偶然荷载作用下单洞双线隧道响应分析

摘 要：为研究在偶然荷载作用下单洞双线盾构隧道整体力学性能，基于上海市机场联络线，选取了包括运营工况、顶部超载分别为90、180、360 kPa等4种工况下整体的力学性能，对各工况中偶然荷载作用下结构整体响应及设计计算进行了分析，并与基本荷载组合、标准荷载组合进行了对比。结果表明：偶然荷载对管片内力及配筋影响较小，对中隔墙内力及配筋有所影响，对弧形件顶部截面内力及配筋影响最大，需重点关注该构件。偶然荷载作用下结构整体内力与配筋均明显高于基本荷载组合，但按照基本荷载组合配筋结构最大裂缝宽度均能满足要求。因此在结构设计中，要将偶然荷载组合作为结构整体受力的不利工况，并进行重点计算。

关键词：单洞双线盾构隧道；预制内部结构；偶然荷载；爆炸荷载；力学性能

中图分类号：TU921 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）09-0001-04

收稿日期：2024-03-11

▲基金项目：中铁十四局集团有限公司科研课题（202214jtky0069）

作者简介：杜亚南（1991—），男，山东济宁人，硕士研究生，工程师，研究方向：大盾构隧道施工与管理。

0 引言

随着大直径盾构隧道施工技术的日益成熟[1]，大直径盾构隧道已成为当前城市轨道建设的首选施工方式。大直径盾构隧道的修建越来越多地采用单洞双线布置，并在内部采用预制结构[2]。然而采用内部预制结构的大直径盾构隧道除受到风压荷载外，还会受到偶然荷载的作用，这对盾构隧道整体力学性能会产生相应影响。

针对盾构隧道偶然荷载或爆炸荷载，刘扬等[3]基于相关理论提出了一种爆炸荷载作用下管片的简化计算方法，结果表明其实用有效。潘伟强等[4]基于现场监测，研究了不同工况下顶管隧道的响应。其中在地表偶然荷载作用下结构所受外荷载会极大增加，但结构应变增加较小。

目前，对于单洞双线盾构隧道预制内部结构在偶然荷载作用下的力学性能的分析较少，且内部结构中的中隔墙功能与常见连拱隧道中隔墙有所区别，仍需进行深入研究。本文基于上海机场联络线，研究了隧道整体结构在不同工况中偶然荷载作用下的力学性能，并与基本荷载组合、标准荷载组合结果进行对比，以期得到隧道整体包括盾构管片、弧形件、中隔墙在内的力学性能及配筋量的异同。

1 研究背景

1.1 项目概况

上海市机场联络线是首条采用全预制装配式内部结构的市域铁路线，设计时速160 km/h。线路采用单洞双线布置形式，隧道内径、外径分别为12.5 m和13.6 m，管片厚度0.55 m，环宽2 m。预制内部结构包括预制弧形件、预制中隔墙、顶部连接件、疏散平台等。隧道断面如图1所示。

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1.2 模拟信息

基于荷载-结构法，利用ANSYS17.0进行数值模拟计算，盾构管片和内部结构均采用BEAM188单元，分别利用LINK180单元与COMBIN39单元模拟径向与切向土体弹簧[5]。

1.2.1 材料与约束

盾构管片混凝土C50，宽2 000 mm，厚550 mm，刚度折减系数取0.7；预制内部结构混凝土C40，弧形件顶部宽2 000 mm，顶厚、底厚分别为350 mm和250 mm；预制中隔墙宽、厚分别为2 000 mm和400 mm；弧形件底部垫层混凝土C30。

预制中隔墙顶部采用铰接，底部与弧形件固接。弧形件底部垫层与土弹簧一致，采用LINK180单元与COMBIN39单元分3wZ6yuty2m0XrfwcedzzCUA72+QBeQrdIR4HUxJ/glM=别模拟径向与切向土体弹簧。

