设计与装饰广东建材2019年第7期软土条件下地铁隧道管片设计探讨吴国荣（深圳市龙岗区龙岗街道办水务林业管理中心）【摘要】深厚淤泥质土条件下地铁隧道结构设计是当前轨道交通设计难点之一。佛山市地铁三号线隧道沿线涉及到典型的两类软弱地层主要为第四系海陆交互相淤泥。地铁沿线极软土和易液化土的分布范围、覆土深度及物理力学特性与国内其他软土地区相比，佛山地区地铁设计所遭遇的挑战都是鲜见的。本文对佛山深厚软土地质条件下的隧道管片结构设计进行了研究并提出了相应的建议。结构设计；地铁；管片【关键词】软土；隧道；1国内外研究现状国内外对饱和软土软化及震陷机理和砂土液化机理的研究比较深入，但是针对深厚极软和易液化地层地铁隧道建设研究较少，仅在“液化地层隧道地震响应”方、“双层衬砌结构”等方面面、“软土地区隧道沉降问题”现状如下：开展了部分研究，余洁[1]认为饱和砂土地层液化是造成地铁结构破坏的重要原因之一，工程中应根据液化地层埋藏深度、工程设置条件、工程类型等特点，通过采用控制结构埋加强结构抗浮性能、考虑一定的地深、采用地连墙围护、震作用附加内力等方式处理地铁工程地震液化问题。刘光磊[2～3]等采用有限元程序DIANASWANDYNE-II和动力离心模型试验对可液化地层中地铁隧道结构的地震响应进行了模拟，计算表明地基液化时水土压力发生变化，会引起结构附加内力和隧道上浮，截断墙的设置可有效减轻隧道结构的上浮。现有的对液化地层隧道地震响应的研究主要是通过理论分析提出定性的控制措施，试验证明地基液化会引起结构内力变化和上浮。但未有盾构隧道在地震作用下液化区分布规律、盾构隧道结构内力变化的研究；对液化地层隧道稳定性措施定量设计和效果研究缺乏。包括区域性沉软土地层隧道沉降的因素非常复杂，列车荷降、地质条件、施工扰动、管片渗漏、地面超载、载、邻近施工等。马险峰[4]等利用离心模型试验发现隧从而导致道在不同下卧层地质条件下沉降量差别明显，隧道在纵向上应力分布不均匀。黄广龙[5]等通过对南京长江漫滩地层中地铁结构沉降监测数据分析和控制断发现下卧软土层厚度对隧道结构长期沉降影响面计算，非常大，软土厚度差异性造成了隧道结构的差异沉降。张冬梅[6]等认为渗漏水是地铁盾构隧道最主要的病害由于接之一，是引起地表及隧道长期沉降的主要原因；缝、注浆孔等局部渗水导致隧道的等效渗透系数远大于管片本身的渗透系数，引起地层及隧道沉降明显。现有隧道长期沉降研究揭示了软弱地质条件和隧柔性接道防水性能差对隧道长期沉降不良影响非常大，头隧道结构、软弱下卧土厚度不均会加剧隧道不均匀沉降，影响结构受力。对于隧道长期沉降影响因素和发展但针对影响因素开展的对结构机理的研究已发展许多，形式改善和防护措施的研究及工程应用方面鲜有开展。采用管片衬砌结构的软土地铁盾构隧道，若发生过量的纵向沉降或不均匀沉降，则会导致结构局部弯曲破对地铁列车运营的安全性和舒坏并引发隧道渗水漏泥，适性都有一定的潜在危险[7]。国内外在含地下水丰富和含有腐蚀性地下水的软土地层内的隧道会选用双层衬砌，因此现有的双层衬砌常用于矿山法和沉管法形成的水底公路或铁路隧道[8～9]。王俊淞[8]等利用离心模型实验研究了双层衬砌隧道的长期变形和结构内力特性，研究表明双层衬砌隧道总沉降量增大，不均匀沉降量减纵向弯矩增大但纵向应力减小。小，沉降稳定时间缩短，2设计方案本项目前期的隧道结构设计方案如图1所示。