偶然荷載作用下單洞雙線隧道響應(yīng)分析

摘 要：為研究在偶然荷載作用下單洞雙線盾構(gòu)隧道整體力學(xué)性能，基于上海市機場聯(lián)絡(luò)線，選取了包括運營工況、頂部超載分別為90、180、360 kPa等4種工況下整體的力學(xué)性能，對各工況中偶然荷載作用下結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)及設(shè)計計算進行了分析，并與基本荷載組合、標準荷載組合進行了對比。結(jié)果表明：偶然荷載對管片內(nèi)力及配筋影響較小，對中隔墻內(nèi)力及配筋有所影響，對弧形件頂部截面內(nèi)力及配筋影響最大，需重點關(guān)注該構(gòu)件。偶然荷載作用下結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力與配筋均明顯高于基本荷載組合，但按照基本荷載組合配筋結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度均能滿足要求。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要將偶然荷載組合作為結(jié)構(gòu)整體受力的不利工況，并進行重點計算。

關(guān)鍵詞：單洞雙線盾構(gòu)隧道；預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)；偶然荷載；爆炸荷載；力學(xué)性能

中圖分類號：TU921 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0001-04

收稿日期：2024-03-11

▲基金項目：中鐵十四局集團有限公司科研課題（202214jtky0069）

作者簡介：杜亞南（1991—），男，山東濟寧人，碩士研究生，工程師，研究方向：大盾構(gòu)隧道施工與管理。

0 引言

隨著大直徑盾構(gòu)隧道施工技術(shù)的日益成熟[1]，大直徑盾構(gòu)隧道已成為當前城市軌道建設(shè)的首選施工方式。大直徑盾構(gòu)隧道的修建越來越多地采用單洞雙線布置，并在內(nèi)部采用預(yù)制結(jié)構(gòu)[2]。然而采用內(nèi)部預(yù)制結(jié)構(gòu)的大直徑盾構(gòu)隧道除受到風(fēng)壓荷載外，還會受到偶然荷載的作用，這對盾構(gòu)隧道整體力學(xué)性能會產(chǎn)生相應(yīng)影響。

針對盾構(gòu)隧道偶然荷載或爆炸荷載，劉揚等[3]基于相關(guān)理論提出了一種爆炸荷載作用下管片的簡化計算方法，結(jié)果表明其實用有效。潘偉強等[4]基于現(xiàn)場監(jiān)測，研究了不同工況下頂管隧道的響應(yīng)。其中在地表偶然荷載作用下結(jié)構(gòu)所受外荷載會極大增加，但結(jié)構(gòu)應(yīng)變增加較小。

目前，對于單洞雙線盾構(gòu)隧道預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)在偶然荷載作用下的力學(xué)性能的分析較少，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的中隔墻功能與常見連拱隧道中隔墻有所區(qū)別，仍需進行深入研究。本文基于上海機場聯(lián)絡(luò)線，研究了隧道整體結(jié)構(gòu)在不同工況中偶然荷載作用下的力學(xué)性能，并與基本荷載組合、標準荷載組合結(jié)果進行對比，以期得到隧道整體包括盾構(gòu)管片、弧形件、中隔墻在內(nèi)的力學(xué)性能及配筋量的異同。

1 研究背景

1.1 項目概況

上海市機場聯(lián)絡(luò)線是首條采用全預(yù)制裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)的市域鐵路線，設(shè)計時速160 km/h。線路采用單洞雙線布置形式，隧道內(nèi)徑、外徑分別為12.5 m和13.6 m，管片厚度0.55 m，環(huán)寬2 m。預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括預(yù)制弧形件、預(yù)制中隔墻、頂部連接件、疏散平臺等。隧道斷面如圖1所示。

1.2 模擬信息

基于荷載-結(jié)構(gòu)法，利用ANSYS17.0進行數(shù)值模擬計算，盾構(gòu)管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均采用BEAM188單元，分別利用LINK180單元與COMBIN39單元模擬徑向與切向土體彈簧[5]。

