孫 巍，官林星，溫竹茵

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，在地下管線密布的復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行地下空間工程施工的案例會(huì)越來越多，管線的搬遷費(fèi)用在整個(gè)工程建設(shè)費(fèi)用中將占有一定的比例?；ネǖ叵驴臻g設(shè)計(jì)理念的提出，也催生了大量地下連接通道工程的建設(shè)。如市政道路兩邊地塊的地下車庫需要聯(lián)通時(shí)，就需要建設(shè)斷面約為9 m(寬)×4 m(高)的矩形通道，地下2層車庫的頂板一般位于地下5～6 m，在管線眾多的市政道路下進(jìn)行暗挖施工時(shí)，所能采用的施工方法非常有限，而大斷面矩形盾構(gòu)法隧道可以很好地滿足這種建設(shè)需求。

矩形盾構(gòu)法隧道屬于異形斷面隧道，為了改善襯砌的受力，通常在襯砌的轉(zhuǎn)角、拱頂、拱腰、拱底部位都引入圓弧線。相比傳統(tǒng)圓形斷面盾構(gòu)隧道，矩形盾構(gòu)法隧道具有顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，具有空間利用的優(yōu)勢(shì)，在相同的有效使用面積條件下，所占用的地下空間比圓形隧道節(jié)約了20%以上，甚至可以達(dá)到45%［1］;由于隧道截面的減小，在滿足抗浮的條件下，可實(shí)現(xiàn)淺覆土施工。其次，與矩形頂管法隧道相比，盾構(gòu)法隧道的管節(jié)在完成拼裝后基本保持靜止，對(duì)周圍環(huán)境影響小，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)長距離、曲線掘進(jìn)。類矩形盾構(gòu)法隧道作為一種新的施工方法，以其淺覆土、節(jié)省地下空間、可長距離曲線掘進(jìn)的特點(diǎn)，填補(bǔ)了國內(nèi)地下空間建設(shè)方法的空白，在跨越路口、地下管線搬遷等特殊節(jié)點(diǎn)處理方面，有著廣闊的應(yīng)用前景。

矩形盾構(gòu)法隧道施工案例主要集中在日本，在其他國家則鮮有耳聞。日本在理論與實(shí)驗(yàn)方面持續(xù)對(duì)矩形盾構(gòu)法隧道展開研究［2］，其代表性的工程案例主要有:1999年，京都市交通局采用矩形隧道法掘進(jìn)機(jī)完成了京都地鐵東西線一段區(qū)間隧道的施工，隧道內(nèi)凈空尺寸為 8.9 m(寬)×5.5 m(高)［3］;2012 年，日本大林組在東京都3環(huán)線道路相?？v貫川尻隧道工程中，施工完成了內(nèi)凈空尺寸為11.0 m(寬)×7.08 m(高)的矩形盾構(gòu)法隧道［4］，將矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)水平提升到一個(gè)新的高度。

隨著中國經(jīng)濟(jì)的增長與施工技術(shù)的提高，有關(guān)大斷面矩形盾構(gòu)法隧道的研究得到了越來越多的關(guān)注。如，賈連輝［5］對(duì)超大斷面矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)展開了研究;羅鑫［6］對(duì)不同矩形盾構(gòu)隧道管片的拼裝方法進(jìn)行了對(duì)比分析。本文以虹橋臨空地區(qū)的11－3地塊地下連接通道工程為背景，介紹了大斷面矩形盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)的應(yīng)用，并探討了矩形盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 工程概況

上海虹橋臨空11－3地塊地下連接通道工程位于上海市長寧區(qū)虹橋地區(qū)，為下穿福泉北路的地下通道，連接福泉北路西側(cè)10－3地塊與東側(cè)11－3地塊地下車庫(地下2層)，通道全長約52 m。地下通道由盾構(gòu)始發(fā)井、盾構(gòu)接收井及矩形盾構(gòu)段組成，盾構(gòu)的推進(jìn)方向由11－3地塊推向10－3地塊，其平面如圖1所示。在福泉北路分布有給水、電信、雨水、污水、燃?xì)?、路燈、電力等市政管線，其中，雨水管的埋深約為3.0 m，管徑為1.8 m，成為控制隧道埋深的構(gòu)造物。在考慮到現(xiàn)有施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將隧道與雨水管之間的凈距控制為965 mm，隧道的最大覆土厚度為6.0 m，地下通道的縱剖面如圖2所示。

