趙 瑾，朱 榆

(1.沈陽鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧沈陽 110013;2.遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110005)

目前，沈陽地鐵隧道正處于建設(shè)的高峰期。由于城市地面建筑物擁擠，地下管線錯綜復(fù)雜，地鐵區(qū)間在繁華城區(qū)街道修建是避免不了的。采用明挖法施工占地多，交通干擾大，地下管線拆遷量大，容易造成環(huán)境污染，諸多局限性日益突出。而暗挖法克服了上述缺點(diǎn)，減少了對環(huán)境的影響，能保證交通暢通和地下管線的正常使用。而暗挖區(qū)間工程造價(jià)一直備受投資方關(guān)注。暗挖隧道襯砌作為關(guān)鍵控制指標(biāo)之一，其厚度、混凝土強(qiáng)度、配筋率等參數(shù)的設(shè)計(jì)，這些都與襯砌采用的計(jì)算模型密切相關(guān)。選擇合理的二襯計(jì)算模型，對體現(xiàn)暗挖區(qū)間的優(yōu)越性、降低建設(shè)造價(jià)及提高工程經(jīng)濟(jì)性影響都很大。

地下工程中常用的計(jì)算方法是荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法［1-3］。暗挖區(qū)間二襯設(shè)計(jì)仍以荷載結(jié)構(gòu)法為主，但計(jì)算模型中未考慮初支的影響，這使得計(jì)算結(jié)果偏于保守。本文針對沈陽地鐵一號線延伸線四號街站—張士站區(qū)間暗挖段隧道的襯砌，采用荷載結(jié)構(gòu)法中的考慮初支的復(fù)合襯砌的方法進(jìn)行計(jì)算，并與未考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行比較。

1 工程概況

暗挖區(qū)間段起于四號街站東端，沿開發(fā)大路向東前行，在流花湖街和開發(fā)大路交界的中西合資沈陽金鑫萊陽食品有限公司前，線路略向左偏，繼續(xù)沿開發(fā)大路至張士站。區(qū)間隧道為馬蹄形斷面，復(fù)合襯砌。線路呈“∨”坡，隧道結(jié)構(gòu)底最大埋深19.328 m(覆土厚度12.878 m)，最小埋深10.368 m(覆土厚3.918 m)，平均埋深14.848 m(覆土厚度8.398 m)。暗挖主體結(jié)構(gòu)頂板穿過的巖土層多為粉質(zhì)黏土層、中粗砂層、礫砂層。暗挖主體結(jié)構(gòu)底板穿過的巖土層多為中粗砂層、礫砂層、粉質(zhì)黏土。暗挖主體結(jié)構(gòu)邊墻多穿過粉質(zhì)黏土層、中粗砂層、礫砂層、黏土層。暗挖標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)如圖1，初支選用C20早強(qiáng)噴射混凝土，二襯選用C30防水混凝土，初支和二襯厚度均為300 mm。主筋采用HRB 335級鋼筋。計(jì)算土層參數(shù)如下:覆土厚度12.878 m;覆土重度19.2 kN/m3;地下水位4 m;飽和重度20.06 kN/m3;側(cè)壓系數(shù)0.42;豎直地基反力系數(shù)30 MPa/m;水平地基反力系數(shù)28 MPa/m。

圖1 結(jié)構(gòu)斷面示意(單位:mm)

2 未考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果

2.1 內(nèi)力計(jì)算

計(jì)算采用有限元軟件MIDAS-GTS。隧道二襯用彈性梁單元模擬，地層對襯砌結(jié)構(gòu)的抗力采用彈簧單元模擬，計(jì)算模型如圖2。按水土合算得區(qū)間隧道二襯內(nèi)力，彎矩左右對稱，最大正彎矩出現(xiàn)在隧道頂部，為314 kN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在左右兩側(cè)拱腳，為－386 kN·m;軸力左右對稱，最大軸力出現(xiàn)在仰拱，為2 610 kN，最小軸力出現(xiàn)在隧道頂部，為1 480 kN。對計(jì)算內(nèi)力中的兩組數(shù)據(jù)做最不利分析，見表1。

圖2 計(jì)算模型示意

2.2 配筋計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范文獻(xiàn)［4-6］取荷載分項(xiàng)系數(shù)并驗(yàn)算裂縫寬度，計(jì)算兩組最不利內(nèi)力組合工況下配筋。

