敞开式TBM施工铁路隧道仰拱预制块关键设计参数研究

符亚鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



敞开式TBM施工铁路隧道仰拱预制块关键设计参数研究

符亚鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

以敞开式TBM施工特长铁路隧道仰拱预制块结构为研究背景，基于荷载结构设计理论，采用有限元软件ANSYS构建二维平面分析模型，研究了仰拱预制块圆心角、中心水沟沟槽深度、宽度等参数对衬砌结构变形、受力特性的影响规律。研究结果表明：圆心角对仰拱预制块变形、内力影响较小，设计中应根据仰拱预制块拼装技术及轨道结构要求来确定；中心水沟沟槽底至仰拱预制块底部间距h对仰拱预制块变形、内力影响较大，设计中间距h应大于复合式衬砌厚度；扩大中心水沟宽度，可有效降低集中应力值，在满足轨上结构承载能力的前提下，设计中可适当扩大中心水沟宽度来增大隧道排水能力。

敞开式TBM；特长铁路隧道；荷载结构法；仰拱预制块；设计参数

1　概述

近年来，随着铁路交通路网规划越来越密集，铁路设计技术标准不断提高，线路选线时将不可避免地通过高山、丘陵地区，尤其是西部高原地区出现长大隧道的几率越来越高，受限于建设工期，选取得当的施工工法尤为重要。由于TBM掘进机具有高效快速、安全可靠、需求劳动力少等施工作业优点，常被应用于长大隧道施工中[1]。敞开式TBM已成功运用于西康铁路秦岭隧道[2]、兰渝铁路西秦岭隧道[3]中，且衬砌结构设计中均采用了仰拱预制块特殊结构。仰拱预制块设计参数合理性直接决定了施作作业拼装难易程度、衬砌结构力学特性，关系到隧道施工作业安全性及衬砌结构耐久性，是敞开式TBM施工隧道长期健康性评价的重要指标。

关于TBM施工隧道TBM选型、结构设计及施工作业安全性等方面已取得相当丰硕的成果[4-6]。周佳媚[7-8]等采用数值计算和模型试验手段研究了围岩应力场对仰拱预制块特殊结构力学特性的影响。王梦恕[9]结合国内外敞开式TBM施工案例，论述了敞开式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术，研究了敞开式TBM施工过程中的主要技术难题及关键技术。徐赞[10]结合兰渝铁路西秦岭隧道敞开式TBM施工经验，提出了仰拱预制块特殊结构高效、快速施工管理技术。李南川[11]针对兰渝铁路西秦岭隧道TBM施工技术难题，研究TBM掘进步进技术，提出了TBM顺利、高效实现二次步进作业的施工技术。刘小刚[12]结合重庆和青岛地铁施工案例，研究了城市轨道交通中TBM过站、TBM选型、支护结构及运输形式等。

综上，国内外敞开式TBM施工隧道案例较多，结构设计、施工处治措施等方面已取得了相应的成果。本文以敞开式TBM施工隧道仰拱预制块特殊结构为研究背景，采用有限元软件ANSYS构建仰拱预制块计算模型，分析了仰拱预制块圆心角、中心水沟沟槽尺寸等设计参数对仰拱预制块结构变形、受力特性的影响。

2　TBM衬砌断面设计

某特长铁路隧道地处高原，地貌较广，人员稀少，施工作业效率较低，受限于建设工期，拟采用敞开式TBM掘进机施工。根据《高速铁路设计规范》[13]，考虑到瞬变压力作用，速度目标值250 km/h的单线铁路隧道轨上净空面积为58 m2，考虑到TBM施工测量及蛇形等误差，设计中断面预留施工误差10 cm；考虑到软岩变形问题设计预留变形量取15 cm，初期支护厚20 cm、模筑二次衬砌厚35 cm，设计拟采用断面如图1所示。

图1　衬砌断面设计(单位：cm)