圖1 連接通道平面布置圖Fig.1 Alignment of tunnel

通道的內(nèi)凈空尺寸為8.65 m(寬)×3.85 m(高)，扁平率為0.44，這給管片的設(shè)計(jì)與拼裝帶來了挑戰(zhàn)。襯砌斷面形狀如圖3所示，在拱頂?shù)钠鸸傲考s為150 mm，拱腰起拱量約為100 mm。襯砌環(huán)由6塊復(fù)合管片拼裝而成，分別為拱頂塊(F塊)、左上塊(LU塊)、右上塊(RU塊)、左下塊(LD塊)、右下塊(RD塊)、拱底塊(D塊)。在管片的縱向與環(huán)向都采用直螺栓的連接形式，通縫拼裝。

矩形盾構(gòu)法隧道位于典型的上海軟弱地層中，在隧道的頂部主要為①1雜填土、①2素填土、①3浜填土及③1灰色淤泥質(zhì)黏土。隧道主要穿越③2層灰色砂質(zhì)粉土與④層灰色淤泥質(zhì)黏土。各土層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 管片結(jié)構(gòu)與計(jì)算分析

2.1 荷載

根據(jù)隧道所處不同階段按照不同計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。在盾構(gòu)隧道使用階段，隧道所受的荷載為豎向土壓力q1、底部地基反力q2、自重g、襯砌頂部水平土壓力e1、襯砌底部水平土壓力e2，如圖4所示。在盾構(gòu)施工階段，作用在襯砌上的施工荷載主要有注漿荷載、千斤頂推力、管片拼裝機(jī)的操作荷載等，本文主要對(duì)注漿荷載的計(jì)算展開討論。

圖2 隧道地質(zhì)縱剖面Fig.2 Longitudinal profile of tunnel

圖3 襯砌環(huán)斷面圖(單位:mm)Fig.3 Cross-section of lining(mm)

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Physical and mechanical parameters of different soil strata

圖4 矩形盾構(gòu)隧道梁－彈簧模型Fig.4 Beam-spring model of rectangular shield tunnel

注漿荷載可分為同步注漿荷載與壁后注漿荷載。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，通過安裝在盾尾的注漿孔將注漿材料注入到管片與土體之間的環(huán)形空隙中的注漿即為同步注漿，同步注漿與盾尾注漿孔的構(gòu)造及布置有關(guān)。目前，針對(duì)注漿壓力的研究有很多，但相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有對(duì)其進(jìn)行具體的規(guī)定。日本盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中，壁后注漿壓力一般取比泥水壓力、泥土壓力大50～100 kN/m2［7］。朱合華等［8］在對(duì)盾構(gòu)隧道施工力學(xué)性態(tài)進(jìn)行模擬中，取注漿壓力為0.2～0.4 MPa。在上海長江隧道工程設(shè)計(jì)中，采用的荷載分布模式為三角形分布［9］，國際隧道協(xié)會(huì)也同樣推薦采用三角形分布模型［10］。在綜合以上研究及考慮矩形盾構(gòu)注漿設(shè)備能力的基礎(chǔ)上，注漿荷載采用三角形分布，以注漿孔為中心兩邊分布寬度取1.0 m，注漿壓力比泥水壓力大0.1 MPa。根據(jù)矩形盾構(gòu)的盾尾構(gòu)造，同步注漿壓力如圖5所示。在每個(gè)襯砌環(huán)上布置16個(gè)注漿孔，采用一備一用的方式，即在襯砌環(huán)上最多有8個(gè)注漿孔同時(shí)注漿。襯砌環(huán)注漿孔的布置及單孔的注漿壓力如圖6所示。在分析計(jì)算中應(yīng)考慮注漿壓力分布的不均勻性，每個(gè)注漿孔存在是否有注漿壓力作用2種情況，通過組合得到隧道的內(nèi)力包絡(luò)圖。

