1 概述

盾構法是隧道暗挖施工的一種全機械化施工方法，具有施工安全、掘進速度快、工程質(zhì)量好、復雜地層適應性強、地表沉降小、對周邊環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點，已成為隧道工程的主要修建方法之一，在城市地鐵、城市鐵路、市政道路與基礎設施、水下隧道等方面都得到了廣泛應用[1]。以地鐵為例，截至2017年末，我國內(nèi)陸共計34個城市開通城市軌道交通并投入運營，開通城軌交通線路165條，運營線路長度達到5 033 km，其中70%以上采用盾構法修建。其中，地鐵3 884 km，共有62個城市的城軌交通線網(wǎng)規(guī)劃獲批，規(guī)劃線路總長7 424 km[2]。

隨著盾構法隧道應用范圍的不斷擴大，現(xiàn)有的盾構隧道管片結(jié)構設計也出現(xiàn)了一些亟待解決的問題，比如合理的結(jié)構計算模型、施工階段與運營階段結(jié)構安全校核方法、管片配筋優(yōu)化等。由于國內(nèi)盾構隧道結(jié)構現(xiàn)有計算方法考慮因素不全面、部分計算方法不合理，造成盾構管片配筋量偏大，對管片預制及工程造價都帶來了很大影響?；谝陨蠁栴}提出具體的解決方法，以提高現(xiàn)有盾構隧道結(jié)構設計方法的準確性和可靠性。

2 盾構隧道結(jié)構計算模型參數(shù)取值問題

2.1 隧道常用計算模型

在隧道結(jié)構計算模型方面，常用的荷載結(jié)構模型有均質(zhì)圓環(huán)模型(修正慣用法采用)、多鉸圓環(huán)模型、梁-彈簧模型、殼-彈簧模型等[3]，其中，修正慣用法是最常用的方法，但其彎曲剛度有效率η和彎矩提高率ξ參數(shù)比較依賴經(jīng)驗取值[4]；多鉸圓環(huán)模型適用于圍巖條件良好且穩(wěn)定的地層，計算結(jié)果偏小，多用于歐洲的隧道結(jié)構設計中[5]；梁-彈簧模型可考慮管片接頭對管片環(huán)剛度折減的影響，并可模擬管片環(huán)的錯縫拼裝效應，但彈簧剛度取值比較復雜[6]；不同于前面的模型默認每環(huán)管片都是平面應變狀態(tài)，殼-彈簧模型可反映管片斷面邊緣彎曲應力集中的現(xiàn)象，能反映管片的實際受力分布狀態(tài)[7]，計算參數(shù)也更加復雜。

巴爾迪曾在一系列國際鋼琴比賽中獲獎，包括1998年“隆-蒂博國際鋼琴比賽”的第三名及“當代作品演奏獎”，1999年“克利夫蘭國際鋼琴比賽”的第一名，以及2001年“第十一屆范·克萊本國際鋼琴比賽”的第二名及“新作品演奏獎”。

地層結(jié)構法理論上適用于各種隧道形狀、各種地質(zhì)條件的分析，但存在使用不太方便、地層計算參數(shù)和應力釋放率選取困難、錨桿難以準確模擬等方面的問題[8]。荷載結(jié)構模型因為計算方法簡單，工作量小，具有明確的受力概念及清楚的安全系數(shù)評價方法，我國地下鐵道及鐵路隧道設計規(guī)范中均推薦使用[9]。

隨著港口基礎設施的不斷完善，中國船供油市場物流模式也在不斷變化。主要供油商均采取了大船進口、大碼頭卸貨、大油庫儲存、大噸位駁船供應的集約化物流模式，大大降低了燃油供應成本，燃油價格基本低于日本和韓國市場價格，與新加坡市場的價差也在不斷縮小，在東北亞船供油市場的競爭力不斷增強，供油規(guī)模也穩(wěn)步回升。

