暗挖隧道開挖斷面形狀優化

□文/楊 雪

隧道開挖常采用的施工方法有明挖法、盾構法、暗挖法等[1]。明挖法施工期間需要占用大量的場地，帶來大量建構筑物拆遷、市政管線遷改、交通導行等問題[2]。在建筑物密集的繁華市區和復雜地質隧道施工中，暗挖法、盾構法不易受地面建構筑物影響，施工期間對地面擾動小，不影響人民正常生活[3]，是比較常用的隧道施工方法。在特殊地段、盾構法不適用的地段，暗挖法則是必然的選擇；特別適合我國北方地下水較少、水位較低條件下的隧道施工，為不適合盾構機掘進施工的隧道提供了一種可行的方法[4]。

1 常用暗挖隧道開挖斷面

常用的暗挖隧道開挖大斷面主要有圓形和馬蹄形。見圖1和圖2。

本文主要針對這兩種斷面形式，以實際工程為例進行受力分析，指出各斷面在正常使用狀態下受力狀態并比較其優劣。

2 有限元建模

2.1 模型的建立

為保證本文的實際可用性，以北京某地鐵線相同區間直線段兩種斷面分別需滿足的限界圖為限制條件定義隧道斷面尺寸。見圖3和圖4。

圖4 區間直線段單線單洞馬蹄形隧道

根據圖3 和圖4 分別定義：圓形斷面為內徑D=5.39 m，厚度0.35 m；馬蹄形斷面采用限界給出內邊尺寸，厚度0.35 m。

2.2 計算參數的選取

模型計算按照平面應變假設[5]，采用結構-荷載模式，根據地下結構的埋深以及穿越土層的地質特點，將結構覆土換算成上覆土壓力和側土壓力[6]施加在結構上，由二襯結構承受全部荷載，計算結構受力和變形。見圖5。

圖5 隧道計算

隧道結構統一按10 m 埋深考慮＜2D=2×5.39=10.78（m）。根據地勘資料，節點彈簧剛度取平均值37 MPa（僅受壓）。

區間受荷載包括水土壓力及地面超載，加載時考慮曲面角度。

3 計算結果

以地鐵設計中常見的控制組合——準永久組合（1.0恒荷載+0.8活荷載）為對比荷載組合，采用以上計算模型及參數后，圓形斷面與馬蹄形斷面計算彎矩見圖6和圖7。

圖6 圓形斷面彎矩

圖7 馬蹄形斷面彎矩

由圖6 和圖7 可以看出：圓形斷面內力較大位置主要集中在圓形肩部，底部受力相對較小；而馬蹄形斷面內力較大位置主要集中在軌頂標高斷面和拱底，拱頂、拱肩受力較為均勻。

對應此種現象，設計中常使用的方式主要有兩種：一是加大軌頂標高斷面以及拱底的配筋；二是增加軌頂標高斷面處截面厚度，見圖8。

圖8 增加截面厚度的斷面

4 斷面優化

馬蹄形斷面減小了斷面軌頂標高斷面部位的曲線半徑，相比于圓形斷面彎矩集中于拱肩處，馬蹄形斷面的彎矩有效地向軌頂標高斷面處轉移，軌頂標高斷面和拱底彎矩出現較大應力集中，主要是由于馬蹄形斷面拱底曲線半徑過大接近直線，而軌頂標高斷面曲線半徑過小，兩段曲線過渡過于突兀導致的。由此可以想到，在滿足限界條件小又盡量減少開挖斷面積的要求下，適當縮小軌頂標高斷面和拱底的曲線半徑差，即可達到內力重分布的效果。見圖9。

圖9 調整后馬蹄形斷面的彎矩

對比圖7 和圖9 可以看出，通過適度調整斷面的曲率確實可以到達應力重分布的目的。

5 結語

相比于增大結構配筋和增加截面尺寸，根據內力分布調整斷面是更為經濟合理的一種設計方法，可作為今后隧道斷面設計的一個優化思路。□■