刘颖
湖州职业技术学院建筑工程学院 湖州 313000
Research on safety reserve performance of "segment + formwork concrete" secondary lining structure
Liu Ying
School of architectural engineering, Huzhou Polytechnic College, Huzhou 313000
摘要：国内地铁建设速度的加快使得对支护结构选型优化需求亟需上升，当前国内对围岩支护研究更多以相互耦合作用理论为主，偏于施工实践研究较少。以弹塑性变形条件相互作用理论为基础，结合施工混凝土设计规范进行“管片+模筑混凝土”支护结构安全储备性能研究，进一步揭示了支护结构选型参数对安全储备性能影响，为当前地铁施工二衬支护结构材料选择提供了理论依据，为工程降本增效提供了实践支撑，具有一定理论研究和实践指导价值。
关键词：管片；弹塑性变形；安全储备；支护
Abstract: With the rapid development of subway construction in China, the demand for the optimization of support structure selection is in urgent need. At present, the research on surrounding rock support in China is mainly based on the theory of mutual coupling, and less on the construction practice. Based on the interaction theory of elastic-plastic deformation conditions, combined with the construction concrete design code, the safety reserve performance of "segment + formwork concrete" support structure is studied, and the influence of support structure selection parameters on the safety reserve performance is further revealed, which provides a theoretical basis for the material selection of the secondary lining support structure in the current subway construction, and provides practical support for the project cost reduction and efficiency improvement It has certain theoretical research and practical significance Guide value.
Key words: segment; elastoplastic deformation; safety reserve; support
1、引言
随着国内地铁建设速度日益加快，隧道支护结构优化维度越发广泛。内陆沿海地铁建设所处地质环境颇为复杂，土质软黏，土体内摩擦角大粘聚力小，加上河道湖泊纵横等自然因素影响都为支护结构的优化造成巨大挑战。
当前地铁隧道支护结构理论大都以围岩-衬砌相互作用机理为基础进行研究，石雷[1]提出支护作用应力越大，隧道腰部环向应力越小。侯公羽提出弹塑性变形条件下围岩支护相互作用机理解析[2]等都从围岩-支护相互作用角度给出了深入分析，为隧道衬砌结构选型发展奠定了重要基础，但对衬砌自身性能参数化研究较少，难以满足当前白热化地铁建设支护结构选型。
借助弹塑性变形条件下围岩支护相互作用机理理论，从“管片+模筑混凝土”结构材料参数选择角度深入分析支护结构变形[5]-[11]，完善弥补了支护结构选型方向及安全储备性能极限值确定，进一步拓宽了盾构施工隧道管片衬砌参数优化维度，对当前软土地区盾构曲线运行下衬砌参数的选择提供了一定参考价值，具有重要理论研究意义。
2模型建立及基本假定
2.1模型建立
对于全封闭二衬结构，管片与模筑混凝土整体考虑为全封闭状态，支护结构不具有渗透性，可定义衬砌结构地下水压荷载为静水压力，是一种表面力、边界力。在地下水渗流场中，二衬结构模型如图1所示，为二衬结构管片衬砌内径，即隧道半径；为二衬结构模筑混凝土外径；为管片衬砌外径；
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图1 二衬结构模型
Fig. 1 secondary lining structure model
2.2基本假定
隧道所处地质围岩各向同性均质且地下水处于稳定渗流状态，仅考虑径向渗流，水流符合达西定律，隧道设置排水系统，二衬结构受面积力作用，即二衬结构为全封闭防水型衬砌，规范当地下水压力大于0.8MPa时，进行泄水减压。故全封闭防水型二衬结构受力定值研究控制二衬结构表面水压力不超过0.8MPa。
3.渗透水压作用下支护结构应力计算
3.1渗流微分方程
假定围岩所处环境为径向稳定渗流场且岩石各项同性，则在直角坐标系中，地下水在岩体中的渗流连续性方程式为
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两边微分及由图4.1中边界条件
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式（8）即为围岩介质中渗流水压力公式，易知，全封闭防水型衬砌中，围岩渗流水压力的大小取决于地下水水头、涌水量及围岩自身渗透系数。
3.2模筑混凝土及管片结构径向应力计算
由于混凝土衬砌为薄壁圆筒结构且完全封闭不透水，则仅在外水压力作用下，模筑混凝土结构结构的拉梅解答为[3]：
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对于衬砌结构，参考混凝土结构设计规范估算管片衬砌受压能力[4]，为安全考虑不计钢筋受压能力，则管片结构受压边的最大压应力应小于等于管片混凝土结构极限抗压能力，最大压应力为：
