市域高速鐵路頂管聯絡通道鋼管節受力性能研究

方 濤

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092］

0 引 言

目前國內聯絡通道普遍采用凍結法預先對開挖土體及周邊區域進行加固，然后采用礦山法開挖。國內針對凍結法開挖聯絡通道已有深入研究，且形成了一套完備的施工流程[1]。在地質條件允許的情況下，國內工程界也采用其他預支護方法，例如注漿[2-4]、豎井[5]、管棚導管[6]、深層攪拌加固[7]等。但是，礦山法存在工期長、施工環境惡劣、質量隱患等問題。

為了提高聯絡通道施工安全性，國內外相繼進行了聯絡通道機械掘進的研究。2000 年左右，上海和南京地鐵在地質條件較好的區間嘗試采用矩形頂管法來修建聯絡通道[8-13]；廣州采用組合式盾構施工地鐵某車站聯絡通道[14]。近年來，無錫和寧波地鐵相繼嘗試掘進機施工聯絡通道[15-16]；香港屯門至赤鱲角連接線工程實現了復雜地層條件下的頂管法施工聯絡通道[17]。

現有的機械法聯絡通道多采用混凝土襯砌或鋼混復合襯砌。襯砌厚度影響主線隧道開口率，開口率過大不利于隧道的整體受力性能。

市域鐵路工程盾構段埋深較大，部分聯絡通道位于承壓水層中。為保障施工安全，應采用機械式頂管法修建聯絡通道。聯絡通道擬采用無加勁肋鋼管節，既滿足逃生需求，又控制主線隧道開口率。本文采用數值分析方法，確定管節厚度，并利用現行國家給排水工程規范來驗證管節穩定性。

1 背景簡介

市域鐵路功能介于國鐵與地鐵之間，是地鐵與國鐵銜接的紐帶。機場聯絡線是上海城市總體規劃確定的市域鐵路的重要組成部分。上海市擬建的市域鐵路機場聯絡線工程盾構段采用外徑9 m、厚度0.45 m 混凝土管片襯砌，如圖1 所示。

圖1 主線盾構隧道示意圖（單位：mm）

我國現行《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）規定，2 條單線區間隧道之間長度達到一定時，需要設置聯絡通道，用于消防疏散。相比較于地鐵，市域鐵路的載客量更大，運行速度更快，對疏散要求更高。針對自身特點，設計單位制定滿足消防需求的消防通道截面尺寸，如圖2 所示。為了滿足雙向逃生門的布置需求，聯絡通道內徑不能小于3.9 m。

圖2 聯絡通道通道建筑限界（單位：mm）

2 模型建立

2.1 模型簡化

在一般頂管計算中，忽略縱向受力和變形，采用二維平面應變分析。本文采用水土分算形式的梁-彈簧計算模型研究聯絡通道受力特性，如圖3 所示。圖中：H 為聯絡通道埋深；H0為地下水位埋深；H1為頂部水頭高度；q1為垂直土壓力；q2為拱背土壓力；e1' 為隧道頂部土側壓力；e2' 為隧道底部土側壓力；g為隧道自重；kn為單位面積內等效地基土彈簧系數；pw為外部水壓力；R 為聯絡通道半徑。考慮到聯絡通道最不利的埋置深度，聯絡通道計算埋深H=55 m。

圖3 聯絡通道計算模型

2.2 水文地質條件

根據地質調查報告，計算聯絡通道處的土層分布如圖4 所示。其中⑦2層灰黃～灰色粉砂層天然含水量22.9%，天然孔隙比ε=0.646，滲透系數4.86 m/d，側壓力系數K0=0.3，地層抗力系數為59 400 kN/m3。根據承壓水長期觀測結果，該層水頭埋深6 m 左右，相應標高為-1 m，即H0=1 m。

2.3 模型參數

圖4 地質條件（左側數字為地層相對標高，右側數字為地層絕對標高；單位：m）

由前述，統一假定隧道頂部上覆土厚度55 m，地下水水位位于地表下1 m，地表超載20 kPa。不考慮土層起拱效應，地層的側壓力系數為0.3，地層抗力系數為59 400 kN/m3。根據設計經驗，選用鋼管節厚度50 mm、55 mm、60 mm、65 mm、70 mm 共5 組鋼管節，模型編號為No.1～No.5。計算采用單位管節環寬（1 m）。

