大斷面矩形盾構法隧道的受力分析與工程應用

孫 巍，官林星，溫竹茵

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引言

隨著城市建設的發展，在地下管線密布的復雜區域進行地下空間工程施工的案例會越來越多，管線的搬遷費用在整個工程建設費用中將占有一定的比例。互通地下空間設計理念的提出，也催生了大量地下連接通道工程的建設。如市政道路兩邊地塊的地下車庫需要聯通時，就需要建設斷面約為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行暗挖施工時，所能采用的施工方法非常有限，而大斷面矩形盾構法隧道可以很好地滿足這種建設需求。

矩形盾構法隧道屬于異形斷面隧道，為了改善襯砌的受力，通常在襯砌的轉角、拱頂、拱腰、拱底部位都引入圓弧線。相比傳統圓形斷面盾構隧道，矩形盾構法隧道具有顯著的優勢。首先，具有空間利用的優勢，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約了20%以上，甚至可以達到45%［1］;由于隧道截面的減小，在滿足抗浮的條件下，可實現淺覆土施工。其次，與矩形頂管法隧道相比，盾構法隧道的管節在完成拼裝后基本保持靜止，對周圍環境影響小，同時，可實現長距離、曲線掘進。類矩形盾構法隧道作為一種新的施工方法，以其淺覆土、節省地下空間、可長距離曲線掘進的特點，填補了國內地下空間建設方法的空白，在跨越路口、地下管線搬遷等特殊節點處理方面，有著廣闊的應用前景。

矩形盾構法隧道施工案例主要集中在日本，在其他國家則鮮有耳聞。日本在理論與實驗方面持續對矩形盾構法隧道展開研究［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機完成了京都地鐵東西線一段區間隧道的施工，隧道內凈空尺寸為 8.9 m(寬)×5.5 m(高)［3］;2012 年，日本大林組在東京都3環線道路相?？v貫川尻隧道工程中，施工完成了內凈空尺寸為11.0 m(寬)×7.08 m(高)的矩形盾構法隧道［4］，將矩形盾構法隧道技術水平提升到一個新的高度。

隨著中國經濟的增長與施工技術的提高，有關大斷面矩形盾構法隧道的研究得到了越來越多的關注。如，賈連輝［5］對超大斷面矩形盾構頂管設計關鍵技術展開了研究;羅鑫［6］對不同矩形盾構隧道管片的拼裝方法進行了對比分析。本文以虹橋臨空地區的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法隧道施工技術的應用，并探討了矩形盾構隧道設計中的關鍵點。

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虹橋地區，為下穿福泉北路的地下通道，連接福泉北路西側10－3地塊與東側11－3地塊地下車庫(地下2層)，通道全長約52 m。地下通道由盾構始發井、盾構接收井及矩形盾構段組成，盾構的推進方向由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、燃氣、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造物。在考慮到現有施工經驗的基礎上，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，這給管片的設計與拼裝帶來了挑戰。襯砌斷面形狀如圖3所示，在拱頂的起拱量約為150 mm，拱腰起拱量約為100 mm。襯砌環由6塊復合管片拼裝而成，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)。在管片的縱向與環向都采用直螺栓的連接形式，通縫拼裝。

矩形盾構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灰色淤泥質黏土。隧道主要穿越③2層灰色砂質粉土與④層灰色淤泥質黏土。各土層的力學參數如表1所示。

2 管片結構與計算分析

2.1 荷載

根據隧道所處不同階段按照不同計算模型進行計算。在盾構隧道使用階段，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、管片拼裝機的操作荷載等，本文主要對注漿荷載的計算展開討論。

圖2 隧道地質縱剖面Fig.2 Longitudinal profile of tunnel

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

表1 土層物理力學參數表Table 1 Physical and mechanical parameters of different soil strata

圖4 矩形盾構隧道梁－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。在盾構推進過程中，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造及布置有關。目前，針對注漿壓力的研究有很多，但相關的設計規范并沒有對其進行具體的規定。日本盾構隧道設計規范中，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］在對盾構隧道施工力學性態進行模擬中，取注漿壓力為0.2～0.4 MPa。在上海長江隧道工程設計中，采用的荷載分布模式為三角形分布［9］，國際隧道協會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注漿設備能力的基礎上，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。根據矩形盾構的盾尾構造，同步注漿壓力如圖5所示。在每個襯砌環上布置16個注漿孔，采用一備一用的方式，即在襯砌環上最多有8個注漿孔同時注漿。襯砌環注漿孔的布置及單孔的注漿壓力如圖6所示。在分析計算中應考慮注漿壓力分布的不均勻性，每個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力包絡圖。

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

2.2 結構計算模型

根據地下結構設計的特點，盾構隧道的設計模型可分為:1)經驗類比模型;2)荷載結構模型;3)地層結構模型;4)收斂約束模型［7－8］。在本次設計中采用了規范中常用的荷載結構模型，即梁－彈簧模型。管片被離散為梁單元，環向接頭被模擬為轉動彈簧kθ、軸向彈簧kn與剪切彈簧ks，如圖4所示。

