預(yù)埋滑槽技術(shù)在下穿機(jī)場(chǎng)防吹坪磁浮交通盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用

鄧娟紅 戴 旺 歐陽(yáng)偉強(qiáng) 劉揚(yáng)良 戴精靈

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 410008， 長(zhǎng)沙∥第一作者， 高級(jí)工程師)

傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道內(nèi)安裝管線及固定設(shè)備一般采用打孔、化學(xué)錨栓與金屬支架配合的方式，存在安裝效率低、施工環(huán)境差、對(duì)管片損傷大、保養(yǎng)維修困難等問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多城市軌道交通盾構(gòu)隧道均采用預(yù)埋滑槽技術(shù)作為解決方案。但該技術(shù)目前在磁浮盾構(gòu)隧道中尚無(wú)相關(guān)應(yīng)用。

目前，磁浮交通盾構(gòu)隧道工程設(shè)計(jì)可參考CJJ/T 262—2017《中低速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]及DBJ 43/T 007—2017《湖南省中低速磁浮交通設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]，但規(guī)范中尚缺乏盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽的相關(guān)內(nèi)容。因此，有必要研究預(yù)埋滑槽技術(shù)在磁浮交通盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用，為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

長(zhǎng)沙磁浮快線東延線(以下簡(jiǎn)為“東延線”)接入T3航站樓。其中，東延線下穿機(jī)場(chǎng)防吹坪區(qū)段(以下簡(jiǎn)為“下穿段”)總長(zhǎng)5 698 m，采用盾構(gòu)法施工，建成后將成為世界上最長(zhǎng)的中低速磁浮隧道。下穿段盾構(gòu)管片采用厚350 mm的預(yù)制管片拼裝而成，管片內(nèi)徑為6 200 mm、外徑為6 900 mm，每環(huán)管片寬1.5 m。

盾構(gòu)管片預(yù)埋滑槽采用全環(huán)預(yù)埋的方式，在鋼模上開(kāi)螺栓定位孔，將槽道固定在鋼模上來(lái)保證槽道的準(zhǔn)確定位。預(yù)埋滑槽采用CBY38/23-Z1型號(hào)。滑槽槽道截面的名義尺寸為：寬37.5～39.0 mm，高22.5～24.0 mm。錨桿外徑為10 mm，錨固長(zhǎng)度為73 mm。

2 預(yù)埋滑槽盾構(gòu)管片計(jì)算模型的建立

2.1 計(jì)算參數(shù)

對(duì)下穿段盾構(gòu)隧道進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算分析。盾構(gòu)管片及地層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)管片及地層的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 盾構(gòu)管片荷載的施加

強(qiáng)、弱電電纜自重荷載為1.51 kN/m，疏散平臺(tái)自重荷載為2.0 kN/m，疏散平臺(tái)活荷載為6.8 kN/m(包含人員滿載荷載3.3 kN/m，以及活塞風(fēng)引起的往復(fù)荷載3.5 kN/m)。疏散平臺(tái)荷載是盾構(gòu)管片的控制性荷載，因此，盾構(gòu)管片所受最大附加荷載p0為：

p0=(p1+p2)β

(1)

式中：

p1——疏散平臺(tái)自重；

p2——疏散平臺(tái)活載；

β——緊急疏散時(shí)的荷載系數(shù)，取1.4。

將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得到沿盾構(gòu)管片切向的最大荷載為18.48 kN。每個(gè)疏散平臺(tái)[3](寬約0.95 m，每1.5 m設(shè)置1道)支點(diǎn)是由兩個(gè)T形螺栓承載的，則疏散平臺(tái)在列車正常運(yùn)行時(shí)對(duì)固定其的槽道產(chǎn)生的疲勞工作荷載的最大值為9.24 kN，此疲勞工作荷載滿足GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求。

計(jì)算斷面處隧道拱頂埋深為24 m。根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的相關(guān)規(guī)定，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，通過(guò)計(jì)算得到圍巖高度ha為8.424 m。隧道結(jié)構(gòu)埋深h>21.06 m，故按深埋公式進(jìn)行計(jì)算。隧道結(jié)構(gòu)施加的荷載如下：

1)自重：盾構(gòu)管片為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，重度取25 kN/m3。