1.2.2 荷载参数

本文分析主要对四种工况进行分析，分别为运营工况和顶部超载90 kPa、180 kPa、360 kPa时的工况。

计算荷载包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载。其中永久荷载为结构自重，取25 kN/m3，基本组合中分项系数取1.3，其他荷载组合中分项系数取1.0。可变荷载为风压荷载，按叠合风压10 kPa进行计算。基本组合中分项系数取1.5，重要性系数1.1，其他荷载组合中取1.0。偶然荷载包括爆炸荷载，按0.05 MPa均布荷载的方式作用于中隔墙一侧及同侧隧道内弧面；在偶然组合计算中取分项系数1.0，其他荷载组合中仅需按承载能力进行计算。

2 运营工况设置

2.1 偶然荷载组合

偶然荷载作用下结构内力如图2所示。将图2中代表内力汇总于表1。

偶然荷载作用下结构整体弯矩变化最大处为弧形件顶部，变化量为844.66 kN·m，对应剪力值为449.18kN。盾构隧道管片顶部剪力变化量为117.17 kN，对应弯矩值为58.42 kN·m。此外，中隔墙所受轴压力较小，远小于其极限轴压力值，中隔墙最大正弯矩值为860.31 kN·m，最大负弯矩值为-1090.8 kN·m。

选取计算截面内最不利内力组合，按极限承载能力要求进行结构配筋计算，配筋计算见表2。

根据表2结果可知，管片内弧面需配置6C22的钢筋，钢筋面积为2 281 mm2，配筋率为0.21%。外弧面需配置10C25+2C22的钢筋，钢筋面积为5 669 mm2，配筋率为0.52%。将内、外弧管片配筋调整一致，均为10C25+2C22。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置13C28，单侧钢筋面积为8 005 mm2，单侧配筋率为1.14%。中隔墙对称配置17C28钢筋面积为10 468 mm2，配筋率为1.31%。后续工况与此处一致，不再赘述。

2.2 基本荷载组合

基本荷载组合下结构整体弯矩变化最大处为弧形件顶部，变化量为370.11 kN·m，对应剪力值为220.21 kN。盾构隧道管片顶部剪力变化量为42.07 kN，对应弯矩值为92.98 kN·m。中隔墙所受轴压力较小，远小于其极限轴压力值，中隔墙最大正弯矩值为215.75 kN·m，最大负弯矩值为-272.22 kN·m。

管片内弧面需配置6C22的钢筋，钢筋面积为2 281 mm2，配筋率为0.21%；外弧面需配置10C25+2C22的钢筋，钢筋面积为5 669 mm2，配筋率为0.52%。将内、外弧管片配筋调整一致，均为10C25+2C22。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置9C25，单侧钢筋面积为4 418 mm2，单侧配筋率为0.63%。中隔墙对称配置9C22钢筋面积为4 418 mm2，配筋率为0.63%。

2.3 标准荷载组合

标准荷载组合下结构整体弯矩变化最大处为弧形件顶部，变化量为267.28 kN·m，对应剪力值为160.89 kN。盾构隧道管片顶部剪力变化量为70.14 kN，对应弯矩值为92.98 kN·m。中隔墙所受轴压力较小，远小于其极限轴压力值，中隔墙最大正弯矩值为143.84 kN·m，最大负弯矩值为-181.35 kN·m。

按照2.2节配筋时，盾构管片内、外弧面最大裂缝宽度分别为0.18mm和0.16mm；弧形件顶部最大裂缝宽度为0.19 mm；中隔墙最大裂缝宽度为0.07 mm。三者最大裂缝宽度均未超过0.2 mm，满足裂缝验算要求。

3 顶部超载90 kPa工况

3.1 偶然荷载组合

结构在顶部超载90 kPa偶然荷载组合下结构整体弯矩变化最大处为弧形件顶部，变化量为718.23 kN·m，对应剪力值为310.48 kN。盾构隧道管片顶部剪力变化量为11 kN，对应弯矩值为17.51 kN·m。此外，中隔墙由于偶然荷载的作用产生轴拉力，其大小为62kN左右，中隔墙最大正弯矩值为875.56 kN·m，最大负弯矩值为-1 053.6 kN·m。