忽略管節厚度引起的襯砌軸線變化，則5 組計算模型的通用參數如下：垂直土壓力q1=504 kPa；拱背最大土壓力q2max=19.4 kPa；拱頂水壓力qwot=540 kPa；拱底水壓力qwob=580kPa；拱頂側向土壓力e1=151.2 kPa；拱底側向土壓力 e2=162.8 kPa。鋼材統一選用Q345號鋼，考 慮材料的抗壓強度設計值為280 MPa，彈性模量206 000 MPa。

2.4 計算模型建立

根據模型簡化，鋼管節采用梁單元簡化，為了方便施加外荷載和地基彈簧，將管節等圓心角剖分為360 個單元。Ansys 計算模型如圖5 所示。

對于梁單元，外部土壓力荷載需分配到單元節點上，在施加前計算合力并分解到x、y 方向。水壓力的施加采用面荷載的方式。其外部荷載如圖6 所示。為了盡量反映隧道的收斂變形情況，只在隧道拱頂和拱底處施加x 方向約束。

鋼材近似理想彈塑性材料，鋼管節計算截面為矩形，且截面高度較小。本次計算中采用彈性模型模擬鋼材，將塑性發展作為安全儲備。

圖5 Ans ys 計算模型

圖6 外荷載示意圖

3 結果分析

鋼管設計過程中，根據兩方面判別設計厚度的合理性：一方面是材料的受力性能，另一方面是管節整體收斂變形。依據計算結果，5 種模型的受力和變形的規律基本一致。圖7 所示為No. 1 模型鋼頂管的y 向變形、軸力、彎矩圖。

由圖7 可知：由于采用水土分算模型，考慮承壓水影響，管節彎矩偏小，在拱頂和拱底處呈現內側受拉，在拱腰處呈現外側受拉。管節的軸向力較大，且全周都處于受壓狀態。管節整體下沉，拱頂位移大于拱底位移，收斂變形呈現“橫鴨蛋”型。

表1 給出了5 種厚度鋼管節的計算結果。由表1 可知，鋼管在外荷載作用條件下，主要承受軸壓力。5 組模型中鋼管節都處于小偏心受壓狀態。利用壓彎構件計算方法，不考慮塑性發展變形，則5 組模型鋼頂管截面正應力最大值如表2 所示。由表2 可知，5 組模型正截面應力遠遠沒有達到材料強度，計算情況均滿足條件。需要考察隧道收斂變形和局部屈曲情況。

圖7 工況No.1 計算結果

表1 5 種工況計算結果

相對于混凝土圓頂管0.3%D（D 為混凝土圓頂管直徑）的變形要求，在現行規范層面，尚未有對圓形鋼頂管收斂變形的明確要求。根據上海市工程建設規范《盾構法隧道結構服役性能鑒定規范》（DG/T J08-212—2013）附錄H 中規定，盾構段及連接通道橫斷面的相對變形允許值，取值范圍為0.3%～0.5%。本次計算中選取0.5%作為收斂變形限值。

表1 還統計了5 種厚度鋼管節的收斂變形情況。由表1 可知，隨著管節厚度增加，管節剛度增大，收斂變形減小。當厚度為60 mm 時，鋼管收斂變形已經小于0.5%限值。

表2 5 種工況截面最大正應力

在鋼結構設計中，還需要考慮局部屈曲導致的鋼管節承載能力下降情況。根據中國工程建設協會標準《給水排水工程工程頂管技術規程》（CECS 246：2008）8.3 節對管節臨界壓力的驗算，計算結果顯示60 mm 的管節厚度，在考慮腐蝕條件下，仍然能夠滿足管壁穩定性的要求。

根據上述分析，鋼頂管厚度選取60 mm。相比于厚400 mm 的混凝土管節和鋼混復合結構管節，采用鋼管節能夠有效降低主線盾構隧道的開口率。

4 結 論

（1）考慮水土分算計算模型，在承壓水影響下，管節彎矩偏小，軸壓力較大，管節截面處于小偏心狀態。5 組模型的截面強度計算均能夠滿足設計要求。

（2）5 組模型的隧道變形均呈現“橫鴨蛋”型。在現行規范中，暫無對鋼頂管收斂變形限值規定。本文根據工程經驗和其他相關規定，選取0.5%D 作為限值。

（3）為了滿足0.5%D 限值的收斂變形，管節的厚度需要60 mm。

（4）利用給排水相關規范驗算鋼管屈曲變形性能。計算結果表明，在考慮腐蝕條件下，60 mm 能夠滿足管節穩定性要求。

（5）根據設計經驗，在本文相同設計條件下，混凝土管節和鋼混復合結構管節的厚度一般為300～400 mm。采用鋼管節能夠有效降低主線盾構隧道的開口率。