2)土壓力：拱頂覆土壓力為117.94 kN/m，側(cè)向水平土壓力為47.17 kN/m。

3)拱頂處豎向水壓力為220 kN/m2，拱底處水壓力為289 kN/m2。

4)地面超載豎向壓力q0為20 kPa，超載側(cè)壓力e0為8 kPa。

5)疏散平臺(tái)活荷載按最大荷載進(jìn)行施加。人員荷載按成年人(體重為70 kg/人)考慮，因此每個(gè)疏散平臺(tái)(寬1.5 m)承受的活載取3.3 kN/m；活塞風(fēng)為3.5 kN/m。因此，疏散平臺(tái)所承受的活荷載為10.2 kN。

6)飛機(jī)荷載。本工程盾構(gòu)隧道南側(cè)繞避跑道，下穿防吹坪。以最不利工況考慮，在模型中對(duì)管片結(jié)構(gòu)施加飛機(jī)荷載(見(jiàn)圖1)。

單位：m圖1 A380-800型飛機(jī)荷載平面布置Fig.1 Aircraft load planar layout (A380-800 model)

以機(jī)場(chǎng)上運(yùn)行次數(shù)最多和主輪軸荷載較大的飛機(jī)作為設(shè)計(jì)飛機(jī)，以其主輪設(shè)計(jì)荷載作為設(shè)計(jì)荷載。本次計(jì)算按最不利機(jī)型A380-800(控制參數(shù)見(jiàn)表2)考慮，該飛機(jī)機(jī)輪著地區(qū)域?qū)?.38 m、長(zhǎng)0.64 m。

表2 飛機(jī)各控制機(jī)型參數(shù)表

飛機(jī)主起落架上的輪載設(shè)計(jì)值Ps計(jì)算為：

Ps=Gp/(ncnw)

(2)

G取5 620 kN，p取0.57，nc取2，nw取6，通過(guò)計(jì)算得到Ps為267 kN。單個(gè)輪子傳遞的豎向壓力為：

Pc,z=μDPc/[(a+2ztanθ)(b+2ztanθ)]

(3)

式中：

Pc,z——地面飛機(jī)荷載傳遞到計(jì)算深度z處的豎向壓力，kPa；

μD——飛機(jī)荷載動(dòng)力系數(shù)，根據(jù)表3取值；

Pc——飛機(jī)單個(gè)輪子的壓力，kN；

a——飛機(jī)單個(gè)輪子的輪印長(zhǎng)度，m；

b——飛機(jī)單個(gè)輪子的輪印寬度，m；

θ——荷載擴(kuò)散角，(°)；

z——覆蓋層深度，m。

μD取1，Pc取267 kN，a取0.64 m，b取0.38 m，z取24 m，θ取30°，計(jì)算得到Pc,z為0.343 kPa。

表3 C類及以上(含C類)飛機(jī)荷載的動(dòng)力系數(shù)表

基于多輪作用，并偏于安全考慮，本次計(jì)算中飛機(jī)尾部輪載傳遞到管片頂部的壓力為6.86 kPa，側(cè)向壓力為2.74 kPa。

2.3 計(jì)算模型的建立

基于荷載結(jié)構(gòu)法，利用有限元分析軟件Midas建立單環(huán)管片三維模型。管片與土體之間采用曲面彈簧來(lái)模擬，該曲面彈簧僅承受壓力；本隧道所穿越圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，Ⅴ級(jí)圍巖彈性反力系數(shù)K為150 MPa/m；盾構(gòu)管片及疏散平臺(tái)采用實(shí)體單元，槽道采用板單元，錨桿與螺栓采用植入式梁?jiǎn)卧徊捎脛偠日蹨p系數(shù)來(lái)考慮管片環(huán)向接頭的影響，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，剛度折減系數(shù)取0.8，即盾構(gòu)管片的彈性模量為28.4 GPa。