为了加快隧道施工进度，敞开式TBM施工中采用的复合式衬砌结构通常由仰拱预制块(图2)、初期支护、模筑二次衬砌构成[14]，仰拱预制块设计合理与否，直接关系到仰拱预制块拼装难易程度和衬砌结构受力特性，当喷射混凝土、模筑二次衬砌厚度一定时，仰拱预制块结构力学特性控制参数有：仰拱预制块圆心角α、仰拱预制块高度H、中心水沟沟底与仰拱预制块底部之间间距h等，仰拱预制块高度H应根据复合式衬砌厚度及轨道结构空间要求共同决定，即仰拱预制块与复合式衬砌接触位置厚度应大于复合式衬砌厚度，同时高度H应满足有砟或无砟轨道道床底面至内轨顶面的间距要求。

图2　仰拱预制块设计简图

3　仰拱预制块设计参数研究

为获得仰拱预制块最优设计参数，基于荷载—结构设计理念[15]，采用有限元软件构建二维数值计算模型，采用统计法计算获得深埋隧道承受竖向荷载p和横向荷载q。

3.1计算模型

衬砌结构采用平面单元plane42来模拟；地层弹簧采用link10来模拟，且地层弹簧特性设置为仅受压，初期支护、二次衬砌与仰拱预制块的接触设置为刚性接触，具体数值计算模型如图3所示。

图3　数值计算模型

3.2计算参数

地层参数和衬砌结构等效参数如表1所示。

基于深埋隧道荷载-结构设计理念，运用表1中计算参数得到衬砌结构承受竖向荷载p=231.20 kPa，横向荷载q=80.92 kPa，地基反力通过弹簧施加，将荷载转化为节点荷载施加到相应节点上。本次主要研究仰拱预制块圆心角α、仰拱预制块中心水沟沟底与仰拱预制块底部之间间距h对仰拱预制块特殊结构变形、受力特性的影响。

表1　计算参数

3.3量测项目

主要量测了仰拱预制块结构应力分布情况、衬砌结构位移及变形情况。

4　结果分析

4.1圆心角α对衬砌力学特性的影响

圆心角和高度共同决定了仰拱预制块质量，直接影响拼装难易程度。受限于轨下结构影响，固定中心水沟沟底至仰拱底距离h=0.58 m，选取计算变量圆心角大小α=50.00°、57.64°、66.00°。

(1)位移分析

仰拱预制块变形越大，承载能力越低，耐久性越差。图4为不同圆心角下仰拱预制块合位移等值线图及变形情况，可以看出，圆心角对变形影响较小；最大合位移均分布在仰拱预制块与复合式衬砌接触处，且圆心角增大，接触处合位移相应增大。

图4　不同圆心角下仰拱预制块合位移等值线及变形情况

(2)应力分析

根据计算结果，仰拱预制块X方向最大应力值均大于Y方向应力值，钢筋混凝土属于脆性材料，往往体现出的破坏形式是受压或者受拉破坏。选取仰拱预制块X方向应力场来分析仰拱预制块圆心角对应力分布的影响，如图5所示。

图5　不同圆心角下仰拱预制块X方向应力场等值线

整体上看，仰拱预制块承受应力以受压为主，顶部局部区域受拉，圆心角越大，应力值越大，当α=66.00°时最大压应力、拉应力大小分别为4.42、0.436 MPa(满足混凝土极限抗压、抗拉强度)，最大压应力均分布在中心水沟沟底，存在应力集中现象。故从应力角度来考虑，仰拱预制块设计圆心角不宜过大。

综合不同圆心角下仰拱预制块变形情况、应力分布趋势以及轨下结构的构造要求，本断面设计中选择仰拱预制块圆心角α=57.64°。

4.2中心水沟参数对衬砌力学特性的影响

中心水沟深度和宽度共同决定了隧道过水断面大小，水沟过深将降低水沟底部衬砌结构刚度，改变其受力特性，加重应力集中现象；水沟过宽将影响轨下结构的承载能力，对轨道结构不利。

4.2.1中心水沟深度对仰拱预制块力学特性的影响

中心水沟越深，沟底至仰拱底间距h越小，固定圆心角α=57.64°，选取计算变量间距h=0.15、0.30、0.45、0.58、0.70 m来研究水沟深度对衬砌力学特性的影响。