管片内弧面需配置6C22的钢筋，钢筋面积为2 281 mm2，配筋率为0.21%；外弧面需配置8C25+2C22的钢筋，钢筋面积为4 687 mm2，配筋率为0.43%。内外弧面钢筋调整一致后为8C25+2C22。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置23C22，单侧钢筋面积为8 743 mm2，单侧配筋率为1.25%。中隔墙对称配置15C28钢筋面积为9 236 mm2，配筋率为1.15%。

3.2 基本荷载组合

根据计算接配筋结果，在顶部超载90 kPa的基本荷载组合下，管片内弧面需配置6C22的钢筋，钢筋面积为2 281 mm2，配筋率为0.21%；外弧面需配置10C25+4C22的钢筋，钢筋面积为6 429 mm2，配筋率为0.58%。内外弧面钢筋调整一致后为10C25+4C22。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置9C22，单侧钢筋面积为3 421 mm2，单侧配筋率为0.49%。中隔墙对称配置9C22钢筋面积为3 421 mm2，配筋率为0.42%。

3.3 标准荷载组合

根据计算，在顶部超载90 kPa的标准荷载组合下，按照3.2节配筋时，盾构管片内弧面最大裂缝宽度为0.19 mm（外弧面最大裂缝宽度不高于内弧面，后续仅验算内弧面）。弧形件顶部最大裂缝宽度为0.06 mm，中隔墙最大裂缝宽度为0.12 mm。3者最大裂缝宽度均未超过0.2mm，满足裂缝验算要求。

4 顶部超载180 kPa工况

4.1 偶然荷载组合

结构在顶部超载180 kPa偶然荷载组合下结构整体弯矩变化最大处为弧形件顶部，变化量为899.6 kN·m，对应剪力值为310.48 kN。盾构隧道管片顶部剪力变化量为131.92 kN，对应弯矩值为164.67 kN·m。中隔墙轴压力为272.17 kN，最大正弯矩881.42 kN·m，最大负弯矩值为-1060.1 kN·m。

管片内弧面需配置6C22的钢筋，钢筋面积为2 281 mm2，配筋率为0.21%；外弧面需配置8C25的钢筋，钢筋面积为3 927 mm2，配筋率为0.36%。为满足正常使用极限状态的设计要求，内外弧面钢筋调整一致后为10C25+4C22。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置17C25，单侧钢筋面积为8 345 mm2，单侧配筋率为1.19%。中隔墙对称配置15C28钢筋面积为9 236 mm2，配筋率为1.15%。

4.2 基本荷载组合

根据计算接配筋结果，在顶部超载180 kPa的基本荷载组合下，管片内弧面需配置6C22的钢筋，钢筋面积为2 281 mm2，配筋率为0.21%；外弧面需配置8C25的钢筋，钢筋面积为3 927 mm2，配筋率为0.36%。为满足正常使用极限状态的设计要求，内外弧面钢筋调整一致后为10C25+4C22。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置9C22，单侧钢筋面积为3 421 mm2，单侧配筋率为0.49%。中隔墙对称配置9C22钢筋面积为3 421 mm2，配筋率为0.42%。

4.3 标准荷载组合

在顶部超载180 kPa的标准荷载组合下，按照4.2节配筋时，盾构管片内弧面最大裂缝宽度为0.17 mm；弧形件顶部最大裂缝宽度为0.07 mm；中隔墙最大裂缝宽度为0.06 mm。三者最大裂缝宽度均未超过0.2 mm，满足裂缝验算要求。