2.2 梁-彈簧模型計算參數(shù)取值

隨著大埋深、高水壓等復雜地質(zhì)環(huán)境下長大盾構隧道數(shù)量的增加，管片結(jié)構及接頭的力學特性更加受到重視，修正慣用法則無法考慮縱向接頭，梁-彈簧模型能夠充分考慮縱向接頭的位置，并采用旋轉(zhuǎn)彈簧、剪切彈簧和壓縮彈簧構成的組合彈簧模擬接頭作用，與實際情況最為接近[10]，因此梁-彈簧模型成為盾構隧道設計重要的計算模型。該模型中對應描述接頭的3個參數(shù)為轉(zhuǎn)動剛度kθ、剪切剛度ks和軸向剛度kn，其中的軸向剛度可通過簡單計算得到，常采用無窮大值，轉(zhuǎn)動剛度和剪切剛度多采用接頭試驗或經(jīng)驗來確定，對于一般的管片接頭，提出了用解析求解的方法[11]。由于剪切剛度取值偏小時，主截面的計算彎矩也會偏小，為了安全起見，也常采用將其設定為無窮大的方法，而轉(zhuǎn)動剛度因為受到多種因素影響，其取值比較困難。

管片接頭處螺栓的位置決定了管片在承受正負彎矩時剛度不一致；在彎矩作用下，管片接頭轉(zhuǎn)動一定角度時接頭板分離，其剛度也會發(fā)生變化。以上說明了接頭轉(zhuǎn)動剛度取值的復雜性，實際情況還要考慮管片主體的形狀、接頭的形式、螺栓的配置等，這些因素的組合導致接頭的種類非常多，為了描述這些管片接頭的變形特性，這里采用接頭處轉(zhuǎn)角θ與彎矩M呈雙線性關系的管片接頭模型[12]，如圖1所示。

圖1 管片接頭處轉(zhuǎn)角與彎矩的雙線性關系

從圖1可以看出，接頭彎矩與相對轉(zhuǎn)角呈雙線性關系，滿足以下公式

(1)

(2)

式(1)、式(2)中，分別為由螺栓預緊力所產(chǎn)生的初始軸力得到釋放前后的接頭轉(zhuǎn)動剛度；θT、MT為相對轉(zhuǎn)角-彎矩曲線折點的對應值，可通過管片接頭試驗以及力學平衡分析得到。

4) riot ['ra??t] n. 騷亂 5) outlive [,a?t'l?v] adj.比……活得長

通過改進的梁-彈簧模型結(jié)合接頭試驗取得相關參數(shù)[13-14]，建立穩(wěn)定可靠的盾構隧道結(jié)構分析方法，減少結(jié)構計算參數(shù)取值的離散性，另一方面，可利用改進的梁-彈簧模型來計算分析修正慣用法中的彎曲剛度有效率η和彎矩提高率ξ[15]。

3 不同階段安全校核方法問題

在得到隧道結(jié)構內(nèi)力后，需要對結(jié)構承載能力和裂縫進行檢算，國內(nèi)主要由兩種檢算方法：一種是以GB50010—2010《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》為代表的按照極限狀態(tài)法進行截面承載能力和正常使用極限狀態(tài)下裂縫寬度檢算的方法；一種是以TB10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》為代表的按照破損階段法和容許應力法進行截面抗壓強度和抗拉強度檢算的方法[16]。

現(xiàn)行TB10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》中使用破損階段法檢算鋼筋混凝土構件截面強度時，根據(jù)結(jié)構所受的不同荷載組合和不同的破壞原因，在計算中分別選用不同的安全系數(shù)，按所采用的施工方法檢算施工階段強度時，安全系數(shù)可采用表列“主要荷載+附加荷載”欄內(nèi)數(shù)值乘以折減系數(shù)0.9[17]。以上說明破損階段法中對施工階段的隧道結(jié)構檢算進行了安全系數(shù)的折減。

