高洋
中铁上海设计院集团有限公司
摘要：地铁隧道结构设计一般采用“荷载-结构”模型，而地铁隧道上覆土压力的计算和分布形式是合理化及精细化设计的关键。本文依托北京地铁3号线某暗挖区间，探讨各类土压力在不同地层中计算结果与埋深的关系，对比分析的计算结果可供同类工程参考。
关键词：地铁隧道；竖向土压力；对比分析
1 引言
地铁隧道结构设计一般采用“荷载-结构”模型，而地铁隧道上覆土压力的计算和分布形式是合理化及精细化设计的关键。竖向土压力计算理论及公式，包括普氏理论、太沙基理论、谢家杰公式、比尔鲍曼公式、铁路隧道设计规范公式等。
近年来，国内外学者对竖向土压力的计算做了探讨及深入研究。宋玉香等[1]根据北京地铁所处地层，结合北京地铁四、五和十号线的暗挖隧道标准断面安全度的试算分析，提出了北京地铁隧道竖向土压力荷载计算方法，即《北京地铁矿山法区间隧道结构设计指南》推荐公式（以下简称“设计指南推荐公式”或“推荐公式”）；李文博[2]分析各种土压力的计算结果与埋深的关系，并基于修正后的太沙基公式，提出了无经验参数的竖向土压力计算公式；张丽[3]等基于沈阳地铁下穿浑河的盾构隧道，提出实用的深埋隧道土压力计算方法；国斌[4]等依据工程计算经验，提出软岩浅埋隧道荷载计算的变通做法。
本文依托北京地铁3号线某暗挖区间，就普氏理论、太沙基理论、铁路隧道规范公式、设计指南推荐公式等几种计算竖向土压力的公式，探讨在不同地层中竖向土压力计算结果随埋深的变化关系，其对比分析的结果可供同类工程参考。
2 几种常用竖向土压力计算方法及公式
2.5 深浅埋隧道界限的划分
1、《城市轨道交通工程设计规范》（DB11/995-2013）11.3.3款条文说明中，建议隧道深、浅埋的限值（即临界覆土厚度）按2D（D为隧道开挖宽度）考虑；
2、《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）5.1.6条规定，当H＜2.5ha时，按浅埋隧道设计，其中，H为隧道拱顶以上覆盖层厚度，ha为深埋隧道垂直荷载计算高度。
3 工程实例计算结果对比
3.1 工程实例
本工程实例基于北京地铁3号线某矿山法区间，其结构断面如图7所示，断面开挖宽度6.48m，开挖高度6.62m，初期支护厚250mm，采用喷射混凝土C20，格栅主筋采用4φ22 HRB400钢筋，每榀格栅间距500mm。图7 区间隧道标准断面
3.2 粘性土计算结果
根据3号线隧道区间勘察探孔资料，将成层土体各项土层参数按土层厚度加权平均简化为均质粘性土，土体参数及结构几何尺寸见下表：
3、通过计算并整理计算结果，可以得到各种竖向土压力随埋深的关系，如图8所示：
（1）上述几种理论计算竖向土压力大小的关系依次为：太沙基理论＜普氏理论＜设计指南推荐公式＜铁路隧道设计规范＜全土柱理论；
（2）太沙基理论和普氏理论的计算结果偏小，且两者计算结果相差不大，计算中两者均是按深埋隧道计算；
（3）设计指南推荐公式与铁路隧道新规范的计算结果随埋深（14～28m范围内）呈非线性增加，且两者的差值也在增大；但计算中2.5ha（深埋隧道垂直荷载计算高度）与D1相差不大，14～28m均不属于深埋隧道。；
（4）结果（2）和（3）分别视为第一组和第二组竖向土压计算结果（后续简称“第一组”、“第二组”），当埋深在14～28m时，第一组和第二组计算的竖向土压差值随着埋深的增加呈非线性增加，若计算中，直接按照h＞2D来判定浅埋和深埋，这样计算的结果会偏不安全。
（5）从几种竖向土压计算结果可以看出，判断隧道浅埋、深埋是计算隧道竖向土压力的关键因素，设计人员应结合地铁所处区域，按本区域竖向土压的推荐计算公式来确定。
3.3 砂土计算结果
砂土的土体参数：粘聚力c=0，内摩擦角30°，其他参数与粘性土相同。
通过计算，可以得到在砂土中，各种土压力计算公式与埋深的关系曲线，如图9所示。
（1）当c=0，λ=1时，普氏理论与太沙基理论计算结果相同；且相较于其它计算理论，普氏理论与太沙基理论计算结果偏小，与粘性土计算结论相同。
（2）较粘性土，第一组与第二组的差值较小，说明粘聚力对竖向土压的计算有一定的影响。
（3）设计指南推荐公式与铁路隧道新规范的计算结果随埋深（14～28m范围内）的增加亦呈非线性增加，且两者的计算结果相近；两者的差值小于粘性土的情形。
（4）结合图8和图9，设计指南推荐公式既然虑了自然拱的作用，同时也考虑了各土层的影响，且计算结果介于最大值与最小值之间，其土压力变化更切合实际情况。
4 结论
本文结合北京地铁3号线某暗挖区间，从粘性土和砂土两种土层出发，探讨了在不同土层中，各种竖向土压力计算结果随隧道埋深的变化情况：
（1）判断隧道浅埋还是深埋，是计算隧道竖向土压力的关键，判定时建议考虑自然平衡拱及各土层特性的影响，这样更符合实际情况。
（2）无论是粘性土还是砂层中，若按照深埋理论，普氏理论与太沙基理论计算的竖向土压力均偏小，且当为砂层时，两种计算结果相同。
（3）当隧道埋深为14～28m时，无论采用铁路隧道新规范还是设计指南推荐规范，隧道的竖向土压力均随隧道埋深呈非线性增加。
（4）在北京地区的暗挖隧道，建议采用设计指南的推荐公式，该公式综合考虑自然平衡拱及各地层参数的影响，较符合实际情况。当然，在今后的工程实践中，还应继续总结大量既有工程经验和监测数据，提出更趋于理的修正参数，使理论计算值与工程实践结果更相吻合。
参考文献：
［1］宋玉香，贾晓云，朱永全.地铁隧道竖向土压力荷载的计算研究[J].岩土力学，2007,28（10）：2240-2244.
［2］李文博，陶连金，蔡东明，周明科.地铁隧道竖向土压力计算公式探讨与改进[J].铁道建筑，2013,3:78-81.
［3］张丽，陈东.深埋隧道实用计算分析[J].都市快轨交通，2009,12:76-78.
［4］国斌，罗富荣.软岩浅埋隧道的荷载计算[J].隧道建设，1995,2:38-41.
［5］李志业，曾艳华.地下结构设计原理与方法[M].成都：西南交通大学出版社，2003.
［6］朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2014.
［7］TB10003-2016铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017.
［8］钟桂彤.铁路隧道[M].北京：中国铁道出版社，1990.
［9］北京市轨道交通建设管理有限公司.北京地铁矿山法区间隧道结构设计计算指南[G].北京，2006.
［10］DB11/995-2013城市轨道交通工程设计规范.北京，2013.
作者简介：
高洋，硕士研究生，现任职于中铁上海设计院集团有限公司，助理工程师，从事地铁结构设计及地铁装配式车站的研究工作。
论文作者:高洋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/13
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