(1)位移分析

图6为不同间距h下仰拱预制块合位移等值线图及变形情况，图7为中心水沟沟底与仰拱预制块底部间距h对仰拱预制块最大合位移的影响曲线。

综合图6、图7，可以得到中心水沟沟底与仰拱预制块底部间距h对仰拱预制块整体变形影响较大，当间距h≥0.58 m后(初期支护厚度+二次衬砌厚度=0.55 m)，变形开始趋于稳定，合位移影响曲线亦趋于平稳，影响逐渐减小。就合位移分布情况而言，最大合位移均分布在仰拱预制块与复合式衬砌接触处，且间距越小，最大合位移越大，水沟沟底至仰拱预制块底部之间结构位移随间距变化趋势同最大合位移变化趋势。

图6　不同间距下仰拱预制块合位移等值线及变形情况

图7　间距对最大合位移的影响曲线

(2)应力分析

选取仰拱预制块X方向应力场来分析中心水沟沟底至仰拱预制块底部间距h对仰拱预制块应力分布的影响，分析工况为h=0.15、0.30、0.58、0.70 cm、无中心水沟5种工况，见图8。图9为间距h对中心水沟底最大压应力值的影响曲线。

图8　不同间距下仰拱预制块X方向应力场等值线

图9　间距对中心水沟沟底最大压应力值的影响曲线

可以看出，无中心水沟时，仰拱预制块承受压力均为压应力，且最大压应力为0.87 MPa。中心水沟的存在导致仰拱预制块顶部局部区域出现受拉区，且在中心水沟沟底压应力值最大，出现应力集中现象。间距越小，应力集中现象越严重。

4.2.2中心水沟宽度对仰拱预制块力学特性的影响

固定圆心角α=57.64°、h=0.58 m，选取计算变量为水沟宽度d。

(1)位移分析

图10为中心水沟宽度为d、2d工况下仰拱预制块合位移等值线及变形情况分布图。

图10　不同水沟宽度仰拱预制块合位移等值线及变形情况

从图10可以看出，中心水沟过水断面扩大1倍对其变形趋势影响不大；合位移分布趋势相同，最大合位移分布在仰拱预制块与复合式衬砌接触处，中心水沟宽度为d、2d时，最大合位移分别为0.268、0.181 mm，中心水沟宽度扩大降低了复合式衬砌与仰拱预制块接触位置合位移。就中心水沟周围区域合位移而言，中心水沟宽度为d、2d时，合位移分别为0.050 4、0.111 mm，故水沟宽度扩大，扩大了中心水沟附近区域结构变形。

(2)应力分析

选取仰拱预制块X方向应力场来分析中心水沟宽度对仰拱预制块应力分布的影响，如图11所示。可以看出，仰拱预制块承受应力以压应力为主，中心水沟沟底出现了应力集中现象，水沟宽度扩大，集中应力分布区域扩大，集中应力值降低。水沟宽度为d时，水沟底应力集中部位压应力大小为4.07 MPa，其余部位压应力大小为3.07 MPa，增幅达32.6%；水沟宽度为2d时，水沟底应力集中部位压应力大小为1.20 MPa，其余部位压应力大小为1.05 MPa，增幅达14.3%，可见，中心水沟宽度增大，有效降低了中心水沟底集中应力值，但中心水沟宽度不宜过大，否则影响上部轨道结构承载能力。

图11　不同水沟宽度仰拱预制块X方向应力场等值线

综上，从结构安全性及耐久性角度考虑，仰拱预制块设计中应考虑以下3点：一是在贫水地域，排水侧沟能够满足隧道排水要求的情况下，可不设中心水沟，通过适当扩大排水侧沟来确保隧道排水能力；二是富水区域，排水侧沟不能满足隧道排水要求的情况下，需设置中心水沟，设计时中心水沟沟底至仰拱预制块底部间距h一定要大于初期支护+二次衬砌厚度；三是富水区域排水侧沟和中心水沟不能满足隧道排水能力时，在满足上部轨道结构承载能力的前提下，设计中可适当扩大中心水沟宽度来增大中心水沟的过水断面，同时亦增大隧道纵坡。

5　结论及建议

基于既有敞开式TBM铁路隧道施工及设计案例，针对仰拱预制块特殊结构，采用数值模拟手段分析了仰拱预制块圆心角、中心水沟沟槽几何尺寸对仰拱预制块力学特性的影响，具体结论如下。