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结构重要性参数，参照混凝土结构设计规范取1.1；式中:荷载分项系数，参照《混凝土结构设计规范》，取1.35; 混凝土轴心抗压强度设计值(Map)，按《混凝土结构设计规范》，C45混凝土
3.3安全储备系数定义
对于“管片+模筑混凝土”二衬结构共同与围岩作用，最内侧管片结构承受径向应力包含模筑混凝土结构径向应力与管片混凝土抗压应力，且二者共同作用之和应小于混凝土轴心抗压强度。引入二衬结构安全储备系数
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管片衬砌结构轴向力标准值，管片衬砌结构弯矩标准值=0式中-安全系数， 衬砌截面宽度；衬砌厚度；混凝土极限抗压强度。
4.二衬结构安全系数影响因素分析
4.1工程案例
徐州地铁1号线学院东路站-庆丰路站参数为隧道埋深28m，隧道内径，管片厚度h=350mm，。宽度b=1800mm模筑混凝土厚200mm，管片混凝土等级为C45，围岩等级II级，。则围岩和二衬接触面的渗透水压力；
代入计算得K=2.627>1，符合安全要求。
4.2影响因素分析
在工程实践中，隧道内径、所处位置埋深、渗透系数、土体物理力学性能参数等确定后，“管片+模筑混凝土”支护结构性能参数则成为影响工程结构安全性能储备的敏感性因素，由公式（12）计算结果可知管片宽度、厚度、模筑混凝土厚度、混凝土等级等变量是影响安全储备性能参数关键，以徐州地铁1号线为参考组，设立4组对照组经origin拟合后如表1所示。
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图2 宽度-安全储备系数曲线
Figure 2 width safety reserve coefficient curve
上图可以看出，其他变量不变时管片宽度越宽，对于整体支护结构的安全储备性能影响越大，安全系数与宽度呈递减趋势，但当宽度随着后期增减，递减速度越发缓慢。
图3管片厚度-安全储备系数曲线
Figure 3 segment thickness safety reserve factor curve
从上图可以看出管片厚度对支护结构影响较为明显，厚度增加安全性能储备消耗越快，由此在工程实践中管片宽度不宜过小也不应过大。
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图4混凝土等级-安全储备系数曲线
Figure 4 curve of concrete grade safety reserve coefficient
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图5 模筑混凝土厚度-安全储备系数曲线
Fig. 5 curve of thickness safety reserve factor of formwork concrete
由上两图（4）（5）可知对于混凝土的强度等级也不应太高，模筑混凝土厚度亦不宜过大，从施工和造价角度分析，等级和厚度过大增加了施工难度，增加了工程造价，使项目整体性价比不高。
5结论
结合弹塑性型变形条件和混凝土设计规范研究后发现：
（1）“管片+模筑混凝土”支护结构安全
储备性能敏感性与管片及模筑混凝土自身厚度、管片宽度、混凝土等级极为相关，影响支护结构安全储备性能。
（2）上述结论（1）中四项敏感性指标中，
管片及模筑混凝土厚度、混凝土等级、管片宽度的增加均使得整体安全储备系数的降低，从工程造价成本和施工实际角度考虑，支护材料在选型时不宜过大，参数选取适中。
参考文献
[1]石雷，吴勇，郭建锋. 地面荷载和衬砌支护作用下浅埋隧道的围岩应力解[J].长江科学院院报，?2020,37(12)：105-111
[2]侯公羽，李晶晶．弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析[J]．岩土力学，2012,33（4）：961~970
[3]刘颖.水压作用下TBM施工斜井锚喷支护受力特征研究[D].北京：中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，2016.
[4]周济民.水下盾构法隧道双层衬砌结构力学特性[D].四川：西南交通大学，2012.
[5]徐干成，白洪才，郑颖人等．地下工程支护结构[M]．北京：中国水利水电出版社，2013
[6]周华强．巷道支护限制与稳定作用理论及其应用[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2006
[7]陈炎光，陆士良．中国煤矿巷道围岩控制[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1994
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[9]OBERT L and DUVALL W I. Rock mechanics and the Design of structure in rock. New York: John Wiley & Sons.1967
[10]JAEGERJC and COOK N G W.Fundamentals of rock mechanics. London: Chapman and Hall, 1978
[11]Carranza-Torres C and Fairhurst C. Application of the convergence-confinement method of tunnel design to rock masses that satisfy the Hoek-Br-own failure criterion [J],Tunneling and Underground Space Technology,2000,15(2): 187~213
课题项目：湖州职业技术学院校级课题《基于开挖面空间效应地铁盾构隧道半封闭防水型衬砌受力特征研究》项目
作者简介：刘颖，男，1990年生，助理工程师，主要从事市政工程技术、岩土工程等研究与教学。