3 盾構(gòu)隧道數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 盾構(gòu)管片位移分析

通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到盾構(gòu)管片水平、豎向的位移云圖(見(jiàn)圖2)，以及疏散平臺(tái)的位移云圖(見(jiàn)圖3)。

a) 水平位移

b) 豎向位移圖2 盾構(gòu)管片的位移云圖Fig.2 Displacement nephogram of shield segment

a) 水平位移

b) 豎向位移圖3 疏散平臺(tái)的位移云圖Fig.3 Displacement nephogram of evacuation platform

由圖3可知，在荷載作用下，盾構(gòu)管片最大水平變形發(fā)生在拱腰處，約1 mm；盾構(gòu)管片凈空收斂變形約2 mm；盾構(gòu)管片最大豎向變形發(fā)生在拱頂處，約4.2 mm。上述變形量均滿足GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[5]中的變形控制要求：管片凈空收斂位移累計(jì)值限值為12 mm，管片結(jié)構(gòu)拱頂沉降累計(jì)值限值為20 mm。

由圖3可知，疏散平臺(tái)最大水平位移和最大豎向位移分別為0.80 mm和0.43 mm，均未超出控制標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明疏散平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.2 盾構(gòu)管片應(yīng)力分析

經(jīng)數(shù)值計(jì)算，得到盾構(gòu)管片的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖4)、疏散平臺(tái)的最大剪應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖5)及滑槽槽道的最大剪應(yīng)力(見(jiàn)圖6)、錨桿和螺栓軸力云圖(見(jiàn)圖7)。

a) 最大主應(yīng)力

b) 最小主應(yīng)力圖4 盾構(gòu)管片的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of shield segment

由圖4～7可知：

圖5 疏散平臺(tái)最大剪應(yīng)力云圖Fig.5 Maximum shear stress nephogram of evacuation platform

圖6 滑槽槽道的最大剪應(yīng)力云圖Fig.6 Maximum shear stress nephogram of chute channel

圖7 錨桿和螺栓軸力云圖Fig.7 Axial force nephogram of bolts

1)開(kāi)槽的盾構(gòu)管片在荷載組合作用下，混凝土的最大拉應(yīng)力為8.34 MPa，大于TB 10003—2016規(guī)定的C50混凝土的抗拉極限強(qiáng)度3.1 MPa。而除此之外的盾構(gòu)管片的混凝土拉應(yīng)力均小于TB10003—2016的限值，說(shuō)明當(dāng)疏散平臺(tái)承受最大活荷載時(shí)，可能會(huì)引起疏散平臺(tái)周圍部分管片結(jié)構(gòu)的破壞。

2)由圖5～6可知，疏散平臺(tái)和滑槽槽道最大剪應(yīng)力的最大值分別為33.5 MPa和33.0 MPa，均小于鋼材的容許剪應(yīng)力。由此可見(jiàn)，疏散平臺(tái)和滑槽槽道不會(huì)發(fā)生破壞，即盾構(gòu)管片能承受疏散平臺(tái)上的最大活荷載。

3)由圖7可知，螺栓的最大軸力為4.1 kN，發(fā)生在固定疏散平臺(tái)的下部螺栓處；而錨桿的軸力較螺栓小，且均小于其設(shè)計(jì)軸力。

4 結(jié)論

1)長(zhǎng)沙磁浮快線東延線下穿機(jī)場(chǎng)防吹坪區(qū)段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用的預(yù)埋滑槽技術(shù)，可提高盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)的整體安全，避免了施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成損傷，延長(zhǎng)了磁浮隧道的使用壽命。

2)在下穿段開(kāi)槽盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)承受疏散平臺(tái)最大活荷載時(shí)，僅在疏散平臺(tái)的槽道區(qū)域發(fā)生極小破壞。當(dāng)在緊急疏散工況下，列車停運(yùn)時(shí)，隧道內(nèi)并無(wú)列車運(yùn)行活塞風(fēng)，即在不利工況下隧道結(jié)構(gòu)依舊安全。由此可見(jiàn)，緊急疏散平臺(tái)在人員滿載時(shí)隧道整體結(jié)構(gòu)依舊安全。

3)在典型工況下對(duì)下穿段的預(yù)埋滑槽及盾構(gòu)管片進(jìn)行受力分析，論證了磁浮盾構(gòu)隧道內(nèi)預(yù)埋滑槽方案的安全可靠。

4)預(yù)埋滑槽設(shè)計(jì)主要在于其承載力與耐久性。承載力可通過(guò)受力分析及改善構(gòu)造措施予以解決，耐久性往往成為槽道質(zhì)量的控制因素。因此，在滑槽生產(chǎn)制作過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)耐久性質(zhì)量控制，同時(shí)亦應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。