其中常规段隧道管片原设计拟采用5.4m内径、6.0m外径、300mm厚度、1.5m宽度的错缝拼装形式，使用区段共37.2km，约占总区间长度66%；软基段隧道管片原设计拟采用6.0m内径、6.7m外径、350mm厚度、1.5m宽度的错缝拼装形式，使用区段共18.8km，约占总区间长度34%。三号线的隧根据类似工程中隧道结构存在的问题，道结构同样面临着自身刚度不足、变形量过大的可能需提前采性。为了减少盾构隧道横断面变形超限现象，-68-广东建材2019年第7期（a）常规段管片设计（5.4m内径）（b）软基段管片设计（6.0m内径）图1原隧道结构设计方案取控制措施。对地铁盾构隧道自身来说，为提高盾构隧道横断面抗变形能力，并抵御堆载、侧向卸载等扰动触发的抗力损失，需要加强结构自身的强度与刚度，如控制隧道尺寸、增加管片厚度、补强薄弱接头、优化防水能力等。3计算模型为分析外荷载引起的盾构隧道横断面变形，并充分考虑拼装结构中管片和螺栓的实际尺寸和相对位置，本项目采用荷载-结构模型中的三维实体模型进行模拟计算。荷载-结构模型是常规设计中普遍采用的结构计算方法。该模型的设计原理是按地层（围岩）分类法或者实用公式确定地层压力，再经弹性地基梁的计算方法计算隧道横断面变形和内力。该方法原理简明、计算快捷。3.1管片拼装方式及模型相关参数的确定隧道管片环由预制钢筋混凝土平板型管片环构成，图2衬砌圆环构造表1主要参数内径R厚度t外径环宽混凝土弹性模具螺栓弹性模量(m)(m)(m)(m)(MPa)(MPa)0.356.760.386.760.46.80.426.841.53.45E+0.42.06E+0.50.36.05.40.356.10.386.16设计与装饰混凝土强度等级为C50，抗渗等级为S12，钢筋采用HPB235级、HRB335级钢。衬砌圆环构造如图2所示。管片隧道结构主要参数如表1所示。每环由6块管片构成，其中含标准块3块（B1、B2、B3），三块夹角均为67.5°，邻接块2块（L1、L2），二块夹角均为68.5°，封顶块1块（K）夹角为20.5°。封顶块、邻接块、标准块之间通过两根M30的环向弯螺栓连接，一环共计12根，螺栓强度等级为5.8级。3.2计算断面的确定为考虑佛山深厚软弱地层条件对隧道结构的影响，选取沿线存在淤泥、淤泥质土层的典型断面进行模拟分析。以德胜-逢沙区间为例，选取全断面穿越<2-1B>淤泥质土层且下覆淤泥质土层最厚处作为计算典型断面，断面里程YCK10+357.988。图3计算纵断面图图4计算横断面图3.3计算工况针对本项目原设计中5.4m内径及6.0m内径的两种隧道结构方案，考虑管片厚度、隧道直径变化以及不同断面的隧道埋深的影响，共选取以下10类工况，如表2所示。3.4计算结果由计算分析可知，构隧道管片变形图如图6所示，接缝张开最大均发生在拱腰位置接缝处，即邻接块与标准块之间，表现为外张。混凝土应力状态示意图如图5所示，混凝土最大应力位于邻接块与标准块接触位置处，由于接缝外张，最大应力位于内侧。盾构管片的几何尺寸与隧道整体的强度、刚度、受-69-设计与装饰表2管片计算工况埋深(m)内径(m)管片厚度(m)0.3215.40.350.382118140.351021618140.3810210.4图5管片应力图图6管片变形图力特性和使用功能有密切的关系。直径大小决定了隧道整体的抗变形能力以及内部净空，同时影响着所受地层荷载的大小和分布；管片厚度则与隧道截面的内力、抗弯刚度和接头位置受力相关。改变隧道直径大小或调整管片厚度，对运营期线路的长期沉降、隧道横断面变形均有一定的影响。