楊友彬

摘 要：跨座式單軌盾構隧道因管片設置軌道梁，導致管片受力特性較普通管片發(fā)生變化。文章基于相關條文、規(guī)范要求及相關工程地質特征，先擬定出管片結構基本設計參數(shù)，再采用數(shù)值分析方法對多種工況下管片受力變形規(guī)律進行分析，最后根據(jù)計算分析結果確定管片厚度。

關鍵詞：跨座式單軌;盾構隧道;軌道梁;管片厚度

中圖分類號：TU318

近年來城市軌道交通發(fā)展迅猛，其中以地鐵、輕軌最為常見。地鐵以節(jié)約地面空間、顯著改善交通等巨大優(yōu)勢為成各大中城市交通基礎建設的首選，輕軌作為地鐵的重要補充，也被廣泛修建，跨座式單軌便是輕軌的一種重要形式。地鐵區(qū)間隧道絕大多數(shù)采用盾構法施工，跨座式單軌區(qū)間多數(shù)為高架、路基形式，少數(shù)條件限制時采用盾構隧道。

針對傳統(tǒng)的地鐵設計施工研究眾多，對于盾構機選型、盾構掘進機理、盾構管片設計及盾構隧道管片服役狀態(tài)及病害情況等方面均有大量的研究，也取得了大量的成果[1-6]。而針對于跨座式單軌的研究相對較少。許玉紅、周華、雷中林等[7-10]對比分析了地鐵限界與跨座式單軌限界的區(qū)別，并基于跨座式單軌的轉向架結構形式、軌道梁、信號裝置等對該交通模式下的限界進行了深入研究，提出了限界計算的方法。朱英磊、潘力、郭凱等[11-15]針對跨座式單軌混凝土軌道梁的預制技術進行了研究，提出預制軌道梁的關鍵技術指標。向紅、謝謙、錢惠靜等[16-17]基于跨座式單軌交通的特點，對跨座式單軌的適應性、運營安全評價等進行了全面研究?？梢?，針對跨座式單軌地下區(qū)間盾構隧道的研究較少。

本文基于前人對地鐵盾構隧道及跨座式單軌的相關技術研究，結合跨座式單軌盾構隧道的特點，通過數(shù)值仿真手段對多工況條件下跨座式單軌盾構隧道管片的內(nèi)力變形進行分析，并通過分析結果確定管片厚度，進而確定管片基本類型。

1 數(shù)值分析模型建立

1.1 管片基本結構

跨座式單軌盾構隧道因管片設置軌道梁，導致管片受力特性較普通管片發(fā)生了變化。管片底部應預埋鋼板，以便與上部軌道梁臺座進行可靠有效地連接，臺座上方設軌道梁支座，具體布置見圖1。圓形隧道限界按適應地段最小曲線半徑考慮，根據(jù)GB 50458-2008《跨座式單軌交通設計規(guī)范》對線形的要求，結合行車及隧道內(nèi)設備布置情況，確定圓形盾構隧道的建筑限界為5.7m?？紤]盾構隧道施工時不可避免的施工誤差、結構變形、隧道沉降、測量誤差等因素的影響，在隧道建筑限界周邊預留150 mm的空間余量，因此隧道管片內(nèi)凈空理論值取6.0 m。

從既有盾構隧道管片實際情況看，管片環(huán)寬較大，一方面可以降低管片制作成本，減少接縫數(shù)量，減少防水材料及連接螺栓用量;另一方面利于加快施工進度、控制隧道縱向不均勻沉降。但環(huán)寬增大可能影響盾構機的靈活性，不利于小半徑隧道施工。結合跨座式單軌線形要求及管片制作工藝等因素，從工程造價、結構性能、掘進速度等方面綜合考慮，擬定管片環(huán)寬為1 m。管片分塊方式根據(jù)管片制作、運輸、盾構推進千斤頂布置、拼裝方式、結構受力性能、防水要求等因素綜合確定。隧道外徑小于8 m的管片環(huán)宜為5 ～7塊，隧道外徑8 ～14 m的管片環(huán)宜分為7～10塊，外徑大于14 m的管片環(huán)宜分為10～12塊。根據(jù)上述擬定的隧道限界尺寸，單洞跨座式單軌盾構隧道管片分為6塊預制，接縫連接形式采用榫槽接頭，管片環(huán)采用錯縫拼裝的方式，環(huán)與環(huán)、塊與塊之間采用螺栓連接。

1.2 材料參數(shù)選取

計算參數(shù)的取值很大程度上決定了數(shù)值計算結果的可靠性。本次分析采用的某跨座式單軌工程詳細勘察報告中土體物理力學參數(shù)見表1，根據(jù)地質勘察報告，地下水位按地面以下3 m考慮。

2 管片計算分析

2.1 管片結構計算工況

管片厚度是管片選型中最為重要的設計參數(shù)之一，管片厚度應綜合考慮工程周圍環(huán)境、工程地質、水文地質、結構特點、隧道覆土、施工條件等因素，通過結構計算來確定。本文基于水文地質情況，結合跨座式單軌的結構受力特點，對不同隧道埋深、不同管片厚度的組合工況進行建模計算。根據(jù)計算結果對比分析，得出最為經(jīng)濟合理的管片厚度取值。

