天津市市政工程设计研究院 天津市 300380
摘要：近年来，我国交通体系建设的日趋完善，使地铁工程的建设规模不断扩大，在地铁工程建设中，暗挖隧道施工质量的高低直接关乎到地铁工程的质量与安全，而衬砌结构作为暗挖隧道中的主要支护受力结构，其断面形式的受力特征更是起到决定性的作用。当前，国内外在地铁暗挖隧道中所采用的衬砌结构，在受力形式上主要是以等厚度为主，这种受力特征不仅不够合理，而且也在一定程度上提高了工程造价。为此，本文以广州市地铁六号线工程中的暗挖隧道为例来进行优化设计，以此提高衬砌结构的受力合理性，使其具备良好的受力特征，以此稳固暗挖隧道的同时，也在很大程度上降低了工程造价。
关键词：地铁工程；暗挖隧道；衬砌受力；优化设计
引言
随着隧道施工技术的不断完善，隧道开挖与支护技术正变得日新月异，从以往的隧道暗挖不支护到隧道开挖的强支护技术，再从隧道开挖的强支护技术转变为现今的柔性支护技术，人们对暗挖隧道的支护形式及其受力特征上的认识正逐步加深，这也使暗挖隧道的衬砌结构从以往的“厚、强”支护正逐渐转变为“薄、柔”支护。不过，由于目前人们在地铁工程施工中对衬砌厚度的处理主要是以等厚度为主的，这也使衬砌结构的厚度往往变得很大，工程造价也因此在无形中得到了提高。为此，有必要对地铁暗挖隧道中衬砌结构的受力特征进行优化设计，以此降低工程造价，解决衬砌设计的不合理问题。
一、地铁工程概况
本文以广州市地铁六号线中的暗挖隧道衬砌结构为例来对其受力进行优化设计，该地铁工程的暗挖隧道距离珠江200m左右，隧道土层属于饱和状淤泥质土，土质主要包括杂填土、粉细砂、残积粉质粘土、淤泥质土以及中粗砂。岩层主要包括全风化岩层、强风化岩层、中风化岩层以及微风化岩层，局部层间可能夹有中风化岩薄层。岩层的颜色主要以棕红色与褐红色为主，岩体保持较为完整，岩芯以柱状为主，从总体来看均为较软岩层。暗挖隧道的拱顶位置属于全风化砂岩，仰拱则为微风化砂岩，隧道两侧的侧墙则属于中风化砂岩。
二、地铁暗挖隧道衬砌受力数值的模拟计算
本文在地铁暗挖隧道衬砌受力数值的模拟计算上采用结构荷载法，并通过SAP84有限元计算软件来进行计算，具体计算步骤如下：其一，设定衬砌结构属于小变形的弹性梁，在初砌结构中分布有若干个连续梁单元，这些连续梁的厚度均相等，然后对二衬受力实施模拟计算，并将初衬与二衬结构中分布的短直梁单元进行模拟，对初衬、二衬和围岩之间利用压杆来对压力的传递进行模拟。其二，在采用该方法时，不需要对围岩中的构造应力进行考虑，也不需要对锚杆作用、管棚、小导管等预加固措施进行考虑，则暗挖隧道所承受的地层压力和其上部土压力的和相同。其三，对数值模拟计算中的荷载参数值进行定义，由C25混凝土对初衬断面进行施工，由C30混凝土对二衬断面进行施工，其重度分别为23kN/m3与25kN/m3。暗挖隧道的仰拱和侧墙的基床系数是1200MPa/m。其四，对暗挖隧道衬砌施工时的围岩压力进行水土分算；其五，利用经验数值将二衬衬砌断面的厚度设置为90cm，并在满足配筋要求下对衬砌的等厚度进行计算。
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三、地铁暗挖隧道衬砌受力的优化设计
（一）优化设计方法
