偶然荷載作用下單洞雙線隧道響應分析

摘 要：為研究在偶然荷載作用下單洞雙線盾構隧道整體力學性能，基于上海市機場聯絡線，選取了包括運營工況、頂部超載分別為90、180、360 kPa等4種工況下整體的力學性能，對各工況中偶然荷載作用下結構整體響應及設計計算進行了分析，并與基本荷載組合、標準荷載組合進行了對比。結果表明：偶然荷載對管片內力及配筋影響較小，對中隔墻內力及配筋有所影響，對弧形件頂部截面內力及配筋影響最大，需重點關注該構件。偶然荷載作用下結構整體內力與配筋均明顯高于基本荷載組合，但按照基本荷載組合配筋結構最大裂縫寬度均能滿足要求。因此在結構設計中，要將偶然荷載組合作為結構整體受力的不利工況，并進行重點計算。

關鍵詞：單洞雙線盾構隧道；預制內部結構；偶然荷載；爆炸荷載；力學性能

中圖分類號：TU921 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0001-04

收稿日期：2024-03-11

▲基金項目：中鐵十四局集團有限公司科研課題（202214jtky0069）

作者簡介：杜亞南（1991—），男，山東濟寧人，碩士研究生，工程師，研究方向：大盾構隧道施工與管理。

0 引言

隨著大直徑盾構隧道施工技術的日益成熟[1]，大直徑盾構隧道已成為當前城市軌道建設的首選施工方式。大直徑盾構隧道的修建越來越多地采用單洞雙線布置，并在內部采用預制結構[2]。然而采用內部預制結構的大直徑盾構隧道除受到風壓荷載外，還會受到偶然荷載的作用，這對盾構隧道整體力學性能會產生相應影響。

針對盾構隧道偶然荷載或爆炸荷載，劉揚等[3]基于相關理論提出了一種爆炸荷載作用下管片的簡化計算方法，結果表明其實用有效。潘偉強等[4]基于現場監測，研究了不同工況下頂管隧道的響應。其中在地表偶然荷載作用下結構所受外荷載會極大增加，但結構應變增加較小。

目前，對于單洞雙線盾構隧道預制內部結構在偶然荷載作用下的力學性能的分析較少，且內部結構中的中隔墻功能與常見連拱隧道中隔墻有所區別，仍需進行深入研究。本文基于上海機場聯絡線，研究了隧道整體結構在不同工況中偶然荷載作用下的力學性能，并與基本荷載組合、標準荷載組合結果進行對比，以期得到隧道整體包括盾構管片、弧形件、中隔墻在內的力學性能及配筋量的異同。

1 研究背景

1.1 項目概況

上海市機場聯絡線是首條采用全預制裝配式內部結構的市域鐵路線，設計時速160 km/h。線路采用單洞雙線布置形式，隧道內徑、外徑分別為12.5 m和13.6 m，管片厚度0.55 m，環寬2 m。預制內部結構包括預制弧形件、預制中隔墻、頂部連接件、疏散平臺等。隧道斷面如圖1所示。

1.2 模擬信息

基于荷載-結構法，利用ANSYS17.0進行數值模擬計算，盾構管片和內部結構均采用BEAM188單元，分別利用LINK180單元與COMBIN39單元模擬徑向與切向土體彈簧[5]。

1.2.1 材料與約束

盾構管片混凝土C50，寬2 000 mm，厚550 mm，剛度折減系數取0.7；預制內部結構混凝土C40，弧形件頂部寬2 000 mm，頂厚、底厚分別為350 mm和250 mm；預制中隔墻寬、厚分別為2 000 mm和400 mm；弧形件底部墊層混凝土C30。

預制中隔墻頂部采用鉸接，底部與弧形件固接。弧形件底部墊層與土彈簧一致，采用LINK180單元與COMBIN39單元分3wZ6yuty2m0XrfwcedzzCUA72+QBeQrdIR4HUxJ/glM=別模擬徑向與切向土體彈簧。

1.2.2 荷載參數

本文分析主要對四種工況進行分析，分別為運營工況和頂部超載90 kPa、180 kPa、360 kPa時的工況。

計算荷載包括永久荷載、可變荷載和偶然荷載。其中永久荷載為結構自重，取25 kN/m3，基本組合中分項系數取1.3，其他荷載組合中分項系數取1.0。可變荷載為風壓荷載，按疊合風壓10 kPa進行計算。基本組合中分項系數取1.5，重要性系數1.1，其他荷載組合中取1.0。偶然荷載包括爆炸荷載，按0.05 MPa均布荷載的方式作用于中隔墻一側及同側隧道內弧面；在偶然組合計算中取分項系數1.0，其他荷載組合中僅需按承載能力進行計算。

