跨座式单轨盾构隧道管片厚度研究

2019-10-21杨友彬

现代城市轨道交通 2019年9期

杨友彬

摘要：跨座式单轨盾构隧道因管片设置轨道梁，导致管片受力特性较普通管片发生变化。文章基于相关条文、规范要求及相关工程地质特征，先拟定出管片结构基本设计参数，再采用数值分析方法对多种工况下管片受力变形规律进行分析，最后根据计算分析结果确定管片厚度。

关键词：跨座式单轨;盾构隧道;轨道梁;管片厚度

中图分类号：TU318

近年来城市轨道交通发展迅猛，其中以地铁、轻轨最为常见。地铁以节约地面空间、显著改善交通等巨大优势为成各大中城市交通基础建设的首选，轻轨作为地铁的重要补充，也被广泛修建，跨座式单轨便是轻轨的一种重要形式。地铁区间隧道绝大多数采用盾构法施工，跨座式单轨区间多数为高架、路基形式，少数条件限制时采用盾构隧道。

针对传统的地铁设计施工研究众多，对于盾构机选型、盾构掘进机理、盾构管片设计及盾构隧道管片服役状态及病害情况等方面均有大量的研究，也取得了大量的成果[1-6]。而针对于跨座式单轨的研究相对较少。许玉红、周华、雷中林等[7-10]对比分析了地铁限界与跨座式单轨限界的区别，并基于跨座式单轨的转向架结构形式、轨道梁、信号装置等对该交通模式下的限界进行了深入研究，提出了限界计算的方法。朱英磊、潘力、郭凯等[11-15]针对跨座式单轨混凝土轨道梁的预制技术进行了研究，提出预制轨道梁的关键技术指标。向红、谢谦、钱惠静等[16-17]基于跨座式单轨交通的特点，对跨座式单轨的适应性、运营安全评价等进行了全面研究。可见，针对跨座式单轨地下区间盾构隧道的研究较少。

本文基于前人对地铁盾构隧道及跨座式单轨的相关技术研究，结合跨座式单轨盾构隧道的特点，通过数值仿真手段对多工况条件下跨座式单轨盾构隧道管片的内力变形进行分析，并通过分析结果确定管片厚度，进而确定管片基本类型。

1 数值分析模型建立

1.1 管片基本结构

跨座式单轨盾构隧道因管片设置轨道梁，导致管片受力特性较普通管片发生了变化。管片底部应预埋钢板，以便与上部轨道梁台座进行可靠有效地连接，台座上方设轨道梁支座，具体布置见图1。圆形隧道限界按适应地段最小曲线半径考虑，根据GB 50458-2008《跨座式单轨交通设计规范》对线形的要求，结合行车及隧道内设备布置情况，确定圆形盾构隧道的建筑限界为5.7m。考虑盾构隧道施工时不可避免的施工误差、结构变形、隧道沉降、测量误差等因素的影响，在隧道建筑限界周边预留150 mm的空间余量，因此隧道管片内净空理论值取6.0 m。

从既有盾构隧道管片实际情况看，管片环宽较大，一方面可以降低管片制作成本，减少接缝数量，减少防水材料及连接螺栓用量;另一方面利于加快施工进度、控制隧道纵向不均匀沉降。但环宽增大可能影响盾构机的靈活性，不利于小半径隧道施工。结合跨座式单轨线形要求及管片制作工艺等因素，从工程造价、结构性能、掘进速度等方面综合考虑，拟定管片环宽为1 m。管片分块方式根据管片制作、运输、盾构推进千斤顶布置、拼装方式、结构受力性能、防水要求等因素综合确定。隧道外径小于8 m的管片环宜为5 ～7块，隧道外径8 ～14 m的管片环宜分为7～10块，外径大于14 m的管片环宜分为10～12块。根据上述拟定的隧道限界尺寸，单洞跨座式单轨盾构隧道管片分为6块预制，接缝连接形式采用榫槽接头，管片环采用错缝拼装的方式，环与环、块与块之间采用螺栓连接。

1.2 材料参数选取

计算参数的取值很大程度上决定了数值计算结果的可靠性。本次分析采用的某跨座式单轨工程详细勘察报告中土体物理力学参数见表1，根据地质勘察报告，地下水位按地面以下3 m考虑。

2 管片计算分析

2.1 管片结构计算工况

管片厚度是管片选型中最为重要的设计参数之一，管片厚度应综合考虑工程周围环境、工程地质、水文地质、结构特点、隧道覆土、施工条件等因素，通过结构计算来确定。本文基于水文地质情况，结合跨座式单轨的结构受力特点，对不同隧道埋深、不同管片厚度的组合工况进行建模计算。根据计算结果对比分析，得出最为经济合理的管片厚度取值。

