地鐵隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

王宇斌

【摘要】隨著時代的與時俱進(jìn)，現(xiàn)如今，地鐵建設(shè)項目在我國大中型城市相繼展開，盾構(gòu)隧道具備安全性好、成本低等多重優(yōu)勢，是現(xiàn)階段地鐵隧道項目中極為主流的技術(shù)形式。但現(xiàn)階段盾構(gòu)隧道設(shè)計依然未形成規(guī)范，普遍采取的是工程類比法等，與地鐵項目所提出的運(yùn)營要求存在一定的差距，且是否具備充足的安全儲備也是現(xiàn)階段人們重點關(guān)注的話題。在此背景下，本文針對已經(jīng)投入運(yùn)營的隧道工程展開對比分析，對相關(guān)問題做出總結(jié)，以期給盾構(gòu)隧道設(shè)計工作提供一些指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】地鐵工程;結(jié)構(gòu)設(shè)計;管片選型;參數(shù)分析

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.24.

隨著城市交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量地鐵工程得到了建設(shè)。管片接頭是地鐵盾構(gòu)隧道裝配式襯砌管片結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計期間，其對結(jié)構(gòu)受力和配筋會產(chǎn)生重要的影響。因此，在管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，還應(yīng)考慮接頭作用等因素，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計。

1、設(shè)計荷載取值

盾構(gòu)隧道設(shè)計的核心要點在于模擬隧道圍巖壓力，所得的結(jié)果應(yīng)該足夠準(zhǔn)確，若選取的荷載缺乏合理性，后續(xù)施工中極容易引發(fā)工程風(fēng)險。對此，設(shè)計人員應(yīng)充分考慮地質(zhì)情況、埋深等多方面的因素，提升設(shè)計荷載取值的可行性。現(xiàn)階段，盾構(gòu)隧道設(shè)計荷載的可行方式較多，若采取隧道規(guī)范公式的方式，則重點考慮的是圍巖壓力計算高度ha，以此為基準(zhǔn)對覆土區(qū)分類，若具備25ha≥H≥ha的關(guān)系則視為淺埋區(qū);若具備H>25ha的關(guān)系則被視為深埋區(qū)。根據(jù)工程經(jīng)驗，淺埋荷載計算方法易受到多方面因素的影響。

若采取泰沙基理論則存在適用性不足的問題，相較于規(guī)范淺埋公式的方法而言其荷載相對更小，但其理論計算值略微更大一些。

2、設(shè)計工況

在設(shè)計盾構(gòu)隧道時，需要充分考慮到以下三方面因素：（1）盾構(gòu)隧道因其采用預(yù)制拼裝工藝，建設(shè)周圍環(huán)境的改變對其有較大的影響，因為必須對設(shè)計工況作嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎?，充分考慮各因素的影響;（2）如果隧道穿過的區(qū)域為經(jīng)濟(jì)待開發(fā)區(qū)，則需要考慮到物業(yè)基坑開挖的情況，基坑的開挖對地底結(jié)構(gòu)影響較大，需要引起重視;（3）對于隧道上方為高差變化較大地塊且地鐵監(jiān)管困難時，地面超載按大值取。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

在地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道設(shè)計階段，管片襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)計算模型采用不合理的問題，造成管片配筋設(shè)計不科學(xué)，給管片預(yù)制和工程造價帶來不良影響?，F(xiàn)階段，常用隧道結(jié)構(gòu)計算模型包含均質(zhì)圓環(huán)模型、殼-彈簧模型以及多鉸圓環(huán)模型等。采用均質(zhì)圓環(huán)模型，即采用修正慣用法。作為常用方法，修正慣性法的應(yīng)用需要利用小于1的剛度折減系數(shù)對管片接頭影響展開分析，在不考慮接頭位置的基礎(chǔ)上，利用曲梁單位對剛度折減后的襯砌圓進(jìn)行模擬，然后根據(jù)三角形抗力模擬結(jié)構(gòu)計算單環(huán)管片，得到結(jié)構(gòu)彎矩，最后利用彎矩增大系數(shù)進(jìn)行分配。在均質(zhì)圓環(huán)模型中，需要依靠經(jīng)驗進(jìn)行彎曲剛度有效值、彎矩提高率等參數(shù)的取值，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)確性降低。在圍巖條件較好且地層穩(wěn)定情況下，可以采用多鉸圓環(huán)模型，存在計算結(jié)果偏小的問題。采用殼-彈簧模型，將管片斷面看成是彎曲應(yīng)變狀態(tài)，需要對邊緣彎曲應(yīng)力集中情況進(jìn)行反映，但計算較為復(fù)雜。