2.3 管片內力

在矩形盾構隧道受力分析中，為了得到隧道所受內力的最不利荷載工況，應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上。采用大型有限元分析軟件ANSYS進行內力分析，通過命令流編制程序進行注漿荷載的組合。圖7和圖8為注漿荷載作用時的內力(彎矩與剪力)包絡圖，圖9和圖10為使用階段的內力(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到水土荷載引起彎矩的28%，充分說明注漿荷載是矩形盾構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。對于大斷面矩形盾構法隧道，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圖(標準值，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圖(標準值，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(標準值，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(標準值，單位:kN)Fig.10 Distribution of shear in operation stage(standard value，kN)

2.4 隧道管片結構

經過多方案比選(如表2所示)，采用壁厚為550 mm，寬度為1 000 mm的復合管片(管片主斷面如圖11所示)，采用Q345鋼材，頂部、底部、兩側鋼板厚度分別為8、12、22 mm。為了加強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，然后向箱體內注入混凝土，復合管片鋼箱體如圖12所示。由于復合管片腔體中的混凝土與外圍鋼板之間的相互作用機制不明確，本次計算中采用了保守的計算方法，即鋼結構作為主要的承力構件承擔全部的荷載，內部的充填混凝土解決鋼板的局部屈曲問題，相關的構造設計主要通過試驗進行論證。

3 結構試驗

在完成結構設計后，對單體管片進行抗彎試驗，以測定單體管片的承載力，確認鋼板與混凝土的共同作用。

表2 管片性能對比表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 復合管片鋼箱體Fig.12 Photo of steel-box of composite segment

3.1 試驗設計

試驗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400 mm處。主要測量項目為管片的撓度變形、管片中間斷面的受拉與受壓應變。單體管片加載及應變片布置如圖13所示，試驗現場如圖14所示。試驗采用分級加載法:先分級施加豎向荷載P至設計值610 kN，然后再將軸向力N加載到設計值300 kN，再分級將豎向力P加載至終值1 220 kN(2倍設計荷載)。分級加載時每級加載50 kN，每級加載的穩定時間為2 min。

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

3.2 試驗結果

圖15 為管片的荷載位移變化圖。當荷載P逐級施加到1 220 kN時，構件基本處于線彈性階段，跨中位移增加平穩;當P=610 kN達到設計荷載時，跨中平均位移為8.8 mm，為l0/613(l0為計算寬度，5 400 mm)，滿足管片的使用要求。

圖14 管片抗彎試驗現場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變曲線。當荷載P逐級施加到1 220 kN時，構件處于線彈性階段，構件的頂部鋼板處于受壓狀態，測試得到的最大應變為S2，應變量為1 425με，應力為294 MPa，達到設計強度的95%。

圖17為管片底部鋼板的荷載應變曲線。當荷載P逐級施加到1 220 kN時，構件處于線彈性階段，構件的底部鋼板處于受拉狀態，測試得到的最大應變為S5，應變量為1 804με，應力為371 MPa，為屈服荷載的1.07倍，鋼板在局部區域開始出現屈服。

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

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

從以上的分析可以看出，本設計方案可以滿足管片的設計使用要求。在整個試驗過程中，鋼板沒有發生局部屈曲，證明了栓釘連接的有效性，以及鋼板與混凝土的共同作用。該通道的設計使用年限為50 a，鋼箱體作為結構的受力構件，由于在實驗室無法模擬鋼結構的腐蝕，要讓結構具備一定的強度儲備。

4 結論與建議

通過對矩形盾構法隧道進行詳細地受力分析，并應用于上海虹橋臨空11－3地塊地下連接通道中，探討了矩形盾構法隧道的設計難點，為類似工程的設計提供了參考案例。所采用的復合管片承載力高，為大跨度地下空間的開發提供了一種新的結構形式。主要研究內容與結論如下:

1)矩形盾構法隧道由于形狀的關系，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;但從其可以進行淺覆土施工、可節省地下空間資源的角度出發，在一些特殊工程節點處理上有著廣泛的應用前景。

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

3)通過結構性能試驗，采用復合管片的結構形式可以滿足隧道的受力要求。

本工程為國內首個矩形盾構法隧道工程，即將開工建設，并開展相關的現場測試工作。建議在下一步的研究中，開展理論計算、室內試驗、現場測試等數據的對比分析，總結矩形盾構法隧道的受力特點，為矩形盾構法隧道的設計提供指導。

［1］ 白云，丁志誠.隧道掘進機施工技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，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］.木學會第48回年次學術講演會，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· 地上到達シールドの施工［J］.基礎工，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.超大斷面矩形盾構頂管設計關鍵技術［J］.隧道建設，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］ 土木學會.隧道標準規范:盾構篇及解說［M］.北京:中國建筑工業出版社，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.盾構隧道施工力學性態模擬及工程應用［J］.土木工程學報，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.超大特長盾構法:隧道工程設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，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.