2 運營工況設置

2.1 偶然荷載組合

偶然荷載作用下結構內力如圖2所示。將圖2中代表內力匯總于表1。

偶然荷載作用下結構整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為844.66 kN·m，對應剪力值為449.18kN。盾構隧道管片頂部剪力變化量為117.17 kN，對應彎矩值為58.42 kN·m。此外，中隔墻所受軸壓力較小，遠小于其極限軸壓力值，中隔墻最大正彎矩值為860.31 kN·m，最大負彎矩值為-1090.8 kN·m。

選取計算截面內最不利內力組合，按極限承載能力要求進行結構配筋計算，配筋計算見表2。

根據表2結果可知，管片內弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%。外弧面需配置10C25+2C22的鋼筋，鋼筋面積為5 669 mm2，配筋率為0.52%。將內、外弧管片配筋調整一致，均為10C25+2C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置13C28，單側鋼筋面積為8 005 mm2，單側配筋率為1.14%。中隔墻對稱配置17C28鋼筋面積為10 468 mm2，配筋率為1.31%。后續工況與此處一致，不再贅述。

2.2 基本荷載組合

基本荷載組合下結構整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為370.11 kN·m，對應剪力值為220.21 kN。盾構隧道管片頂部剪力變化量為42.07 kN，對應彎矩值為92.98 kN·m。中隔墻所受軸壓力較小，遠小于其極限軸壓力值，中隔墻最大正彎矩值為215.75 kN·m，最大負彎矩值為-272.22 kN·m。

管片內弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置10C25+2C22的鋼筋，鋼筋面積為5 669 mm2，配筋率為0.52%。將內、外弧管片配筋調整一致，均為10C25+2C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置9C25，單側鋼筋面積為4 418 mm2，單側配筋率為0.63%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為4 418 mm2，配筋率為0.63%。

2.3 標準荷載組合

標準荷載組合下結構整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為267.28 kN·m，對應剪力值為160.89 kN。盾構隧道管片頂部剪力變化量為70.14 kN，對應彎矩值為92.98 kN·m。中隔墻所受軸壓力較小，遠小于其極限軸壓力值，中隔墻最大正彎矩值為143.84 kN·m，最大負彎矩值為-181.35 kN·m。

按照2.2節配筋時，盾構管片內、外弧面最大裂縫寬度分別為0.18mm和0.16mm；弧形件頂部最大裂縫寬度為0.19 mm；中隔墻最大裂縫寬度為0.07 mm。三者最大裂縫寬度均未超過0.2 mm，滿足裂縫驗算要求。

3 頂部超載90 kPa工況

3.1 偶然荷載組合

結構在頂部超載90 kPa偶然荷載組合下結構整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為718.23 kN·m，對應剪力值為310.48 kN。盾構隧道管片頂部剪力變化量為11 kN，對應彎矩值為17.51 kN·m。此外，中隔墻由于偶然荷載的作用產生軸拉力，其大小為62kN左右，中隔墻最大正彎矩值為875.56 kN·m，最大負彎矩值為-1 053.6 kN·m。

管片內弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置8C25+2C22的鋼筋，鋼筋面積為4 687 mm2，配筋率為0.43%。內外弧面鋼筋調整一致后為8C25+2C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置23C22，單側鋼筋面積為8 743 mm2，單側配筋率為1.25%。中隔墻對稱配置15C28鋼筋面積為9 236 mm2，配筋率為1.15%。

3.2 基本荷載組合

根據計算接配筋結果，在頂部超載90 kPa的基本荷載組合下，管片內弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置10C25+4C22的鋼筋，鋼筋面積為6 429 mm2，配筋率為0.58%。內外弧面鋼筋調整一致后為10C25+4C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置9C22，單側鋼筋面積為3 421 mm2，單側配筋率為0.49%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為3 421 mm2，配筋率為0.42%。

3.3 標準荷載組合

根據計算，在頂部超載90 kPa的標準荷載組合下，按照3.2節配筋時，盾構管片內弧面最大裂縫寬度為0.19 mm（外弧面最大裂縫寬度不高于內弧面，后續僅驗算內弧面）。弧形件頂部最大裂縫寬度為0.06 mm，中隔墻最大裂縫寬度為0.12 mm。3者最大裂縫寬度均未超過0.2mm，滿足裂縫驗算要求。

4 頂部超載180 kPa工況

4.1 偶然荷載組合

結構在頂部超載180 kPa偶然荷載組合下結構整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為899.6 kN·m，對應剪力值為310.48 kN。盾構隧道管片頂部剪力變化量為131.92 kN，對應彎矩值為164.67 kN·m。中隔墻軸壓力為272.17 kN，最大正彎矩881.42 kN·m，最大負彎矩值為-1060.1 kN·m。