5 顶部超载360 kPa工况

5.1 偶然荷载组合

结构在顶部超载360 kPa偶然荷载组合下结构整体弯矩变化最大处为弧形件顶部，变化量为1 290.7 kN·m，对应剪力值为765.29 kN。盾构隧道管片顶部剪力变化量为529.39 kN，对应弯矩值为441.19 kN·m。中隔墙轴压力为889.5 kN，最大正弯矩903.23 kN·m，最大负弯矩值为-1 055.3 kN·m。

管片内弧面需配置8C22的钢筋，钢筋面积为3 041 mm2，配筋率为0.28%；外弧面需配置8C22的钢筋，钢筋面积为3 041 mm2，配筋率为0.28%。为满足正常使用极限状态的设计要求，内外弧面钢筋调整一致后为10C25+4C22。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置25C25，单侧钢筋面积为12 272 mm2，单侧配筋率为1.75%。中隔墙对称配置17C25钢筋面积为8 345 mm2，配筋率为1.04%。

5.2 基本荷载组合

在顶部超载360 kPa的基本荷载组合下，管片内、外弧面均需配置10C25+6C22的钢筋，钢筋面积为7 190 mm2，配筋率为0.65%。弧形件顶部截面的顶、底部对称配置15C28，单侧钢筋面积为9 235 mm2，单侧配筋率为1.32%。中隔墙对称配置9C22钢筋面积为3 421 mm2，配筋率为0.42%。

5.3 标准荷载组合

在顶部超载360kPa的标准荷载组合下，按照5.2节配筋时，盾构管片内弧面最大裂缝宽度为0.2 mm；弧形件顶部最大裂缝宽度超过0.2 mm；中隔墙最大裂缝宽度为0.19 mm。需调整弧形件配筋，经计算，采用19C28，单侧钢筋面积9 235 mm2时弧形件顶部最大裂缝宽度超过0.19 mm，满足裂缝宽度要求。

6 结束语

本文基于上海机场联络线工程，针对全预制装配式内部结构，计算并分析了不同工况在偶然荷载下结构整体的力学性能，得到了如下结论：

对于盾构隧道管片，各工况下管片自身内力值变化幅度较小，采用10C25+4C22配筋方式均能满足。但顶部超载20m的工况下，管片最不利截面受力形式由大偏心受压转变为小偏心受压，需提升配筋。

偶然荷载对弧形件顶部截面配筋影响最大，应重点关注该截面。在运营工况中，根据基本荷载组合计算得到配筋可满足正常使用极限状态要求，但在偶然荷载作用下其配筋需大幅提高。

中隔墙配筋在偶然荷载作用下有所增加，偶然荷载对中隔墙配筋有所影响。由于超载工况能改变中隔墙作为大偏心受压构件的受力性能，因此其配筋在基本荷载组合或偶然荷载组合下无须增加。

偶然荷载对结构整体内力及配筋的影响明显高于荷载基本组合，但按照基本荷载组合配筋结构最大裂缝宽度均能满足要求。

偶然荷载组合是今后设计中的不利工况，应进行重点计算后优化构件配筋。可以在隧道内部采用缓冲材料减少偶然荷载的影响，在顶部盾构管片及弧形件顶部位采取抗冲切措施避免局部冲切破坏。

参考文献

[1] 代洪波，季玉国.我国大直径盾构隧道数据统计及综合技术现状与展望[J].隧道建设（中英文），2022，42（5）：757-783.

[2] 王可用，吴中海，张磊，等.崂山大直径隧道中隔墙施工关键技术[J].建筑技术，2017，48（11）：1145-1148.

[3] 刘扬，宋春明，卢浩.爆炸荷载下盾构管片的动力响应分析[J].振动与冲击，2014，33（5）：120-124+154.

[4] 潘伟强，焦伯昌，柳献，等.深埋大断面钢结构顶管接触压力及受力特性现场试验研究[J].现代隧道技术，2021，58（5）：104-113.

[5] 柳献，郭振坤，伍鹏李.考虑接头非线性的壳-接触盾构隧道衬砌计算模型研究[J].隧道建设（中英文），2021，41（S1）：54-62.