唐伟庆

(深圳市交通公用设施建设中心，广东深圳 518000)

盾构法是地下隧道暗挖法施工中的一种[1]，即是用盾构机进行施工建造隧道的方法。盾构法具有噪音、振动引起的公害小,且不影响地面交通；施工人员较少、劳动强度低且生产效率高；适宜于建造覆土较深的隧道；施工不受风雨等气候条件影响[2]等优点。盾构隧道是由管片通过螺栓连接而成的装配式结构[3]，管片是隧道的长期受载体，其计算方法对隧道的安全运营至关重要[4]。

目前盾构隧道衬砌管片结构设计的模型主要有经验类比模型、荷载结构模型[5]、地层结构模型[6]、收敛限制模型[7]4种模型。当前国内外盾构隧道衬砌结构设计计算主要以荷载结构模型为主[8]。根据计算过程中对土层抗力和管片接头处理方法不同，荷载结构计算方法又分为惯用法、修正惯用法[9]、多铰圆环法[10]和梁-弹簧模型法[11]等4种计算方法。随着计算机技术的快速发展，目前基于数值模拟方法越来越广泛的应用于盾构隧道管片受力研究。常用的数值方法包括：有限单元法，边界元法，离散元法，有限差分法[12]。相较与传统方法，数值方法具有方便、灵活和经济等特点[13]。

春风隧道线路由西向东经过许多重要道路，沿线微地貌发育，主要发育海陆相冲洪积平原、滩涂、低台地及其间沟谷地貌。沿线地形稍有起伏，标高在-2～8.5 m间变化。针对线路情况在ZK0+837到ZK4+437共3 600 m的线路段采用盾构法开挖隧道。为保证隧道施工过程的顺利进行，必须对春风隧道衬砌管片结构进行受力分析，确保其达到预期的工程条件。本文衬砌管片的内力计算在正常使用阶段按自由变形的弹性均质圆环和梁-弹簧模型进行设计，施工阶段以考虑衬砌与地层共同作用和接头影响的弹性铰圆环进行复核。

1 工程概况

1.1 盾构隧道概况

春风隧道工程西起滨河大道上步立交东侧，由西往东布线。隧道起点至鹿丹村段沿现状滨河大道地下通行，过了鹿丹村位向南偏，下穿深圳火车站及地铁1号线后沿深圳河与沿河路之间区域向东，终止于新秀立交西侧，隧道总平面如图1所示。

图1 春风隧道总平面

春风隧道全线为双向四车道，采用上下叠层结构布置形式。自西向东，隧道分别由西侧隧道敞开引道段+西侧明挖暗埋段+西侧工作井+盾构段+东侧工作井+东侧明挖暗埋段+东侧隧道敞开引道段组成。隧道主要采用明挖暗埋法和全断面掘进法(盾构法)开挖，其中盾构段起点ZK0+837，终点ZK4+437，共3 600 m。东西侧各设一处盾构工作井，盾构机自西侧盾构井始发，东侧盾构井吊出。

1.2 工程地质条件

1.2.1 沿线地层特性

根据钻探揭露，场地内揭露地层结构自上而下分述如表1所示。

1.2.2 水文地质条件

1.2.2.1 地下水

根据其赋存介质的类型，沿线地下水主要有3种类型：一种是第四系松散层中的上层滞水；一种是第四系地层中的孔隙水，一类为基岩裂隙(构造裂隙)水。勘察期间(2016年3月—2016年5月)测得全线混合稳定水位埋深为2.0～6.9 m，混合稳定水位高程为-0.16～4.63 m。

1.2.2.2 地下水补给、径流、排泄

地下水主要由大气降水补给和含水层侧向径流补给，与地表水系具较好水力联系。受地形地貌控制，沿线地下水径流为由北向南方向排泄。

表1 场地地层参数 单位：m

2 管片受力分析

2.1 管片几何尺寸

盾构衬砌环尺寸为外径15 200 mm、内径13 900 mm、厚度650 mm、幅宽2 000 mm。管片几何尺寸示意如图2所示。

图2 管片几何尺寸示意

2.2 隧道工况分类

根据围岩情况、隧道埋深影响，将隧道分为8个不同的工况如表2所示。

表2 数值模拟计算工况 单位:m

2.3 有限元建模

采用 Midas软件进行建模，TB10003-2016根据《铁路隧道设计规范》[14]，深埋隧道与浅埋隧道的划分原则：对IV～VI级围岩原则上按2.5倍洞顶岩石塌落高度为划分标准；对I～III级围岩原则上按2倍洞顶岩石塌落高度为划分标准。洞顶岩石塌落高度h按照公式(1)进行计算：

h=0.45×2s-1ω

(1)

式中：s为围岩级别，ω为宽度影响系数，ω=1+i(B-5)，其中B为隧道宽度，i是以B=5 m的围岩垂直均布压力为准，B每增减1 m时的围岩压力增减率。针对春风隧道，其设计宽度B=15.2 m，取i=0.1。

主要考虑荷载有：地面超载在没有建筑物超载时按20 kPa计算，结构内部荷载按CJJ11-2011《城市桥梁设计规范》[15]城-A级考虑取车辆荷载集中力为150 kN，作用效应组合按照持久状况进行正常使用极限状态标准组合(SLS)验算。此外，针对不同工况的隧道其具体荷载分布如表3所示。

2.4 计算结果

2.4.1 管片受力情况

根据有限元计算结果，得到8种工况下春风隧道衬砌管片弯矩包络图和轴力包络图分别如图3和图4所示。由图可知：8种工况下衬砌管片的最大弯矩和最大轴力均出现在拱顶封顶块位置，具体数值汇总如表4所示。

图3 衬砌管片弯矩包络图(单位：kN· m)

2.4.2 配筋情况

根据表4所示8种工况下的管片最大弯矩和最大轴力计算结果，对管片进行配筋计算，得到不同工况下衬砌管片的配筋结果如表5所示。

3 总结

本文针对深圳市中心城区春风隧道项目，以自由变形的弹性均质圆环和梁-弹簧模型为理论基础采用有限元方法建立分析模型对其衬砌管片进行受力分析和配筋计算。计算结果表明：在不同工况下衬砌管片的最大弯矩和最大轴力均出现在拱顶位置，在此基础上利用最大弯矩和最大轴力对衬砌管片进行配筋设计，确保管片受力性能达到工程要求。通过本文分析理清了衬砌管片受力分析的基本方法思路，为今后类似的工程项目研究提供了参考。

表3 隧道荷载分布 单位：kN/m2

表4 不同工况下的最大弯矩、轴力

图4 衬砌管片轴力包络图(单位：kN)

表5 隧道配筋结果