虹梅南路越江隧道工程管片配筋方法

上海虹梅南路越江隧道西线盾构段于2012年5月始发掘进，根据原始设计生产了一定数量的浅埋、中埋、深埋管片。

1.细化埋深分档

根据上海虹梅南路越江隧道工程初始设计，隧道埋深分为浅埋、中埋和深埋，临界覆土深度分别为18，30，43 m。通过对配筋结果进行分析，发现对于某一种埋深工况，其区间段内较浅位置的管片配筋量明显偏高，导致钢筋的浪费。通过进一步细化埋深的分档，可以在一定程度上减少钢筋的用量，有利于保证钢筋的充分利用。考虑到施工现场的管理难度等因素，将原有的中埋段和深埋段分别再细化，总共设置6档埋深，临界覆土深度分别为18，24，30，34，39，43 m。这既体现了精细化设计的理念，也是总体上降低含钢量最直接的方法。

2.内力计算方法优化

管片内力的计算方法有很多，设计中最常用的方法是修正惯用法。它通过等效方法近似模拟盾构隧道的力学特征，将管片接头引起的整体变形增大理解为整环衬砌结构刚度的整体下降，引入抗弯刚度折减系数η；将错缝拼装条件下环间接头引起的衬砌结构弯矩增长和管片接头弯矩降低理解为管片接头部位的弯矩向管片实体发生了部分传递，引入弯矩调整系数ξ。因此，此计算方法将管片环视为均匀抗弯刚度为ηEI的等效圆环来计算结构内力和变形，错缝拼装时对弯矩计算结果M 进行调整，管片结构弯矩最后调整为(1+ξ)M，而管片接头的弯矩值为(1-ξ)M。衬砌抗弯刚度折减系数η 的取值范围通常为0.6～0.8，弯矩调整系数ξ的取值范围为0.3～0.5。修正惯用法管片受力如图3.21所示。模型中基本计算参数取值见表3.8。

表3.8　基本计算参数

管片内力决定着配筋量，影响管片内力及变形的因素有很多，其中土层侧向抗力系数尤其敏感。由于本次优化设计中采用新的6 档覆土深度，每档覆土的参数需要重新确定。土层抗力系数难以精确测定，通常根据规范的推荐值、地质报告推荐值，结合工程经验，与相似工程类比后综合选取。根据地质报告，其中地层抗力系数根据液限指数、孔隙比、标贯值对应规范的推荐值确定。在每档深度覆土中，选取土层较不利断面进行加权平均作为土层计算参数依据，结合工程勘察报告可以看到，24～30 m深度覆土的地质条件是最好的，30～34 m 深度覆土中由于明显存在较差的⑤3层粉质黏土而导致性质较差。

图3.21　修正惯用法管片受力示意图

梁-弹簧模型则将管片环向接头模拟成旋转弹簧，将径向接头模拟成剪切弹簧，将地层与管片之间的相互作用用地层弹簧来表示。由于旋转、剪切弹簧刚度与接头构造、尺寸以及内力等多个因素有关，其取值较为困难。然而，采用地层弹簧模拟土体抗力的思想值得借鉴。

侧向土体抗力是影响结构内力的重要因素。修正惯用法中，水平抗力为三角形形式，且分布于水平轴上、下45°范围内，这是对抗力作用形式和分布的一种近似假定。同理，隧道底部地基反力也是土体受压被动产生的力，将地基反力假定为均匀分布也是一种近似。因此，地层弹簧更能反映实际地层结构间的相互作用。常见的地层弹簧模型在隧道结构外侧布置径向弹簧，但由于隧道径向变形兼有水平和竖向分量，此处径向弹簧的刚度物理含义不明确，且土体的水平、竖向抗力系数通常不同，表现为各向异性，因此，径向弹簧采用统一的刚度不尽合理。

由此，在传统的梁-弹簧模型基础上，我们提出了改进梁-弹簧模型，采用单向压缩弹簧更好地模拟水平地层抗力和竖向地基反力，如图3.22所示。其中，水平、竖向弹簧布满隧道全周，水平弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合竖向线位移，竖向弹簧外侧节点与隧道结构相连节点耦合水平线位移。这样可以使水平弹簧保持水平，提供水平力；竖向弹簧永远保持竖向，提供竖向力。水平、竖向弹簧的刚度分别由地质报告提供的水平、竖向抗力系数确定。弹簧利用有限元计算软件ANSYS中的Link10单元模拟，只在压缩时发挥作用，当受拉时自动失效，从而精确地模拟水平抗力与地基反力。

以43 m 覆土计算工况为例，采用修正惯用法和改进梁-弹簧模型的计算结果如图3.23、图3.24所示。两种计算模型包括抗力系数在内的所有参数取值均相同。计算结果表明，轴力计算结果比较接近，而改进梁-弹簧模型计算的弯矩最大值则减小近30%。修正惯用法模型中侧向抗力呈三角形分布，使得弯矩计算值偏大，设计结果偏保守。从图3.23、图3.24隧道两侧的弯矩图中可以发现，此处修正惯用法计算的弯矩出现向内凹的趋势，而改进梁-弹簧模型计算的弯矩则保持外凸的形式，与隧道结构的变形形式一致。显然，三角形抗力模式过强的人为假设导致了此处弯矩图形的不协调，这也从侧面佐证了地层弹簧的合理性。因此，采用改进梁-弹簧模型计算得出的结构弯矩偏小，且更为合理，可以用作管片结构主筋的优化。(www.xing528.com)

图3.22　改进梁-弹簧模型示意图

图3.23　修正惯用法内力图

图3.24　改进梁-弹簧模型结构内力图

采用改进梁-弹簧模型对各覆土工况进行计算，主筋优化结果见表3.9。

表3.9　管片主筋优化结果

3.构造筋优化

管片中设置构造筋可以提高钢筋笼的整体性，避免钢筋笼在吊装和混凝土浇筑中发生较大变位。除此之外，构造筋的设置还考虑了吊装孔等局部薄弱环节的强度加强，避免管片发生破碎。通过综合考虑钢筋笼的绑扎和吊装、混凝土浇筑对钢筋笼的影响、管片拼装特点、隧道成型后的受力特性，对构造筋的设计进行了优化，优化内容主要为辐射筋和纵缝边缘加强筋。

管片在弯矩作用下受弯，由于管片内外侧变形有差异，造成主筋内外侧受力不一致。辐射筋的存在将有助于主筋的整体稳定。

构造筋不直接参与结构受力，对于管片结构的安全性影响不大，构造筋占整体钢筋的比例将近30%，因此在保证钢筋整体稳定、管片局部受力安全和施工便利等前提下，适当减少构造筋可以进一步降低整体含钢量。