摘  要 文章在提出膨胀接触压力概念的基础上，采用接触单元对膨胀接触压力和膨胀力的关系进行了研究，得出了膨胀接触压力与膨胀岩土分布、厚度、结构及地层刚度等的关系；同时对膨胀岩土地层中盾构隧道“荷载-结构”模式外荷载及“梁-弹簧”模型的特点进行了分析；并将其分析结果直接应用到成都地铁 2 号线膨胀岩土地层盾构隧道的结构分析中

，得出了盾构隧道在不同膨胀岩土层、膨胀力、埋深和拼装方式条件下的结构内力值，对隧道结构设计起到了指导作用

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关键词 膨胀岩 膨胀土 盾构隧道 结构分析 管片设计

 

      成都地铁2 号线为成都市地铁线网中西北—东南走向的骨干线路，以沙河为界，沙河以东车站、区间基本位于膨胀性粘土层或泥岩中， 根据初步设计勘察报告：粘土自由膨胀率为29%～82%，膨胀力达到100 ～340 kPa； 下伏基岩自由膨胀率为 15% ～96%，膨胀力达到 60～500 kPa。 在这样的膨胀率和膨胀力的地层中修建地铁工程，可借鉴的经验较少，尤其是在这种地层条件下采用盾构法修建地铁区间隧道，在国内应属首次。

      我国膨胀土分布较广泛， 在膨胀土地区修建铁路、公路、房建及市政工程，如果处置不当将造成诸多病害及隐患。据资料显示：我国每年用于整治膨胀岩土病害的经费就达100 亿元之巨； 德国西部汉滋隧道由于膨胀土的原因， 每隔 2～3 年必须大修一次，20 年间仅此一项费用就已达到修建隧道费用的5 倍。 目前正值我国基础建设的高峰期，大量的基建工程即将或已上马。以成都轨道交通为例，根据最新规划：2015年以前，成都市将完成地铁1 号线、2 号线全线及3 号线、4 号线、7 号线 、R0 线、R1 线一期工程，约147 km；2020 年前 ，将完成地铁 3 号线 、4号线二期及5 号线、6 号线一期工程，约 145 km。 以上线路大部分都将通过成都市的东南膨胀土区域，因此2 号线膨胀土地层盾构法隧道设计施工经验将为成都市后续同类工程提供直接参考和指导，同时也可为国内其他膨胀土条件下的隧道工程提供借鉴。

      成都市快速轨道网规划如图1 所示， 成都平原及地层构造如图2 所示。

      成都平原为一断陷盆地， 西部的大邑—彭县—什邡和东部的蒲江—新津—成都—广汉两条隐伏断裂将断陷盆地分为西部边缘构造带、 中央凹陷和东部边缘构造带三部分。 地铁 2 号线位于东部边缘构造带，以沙河为界，沙河以东区间隧道主要位于具有膨胀性的粘土或泥岩地层中（图 3、图 4）。

      膨胀性岩土具有以下特点：（1） 粘土为微透水层，透水性、富水性均较差，地下水主要为上层滞水和泥岩裂隙水。 （2）膨胀岩土遇水软化、膨胀、崩解，失水开裂、收缩；成都市大气影响急剧深度为1.35m，大气影响深度为 3.0 m。 （3）膨胀力大，粘土膨胀力为100～200 kPa，最大达到 340 kPa；泥岩膨胀力为60～160 kPa、最大达到 500 kPa。

 

      《GB/T50279-98岩土工程基本术语标准》对膨胀力的定义为：土体在不允许侧向变形下充分吸水，使其保持不发生竖向膨胀所需施加的最大压力值。因此， 由于膨胀土膨胀效应而作用于实际结构上的力与膨胀力不同， 为便于区分， 称之为膨胀接触压力，其定义为：由于膨胀效应，在结构横向变形稳定后，作用在结构上的压力值。

      选用ANSYS 有限元程序对膨胀力和膨胀接触压力进行二维平面应变数值模拟分析， 其中隧道和地层采用Plane42 单元， 地层和结构之间的接触关系采用Targe169 和 Conta171 单元模拟，隧道开挖采用ANSYS 程序生死单元功能来实现。有限元分析模型如图5 所示。

      计算结果表明，膨胀接触压力与膨胀土的分布、厚度、膨胀力变化、自身及结构刚度等密切相关，通常情况下， 膨胀接触压力约为膨胀力大小的 30%~ 70%。

      （1）膨胀接触压力分布规律

      作用在结构上的膨胀接触压力基本呈二次抛物线分布， 但在膨胀土交界部位， 小范围内会出现畸变。 若结构全周均为膨胀土， 膨胀接触压力最大将发生在结构左右两侧，其次在结构的顶、底部，最小在结构的45°、135°、225°、和 270°处。 表 1 为结构外周不同膨胀土分布情况下结构膨胀接触压力的分布规律。

      （2）与膨胀土厚度关系

      相同条件下，在膨胀土厚度较小时，膨胀接触压力将随结构外周膨胀土厚度的增加而增大； 当膨胀土达到一定厚度后（结构厚度的50 倍及以上），膨胀接触压力将达到最大而基本保持稳定， 图 6 为表 1工况2 膨胀土分布位置， 不同膨胀土厚度情况下膨胀接触压力随膨胀土厚度的变化曲线。由图 6 可知，在该边界条件下，当膨胀土厚度达到约 16 m 时，膨胀接触压力基本稳定且达到最大。