圖5 同步注漿壓力壓力分布圖(單位:mm)Fig.5 Distribution of pressure of simultaneous grouting(mm)

圖6 襯砌環(huán)上注漿孔布置圖(單位:mm)Fig.6 Layout of grouting hole of lining(mm)

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

根據(jù)地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)模型可分為:1)經(jīng)驗(yàn)類比模型;2)荷載結(jié)構(gòu)模型;3)地層結(jié)構(gòu)模型;4)收斂約束模型［7－8］。在本次設(shè)計(jì)中采用了規(guī)范中常用的荷載結(jié)構(gòu)模型，即梁－彈簧模型。管片被離散為梁單元，環(huán)向接頭被模擬為轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧kθ、軸向彈簧kn與剪切彈簧ks，如圖4所示。

2.3 管片內(nèi)力

在矩形盾構(gòu)隧道受力分析中，為了得到隧道所受內(nèi)力的最不利荷載工況，應(yīng)考慮各種荷載的組合。在使用階段，主要考慮地面超載、水土壓力等;在施工階段，注漿荷載作為附加荷載施加于襯砌環(huán)上。采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行內(nèi)力分析，通過命令流編制程序進(jìn)行注漿荷載的組合。圖7和圖8為注漿荷載作用時(shí)的內(nèi)力(彎矩與剪力)包絡(luò)圖，圖9和圖10為使用階段的內(nèi)力(彎矩與剪力)分布圖。在注漿荷載作用下，管片的最大彎矩達(dá)到219.2 kN·m，而使用階段襯砌的最大彎矩為783.3 kN·m，注漿荷載引起的管片彎矩增量達(dá)到水土荷載引起彎矩的28%，充分說明注漿荷載是矩形盾構(gòu)隧道受力分析中必須考慮的施工荷載。從圖9和圖10可以看出，在拱頂接頭部位所承受的彎矩雖小，但需要承受較大的剪力;在拱腰接頭部位，需要承受較大的彎矩作用。對(duì)于大斷面矩形盾構(gòu)法隧道，管片受力以彎剪為主，其受力性能劣于圓形隧道;因此，大斷面矩形隧道對(duì)管片接頭提出了更高的承載力要求。

圖7 注漿荷載作用下彎矩包絡(luò)圖(標(biāo)準(zhǔn)值，單位:kN·m)Fig.7 Diagram of moment envelope under grouting load(standard value，kN·m)

圖8 注漿荷載作用下剪力包絡(luò)圖(標(biāo)準(zhǔn)值，單位:kN)Fig.8 Diagram of shear envelope under grouting load(standard value，kN)

圖9 使用階段彎矩分布圖(標(biāo)準(zhǔn)值，單位:kN·m)Fig.9 Distribution of moment in operation stage(standard value，kN·m)

圖10 使用階段剪力分布圖(標(biāo)準(zhǔn)值，單位:kN)Fig.10 Distribution of shear in operation stage(standard value，kN)

2.4 隧道管片結(jié)構(gòu)

經(jīng)過多方案比選(如表2所示)，采用壁厚為550 mm，寬度為1 000 mm的復(fù)合管片(管片主斷面如圖11所示)，采用Q345鋼材，頂部、底部、兩側(cè)鋼板厚度分別為8、12、22 mm。為了加強(qiáng)鋼板與混凝土之間的連接作用，在鋼箱體鋼板表面布置栓釘，其制作方法為先加工制作管片的鋼箱體，然后向箱體內(nèi)注入混凝土，復(fù)合管片鋼箱體如圖12所示。由于復(fù)合管片腔體中的混凝土與外圍鋼板之間的相互作用機(jī)制不明確，本次計(jì)算中采用了保守的計(jì)算方法，即鋼結(jié)構(gòu)作為主要的承力構(gòu)件承擔(dān)全部的荷載，內(nèi)部的充填混凝土解決鋼板的局部屈曲問題，相關(guān)的構(gòu)造設(shè)計(jì)主要通過試驗(yàn)進(jìn)行論證。

