大直径盾构隧道管片在复合地层中的受力特点分析研究

张辉

摘要：随着盾构直径以及隧道埋深的增大，复合地层下大直径盾构隧道衬砌管片结构的受力情况也越来越复杂。以贵阳地铁S1号一期工程（皂角坝站-望城坡站）大直径盾构隧道为研究对象，采用修正惯用法对复合地层条件下隧道衬砌管片的结构受力进行计算分析，深入研究复合地层条件下大直径盾构隧道管片衬砌的受力机理。通过计算分析及对比研究可知，大直径盾构隧道管片在复合地层中受力特点主要为拱顶侧受压，拱腰侧受拉，且最大变形及弯矩均发生在拱顶处。结构内力及变形随埋深增大而增大，但埋深相同时，良好的围岩条件能提供较强的地基反力减小结构所受内力。

关键词：大直径盾构；复合地层；管片结构；修正惯用法；有限元分析

0   引言

随着城市化的推进以及盾构隧道工程技术的不断创新，为满足公路交通需要，盾构隧道也朝着大直径的方向发展[1-3]。随着各城市盾构隧道直径的增大，其管片结构受力也变得更加复杂，由此导致结构设计过程中需要优化考虑的因素更多[4]。

国内外盾构隧道衬砌结构设计主要以荷载-结构法为主，其是将地层对管片结构的作用，通过不同的荷载假定转化为等效荷载，从而计算出衬砌在荷载作用下产生的内力和变形[5]。惯用法主要是通过将管片衬砌结构视作匀质圆环的方法，来近似盾构隧道的力学特征，不考虑管片块间及环间的接头以及拼装质量的影响。而修正惯用法是在惯用法的基础上，引入刚度折减系数来量化由接头所引起的管环刚度降低，同时针对错缝拼装的衬砌管片，引入弯矩增大系数来量化错缝拼装后整体补强效果，进行弯矩的重分配[6]。在修正惯用法中，刚度折减系数和弯矩增大系数主要根据实验和经验取值。

本文结合实际工程案例，基于修改正惯用法，运用数值模拟手段，对复合地层中大直径盾构隧道管片的受力进行分析，研究成果可为盾构管片的设计和施工提供借鉴。

1   工程概况

贵阳地铁S1号一期工程（皂角坝站-望城坡站）全长30.32km，其中地下线22.64km，高架及地面线7.68km；共设车站13座（含4座换乘站），其中地下站11座，高架站2座。在皂角坝设皂角坝车辆段，在石板镇设石板停车场。车辆采用6B编组，设计速度100km/h。

研究施工范围为正线起点（DK28+453）至石板镇站（DK40+960）、石板镇停车场及出入段线（DK0+000-DK2+

235）。共设6站5区间，分别为石板镇站、金竹站、中曹司站、锦江路站、黄河北路站、黄城坡站，区间隧道均为盾构法施工。正线全长约25.05km单线铺轨，其中DT-Ⅲ型普通扣件道床8.6km，隔离垫浮置板道床5.94km，橡胶弹簧浮置板道床3.06km，钢弹簧浮置板道床7.45km。

研究盾构隧道沿线主要穿越中砂、粗砂、砂质黏性土、黏土、風化程度不同的花岗岩地层，盾构主要掘进断面包括全断面岩层、上软下硬地层，隧道穿越主要地层地质参数如表1所示。

盾构隧道衬砌环采用单层装配式钢筋混凝土，混凝土标号为C60，隧道管片外径14m，内径12.8m，管片厚度0.6m，环宽2m。整环管片采用10分块，包括1个封顶块、2个邻接块、7个标准块，其中标准块及邻接块圆心角为38.9°，封顶块圆心角为7.7°，封顶块采用19.5°错缝拼装，纵向连接件每环共设37处。

2   管片内力分布及分析

结合贵阳地铁S1号一期工程（皂角坝站-望城坡站）盾构隧道的线路设计及地质条件，分别选取浅埋上土下强风化花岗岩、深埋上土下强风化花岗岩以及深埋全断面强风化花岗岩3个不同的断面进行修正惯用法计算。