對于盾構法隧道結(jié)構，采用極限狀態(tài)法進行結(jié)構檢算時，需檢算結(jié)構承載能力、最大裂縫寬度和襯砌環(huán)變形。大量的現(xiàn)場實測資料表明，管片結(jié)構內(nèi)力一般遠小于設計值，對于黏性土地層，運營階段一般采用水土分算，施工階段采用水土合算，因而施工階段為控制工況，采用水土合算進行結(jié)構計算造成了盾構隧道結(jié)構配筋量偏大。與設計使用年限相比，在結(jié)構施工過程中所出現(xiàn)工況的持續(xù)性很短，應當按照短暫設計工況考慮，適當降低安全系數(shù)或減小分項系數(shù)是有必要的。

采用極限狀態(tài)法進行盾構隧道設計時，考慮施工階段為短暫設計工況，僅進行強度和變形驗算；運營階段為持久設計工況，進行強度、裂縫和變形驗算，按TB10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》安全系數(shù)進行驗算，用施工期荷載組合和運營期荷載組合分別進行結(jié)構的檢算，得出最終配筋，可以達到減少配筋的目的。

某項目建設規(guī)模全長70.4km，占地約6800畝（約4.53km2），設互通立交7個，特大型橋梁1座，橋長1578m，特長隧道1座，長4.88km。全線各類橋梁共計46座，總長約11.2km；全線隧道共計11座，全長約12.6km，項目全線橋隧比達33.8%，特別是項目南段（傅家至東勝）橋隧比高達67%，施工難度較大。項目總投資8.21×109元，為BOT+EPC總承包項目。工期始終處于受控狀態(tài)，本項目工程已近尾聲，本文通過對本項目的進度管理分析淺談工期的影響因素和采取的應對措施，以供高速公路管理人員參考。

4 盾構管片配筋優(yōu)化設計

盾構隧道管片配筋優(yōu)化設計是在確保隧道結(jié)構安全的前提下合理的優(yōu)化設計參數(shù)，充分利用材料的性能，使管片中混凝土與鋼筋受力協(xié)調(diào)一致，達到節(jié)省材料、降低工程成本的目的。

深圳市地鐵14號線是深圳市支撐整個東部發(fā)展軸的首個自動化無人駕駛列車線路，該線路采用了FAO系統(tǒng)(Fully Automatic Operation System)，全面實現(xiàn)自動運行。此外，該線路還首次打造了“車輛智慧運維系統(tǒng)”，綜合運用先進傳感技術、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)分析等新型信息化工具和智能化檢修設備，將人工智能與傳統(tǒng)檢修相結(jié)合，實現(xiàn)車輛全壽命周期管理，保證車輛安全可靠運營。

4.1 纖維梁單元模型

管片結(jié)構設計在截面內(nèi)力計算時，鋼筋和混凝土一般采用統(tǒng)一的結(jié)構等效剛度，忽略了鋼筋分布對所在截面結(jié)構剛度的影響，導致配筋結(jié)果多數(shù)偏于保守。

通過有限元方法，建立了可描述鋼筋與混凝土共同作用的纖維梁單元模型，利用數(shù)值積分方法，可精確地計算出鋼筋混凝土的等效剛度值。在管片配筋校核分析時可充分考慮鋼筋的空間分布，從而較為準確地模擬鋼筋量對管片內(nèi)力值的影響，實現(xiàn)管片配筋的優(yōu)化[18]。

鋼筋混凝土模型示意如圖2所示，模型將管片劃分成細網(wǎng)格，再對網(wǎng)格中的每一小塊根據(jù)公式(3)進行積分，求出截面的剛度。

由于非水庫管理單位已經(jīng)取得水庫管理范圍內(nèi)部分地塊所有權證書，所以在水庫防洪與興利調(diào)度時，為了防止對非權屬土地造成淹沒、沖蝕等破壞而引發(fā)經(jīng)濟賠償糾紛，水庫管理單位不得不額外考慮水庫蓄泄水對非權屬土地的影響。因而制約了水庫的防洪作用，降低了水庫的興利效益，對水庫的防汛與供水安全形成了較大的挑戰(zhàn)。

圖2 管片鋼筋混凝土模型

(3)