      （3）与结构刚度关系

      与膨胀土厚度分布规律相似，相同条件下，结构刚度较小时，膨胀接触压力将随结构刚度（通过结构厚度三次方体现）的增加而增大；当结构刚度达到一定数值后（综合刚度达到地层的2 000 倍及以上），膨胀接触压力将达到最大而基本保持稳定， 图 7 为表1 工况 2，厚度为 3 m 的膨胀土分布情况下，膨胀接触压力随结构刚度 （结构厚度三次方） 的变化曲线。 由图 7 可知，在该边界条件下，当结构三次方达到约0.8 m³时，膨胀接触压力达到最大且基本稳定。

 

      （4）与地层的关系

      相同边界条件下，膨胀接触压力随地层刚度（通过地层弹性模量体现）的增大而减小，因此，相同条件下， 膨胀岩地层中的膨胀接触压力较膨胀土地层中的小。

 

      目前国内外城市隧道结构分析主要采用 “荷载-结构”和“连续介质（地层结构）”两种计算模型。由于“连续介质”模型计算结果相对保守，因此“荷载-结构” 模型仍是目前国内外最常用的隧道结构计算模型。

      由于盾构隧道衬砌环特殊拼装结构形式， 因此在结构内力分析时必须考虑衬砌环、 纵向的接头效应。目前国内外对衬砌环的力学分析主要有惯用法、修正惯用法、多铰圆环法和“梁-弹簧”模型计算法，考虑到分析的准确性，“梁-弹簧” 模型正越来越多地被国内学术和工程界所采用。

      作用在一般地层中、 浅埋隧道结构上方的地层荷载，根据隧道覆土深度确定。 当覆土深度较小时采用全土柱荷载， 当覆土深度较大时采用卸载拱理论（太沙基公式为主体）计算确定；但当计算荷载值小于2D（D 为隧道外径）覆土荷载时，取 2D 覆土荷载；作用在隧道下方的荷载，根据荷载平衡原理，为上方荷载与结构自重的和。

      当结构周围分布有膨胀土时， 若将膨胀接触压力与地层荷载简单叠加作为设计外荷载的话， 显然结构设计偏于保守， 因此需对不同膨胀土分布工况下结构的设计外荷载进行分析。 通过分析得出如下结  论：（1）当膨胀土位于结构下方且膨胀接触压力小于上方荷载与结构自重的和时， 可不考虑膨胀土的附加力学效应；（2）当膨胀土位于结构上方或一侧时，应考虑膨胀土的附加力学效应；（3）当膨胀土位于结构四周时， 只考虑上方膨胀接触压力大于下方膨胀接触压力的工况。

      一般地层荷载-结构模式如图 8 所示， 膨胀力与膨胀土分布关系如图9 所示。

      将盾构隧道管片衬砌结构假定并离散为等厚度小变形弹性直梁单元，用接头抗弯刚度K_θ来体现环向接头的实际抗弯刚度。若结构采用错缝式拼装，纵向接头将引起衬砌圆环间的相互咬合作用，采用圆环径向抗剪刚度K_r和切向抗剪刚度K_t来体现纵向接头的环间传力效果。 根据成都地铁 2 号线管片及膨胀岩土地层实际情况，环向接头正抗弯刚度 K_θ+取（3～15）×10⁴kN·m/rad，负抗弯刚度 K_θ-取（1～5）×10⁴kN·m/rad，通缝拼装时 K_r和K_t取0，错缝拼装时 K_r和K_t取（1～100）×10¹²kN·m/rad。

 

      成都地铁2 号线采用 B 型车，盾构区间隧道内径根据φ5.2 m 建筑限界，综合考虑施工、测量和设计拟合误差以及不均匀沉降等因素后取为5.4 m。根据国内地铁工程经验以及成都具体情况， 盾构管片采用单层钢筋混凝土平板型衬砌， 接头采用弯螺栓，管片厚度经综合研究后取为0.3 m。

      一环管片由1 个封顶块 （圆心角 15°）、2 个邻接块（圆心角64.5°）和 3 个标准块 （圆心角 72°）管片组成，纵向接头为 10 处，按 36°等角度布置；在平面曲线半径小于或等于400 m 的曲线段采用1.2 m 的管片幅宽， 在直线和平面曲线大于 400 m的区间段采用1.5 m 的管片幅宽 ；一般段采用错缝式拼装，管片环采用“直线＋左右转弯环”形式拟合平面曲线。

      单环盾构管片结构如图10 所示。结构分析有限元模型如图11 所示。

      将本文3、4 节两部分的成果应用到成都地铁 2号线膨胀性地层盾构隧道的结构分析中， 得出了盾构隧道在不同膨胀岩土层、膨胀力、埋深和拼装方式条件下的结构内力值，以此指导结构设计。表 2 为典型区段结构内力值。

      由于1 号线和 2 号线沙河以东盾构区间均采用内径5.4 m、 外径 6.0 m 的平板型钢筋混凝土管片，考虑到成都后续地铁区间盾构机的通用性、 管片模板加工、管片厂现场管理等因素，2 号线膨胀土地层盾构管片设定了“可能情况下，盾构管片模板尽量全线统一”的目标。 为了达到此目标，膨胀性地层盾构管片采用了以下措施：

      （1）根据膨胀土分布进行分段配筋，根据地勘膨胀土（岩）分布情况、膨胀力大小、隧道埋深等进行针对性分析，将全线膨胀土（岩）段共分为 6 个配筋段，含钢量为 155～220 kg/m³。

      （2）根据结构内力要求，特殊地段（长度约 200m）将盾构管片钢筋级别由Ⅱ级调整为Ⅲ级。

      （3）为保证安全、减小结构内力，特殊地段（长度约200 m）调整管片拼装方式，将错缝式拼装调整为通缝式拼装。

      （4）根据结构内力，调整螺栓强度（全线螺栓强度分为5.6、6.8、8.8 三个等级）。