本次分析采用我院自主开发的管片计算软件，模拟过程中采用荷载-结构法进行计算，围岩抗力采用土弹簧进行模拟。隧道覆土不超过2倍洞径时采用土柱法计算荷载，覆土大于2倍洞径时采用太沙基折减法计算荷载。支座处轨道梁及列车荷载经过折算后取Pmax = 443kN/m，P min = 340kN/m。计算工况见表2，计算模型及荷载施加方式见图2。具体分析步骤如下：①通过软件界面输入设计参数（规范选择、断面设置、土层参数、隧道位置、荷载工况等）;②基于设计参数进行边界设置（地层压力、地层抗力、局部线性荷载）;③然后根据输入条件进行分析求解，最后提取分析结果。对于不同的计算工况，应根据不同的管片厚度和覆土深度调整设计参数，然后按上述步骤逐一进行计算。

2.2 管片内力分析

工况1下的管片结构内力见图3，12个工况下的最大结构内力计算结果见图4。

（1）从图3中可以看出，隧道拱顶洞内侧受拉，拱腰上部土层一侧受拉，受到土层抗力作用，下部为洞内侧受拉;洞内受轨道梁及列车荷载的影响，管片结构底部土层一侧受拉。这一特点与普通盾构管片的受力有明显的区别。这是因为轨道梁通过支座将上部荷载传递至管片，有支座处的管片结构底部受力明显增大，管片结构底部因弯矩相对较大，所对应的轴向受力相对偏小，这一点符合结构受力规律。可见管片底部轨道梁及列车荷载理论上可以抵抗结构底部隆起，对结构受力有利，但若受力过大，结构会向外变形，产生裂缝，降低结构的耐久性。

（2）从图4 中12个工况的最大内力对比结果可知，管片厚度越大，管片计算内力也越大。就管片弯矩而言，覆土厚度增加，管片弯矩随之变大，但当覆土超过25 m后，管片弯矩却减小，这是因为覆土过大时，管片结构埋入岩层中，地层对结构的抗力较大所致;就管片轴力而言，管片轴力随着覆土深度的增大而增大，但管片为钢筋混凝土结构，抗压能力强，轴力增大有利于改善结构受弯受力状态。

2.3 管片变形分析

（1）图5给出工况1的管片结构径向变形图，图5中圆形图线为管片变形前的状态，椭圆图线为管片变形后的状态。从图5中可以看出，管片受力后整体有向下移动的趋势。值得注意的是，管片底部因受轨道梁及列车荷载作用，结构底部沉降量与顶部沉降量相当。

（2）图6给出12个工况的最大变形值对比结果，从图6中可知，管片最大径向变形随覆土增加先增大后减小，在覆土15 m时管片径向变形值最大。这是因为当覆土超过2倍洞径时，土压力的计算采用太沙基折减的方法，使得实际土压力并非随覆土增加而线性增大。

3 管片厚度确定

图7、图8给出300 mm、350 mm、400 mm3种不同厚度管片结构最大内力计算结果，图9给出300 mm、350 mm、400 mm3种不同厚度管片结构的最大径向变形计算结果。从图7～图9中可知，管片越厚结构所受弯矩就越大;结构所受轴力受管片厚度变化的影响较小，相同的覆土深度，结构所受的轴力相当;结构径向变形明显随着管片厚度的增加而减小。

综合300 mm、350 mm、400 mm3种管片厚度的受力、变形规律可知，管片厚度越大，结构刚度也随之增大，结构变形随之减小，但弯矩变大，轴力受管片厚度影响较小;管片结构既不能受力过大，也不可变形过大。因此，根据管片内力及变形計算结果，推荐本次分析的跨座式单轨工程隧道管片厚度取350mm。

4 结论及建议

（1）跨座式单轨盾构隧道因管片设置轨道梁，导致管片受力特性较普通管片发生了变化。因此，在管片计算中应当充分考虑轨道梁及列车荷载对管片结构受力的影响。

（2）数值计算结果表明，覆土厚度增加，管片弯矩值随着变大，但当覆土超过25 m后，管片弯矩值却减小;管片轴力随着覆土深度的增大而增大;管片最大径向变形随覆土的增加先增大后减小，当覆土15 m时，管片径向变形最大。

（3）基于工程水文地质情况，结合跨座式单轨的结构受力特点，对不同隧道埋深、不同管片厚度的组合工况进行建模计算。根据计算结果对比分析，建议该类型盾构隧道管片厚度取值为350 mm。

参考文献

[1]耿富林，王海涛，方依文，等. 大粒径无水砂卵石地层土压平衡盾构机选型[J]. 铁道建筑技术，2011（增）.

[2]李海峰. 卵石含量高、料径大的富水砂卵石地层中盾构机选型研究[J]. 现代隧道技术， 2009， 46（1）.

[3]何川，封坤，孙齐，等. 盾构隧道结构耐久性问题思考[J]. 隧道建设（中英文）， 2017，37（11）.

[4]向科，石修巍. 盾构管片弹性密封垫断面设计与优化[J]. 地下空间与工程学报， 2008，4（2）.

[5]赵子蓬，刘国彬，白云. 高水压大直径盾构隧道管片设计[J]. 公路交通技术， 2018，34（增1）.

[6]刘印，张冬梅，黄宏伟. 基于纵向不均匀沉降的盾构隧道渗漏水机理分析[J]. 铁道工程学报， 2011（5）.