式中，EIy為Y軸抗彎剛度；z為所積分單元格到Y(jié)軸的距離；Ai為所積分單元格面積。

由此可以看出，根據(jù)是否有鋼筋，鋼筋混凝土材料彈性模量E在不同截面處的取值不同，主要是依據(jù)該點的應力應變狀態(tài)而定，通過該模型可對配筋優(yōu)化后的鋼筋用量及分布結(jié)果進行校核。

小學生處于人身心發(fā)展的初期階段，身心發(fā)展不成熟，但可塑性較強，所以，德育與心理健康教育相融合具有重要的現(xiàn)實基礎。另一方面，現(xiàn)代社會生活節(jié)奏較快，生活壓力較大，為了更好地適應將來的社會生活，也需要重視對學生的品格塑造與心理健康教育。教師要通過一定的德育工作與心理健康教育工作，掌握學生的心理發(fā)展走向與道德現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教育方式，用宣泄法、疏導法等，有效地與學生進行溝通，這樣學生才能卸下心靈的重擔，主動接受教師的德育工作。

4.2 管片配筋優(yōu)化設計

大量的盾構隧道結(jié)構配筋計算表明，影響配筋量的因素包括設計方法、水土壓力計算方式、施工注漿荷載、地層與管片結(jié)構相互作用方式、鋼筋分布形式等。

(1)設計方法

在設計方法上，采用JTG D70—2—2014《公路隧道設計規(guī)范》中的容許應力法和破損階段法進行設計通常要比按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》中的極限狀態(tài)法進行設計得到的配筋量要大，在盾構隧道設計中，需要根據(jù)不同工況進行比較，選擇合理配筋結(jié)果。另外，根據(jù)第3節(jié)考慮施工階段為短暫設計工況，運營階段為持久設計工況，則設計更為合理。

(2)水土壓力計算方式

在水土壓力計算方式上，全部水土合算得到結(jié)構內(nèi)力最大，水土分算最小，目前對水土壓力統(tǒng)一進行水土合算或分算的做法不盡合理，可以根據(jù)實際情況分土層進行相應的水土合算或分算，可一定程度減少配筋量。

(3)施工注漿荷載

結(jié)構內(nèi)力計算時，考慮注漿荷載會使管片配筋量降低，均勻注漿比非均勻注漿配筋量更少，因此，注漿荷載對結(jié)構荷載效應來說是有利荷載，在管片結(jié)構分析及配筋計算中應考慮注漿荷載的影響。

(4)地層與管片結(jié)構相互作用方式

地層與管片結(jié)構的相互作用通常采用地基反力或者地層彈簧來模擬，通過設置地基抗力、單一地層彈簧以及多個地層彈簧3種工況進行比較分析，結(jié)果表明：其最終配筋量依次遞減，但總體相差不大，可根據(jù)需要設置地基反力或地層彈簧。

(5)鋼筋分布形式

鋼筋分布形式同樣對管片配筋量產(chǎn)生影響，考慮錯縫拼裝時彎矩沿幅寬呈不均勻分布[19-20]，為充分提高鋼筋材料的利用效率，管片不采用均勻配筋。根據(jù)結(jié)構計算得到斷面內(nèi)力作為平均內(nèi)力，幅寬兩側(cè)各0.15B(B為幅寬)范圍內(nèi)調(diào)整彎矩為平均彎矩的115%，幅寬中間0.7B范圍內(nèi)調(diào)整彎矩為平均彎矩的93.6%，根據(jù)調(diào)整后的內(nèi)力大小進行配筋。

（1）儀器：選擇美國Siemens Sequoia 512型彩色多普勒超聲診斷儀，內(nèi)置對比脈沖序列成像系統(tǒng)，可提供實時超聲造影檢查，探頭為4CI-S，調(diào)整頻率為15MHz；選擇意大利Cracco公司提供的造影劑，每瓶25mg凍干粉與氯化鈉溶液5ml（0.9%），經(jīng)震蕩為微泡懸浮液備用；

