下：

1)自重：盾构管片为钢筋混凝土结构，重度取25 kN/m3。

2)土压力：拱顶覆土压力为117.94 kN/m，侧向水平土压力为47.17 kN/m。

3)拱顶处竖向水压力为220 kN/m2，拱底处水压力为289 kN/m2。

4)地面超载竖向压力q0为20 kPa，超载侧压力e0为8 kPa。

5)疏散平台活荷载按最大荷载进行施加。人员荷载按成年人(体重为70 kg/人)考虑，因此每个疏散平台(宽1.5 m)承受的活载取3.3 kN/m；活塞风为3.5 kN/m。因此，疏散平台所承受的活荷载为10.2 kN。

6)飞机荷载。本工程盾构隧道南侧绕避跑道，下穿防吹坪。以最不利工况考虑，在模型中对管片结构施加飞机荷载(见图1)。

单位：m图1 A380-800型飞机荷载平面布置Fig.1 Aircraft load planar layout (A380-800 model)

以机场上运行次数最多和主轮轴荷载较大的飞机作为设计飞机，以其主轮设计荷载作为设计荷载。本次计算按最不利机型A380-800(控制参数见表2)考虑，该飞机机轮着地区域宽0.38 m、长0.64 m。

表2 飞机各控制机型参数表

飞机主起落架上的轮载设计值Ps计算为：

Ps=Gp/(ncnw)

(2)

G取5 620 kN，p取0.57，nc取2，nw取6，通过计算得到Ps为267 kN。单个轮子传递的竖向压力为：

Pc,z=μDPc/[(a+2ztanθ)(b+2ztanθ)]

(3)

式中：

Pc,z——地面飞机荷载传递到计算深度z处的竖向压力，kPa；

μD——飞机荷载动力系数，根据表3取值；

Pc——飞机单个轮子的压力，kN；

a——飞机单个轮子的轮印长度，m；

b——飞机单个轮子的轮印宽度，m；

θ——荷载扩散角，(°)；

z——覆盖层深度，m。

μD取1，Pc取267 kN，a取0.64 m，b取0.38 m，z取24 m，θ取30°，计算得到Pc,z为0.343 kPa。

表3 C类及以上(含C类)飞机荷载的动力系数表

基于多轮作用，并偏于安全考虑，本次计算中飞机尾部轮载传递到管片顶部的压力为6.86 kPa，侧向压力为2.74 kPa。

2.3 计算模型的建立

基于荷载结构法，利用有限元分析软件Midas建立单环管片三维模型。管片与土体之间采用曲面弹簧来模拟，该曲面弹簧仅承受压力；本隧道所穿越围岩级别为Ⅴ级，Ⅴ级围岩弹性反力系数K为150 MPa/m；盾构管片及疏散平台采用实体单元，槽道采用板单元，锚杆与螺栓采用植入式梁单元；采用刚度折减系数来考虑管片环向接头的影响，结合国内相关经验，刚度折减系数取0.8，即盾构管片的弹性模量为28.4 GPa。

3 盾构隧道数值计算结果与分析

3.1 盾构管片位移分析

通过数值计算得到盾构管片水平、竖向的位移云图(见图2)，以及疏散平台的位移云图(见图3)。

a) 水平位移

b) 竖向位移图2 盾构管片的位移云图Fig.2 Displacement nephogram of shield segment

a) 水平位移

b) 竖向位移图3 疏散平台的位移云图Fig.3 Displacement nephogram of evacuation platform

由图3可知，在荷载作用下，盾构管片最大水平变形发生在拱腰处，约1 mm；盾构管片净空收敛变形约2 mm；盾构管片最大竖向变形发生在拱顶处，约4.2 mm。上述变形量均满足GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》[5]中的变形控制要求：管片净空收敛位移累计值限值为12 mm，管片结构拱顶沉降累计值限值为20 mm。

由图3可知，疏散平台最大水平位移和最大竖向位移分别为0.80 mm和0.43 mm，均未超出控制标准，说明疏散平台结构安全可靠。

3.2 盾构管片应力分析

经数值计算，得到盾构管片的最大应力及最小应力云图(见图4)、疏散平台的最大剪应力云图(见图5)及滑槽槽道的最大剪应力(见图6)、锚杆和螺栓轴力云图(见图7)。

a) 最大主应力

b) 最小主应力图4 盾构管片的应力云图Fig.4 Stress nephogram of shield segment

由图4～7可知：

图5 疏散平台最大剪应力云图Fig.5 Maximum shear stress nephogram of evacuation platform

图6 滑槽槽道的最大剪应力云图Fig.6 Maximum shear stress nephogram of chute channel

图7 锚杆和螺栓轴力云图Fig.7 Axial force nephogram of bolts

1)开槽的盾构管片在荷载组合作用下，混凝土的最大拉应力为8.34 MPa，大于TB 10003—2016规定的C50混凝土的抗拉极限强度3.1 MPa。而除此之外的盾构管片的混凝土拉应力均小于TB10003—2016的限值，说明当疏散平台承受最大活荷载时，可能会引起疏散平台周围部分管片结构的破坏。

2)由图5～6可知，疏散平台和滑槽槽道最大剪应力的最大值分别为33.5 MPa和33.0 MPa，均小于钢材的容许剪应力。由此可见，疏散平台和滑槽槽道不会发生破坏，即盾构管片能承受疏散平台上的最大活荷载。

3)由图7可知，螺栓的最大轴力为4.1 kN，发生在固定疏散平台的下部螺栓处；而锚杆的轴力较螺栓小，且均小于其设计轴力。

4 结论

1)长沙磁浮快线东延线下穿机场防吹坪区段盾构隧道结构采用的预埋滑槽技术，可提高盾构隧道主体结构的整体安全，避免了施工对隧道结构造成损伤，延长了磁浮隧道的使用寿命。

2)在下穿段开槽盾构管片结构承受疏散平台最大活荷载时，仅在疏散平台的槽道区域发生极小破坏。当在紧急疏散工况下，列车停运时，隧道内并无列车运行活塞风，即在不利工况下隧道结构依旧安全。由此可见，紧急疏散平台在人员满载时隧道整体结构依旧安全。

3)在典型工况下对下穿段的预埋滑槽及盾构管片进行受力分析，论证了磁浮盾构隧道内预埋滑槽方案的安全可靠。

4)预埋滑槽设计主要在于其承载力与耐久性。承载力可通过受力分析及改善构造措施予以解决，耐久性往往成为槽道质量的控制因素。因此，在滑槽生产制作过程中应加强耐久性质量控制，同时亦应加强现场检测。