依据上述模拟计算步骤可以得到衬砌结构的等厚度计算结果，其最大轴力、剪力及弯矩分别为4097kN、1157kN、1875kN，并且均位于拱脚位置，依据断面在强度方面的要求可以计算出二衬的最小厚度是90cm，为了使计算结果能够达到抗裂缝技术标准，提高衬砌结构的安全性，需要对拱脚位置进行加厚处理。所选取的优化设计方法主要包括三种，一种是在受力最大位置中利用等厚度对衬砌结构的全断面进行加厚，厚度为1米。另一种是将暗挖隧道拱墙的外侧设置为直墙，并对拱脚的厚度进行加厚，最大厚度为2.1m，其他均为0.9m。最后一种是利用不等厚的处理方法将拱脚的最大厚度设置为1.1m，而将拱圈的最小厚度设置为0.7m，其他部位则属于不等厚度渐变过渡形式。
（二）模拟计算
通过对上述三种断面的优化设计方法利用有限元软件进行模拟计算，能够获得衬砌结构的最不利位置中的内力值，第一种方法的最大轴力值、剪力值以及弯矩值分别为3981kN、1175kN与1961kN，第二种方法为4000kN、1365kN、2500kN，第三种方法分别为3948kN、1282kN、2260kN，这三种方法全部能够满足抗裂性的验算要求，其中以第三种方法的不等厚处理方法在衬砌结构受力优化设计中的安全等级最高。在第三种优化设计方法中，通过对衬砌结构断面的厚度进行改变，能够使结构中最不利的受力位置得到有效优化，进而使其在断面配筋中能够更好的满足施工要求。
（三）优化效果分析
通过对上述三种优化设计方法进行对比分析，能够得出暗挖隧道在每延米钢筋、混凝土及其开挖面积中的用量数值。其中，第一种断面等厚度优化处理方法的开挖面积为244.2m3，而混凝土的用量则为51.3m3，环向主配筋量为3770kg；第二种拱脚直墙优化方法的开挖面积为243.4m3，混凝土用量为49.4m3，，环向主配筋量为3859kg；第三种断面不等厚度优化处理方法的开挖面积为236m3，混凝土用量为44.2m3，环向主配筋量为3763kg。上述三种处理方法均不包含架立筋、箍筋与纵向筋，并不考虑直墙形式中的加强筋。通过数值对比可以发现，第三种方法的开挖面积最小，在混凝土量与钢筋用量上也较小，根据广州当地的工程材料造价可知，C30混凝土、钢筋与机械开挖的市面价格分别为496.63元/延米、5200元/吨以及141.22元/延米，结果表明，每开挖一延米的暗挖隧道，其钢筋混凝土与开挖土量所产生的造价就会减少1万元左右，而且暗挖隧道的安全等级也会更高。
结语
综上所述，对衬砌结构的二衬厚度进行改变，能够获得断面的厚度特征，依据暗挖隧道中衬砌的受力特点来对厚度进行变化，能够得到最佳的断面受力优化设计效果，其不仅能够有效满足衬砌结构中最不利位置的受力要求，同时还能降低衬砌断面施工中的混凝土用量、钢筋用量与土方用量，进而使地铁工程的造价得以降低的同时，也提高了隧道施工的安全等级。
参考文献：
[1]来弘鹏,谢永利,刘苗,许海标. 黄土地区浅埋暗挖地铁隧道衬砌受力分析[J]. 岩土工程学报,2011,33(08):1167-1172.
[2]樊红卫. 地铁区间非盾沟暗挖隧道设计的现状与思考[J]. 城市轨道交通研究,2010,13(02):5-8.
[3]魏纲,裘新谷,魏新江,丁智. 邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟[J]. 岩土力学,2009,30(02):547-552.
论文作者:边可
论文发表刊物:《防护工程》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/15
标签：隧道论文; 厚度论文; 受力论文; 断面论文; 结构论文; 地铁论文; 优化设计论文; 《防护工程》2018年第1期论文;