4.3 管片配筋優(yōu)化算例

某地鐵盾構隧道的外直徑為6.2 m，內(nèi)直徑為5.5 m，管片幅寬取1.5 m。管片采用6塊分割，采用錯縫拼裝，混凝土強度等級C50，頂部螺栓偏角β為18.00°。隧道位于復合地層，埋深取29.3 m，地下水位線為-4 m，其地質(zhì)參數(shù)取值見表1。

表1 某地鐵盾構隧道地質(zhì)參數(shù)

土層名稱厚度/m天然重度(γ)/(kN/m3)飽和重度(γsat)/(kN/m3)內(nèi)聚力(c)/kPa內(nèi)摩擦角(φ)/(°)側(cè)壓力系數(shù)(λ)填土13.017.019.08.035.00.7砂土4.018.020.02.020.00.6淤泥質(zhì)黏土30.017.019.018.030.00.5

管片配筋計算參數(shù)見表2。

[書籍] 序號 作者.書名[M].譯者.版次.出版地：出版單位(國外出版單位可用標準縮寫不加縮寫點)，出版年：起止頁碼.

1) 若突發(fā)事件造成市場價格和市場需求隨機波動，僅依靠基準的數(shù)量彈性契約是無法實現(xiàn)三級供應鏈的協(xié)調(diào)；由此可見，價格隨機的突發(fā)事件暴發(fā)后，供應鏈各成員需要協(xié)商一個合理的批發(fā)價以促進三級供應鏈協(xié)調(diào)，減少突發(fā)事件對供應鏈系統(tǒng)造成的沖擊.

表2 管片配筋計算參數(shù)

類型荷載結(jié)構參數(shù)配筋參數(shù)計算參數(shù)取值地基抗力系數(shù)(k)/(kN/m3)20000地面超載/ kPa20土體平均重度/(kN/m3)20土體側(cè)壓力系數(shù)0.6管片重度/(kN/m3)26管片彈性模量/GPa34.5管片寬度/m1.5管片厚度/m0.35混凝土強度等級C50鋼筋等級HRB335混凝土抗壓強度設計值/MPa23.1鋼筋強度設計值/MPa300

方案1，管片配筋按照破損階段法設計，計算采用修正慣用法計算模型，彎曲剛度有效率η取0.75，彎矩提高率ξ取0.3，地層反力采用地層彈簧模擬，統(tǒng)一采用水土分算，按施工階段和運營階段的最不利工況計算，進行對稱配筋。方案2，配筋優(yōu)化按照極限狀態(tài)法設計，采用改進梁-彈簧模型，分土層進行水土合算或分算，考慮施工階段為短暫設計工況，不進行裂縫寬度驗算，運營階段為持久設計工況，并利用纖維梁有限元模型對不同受力階段進行驗算，兩種方案的配筋結(jié)果見表3。

表3 兩種配筋方案的配筋結(jié)果

方案鋼筋直徑/mm單根截面面積/mm2每側(cè)鋼筋根數(shù)/根每側(cè)截面面積/mm2方案122380.1166082.1方案218254.5143562.6

從表3可以看出，配筋優(yōu)化后，方案2的管片鋼筋用量減少約41%。其中，設計方法、計算模型、水土壓力計算方式對管片的配筋結(jié)果影響較為明顯，極限狀態(tài)法對施工階段和運營階段進行不同的安全校核影響最大。

鐵四院在盾構隧道設計方面積累了大量的研究成果和豐富經(jīng)驗，在此基礎上與上海同巖科技土木工程有限公司合作開發(fā)了盾構隧道管片結(jié)構計算與配筋軟件V1.0，該軟件是基于同濟曙光三維數(shù)值分析平臺并依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范開發(fā)的盾構隧道專業(yè)設計分析軟件，采用修正慣用法或梁-彈簧模型對襯砌結(jié)構進行三維內(nèi)力變形分析、管片配筋、管片驗算、接頭剛度計算、接頭強度校核、地震響應分析、抗浮驗算，并可實現(xiàn)對盾構隧道同一橫斷面不同工況、不同階段、不同分析模型的管片計算分析，自動生成分析報告等。該軟件可應用于城市地鐵、城市鐵路與道路、市政設施、水利水電等各類型盾構隧道管片結(jié)構計算和配筋設計。