管片內弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置8C25的鋼筋，鋼筋面積為3 927 mm2，配筋率為0.36%。為滿足正常使用極限狀態的設計要求，內外弧面鋼筋調整一致后為10C25+4C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置17C25，單側鋼筋面積為8 345 mm2，單側配筋率為1.19%。中隔墻對稱配置15C28鋼筋面積為9 236 mm2，配筋率為1.15%。

4.2 基本荷載組合

根據計算接配筋結果，在頂部超載180 kPa的基本荷載組合下，管片內弧面需配置6C22的鋼筋，鋼筋面積為2 281 mm2，配筋率為0.21%；外弧面需配置8C25的鋼筋，鋼筋面積為3 927 mm2，配筋率為0.36%。為滿足正常使用極限狀態的設計要求，內外弧面鋼筋調整一致后為10C25+4C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置9C22，單側鋼筋面積為3 421 mm2，單側配筋率為0.49%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為3 421 mm2，配筋率為0.42%。

4.3 標準荷載組合

在頂部超載180 kPa的標準荷載組合下，按照4.2節配筋時，盾構管片內弧面最大裂縫寬度為0.17 mm；弧形件頂部最大裂縫寬度為0.07 mm；中隔墻最大裂縫寬度為0.06 mm。三者最大裂縫寬度均未超過0.2 mm，滿足裂縫驗算要求。

5 頂部超載360 kPa工況

5.1 偶然荷載組合

結構在頂部超載360 kPa偶然荷載組合下結構整體彎矩變化最大處為弧形件頂部，變化量為1 290.7 kN·m，對應剪力值為765.29 kN。盾構隧道管片頂部剪力變化量為529.39 kN，對應彎矩值為441.19 kN·m。中隔墻軸壓力為889.5 kN，最大正彎矩903.23 kN·m，最大負彎矩值為-1 055.3 kN·m。

管片內弧面需配置8C22的鋼筋，鋼筋面積為3 041 mm2，配筋率為0.28%；外弧面需配置8C22的鋼筋，鋼筋面積為3 041 mm2，配筋率為0.28%。為滿足正常使用極限狀態的設計要求，內外弧面鋼筋調整一致后為10C25+4C22。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置25C25，單側鋼筋面積為12 272 mm2，單側配筋率為1.75%。中隔墻對稱配置17C25鋼筋面積為8 345 mm2，配筋率為1.04%。

5.2 基本荷載組合

在頂部超載360 kPa的基本荷載組合下，管片內、外弧面均需配置10C25+6C22的鋼筋，鋼筋面積為7 190 mm2，配筋率為0.65%。弧形件頂部截面的頂、底部對稱配置15C28，單側鋼筋面積為9 235 mm2，單側配筋率為1.32%。中隔墻對稱配置9C22鋼筋面積為3 421 mm2，配筋率為0.42%。

5.3 標準荷載組合

在頂部超載360kPa的標準荷載組合下，按照5.2節配筋時，盾構管片內弧面最大裂縫寬度為0.2 mm；弧形件頂部最大裂縫寬度超過0.2 mm；中隔墻最大裂縫寬度為0.19 mm。需調整弧形件配筋，經計算，采用19C28，單側鋼筋面積9 235 mm2時弧形件頂部最大裂縫寬度超過0.19 mm，滿足裂縫寬度要求。

6 結束語

本文基于上海機場聯絡線工程，針對全預制裝配式內部結構，計算并分析了不同工況在偶然荷載下結構整體的力學性能，得到了如下結論：

對于盾構隧道管片，各工況下管片自身內力值變化幅度較小，采用10C25+4C22配筋方式均能滿足。但頂部超載20m的工況下，管片最不利截面受力形式由大偏心受壓轉變為小偏心受壓，需提升配筋。

偶然荷載對弧形件頂部截面配筋影響最大，應重點關注該截面。在運營工況中，根據基本荷載組合計算得到配筋可滿足正常使用極限狀態要求，但在偶然荷載作用下其配筋需大幅提高。

中隔墻配筋在偶然荷載作用下有所增加，偶然荷載對中隔墻配筋有所影響。由于超載工況能改變中隔墻作為大偏心受壓構件的受力性能，因此其配筋在基本荷載組合或偶然荷載組合下無須增加。

偶然荷載對結構整體內力及配筋的影響明顯高于荷載基本組合，但按照基本荷載組合配筋結構最大裂縫寬度均能滿足要求。

偶然荷載組合是今后設計中的不利工況，應進行重點計算后優化構件配筋。可以在隧道內部采用緩沖材料減少偶然荷載的影響，在頂部盾構管片及弧形件頂部位采取抗沖切措施避免局部沖切破壞。

參考文獻

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