1.2.1 材料與約束

盾構(gòu)管片混凝土C50，寬2 000 mm，厚550 mm，剛度折減系數(shù)取0.7；預(yù)制內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土C40，弧形件頂部寬2 000 mm，頂厚、底厚分別為350 mm和250 mm；預(yù)制中隔墻寬、厚分別為2 000 mm和400 mm；弧形件底部墊層混凝土C30。

預(yù)制中隔墻頂部采用鉸接，底部與弧形件固接?；⌒渭撞繅|層與土彈簧一致，采用LINK180單元與COMBIN39單元分3wZ6yuty2m0XrfwcedzzCUA72+QBeQrdIR4HUxJ/glM=別模擬徑向與切向土體彈簧。

1.2.2 荷載參數(shù)

本文分析主要對四種工況進行分析，分別為運營工況和頂部超載90 kPa、180 kPa、360 kPa時的工況。

計算荷載包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載。其中永久荷載為結(jié)構(gòu)自重，取25 kN/m3，基本組合中分項系數(shù)取1.3，其他荷載組合中分項系數(shù)取1.0?？勺兒奢d為風(fēng)壓荷載，按疊合風(fēng)壓10 kPa進行計算?；窘M合中分項系數(shù)取1.5，重要性系數(shù)1.1，其他荷載組合中取1.0。偶然荷載包括爆炸荷載，按0.05 MPa均布荷載的方式作用于中隔墻一側(cè)及同側(cè)隧道內(nèi)弧面；在偶然組合計算中取分項系數(shù)1.0，其他荷載組合中僅需按承載能力進行計算。

2 運營工況設(shè)置

2.1 偶然荷載組合

偶然荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖2所示。將圖2中代表內(nèi)力匯總于表1。

偶然荷載作用下結(jié)構(gòu)整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為844.66 kN·m，對應(yīng)剪力值為449.18kN。盾構(gòu)隧道管片頂部剪力變化量為117.17 kN，對應(yīng)彎矩值為58.42 kN·m。此外，中隔墻所受軸壓力較小，遠小于其極限軸壓力值，中隔墻最大正彎矩值為860.31 kN·m，最大負彎矩值為-1090.8 kN·m。

選取計算截面內(nèi)最不利內(nèi)力組合，按極限承載能力要求進行結(jié)構(gòu)配筋計算，配筋計算見表2。

根據(jù)表2結(jié)果可知，管片內(nèi)弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%。外弧面需配置10C25+2C22的鋼筋，鋼筋面積為5 669 mm2，配筋率為0.52%。將內(nèi)、外弧管片配筋調(diào)整一致，均為10C25+2C22?；⌒渭敳拷孛娴捻?、底部對稱配置13C28，單側(cè)鋼筋面積為8 005 mm2，單側(cè)配筋率為1.14%。中隔墻對稱配置17C28鋼筋面積為10 468 mm2，配筋率為1.31%。后續(xù)工況與此處一致，不再贅述。

2.2 基本荷載組合

基本荷載組合下結(jié)構(gòu)整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為370.11 kN·m，對應(yīng)剪力值為220.21 kN。盾構(gòu)隧道管片頂部剪力變化量為42.07 kN，對應(yīng)彎矩值為92.98 kN·m。中隔墻所受軸壓力較小，遠小于其極限軸壓力值，中隔墻最大正彎矩值為215.75 kN·m，最大負彎矩值為-272.22 kN·m。

管片內(nèi)弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置10C25+2C22的鋼筋，鋼筋面積為5 669 mm2，配筋率為0.52%。將內(nèi)、外弧管片配筋調(diào)整一致，均為10C25+2C22?；⌒渭敳拷孛娴捻?、底部對稱配置9C25，單側(cè)鋼筋面積為4 418 mm2，單側(cè)配筋率為0.63%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為4 418 mm2，配筋率為0.63%。

2.3 標準荷載組合

標準荷載組合下結(jié)構(gòu)整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為267.28 kN·m，對應(yīng)剪力值為160.89 kN。盾構(gòu)隧道管片頂部剪力變化量為70.14 kN，對應(yīng)彎矩值為92.98 kN·m。中隔墻所受軸壓力較小，遠小于其極限軸壓力值，中隔墻最大正彎矩值為143.84 kN·m，最大負彎矩值為-181.35 kN·m。