5 結(jié)語

對目前盾構隧道結(jié)構設計中出現(xiàn)的一些問題進行了分析，比如結(jié)構計算模型、施工階段與運營階段結(jié)構安全校核方法、管片配筋優(yōu)化等，并根據(jù)大量的研究成果和工程經(jīng)驗，提出解決方案，主要結(jié)論如下。

(1)結(jié)構計算模型采用梁-彈簧模型，引入接頭處轉(zhuǎn)角θ與彎矩M呈雙線性關系的管片接頭模型，結(jié)合接頭試驗的經(jīng)驗參數(shù)對接頭的抗彎剛度等取值進行優(yōu)化。

以黨的十九大精神為指導，緊扣社會主義核心價值體系建設，遵循公共圖書館事業(yè)發(fā)展規(guī)律，堅持政府主導、鼓勵社會力量參與，完善服務設施，豐富服務內(nèi)容，規(guī)范服務要求，提高服務水平，實現(xiàn)全區(qū)公共圖書館事業(yè)健康快速發(fā)展。

(2)采用極限狀態(tài)法進行盾構法隧道設計時，考慮施工階段為短暫設計工況，僅進行強度和變形驗算；運營階段為持久設計工況，進行強度、裂縫和變形驗算，按“隧道設計規(guī)范”安全系數(shù)進行驗算，用施工期荷載組合和運營期荷載組合分別進行結(jié)構的檢算，得出最終配筋，可以達到減少配筋的目的。

(3)提出纖維梁單元模型，對管片配筋進行校核。

(4)通過分析管片配筋量的影響因素，提出多種管片配筋優(yōu)化設計方法，本文案例中，采用配筋優(yōu)化后，管片配筋量減少約41%。

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Discussion on Several Problems in the Design of Shield Tunnel Segment

XIAO Mingqing1,2, WANG Shaofeng1,2, GONG Yanfeng1,2, TANG Zhao1,2

(1.China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China;2.Hubei Provincial Engineering Laboratory for Underwater Tunnel, Wuhan 430063, China)

Abstract： As the existing calculation methods of shield tunnel structure in China are not comprehensive and some of them are not reasonable, the quantity of reinforcement of shield tunnel segments is relatively large, which has a great impact on the prefabrication and engineering cost of the segments. In order to improve the accuracy and reliability of the existing shield tunnel structure design method and optimize the reinforcement of the segments, a number of design problems are analyzed based on a large number of shield tunnel structure calculation and engineering experiences. The results show that the toroidal and longitudinal joint action of segments should be considered in the calculation of long shield tunnel structure under complex geological conditions such as deep burial, and the limit state method fails to distinguish the stress differences caused by the construction and the operation. The following solutions are proposed through research: 1)The beam-spring model of the improved segment joint unit is adopted to optimize bending stiffness and so on through joint test; 2)The shield tunnel construction stage is taken as a short-term design condition and the operation stage as a permanent design condition for safety check; 3)A fiber beam element model is proposed to check the reinforcement of the segment; 4)A variety of tube reinforcement optimization design methods are put forward to reduce the amount of steel.

Key words： shield tunnel; design method; beam-spring model; safety check; fiber beam element; reinforcement optimization

收稿日期：2019-01-12;

修回日期：2019-02-22

基金項目：中國鐵路總公司科技開發(fā)計劃重點課題(2014G004-O)；中鐵第四勘察設計院集團有限公司科技研發(fā)計劃(2015K102)

作者簡介：肖明清(1970—)，男，教授級高級工程師，全國勘察設計大師，工學博士，從事隧道與地下工程設計研究工作，E-mail：tsyxmq@163.com。

通信作者：王少鋒(1990—)，男，助理工程師，2017年畢業(yè)于西南交通大學橋梁與隧道工程專業(yè)，工學碩士，從事隧道與地下工程設計研究工作，E-mail：ngmx1990@163.com。

文章編號：1004-2954(2019)09-0070-04

中圖分類號：U452； U455.43

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.201901120005