4、管片構(gòu)造設(shè)計參數(shù)

諸多因素均會對管片構(gòu)造設(shè)計合理性造成影響，常見有管片內(nèi)徑、厚度、寬度等。盾構(gòu)隧道施工中，內(nèi)徑的選擇主要受到限界的影響，通常而言盾構(gòu)隧道限界為5200mm，與此同時還要考慮施工誤差、不均勻沉降等多方面因素，因此，要設(shè)置部分余量，提升內(nèi)徑的合理性。

從現(xiàn)階段各地的地質(zhì)情況來看，某地的地質(zhì)狀況較為優(yōu)良，各項誤差都可控制在100mm內(nèi)，從而確定隧道的內(nèi)徑，即5400mm。所在區(qū)域為穩(wěn)定性不足的軟土地區(qū)，此時可放寬考慮，即在既有限界基礎(chǔ)上外放100mm，可將隧道內(nèi)徑設(shè)置為5500mm。當(dāng)然，從某地鐵建設(shè)經(jīng)驗來看，該處盾構(gòu)隧道工程中依然要適當(dāng)擴(kuò)大內(nèi)徑，通常情況下不可低于5500mm。

具體原因有：

（1）施工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差。由于施工中伴隨明顯的隧道沉降現(xiàn)象，通常該值會達(dá)到±200mm，若現(xiàn)場為軟土地層還將存在盾構(gòu)橢變現(xiàn)象，因此，管片開裂、錯臺等質(zhì)量問題屢見不鮮。

（2）周邊物業(yè)的開發(fā)。在各項施工作業(yè)的影響下致使管片出現(xiàn)開裂等問題。對此可適當(dāng)加大隧道內(nèi)徑，以便給后續(xù)加固作業(yè)創(chuàng)造充足的空間。從我國臺灣捷運(yùn)隧道來看，則將內(nèi)徑設(shè)置為5600mm;新加坡地鐵工程建設(shè)中將隧道內(nèi)徑設(shè)置為5800mm，設(shè)置了單層襯砌，根據(jù)實際使用需求設(shè)計年限為50年，到期后在原有基礎(chǔ)上增設(shè)二襯，以達(dá)到100年的設(shè)計壽命;日本方面則在工程初期便施作了二次襯砌，可達(dá)到防腐、防水的效果，發(fā)揮出補(bǔ)強(qiáng)一次襯砌的作用。關(guān)于螺栓連接措施，彎螺栓連接是較為典型的形式，所使用的接頭具備足夠的自由度，可提升安裝效率。除此之外直螺栓與剎螺栓也是較為典型的方式，可為管片的穩(wěn)定連接提供支持，并達(dá)到機(jī)械快速安裝的效果，但此類方法難度較大，對技術(shù)水平提出較高要求。從抗彎與抗裂的角度來看，較為可行的是直螺栓的形式，其應(yīng)用效果明顯優(yōu)于彎螺栓和剎螺栓。綜合考慮本文所提出的工程案例，若在軟弱地層中展開施工作業(yè)，較為可行的是直螺栓的連接形式。

結(jié)語：

綜上所述，地鐵盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有十分重要的意義，能夠很好的保證我國地鐵隧道的安全性，并且盾構(gòu)隧道的施工快速，不受天氣的影響、不影響地面的交通環(huán)境、工作強(qiáng)度也不高，是地鐵隧道設(shè)計的首選設(shè)計方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉央央.地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的工況及設(shè)計參數(shù)研究[J].住宅與房地產(chǎn)，2018，23（19）：119.

[2]王建.地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的工況及設(shè)計參數(shù)研究[J].城市軌道交通研究，2013，16（8）：70-74.

[3]張鵬，何平，秦東平.地鐵盾構(gòu)隧道管片設(shè)計參數(shù)的敏感性分析[J].都市快軌交通，2010，23（3）：81-85，94.

[4]肖明清，王少鋒，龔彥峰，等.盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計幾個問題的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2019（3）：1-5.

[5]何川，劉川昆，王士民，等.裂縫數(shù)量對盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響[J].中國公路學(xué)報，2018，31（10）：210-219.