按照2.2節(jié)配筋時，盾構(gòu)管片內(nèi)、外弧面最大裂縫寬度分別為0.18mm和0.16mm；弧形件頂部最大裂縫寬度為0.19 mm；中隔墻最大裂縫寬度為0.07 mm。三者最大裂縫寬度均未超過0.2 mm，滿足裂縫驗算要求。

3 頂部超載90 kPa工況

3.1 偶然荷載組合

結(jié)構(gòu)在頂部超載90 kPa偶然荷載組合下結(jié)構(gòu)整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為718.23 kN·m，對應(yīng)剪力值為310.48 kN。盾構(gòu)隧道管片頂部剪力變化量為11 kN，對應(yīng)彎矩值為17.51 kN·m。此外，中隔墻由于偶然荷載的作用產(chǎn)生軸拉力，其大小為62kN左右，中隔墻最大正彎矩值為875.56 kN·m，最大負彎矩值為-1 053.6 kN·m。

管片內(nèi)弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置8C25+2C22的鋼筋，鋼筋面積為4 687 mm2，配筋率為0.43%。內(nèi)外弧面鋼筋調(diào)整一致后為8C25+2C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置23C22，單側(cè)鋼筋面積為8 743 mm2，單側(cè)配筋率為1.25%。中隔墻對稱配置15C28鋼筋面積為9 236 mm2，配筋率為1.15%。

3.2 基本荷載組合

根據(jù)計算接配筋結(jié)果，在頂部超載90 kPa的基本荷載組合下，管片內(nèi)弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置10C25+4C22的鋼筋，鋼筋面積為6 429 mm2，配筋率為0.58%。內(nèi)外弧面鋼筋調(diào)整一致后為10C25+4C22?；⌒渭敳拷孛娴捻敗⒌撞繉ΨQ配置9C22，單側(cè)鋼筋面積為3 421 mm2，單側(cè)配筋率為0.49%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為3 421 mm2，配筋率為0.42%。

3.3 標準荷載組合

根據(jù)計算，在頂部超載90 kPa的標準荷載組合下，按照3.2節(jié)配筋時，盾構(gòu)管片內(nèi)弧面最大裂縫寬度為0.19 mm（外弧面最大裂縫寬度不高于內(nèi)弧面，后續(xù)僅驗算內(nèi)弧面）?；⌒渭敳孔畲罅芽p寬度為0.06 mm，中隔墻最大裂縫寬度為0.12 mm。3者最大裂縫寬度均未超過0.2mm，滿足裂縫驗算要求。

4 頂部超載180 kPa工況

4.1 偶然荷載組合

結(jié)構(gòu)在頂部超載180 kPa偶然荷載組合下結(jié)構(gòu)整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為899.6 kN·m，對應(yīng)剪力值為310.48 kN。盾構(gòu)隧道管片頂部剪力變化量為131.92 kN，對應(yīng)彎矩值為164.67 kN·m。中隔墻軸壓力為272.17 kN，最大正彎矩881.42 kN·m，最大負彎矩值為-1060.1 kN·m。

管片內(nèi)弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置8C25的鋼筋，鋼筋面積為3 927 mm2，配筋率為0.36%。為滿足正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計要求，內(nèi)外弧面鋼筋調(diào)整一致后為10C25+4C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置17C25，單側(cè)鋼筋面積為8 345 mm2，單側(cè)配筋率為1.19%。中隔墻對稱配置15C28鋼筋面積為9 236 mm2，配筋率為1.15%。

4.2 基本荷載組合

根據(jù)計算接配筋結(jié)果，在頂部超載180 kPa的基本荷載組合下，管片內(nèi)弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置8C25的鋼筋，鋼筋面積為3 927 mm2，配筋率為0.36%。為滿足正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計要求，內(nèi)外弧面鋼筋調(diào)整一致后為10C25+4C22?；⌒渭敳拷孛娴捻?、底部對稱配置9C22，單側(cè)鋼筋面積為3 421 mm2，單側(cè)配筋率為0.49%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為3 421 mm2，配筋率為0.42%。