3 考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算結(jié)果

3.1 模型介紹

此計(jì)算模型采用有限元軟件MIDAS-GTS進(jìn)行模擬計(jì)算，隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算采用直接剛度法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法校核，并結(jié)合施工條件等因素，綜合分析確定。將區(qū)間隧道復(fù)合襯砌(二襯與初支)均用彈性梁單元模擬，同時(shí)參與模型計(jì)算。實(shí)際施工中初期支護(hù)與二次襯砌之間是采用微膨脹性水泥漿液填充，在計(jì)算模型則采用彈簧連接模擬二襯與初支二者之間的聯(lián)系。由于初期支護(hù)不防水，在模型中直接將水荷載加于二次襯砌上。地層對襯砌結(jié)構(gòu)的抗力采用彈簧單元模擬［7］。

3.2 內(nèi)力計(jì)算

計(jì)算采用有限元軟件MIDAS-GTS，按水土合算得區(qū)間隧道初支與二襯內(nèi)力，可以看出彎矩左右對稱，最大正彎矩出現(xiàn)在隧道頂部，為311 kN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在左右兩側(cè)拱腳，為－336 kN·m;軸力左右對稱，最大軸力出現(xiàn)在仰拱，為1 850 kN，最小軸力出現(xiàn)在隧道頂部，為1580 kN。

3.3 配筋計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范［4-6］取荷載分項(xiàng)系數(shù)并驗(yàn)算裂縫寬度，計(jì)算兩組最不利內(nèi)力組合工況下配筋。

4 計(jì)算結(jié)果對比分析

4.1 內(nèi)力比較

考慮到區(qū)間隧道在一般埋深下主要是彎矩問題，也就是影響設(shè)計(jì)配筋的主要是彎矩，所以主要對彎矩進(jìn)行比較。內(nèi)力比較見表1。

表1 二襯截面內(nèi)力比較

比較兩種方法計(jì)算后的彎矩和軸力，由于荷載對稱，其彎矩是針對中心軸對稱的，最大正彎矩在頂部，最大負(fù)彎矩在左右兩側(cè)拱腳處。由表1可知，未考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法和考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算的內(nèi)力結(jié)果存在一定程度的差異，前者在內(nèi)力上比后者大15%左右，這是由于計(jì)算模型的原因，前者計(jì)算偏于保守，后者更接近于實(shí)際情況，能得到較為理想的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)該優(yōu)先選擇此計(jì)算模型。

4.2 配筋比較

對兩種方法計(jì)算內(nèi)力后的配筋結(jié)果進(jìn)行比較見表2(這里的配筋比較只是指主筋，不包括構(gòu)造筋)。

表2 二襯截面內(nèi)力比較

從表2可看出:考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法的配筋明顯要比未考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法的配筋少，每延米區(qū)間隧道二襯鋼筋減少量為292.6 kg，此計(jì)算模型更經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)論

1)沈陽地鐵區(qū)間隧道采用未考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行二襯設(shè)計(jì)是可用的，但計(jì)算結(jié)果偏于安全。

2)考慮初支影響荷載結(jié)構(gòu)法模型更適合沈陽地鐵暗挖區(qū)間隧道二襯設(shè)計(jì)，用其計(jì)算可得到更為理想的結(jié)果。

3)目前沈陽地鐵暗挖區(qū)間隧道二襯設(shè)計(jì)偏于保守，在合理選擇二襯厚度的條件下，對減少每延米的配筋量進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，能降低工程造價(jià)。

［1］ 王夢?。叵鹿こ虦\埋暗挖技術(shù)通論［M］．合肥:安微教育出版社，2004．

［2］ 劉釗，余才高，周振強(qiáng)．地下工程設(shè)計(jì)與施工［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］ 施仲衡．淺埋暗挖法設(shè)計(jì)理論論述［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005(2):37-39．

［4］ 中華人民共和國建設(shè)部．GB 50010—2002 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［5］ 中華人民共和國建設(shè)部．GB 50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2003．

［6］ 中華人民共和國建設(shè)部．GB 50009—2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001．

［7］ 李東勇，徐禎祥，王琳靜．地鐵暗挖隧道初期支護(hù)聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)值模擬分析［J］．鐵道建筑，2007(5):34-37．