3 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，對(duì)單體管片進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，以測(cè)定單體管片的承載力，確認(rèn)鋼板與混凝土的共同作用。

表2 管片性能對(duì)比表Table 2 Comparison and contrast among different types of segments

圖11 管片主斷面(單位:mm)Fig.11 Main cross-section of segment(mm)

圖12 復(fù)合管片鋼箱體Fig.12 Photo of steel-box of composite segment

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)管片采用拱底塊的原型管片，其中心弦長為6.0 m，豎向荷載施加在管片中心線兩側(cè)400 mm處。主要測(cè)量項(xiàng)目為管片的撓度變形、管片中間斷面的受拉與受壓應(yīng)變。單體管片加載及應(yīng)變片布置如圖13所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖14所示。試驗(yàn)采用分級(jí)加載法:先分級(jí)施加豎向荷載P至設(shè)計(jì)值610 kN，然后再將軸向力N加載到設(shè)計(jì)值300 kN，再分級(jí)將豎向力P加載至終值1 220 kN(2倍設(shè)計(jì)荷載)。分級(jí)加載時(shí)每級(jí)加載50 kN，每級(jí)加載的穩(wěn)定時(shí)間為2 min。

圖13 管片加載與測(cè)試儀器布置圖(單位:mm)Fig.13 Loading mode and measuring instrument layout of segment(mm)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖15 為管片的荷載位移變化圖。當(dāng)荷載P逐級(jí)施加到1 220 kN時(shí)，構(gòu)件基本處于線彈性階段，跨中位移增加平穩(wěn);當(dāng)P=610 kN達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，跨中平均位移為8.8 mm，為l0/613(l0為計(jì)算寬度，5 400 mm)，滿足管片的使用要求。

圖14 管片抗彎試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.14 Photo of bending test

圖15 荷載位移曲線Fig.15 Load-deflection curve

圖16 為管片頂部鋼板的荷載應(yīng)變曲線。當(dāng)荷載P逐級(jí)施加到1 220 kN時(shí)，構(gòu)件處于線彈性階段，構(gòu)件的頂部鋼板處于受壓狀態(tài)，測(cè)試得到的最大應(yīng)變?yōu)镾2，應(yīng)變量為1 425με，應(yīng)力為294 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%。

圖17為管片底部鋼板的荷載應(yīng)變曲線。當(dāng)荷載P逐級(jí)施加到1 220 kN時(shí)，構(gòu)件處于線彈性階段，構(gòu)件的底部鋼板處于受拉狀態(tài)，測(cè)試得到的最大應(yīng)變?yōu)镾5，應(yīng)變量為1 804με，應(yīng)力為371 MPa，為屈服荷載的1.07倍，鋼板在局部區(qū)域開始出現(xiàn)屈服。

圖16 管片頂部鋼板的荷載應(yīng)變曲線Fig.16 Load-strain curves of top steel plate

圖17 管片底部鋼板荷載應(yīng)變曲線Fig.17 Load-strain curves of bottom steel plate

從以上的分析可以看出，本設(shè)計(jì)方案可以滿足管片的設(shè)計(jì)使用要求。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，鋼板沒有發(fā)生局部屈曲，證明了栓釘連接的有效性，以及鋼板與混凝土的共同作用。該通道的設(shè)計(jì)使用年限為50 a，鋼箱體作為結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件，由于在實(shí)驗(yàn)室無法模擬鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，要讓結(jié)構(gòu)具備一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)矩形盾構(gòu)法隧道進(jìn)行詳細(xì)地受力分析，并應(yīng)用于上海虹橋臨空11－3地塊地下連接通道中，探討了矩形盾構(gòu)法隧道的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，為類似工程的設(shè)計(jì)提供了參考案例。所采用的復(fù)合管片承載力高，為大跨度地下空間的開發(fā)提供了一種新的結(jié)構(gòu)形式。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:

1)矩形盾構(gòu)法隧道由于形狀的關(guān)系，其受力以承受彎剪為主，從受力的角度來看，其受力不盡合理;但從其可以進(jìn)行淺覆土施工、可節(jié)省地下空間資源的角度出發(fā)，在一些特殊工程節(jié)點(diǎn)處理上有著廣泛的應(yīng)用前景。

2)矩形盾構(gòu)法隧道由于跨度大，注漿荷載對(duì)矩形盾構(gòu)法隧道受力影響較大，需要與施工工藝結(jié)合來合理地確定注漿荷載。

3)通過結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)，采用復(fù)合管片的結(jié)構(gòu)形式可以滿足隧道的受力要求。

本工程為國內(nèi)首個(gè)矩形盾構(gòu)法隧道工程，即將開工建設(shè)，并開展相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作。建議在下一步的研究中，開展理論計(jì)算、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，總結(jié)矩形盾構(gòu)法隧道的受力特點(diǎn)，為矩形盾構(gòu)法隧道的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

［1］ 白云，丁志誠.隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.(BAI Yun，DING Zhicheng.Construction technology of tunnel boring machine［M］.Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2012.(in Chinese))

［2］ 小林正典，小泉淳，井口均.矩形斷面シールドトンネルの合理的セグメント形狀に関する研究［J］.木學(xué)會(huì)第48回年次學(xué)術(shù)講演會(huì)，1993(48):56 －57.(Kobayashi Masanori，Iguchi Hitoshi，Koizumi Atsushi.On the rational shape of the segment using a rectangular cross sectional shield tunnel［J］.Proceedings of Annual Conference of the Japan Society of Civil Engineers，1993(48):56－57.(in Japanese))

［3］ Hiroshi Nakamura，Toshikazu Kubota，Mamoru Furukawa，et al.Unified construction of running track tunnel and crossover tunnel for subway by rectangular shape double track cross-section shield machine［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2003(18):253 －262.

［4］ 前田知就，大井和憲，蛭子延彥.地上発進(jìn)· 地上到達(dá)シールドの施工［J］.基礎(chǔ)工，2013，41(3):39 －45.(Maeda Tomonari，Oi Kazunori，Ebisu Nobuhiko.Ultra rapid under pass construction method［J］.The Foundation Engineering ＆Equipment，2013，41(3):39 － 45.(in Japanese))

［5］ 賈連輝.超大斷面矩形盾構(gòu)頂管設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2014，34(11):1098 － 1106.(JIA Lianhui.Key technologies for design of super-large rectangular pipe jacking machine［J］.Tunnel Construction，2014，34(11):1098 －1106.(in Chinese))

［6］ 羅鑫.矩形盾構(gòu)隧道管片拼裝方法的研究［J］.建筑施工，2014，36(2):199 － 201.(LUO Xin.Study on assembly method for rectangular tunnel segments［J］.Building Construction，2014，36(2):199 －201.(in Chinese))

［7］ 土木學(xué)會(huì).隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范:盾構(gòu)篇及解說［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.(Japan Society of Civil Engineers.Code and comment for shield tunnel［M］. Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2011.(in Chinese))

［8］ 朱合華，丁文其，李曉軍.盾構(gòu)隧道施工力學(xué)性態(tài)模擬及工程應(yīng)用［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000，33(3):98 －103.(ZHU Hehua，DING Wenqi，LI Xiaojun.Construction simulation for the mechanical behavior of shield tunnel and its application［J］.China Civil Engineering Journal，2000，33(3):98 －103.(in Chinese))

［9］ 曹文宏，申偉強(qiáng).超大特長盾構(gòu)法:隧道工程設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.(CAO Wenhong，SHEN Weiqiang.Design of super-large extra-long shieldbored tunnel［M］.Beijing:China Architecture＆ Building Press，2011.(in Chinese))

［10］ Working Group 2.International tunneling association.Guidelines for the design of shield tunnel lining［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2000，15(3):303－331.