4.3 標準荷載組合

在頂部超載180 kPa的標準荷載組合下，按照4.2節(jié)配筋時，盾構(gòu)管片內(nèi)弧面最大裂縫寬度為0.17 mm；弧形件頂部最大裂縫寬度為0.07 mm；中隔墻最大裂縫寬度為0.06 mm。三者最大裂縫寬度均未超過0.2 mm，滿足裂縫驗算要求。

5 頂部超載360 kPa工況

5.1 偶然荷載組合

結(jié)構(gòu)在頂部超載360 kPa偶然荷載組合下結(jié)構(gòu)整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為1 290.7 kN·m，對應(yīng)剪力值為765.29 kN。盾構(gòu)隧道管片頂部剪力變化量為529.39 kN，對應(yīng)彎矩值為441.19 kN·m。中隔墻軸壓力為889.5 kN，最大正彎矩903.23 kN·m，最大負彎矩值為-1 055.3 kN·m。

管片內(nèi)弧面需配置8C22的鋼筋，鋼筋面積為3 041 mm2，配筋率為0.28%；外弧面需配置8C22的鋼筋，鋼筋面積為3 041 mm2，配筋率為0.28%。為滿足正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計要求，內(nèi)外弧面鋼筋調(diào)整一致后為10C25+4C22?；⌒渭敳拷孛娴捻?、底部對稱配置25C25，單側(cè)鋼筋面積為12 272 mm2，單側(cè)配筋率為1.75%。中隔墻對稱配置17C25鋼筋面積為8 345 mm2，配筋率為1.04%。

5.2 基本荷載組合

在頂部超載360 kPa的基本荷載組合下，管片內(nèi)、外弧面均需配置10C25+6C22的鋼筋，鋼筋面積為7 190 mm2，配筋率為0.65%?；⌒渭敳拷孛娴捻?、底部對稱配置15C28，單側(cè)鋼筋面積為9 235 mm2，單側(cè)配筋率為1.32%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為3 421 mm2，配筋率為0.42%。

5.3 標準荷載組合

在頂部超載360kPa的標準荷載組合下，按照5.2節(jié)配筋時，盾構(gòu)管片內(nèi)弧面最大裂縫寬度為0.2 mm；弧形件頂部最大裂縫寬度超過0.2 mm；中隔墻最大裂縫寬度為0.19 mm。需調(diào)整弧形件配筋，經(jīng)計算，采用19C28，單側(cè)鋼筋面積9 235 mm2時弧形件頂部最大裂縫寬度超過0.19 mm，滿足裂縫寬度要求。

6 結(jié)束語

本文基于上海機場聯(lián)絡(luò)線工程，針對全預(yù)制裝配式內(nèi)部結(jié)構(gòu)，計算并分析了不同工況在偶然荷載下結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能，得到了如下結(jié)論：

對于盾構(gòu)隧道管片，各工況下管片自身內(nèi)力值變化幅度較小，采用10C25+4C22配筋方式均能滿足。但頂部超載20m的工況下，管片最不利截面受力形式由大偏心受壓轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑氖軌?，需提升配筋?/p>

偶然荷載對弧形件頂部截面配筋影響最大，應(yīng)重點關(guān)注該截面。在運營工況中，根據(jù)基本荷載組合計算得到配筋可滿足正常使用極限狀態(tài)要求，但在偶然荷載作用下其配筋需大幅提高。

中隔墻配筋在偶然荷載作用下有所增加，偶然荷載對中隔墻配筋有所影響。由于超載工況能改變中隔墻作為大偏心受壓構(gòu)件的受力性能，因此其配筋在基本荷載組合或偶然荷載組合下無須增加。

偶然荷載對結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力及配筋的影響明顯高于荷載基本組合，但按照基本荷載組合配筋結(jié)構(gòu)最大裂縫寬度均能滿足要求。

偶然荷載組合是今后設(shè)計中的不利工況，應(yīng)進行重點計算后優(yōu)化構(gòu)件配筋。可以在隧道內(nèi)部采用緩沖材料減少偶然荷載的影響，在頂部盾構(gòu)管片及弧形件頂部位采取抗沖切措施避免局部沖切破壞。

參考文獻

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