对于可能存在周边开发扰动的区段，对隧道安全性的影响则会更加显著。针对隧道整体刚度、横断面变形、结构内力等指标，分析结构直径、截面厚度变化与以上因素的相互关系，并考虑周边开发扰动的影响，最终结合工程实际提出隧道尺寸的优化方案。4管片厚度影响分析管片设计厚度为盾构隧道断面结构尺寸中需考虑的关键因素之一。管片厚度的变化将改变结构主截面的抗弯刚度，同时也将影响到管片接头的抗变形能力。对于主截面抗弯刚度，根据材料力学的基本计算方法可知，刚度EI与管片厚度呈三次方正相关关系，增加管片厚度对单块管片的抗变形能力而言有明显的提高。对于接头位置则需考虑螺栓及接缝张开的情况计算接头刚度。内张接头刚度计算模型主要有4种：截面部分受压且螺栓受拉；截面部分受压且螺栓松弛；全截面受压且螺栓受拉；全截面受压且螺栓松弛。计算结果表明管片整体加厚之后，管片整体的收敛变形量有所减小。对于5.4m内径的隧道，管片厚度从-70-广东建材2019年第7期300mm加厚到350mm、380mm时水平收敛变形分别减小了56.5%、77.0%，竖向收敛变形分别减小了52.2%、72.6%；对于6.0m内径的隧道，管片厚度从350mm加厚到380mm、400mm时水平收敛变形分别减小了31.0%、62.7%，竖向收敛变形分别减小了29.9%、60.8%。由此可见，加厚管片对隧道的变形影响较大。鉴于目前大量软弱土地区的隧道在抗变形能力方面的不足以及导致的各方面问题，在不影响限界和净空的情况下，建议盾构隧道通过加厚管片来提高结构自身抗弯刚度和接头抗弯刚度等，减小横断面变形。5研究结论及相关建议⑴减小隧道直径、增加管片厚度均可提高隧道整体刚度，减小横断面收敛变形，在深厚软土条件下可通过优化隧道几何结构尺寸以提高盾构隧道横断面抗变形能力。⑵综合考虑隧道的长期沉降及横断面变形，建议5.4m内径隧道应选取380mm厚度的管片，6.0m内径隧道应选取400mm厚度的管片，以提高隧道断面刚度和自稳能力，满足结构-地层的匹配性。●参考文献】[1]余洁.地震液化对地铁工程的危害及对策[J].铁道工程学报,2014,(2):115-118.[2]刘光磊,龚成林,宋二祥,等.可液化地层中地铁隧道结构动力离心模型试验[C].第七届全国土动力学学术会议论集,2006.286-291.[3]刘光磊,宋二祥,刘华北,等.可液化地层中地铁隧道地震响应数值模拟及其试验验证[J].岩土工程学报,2007,29(12):1815-1822.[4]马险峰,余龙,李向红.不同下卧层盾构隧道长期沉降离心模型试验[J].地下空间与工程学报,2010,6(1):14.[5]黄广龙,卫敏,韩爱民,等.南京长江漫滩地层中地铁结构的沉降分析[J].水文地质工程地质,2006,33(3):112-116.[6]张冬梅,刘印,黄宏伟,等.软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降[J].同济大学学报（自然科版）,2013,41(8):1185-1190,1212.[7]何川,郭瑞,肖明清,等.铁路盾构隧道单、双层衬砌纵向力学性能的模型试验研究[J].中国铁道科学,2013,34(3):40-46.[8]王俊淞,马险峰,李削云,等.盾构隧道双层衬砌效果的离心模型试验研究[J].结构工程师,2011,27(4):109-114.[9]姚超凡,晏启祥,何川,等.一种改进的盾构隧道双层衬砌分析模型及其应用研究[J].岩石力学与工程学报,2014,(1):80-89.【