沈陽地鐵暗挖區間襯砌設計計算方法比較

趙 瑾，朱 榆

(1.沈陽鐵道勘察設計院有限公司，遼寧沈陽 110013;2.遼寧省建設科學研究院，遼寧沈陽 110005)

目前，沈陽地鐵隧道正處于建設的高峰期。由于城市地面建筑物擁擠，地下管線錯綜復雜，地鐵區間在繁華城區街道修建是避免不了的。采用明挖法施工占地多，交通干擾大，地下管線拆遷量大，容易造成環境污染，諸多局限性日益突出。而暗挖法克服了上述缺點，減少了對環境的影響，能保證交通暢通和地下管線的正常使用。而暗挖區間工程造價一直備受投資方關注。暗挖隧道襯砌作為關鍵控制指標之一，其厚度、混凝土強度、配筋率等參數的設計，這些都與襯砌采用的計算模型密切相關。選擇合理的二襯計算模型，對體現暗挖區間的優越性、降低建設造價及提高工程經濟性影響都很大。

地下工程中常用的計算方法是荷載結構法和地層結構法［1-3］。暗挖區間二襯設計仍以荷載結構法為主，但計算模型中未考慮初支的影響，這使得計算結果偏于保守。本文針對沈陽地鐵一號線延伸線四號街站—張士站區間暗挖段隧道的襯砌，采用荷載結構法中的考慮初支的復合襯砌的方法進行計算，并與未考慮初支影響荷載結構法進行比較。

1 工程概況

暗挖區間段起于四號街站東端，沿開發大路向東前行，在流花湖街和開發大路交界的中西合資沈陽金鑫萊陽食品有限公司前，線路略向左偏，繼續沿開發大路至張士站。區間隧道為馬蹄形斷面，復合襯砌。線路呈“∨”坡，隧道結構底最大埋深19.328 m(覆土厚度12.878 m)，最小埋深10.368 m(覆土厚3.918 m)，平均埋深14.848 m(覆土厚度8.398 m)。暗挖主體結構頂板穿過的巖土層多為粉質黏土層、中粗砂層、礫砂層。暗挖主體結構底板穿過的巖土層多為中粗砂層、礫砂層、粉質黏土。暗挖主體結構邊墻多穿過粉質黏土層、中粗砂層、礫砂層、黏土層。暗挖標準斷面結構如圖1，初支選用C20早強噴射混凝土，二襯選用C30防水混凝土，初支和二襯厚度均為300 mm。主筋采用HRB 335級鋼筋。計算土層參數如下:覆土厚度12.878 m;覆土重度19.2 kN/m3;地下水位4 m;飽和重度20.06 kN/m3;側壓系數0.42;豎直地基反力系數30 MPa/m;水平地基反力系數28 MPa/m。

圖1 結構斷面示意(單位:mm)

2 未考慮初支影響荷載結構法計算結果

2.1 內力計算

計算采用有限元軟件MIDAS-GTS。隧道二襯用彈性梁單元模擬，地層對襯砌結構的抗力采用彈簧單元模擬，計算模型如圖2。按水土合算得區間隧道二襯內力，彎矩左右對稱，最大正彎矩出現在隧道頂部，為314 kN·m，最大負彎矩出現在左右兩側拱腳，為－386 kN·m;軸力左右對稱，最大軸力出現在仰拱，為2 610 kN，最小軸力出現在隧道頂部，為1 480 kN。對計算內力中的兩組數據做最不利分析，見表1。

圖2 計算模型示意

2.2 配筋計算

根據相關規范文獻［4-6］取荷載分項系數并驗算裂縫寬度，計算兩組最不利內力組合工況下配筋。

3 考慮初支影響荷載結構法計算結果

3.1 模型介紹

此計算模型采用有限元軟件MIDAS-GTS進行模擬計算，隧道結構計算采用直接剛度法進行結構計算，采用概率極限狀態設計法校核，并結合施工條件等因素，綜合分析確定。將區間隧道復合襯砌(二襯與初支)均用彈性梁單元模擬，同時參與模型計算。實際施工中初期支護與二次襯砌之間是采用微膨脹性水泥漿液填充，在計算模型則采用彈簧連接模擬二襯與初支二者之間的聯系。由于初期支護不防水，在模型中直接將水荷載加于二次襯砌上。地層對襯砌結構的抗力采用彈簧單元模擬［7］。

3.2 內力計算

計算采用有限元軟件MIDAS-GTS，按水土合算得區間隧道初支與二襯內力，可以看出彎矩左右對稱，最大正彎矩出現在隧道頂部，為311 kN·m，最大負彎矩出現在左右兩側拱腳，為－336 kN·m;軸力左右對稱，最大軸力出現在仰拱，為1 850 kN，最小軸力出現在隧道頂部，為1580 kN。

3.3 配筋計算

根據相關規范［4-6］取荷載分項系數并驗算裂縫寬度，計算兩組最不利內力組合工況下配筋。

4 計算結果對比分析

4.1 內力比較

考慮到區間隧道在一般埋深下主要是彎矩問題，也就是影響設計配筋的主要是彎矩，所以主要對彎矩進行比較。內力比較見表1。

表1 二襯截面內力比較

比較兩種方法計算后的彎矩和軸力，由于荷載對稱，其彎矩是針對中心軸對稱的，最大正彎矩在頂部，最大負彎矩在左右兩側拱腳處。由表1可知，未考慮初支影響荷載結構法和考慮初支影響荷載結構法計算的內力結果存在一定程度的差異，前者在內力上比后者大15%左右，這是由于計算模型的原因，前者計算偏于保守，后者更接近于實際情況，能得到較為理想的計算結果，應該優先選擇此計算模型。

4.2 配筋比較

對兩種方法計算內力后的配筋結果進行比較見表2(這里的配筋比較只是指主筋，不包括構造筋)。

表2 二襯截面內力比較

從表2可看出:考慮初支影響荷載結構法的配筋明顯要比未考慮初支影響荷載結構法的配筋少，每延米區間隧道二襯鋼筋減少量為292.6 kg，此計算模型更經濟。

5 結論

1)沈陽地鐵區間隧道采用未考慮初支影響荷載結構法進行二襯設計是可用的，但計算結果偏于安全。

2)考慮初支影響荷載結構法模型更適合沈陽地鐵暗挖區間隧道二襯設計，用其計算可得到更為理想的結果。

3)目前沈陽地鐵暗挖區間隧道二襯設計偏于保守，在合理選擇二襯厚度的條件下，對減少每延米的配筋量進行設計優化，能降低工程造價。

［1］ 王夢恕．地下工程淺埋暗挖技術通論［M］．合肥:安微教育出版社，2004．

［2］ 劉釗，余才高，周振強．地下工程設計與施工［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］ 施仲衡．淺埋暗挖法設計理論論述［J］．現代隧道技術，2005(2):37-39．

［4］ 中華人民共和國建設部．GB 50010—2002 混凝土結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2002．

［5］ 中華人民共和國建設部．GB 50157—2003 地鐵設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2003．

［6］ 中華人民共和國建設部．GB 50009—2001 建筑結構荷載規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2001．

［7］ 李東勇，徐禎祥，王琳靜．地鐵暗挖隧道初期支護聯合系統數值模擬分析［J］．鐵道建筑，2007(5):34-37．