机械法联络通道特殊衬砌环钢管片结构设计分析

2022-07-01罗仕恒王世君

浙江建筑 2022年3期

刘龙，罗仕恒，王世君，杨才

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510010）

在城市轨道交通建设中，为满足消防疏散要求，两条单线区间隧道之间需设置联络通道［1］。根据施工机械化程度，联络通道施工工法分为机械法和非机械法，其中冷冻法是最为常用的非机械施工工法，但存在“周期长、造价高、融沉大”等问题。机械法作为一种新型工法，已成功应用于宁波3号线、4号线和5号线联络通道施工［2］。机械法采用切削管片的方式掘进施工，直接在主隧道管片开洞必然导致管片内力重分布，如何保证切削工况下管片结构安全稳定是设计人员需要重视的问题。目前，机械法切削管片对结构受力性能影响鲜有研究，仅有朱瑶宏开展现场试验探讨切削过程主隧道管片内力变化规律［3］，但原位测试受试验数量限制，难以覆盖多种地层情况。本文运用SAP软件计算分析切削工况联络通道处特殊衬砌环管片的结构响应，通过与正常工况下管片的内力对比，明确了盾构切削对特殊衬砌环钢管片应力的影响，可为特殊衬砌环管片设计提供了参考。

1 工程概况

苏州市轨道交通S1线某区间右线长1 883.71 m，左线长1 866.32 m，区间覆土厚度为10.7～22.9 m，主要穿越地层为③2粉质黏土、③3粉土夹粉砂和④2粉土夹粉砂。区间设置三座联络通道，1＃联络通道衬砌顶覆土厚度约18.00 m，线间距约14.11 m；2＃联络通道衬砌顶覆土厚度约21.70 m，线间距约13.02 m；3＃联络通道衬砌顶覆土厚度约22.90 m，线间距约23.96 m，联络通道采用盾构法施工。1＃联络通道位于③3粉土夹粉砂和④2粉土夹粉砂层，2＃联络通道位于④2粉土夹粉砂层，3＃联络通道位于④2粉土夹粉砂层，地层物理力学性质参数见表1。

表1 各土层主要物理力学性质参数

联络通道每侧特殊衬砌管片采用三环（钢管片＋钢筋混凝土管片）复合衬砌结构，环宽为1.5 m，无楔形量，通缝拼装。管片内径为5 900 mm，外径为6 600 mm，管片厚度为350 mm。每环管片由一个封顶块（XK）、两个邻接块（XB1、XB2）和三个标准块（XA1、XA2和XA3）组成，特殊衬砌环断面见图1。管片非切削部分混凝土强度等级为C50，待切削部分混凝土强度等级C40，抗渗等级均为P10，钢筋采用可切削的玻璃纤维筋。

图1 特殊衬砌环断面

2 钢管片常规设计方法

2.1 计算模型

施工阶段盾构隧道管片在各类荷载作用下的受力简图见图2，区间联络通道均位于粉砂层，侧向水土荷载按水土分算，对图2中各类荷载分别计算。

图2 受力计算简图

1）管片自重

式（1）中：g为管片自重，kN／m；

γm为管片重度，取25 kN／m3；

R2为管片外半径，取6.6 m；

R1为管片内半径，取5.9 m。

2）管片顶覆土荷载

式（2）中：qG为覆土荷载，kN／m2；

γi为土体重度，水位以上取天然重度，水位以下当水土分算时取浮重度，水土合算时取饱和重度，kN／m3；

hi为土层厚度，m。

3）地面超载

地面超载q0取20 kPa。

4）侧土压力

式（3～4）中：Pe1为顶部侧土压力，kN／m2；

Pe2为底部侧土压力，kN／m2；

K0为土层静止侧压力系数。

5）静水压力

式（5）中：qw为静水压力，kN／m2；

γw为水的重度，取10 kN／m3；

hw为管片顶静水头高度，m；

R为管片计算半径，取6.25 m；

α为计算截面与竖轴的夹角，以逆时针为正。

6）地基反力

侧向地层抗力及地基垂直反力由水平、竖向分布的受压地层弹簧模拟，地层弹簧刚度按表1选取。修正惯用法将由n块管片构成的圆形隧道衬砌结构看作刚度均一的匀质圆环体，考虑管片接头，对管片抗弯刚度折减，折减系数η＝0.7。

2.2 计算结果

区间隧道结构安全等级为一级，结构设计使用年限为100年，管片最大裂缝宽度不大于0.2 mm。取最大埋深断面作为计算断面，3＃联络通道埋深为22.9 m，计算得正常工况管片准永久组合内力分别见图3。

图3 准永久组合管片内力

由图3可知，准永久组合管片外侧弯矩最大值为335.5 kN·m，位于隧道腰部；内侧弯矩最大值为226.9 kN·m，位于隧道底部。

根据弯矩、轴力计算结果，管片按压弯构件设计，按裂缝控制配筋。考虑特殊衬砌环前后管片错缝拼装，管片弯矩增大，定义弯矩提高系数ξ＝0.3，作为管片各截面计算弯矩，计算得管片外侧配筋为12E25，内侧配筋为4C28＋6C32。

3 切削工况验算

3.1 管片配筋验算

在切削施工过程中，主隧道管片结构受力模式有所变化，利用正常工况计算弯矩、轴力验算管片截面强度、裂缝及钢管片抗压强度是不合理的，需要验算切削工况下结构强度。盾构机切削钢管片时，隧道架设有支撑，因此可认为切削处节点位移为0，支座按铰接处理，计算得切削工况管片弯矩、轴力见图4。

图4 切削环管片准永久组合管片内力

由图4可知切削工况准永久组合管片外侧弯矩最大值为329.8 kN·m，位于隧道腰部；内侧弯矩最大值为277.9 kN·m，位于隧道顶部。

对比正常工况与切削工况下结构弯矩与轴力可知，切削阶段准永久组合管片内侧弯矩由226.9 kN·m增加至277.9 kN·m，增大幅度约22%。正常工况管片结构内侧原有配筋为4C28＋6C32，采用原有配筋满足切削工况结构裂缝要求。

3.2 钢管片抗压强度验算

钢管片C－C与D－D断面见图5，为简化计算，截面按工字钢换算，简化截面见图6。

钢结构压应力按下式计算：

式（6）中：f为结构压应力，MPa；

γ0为结构重要性系数，取1.1；

γG为永久荷载分项系数，取1.35；

N为轴力，kN；

A为截面面积，mm2；

Mx为截面弯矩，kN·m；

Wx为截面抵抗矩，mm3；

γx为塑性发展系数，取1.05。

C－C断面管片弯矩为250.5 kN·m，轴力为2 604 kN，A1为79 400 mm2，Wx1为9 043 370 mm3，f1＝61.3 MPa＜215 MPa，满足钢结构强度要求；DD断面管片弯矩为335.5 kN·m，轴力为2 999 kN，A2为36 500 mm2，Wx2为3 746 080 mm3，f2＝174.4 MPa＜215 MPa，满足钢结构强度要求。