在结构计算分析中，基于有限元软件内嵌地基弹簧功能，设置管片结构不同位置所处地层的基床系数，模拟大直径盾构管片结构在不同埋深复合地层中受力情况，对管片衬砌结构变形、弯矩、轴力、剪力的大小及分布进行计算分析。其中，C60钢筋混凝土弹性模量E取3.5×104MPa，管片衬砌环刚度折减系数η取0.7，弯矩提高系数ξ取0.3。

2.1   结构变形分析

通过修正惯用法计算，得到管片衬砌结构变形分布如图1所示。由图1可知，大直径盾构隧道在复合地层下的结构变形分布规律主要为衬砌拱顶和拱底向圆心方向发生位移，拱腰两侧向背离圆心方向发生位移，成挤压式椭圆形，且最大位移均发生在拱顶位置。

通过计算求得不同断面下衬砌结构的位移变形量如表2所示。由结构变形分布图和变形分布计算结果对比可知，当隧道断面所处地层相同时，隧道埋深越大，管片衬砌结构变形越大。当隧道埋深相同时，地层条件和地层抗力不同时，管片衬砌结构变形相近，说明管片衬砌结构变形主要受隧道埋深影响。

2.2   结构轴力分析

通过修正惯用法计算管片衬砌结构轴力分布如图2所示。由图2可知，复合地层大直径盾构隧道的轴力分布规律如下：管片衬砌结构在地层作用下主要表现为受压，最大轴力发生在拱腰位置，且向拱顶及拱底位置呈减小的趋势；最小轴力发生在拱顶位置。

计算求得不同断面下衬砌结构的轴力大小如表3所示。由图3所示计算结果可知，当隧道断面所处地层相同时，隧道埋深越大，管片衬砌结构轴力越大。当隧道埋深相同时，地层条件和地层抗力不同时，管片衬砌结构所受轴力大小变化不明显。

2.3   结构弯矩分析

通过修正惯用法计算得到管片衬砌结构弯矩分布如图3所示。由图3可知，复合地层大直径盾构隧道的弯矩分布规律主要为管片衬砌结构拱顶及拱底受正弯矩，拱腰两侧受负弯矩，且最大正弯矩发生在拱顶侧，最大负弯矩发生在拱腰两侧。

不同断面下衬砌结构的轴力大小如表4所示。由表4的计算结果可知，当隧道断面所处地层相同时，隧道埋深越大，管片衬砌结构所受弯矩越大，当隧道埋深相同时，地层条件和地层抗力不同时，地层基床系数越大，管片衬砌结构所受弯矩越小。

2.4   结构剪力分析

通过修正惯用法计算得到管片衬砌结构剪力分布如图4所示。由图4可知，复合地层大直径盾构隧道的剪力，主要分布在管片衬砌结构拱顶和拱底位置，且沿中心轴线呈对称分布。

不同断面下衬砌结构的轴力大小如表5所示。由表5的計算结果可知，当隧道断面所处地层相同时，隧道埋深越大，管片衬砌结构剪力越大。当隧道埋深相同时，地层条件和地层抗力不同时，管片衬砌结构所受剪力大小变化不明显。

3   结束语

本文以贵阳地铁S1号一期工程（皂角坝站-望城坡站）大直径盾构隧道为研究对象，采用修正惯用法对复合地层条件下隧道衬砌管片的结构受力进行计算分析，深入研究复合地层条件下大直径盾构隧道管片衬砌的受力机理。

通过采用修正惯用法，对该大直径盾构隧道结构在复合地层中受力状态的计算分析可知：管片衬砌结构在复合地层中受力特点主要为拱顶侧受压，拱腰侧受拉，且最大变形及弯矩均发生在拱顶处。当隧道断面所处地层相同时，管片衬砌结构的内力及变形随隧道埋深增大而增大。当隧道所处埋深相近时，所处地层的基床系数越大，地基反力越大，则管片结构所受内力越小。

综上所述，当大直径盾构隧道所处较大埋深时，良好的围岩条件能够提供较强的地基反力从而减小管片结构所受内力。文中研究成果可运用于复合地层大直径盾构隧道的设计与施工中。

参考文献

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