本次分析采用我院自主開發(fā)的管片計算軟件，模擬過程中采用荷載-結構法進行計算，圍巖抗力采用土彈簧進行模擬。隧道覆土不超過2倍洞徑時采用土柱法計算荷載，覆土大于2倍洞徑時采用太沙基折減法計算荷載。支座處軌道梁及列車荷載經(jīng)過折算后取Pmax = 443kN/m，P min = 340kN/m。計算工況見表2，計算模型及荷載施加方式見圖2。具體分析步驟如下：①通過軟件界面輸入設計參數(shù)（規(guī)范選擇、斷面設置、土層參數(shù)、隧道位置、荷載工況等）;②基于設計參數(shù)進行邊界設置（地層壓力、地層抗力、局部線性荷載）;③然后根據(jù)輸入條件進行分析求解，最后提取分析結果。對于不同的計算工況，應根據(jù)不同的管片厚度和覆土深度調整設計參數(shù)，然后按上述步驟逐一進行計算。

2.2 管片內(nèi)力分析

工況1下的管片結構內(nèi)力見圖3，12個工況下的最大結構內(nèi)力計算結果見圖4。

（1）從圖3中可以看出，隧道拱頂洞內(nèi)側受拉，拱腰上部土層一側受拉，受到土層抗力作用，下部為洞內(nèi)側受拉;洞內(nèi)受軌道梁及列車荷載的影響，管片結構底部土層一側受拉。這一特點與普通盾構管片的受力有明顯的區(qū)別。這是因為軌道梁通過支座將上部荷載傳遞至管片，有支座處的管片結構底部受力明顯增大，管片結構底部因彎矩相對較大，所對應的軸向受力相對偏小，這一點符合結構受力規(guī)律?？梢姽芷撞寇壍懒杭傲熊嚭奢d理論上可以抵抗結構底部隆起，對結構受力有利，但若受力過大，結構會向外變形，產(chǎn)生裂縫，降低結構的耐久性。

（2）從圖4 中12個工況的最大內(nèi)力對比結果可知，管片厚度越大，管片計算內(nèi)力也越大。就管片彎矩而言，覆土厚度增加，管片彎矩隨之變大，但當覆土超過25 m后，管片彎矩卻減小，這是因為覆土過大時，管片結構埋入巖層中，地層對結構的抗力較大所致;就管片軸力而言，管片軸力隨著覆土深度的增大而增大，但管片為鋼筋混凝土結構，抗壓能力強，軸力增大有利于改善結構受彎受力狀態(tài)。

2.3 管片變形分析

（1）圖5給出工況1的管片結構徑向變形圖，圖5中圓形圖線為管片變形前的狀態(tài)，橢圓圖線為管片變形后的狀態(tài)。從圖5中可以看出，管片受力后整體有向下移動的趨勢。值得注意的是，管片底部因受軌道梁及列車荷載作用，結構底部沉降量與頂部沉降量相當。

（2）圖6給出12個工況的最大變形值對比結果，從圖6中可知，管片最大徑向變形隨覆土增加先增大后減小，在覆土15 m時管片徑向變形值最大。這是因為當覆土超過2倍洞徑時，土壓力的計算采用太沙基折減的方法，使得實際土壓力并非隨覆土增加而線性增大。

3 管片厚度確定

圖7、圖8給出300 mm、350 mm、400 mm3種不同厚度管片結構最大內(nèi)力計算結果，圖9給出300 mm、350 mm、400 mm3種不同厚度管片結構的最大徑向變形計算結果。從圖7～圖9中可知，管片越厚結構所受彎矩就越大;結構所受軸力受管片厚度變化的影響較小，相同的覆土深度，結構所受的軸力相當;結構徑向變形明顯隨著管片厚度的增加而減小。

綜合300 mm、350 mm、400 mm3種管片厚度的受力、變形規(guī)律可知，管片厚度越大，結構剛度也隨之增大，結構變形隨之減小，但彎矩變大，軸力受管片厚度影響較小;管片結構既不能受力過大，也不可變形過大。因此，根據(jù)管片內(nèi)力及變形計算結果，推薦本次分析的跨座式單軌工程隧道管片厚度取350mm。

4 結論及建議

（1）跨座式單軌盾構隧道因管片設置軌道梁，導致管片受力特性較普通管片發(fā)生了變化。因此，在管片計算中應當充分考慮軌道梁及列車荷載對管片結構受力的影響。

（2）數(shù)值計算結果表明，覆土厚度增加，管片彎矩值隨著變大，但當覆土超過25 m后，管片彎矩值卻減小;管片軸力隨著覆土深度的增大而增大;管片最大徑向變形隨覆土的增加先增大后減小，當覆土15 m時，管片徑向變形最大。

（3）基于工程水文地質情況，結合跨座式單軌的結構受力特點，對不同隧道埋深、不同管片厚度的組合工況進行建模計算。根據(jù)計算結果對比分析，建議該類型盾構隧道管片厚度取值為350 mm。

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收稿日期 2019-04-12

責任編輯 朱開明