(1)基于仰拱预制块的位移及变形特性，得到仰拱预制块圆心角、水沟宽度对其自身变形影响较小；水沟沟槽至仰拱底间距h对仰拱预制块变形影响较大，当h>初期支护+二次衬砌厚度时，变形平稳，设计中需确保中心水沟底至仰拱预制块底部间距h大于复合式衬砌厚度。

(2)基于仰拱预制块内力特性，得到中心水沟是引起中心水沟沟底应力集中的主要原因，间距h越小，应力集中现象越严重，扩大中心水沟宽度可有效降低中心水沟沟底集中应力值。

综上，仰拱预制块圆心角对其内力特性影响较小，设计中可根据施工拼装技术要求、轨道结构要求来设定圆心角大小；而中心水沟沟槽几何尺寸对仰拱预制块承载力及耐久性影响较大，设计中须满足沟槽底至仰拱预制块底部间距h值大于复合式衬砌设计厚度；当中心水沟过水能力不足时，在满足轨上结构承载能力的前提下，可适当加大中心水沟宽度和隧道纵坡来满足隧道排水要求。

[1]王梦恕，李典璜，张镜剑，等.岩石掘进机(TBM)施工及工程实例[M].北京:中国铁道出版社，2004.

[2]刘培硕.秦岭特长铁路隧道TBM施工条件下仰拱预制技术的研究[D].成都:西南交通大学，2002.

[3]李国良，司剑钧，李宁.兰渝铁路西秦岭特长隧道方案研究[J].现代隧道技术，2014，51(3):7-14.

[4]王立暖.TBM在石太客运专线特长隧道施工的适用性分析[J].铁道标准设计，2005(8):70-72.

[5]唐志强.青岛地铁隧道施工采用TBM工法分析[J].铁道标准设计，2013(5):90-93.

[6]郭春，孙志涛，王明年.特长TBM施工隧道环境粉尘安全控制研究[J].工业安全与环保，2015，41(7):63-66.

[7]周佳媚，李志业，高波.TBM施工隧道仰拱预制块受力分析[J].中国铁道科学，2004，5(3):32-35.

[8]周佳媚，高波，李志业.TBM施工隧道仰拱预制块的力学特性研究[J].岩土力学，2004，25(12):1973-1976，1980.

[9]王梦恕.开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术[J].土木工程学报，2005，38(5):54-58.

[10]徐赞.西秦岭隧道仰拱预制块施工技术[J].隧道建设，2011，31(2):256-261.

[11]李南川.西秦岭隧道TBM掘进步进施工技术[J].隧道建设，2011，33(6):749-754.

[12]刘小刚.TBM在岩石城市轨道交通建设中的应用研究[J].现代隧道技术，2012，49(5):15-22.

[13]国家铁路局.TB 10621—2014高速铁路设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2014.

[14]中华人民共和国铁道部.铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南[S].北京:中国铁道出版社，2007.

[15]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2005.

Study on Key Design Parameters of Prefabricated Invert Segment for Open Type TBM Railway Tunnel Construction

FU Ya-peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Based on the load structure design method， a calculation model of tunnel is established with the finite element software ANSYS to study the effects on the deformation and the internal force of the lining structure generated by such parameters as the central angle， the depth and width of the center ditch of the prefabricated invert segment. The results show that the central angle has less effect on the deformation and internal force of the prefabricated invert segment， and the central angle is determined by the technical requirements for segment erection and the track structure. And the distance between the bottom of the central ditch and the bottom of the prefabricated invert segment has bigger effect on the deformation and internal force of the prefabricated invert segment， so the design distance should be greater than the thickness of the composite lining structure. The stress concentration can be reduced by expanding the width of the central ditch. On the basis of the requirement for track structure bearing capacity， the drainage capacity of the tunnel can be increased by expanding properly the width of the central ditch in design.

Open type TBM; Extra-long railway tunnel; Load structure method; Prefabricated invert segment; Design parameters

2016-01-03；

2016-01-11

符亚鹏(1990—)，男，助理工程师，2015年毕业于西南交通大学，工程硕士，E-mail:fyp19900328@foxmail.com。

1004-2954(2016)08-0079-05

U455.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.017