暗挖隧道开挖断面形状优化

□文/杨 雪

隧道开挖常采用的施工方法有明挖法、盾构法、暗挖法等[1]。明挖法施工期间需要占用大量的场地，带来大量建构筑物拆迁、市政管线迁改、交通导行等问题[2]。在建筑物密集的繁华市区和复杂地质隧道施工中，暗挖法、盾构法不易受地面建构筑物影响，施工期间对地面扰动小，不影响人民正常生活[3]，是比较常用的隧道施工方法。在特殊地段、盾构法不适用的地段，暗挖法则是必然的选择；特别适合我国北方地下水较少、水位较低条件下的隧道施工，为不适合盾构机掘进施工的隧道提供了一种可行的方法[4]。

1 常用暗挖隧道开挖断面

常用的暗挖隧道开挖大断面主要有圆形和马蹄形。见图1和图2。

本文主要针对这两种断面形式，以实际工程为例进行受力分析，指出各断面在正常使用状态下受力状态并比较其优劣。

2 有限元建模

2.1 模型的建立

为保证本文的实际可用性，以北京某地铁线相同区间直线段两种断面分别需满足的限界图为限制条件定义隧道断面尺寸。见图3和图4。

图4 区间直线段单线单洞马蹄形隧道

根据图3 和图4 分别定义：圆形断面为内径D=5.39 m，厚度0.35 m；马蹄形断面采用限界给出内边尺寸，厚度0.35 m。

2.2 计算参数的选取

模型计算按照平面应变假设[5]，采用结构-荷载模式，根据地下结构的埋深以及穿越土层的地质特点，将结构覆土换算成上覆土压力和侧土压力[6]施加在结构上，由二衬结构承受全部荷载，计算结构受力和变形。见图5。

图5 隧道计算

隧道结构统一按10 m 埋深考虑＜2D=2×5.39=10.78（m）。根据地勘资料，节点弹簧刚度取平均值37 MPa（仅受压）。

区间受荷载包括水土压力及地面超载，加载时考虑曲面角度。

3 计算结果

以地铁设计中常见的控制组合——准永久组合（1.0恒荷载+0.8活荷载）为对比荷载组合，采用以上计算模型及参数后，圆形断面与马蹄形断面计算弯矩见图6和图7。

图6 圆形断面弯矩

图7 马蹄形断面弯矩

由图6 和图7 可以看出：圆形断面内力较大位置主要集中在圆形肩部，底部受力相对较小；而马蹄形断面内力较大位置主要集中在轨顶标高断面和拱底，拱顶、拱肩受力较为均匀。

对应此种现象，设计中常使用的方式主要有两种：一是加大轨顶标高断面以及拱底的配筋；二是增加轨顶标高断面处截面厚度，见图8。

图8 增加截面厚度的断面

4 断面优化

马蹄形断面减小了断面轨顶标高断面部位的曲线半径，相比于圆形断面弯矩集中于拱肩处，马蹄形断面的弯矩有效地向轨顶标高断面处转移，轨顶标高断面和拱底弯矩出现较大应力集中，主要是由于马蹄形断面拱底曲线半径过大接近直线，而轨顶标高断面曲线半径过小，两段曲线过渡过于突兀导致的。由此可以想到，在满足限界条件小又尽量减少开挖断面积的要求下，适当缩小轨顶标高断面和拱底的曲线半径差，即可达到内力重分布的效果。见图9。

图9 调整后马蹄形断面的弯矩

对比图7 和图9 可以看出，通过适度调整断面的曲率确实可以到达应力重分布的目的。

5 结语

相比于增大结构配筋和增加截面尺寸，根据内力分布调整断面是更为经济合理的一种设计方法，可作为今后隧道断面设计的一个优化思路。□■