盾構(gòu)隧道已開裂管片的受力變形特性

張洪彬，張國(guó)祥，安關(guān)峰，劉添俊

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.廣州市市政集團(tuán)有限公司，廣州 510060）

盾構(gòu)隧道已開裂管片的受力變形特性

張洪彬1，2，張國(guó)祥1，安關(guān)峰2，劉添俊2

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075；2.廣州市市政集團(tuán)有限公司，廣州 510060）

結(jié)合廣州地鐵某已運(yùn)營(yíng)的盾構(gòu)區(qū)間隧道現(xiàn)狀，通過采用三維Goodman單元來模擬管片已存在的裂縫，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道已開裂管片的裂縫深度變化對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成的影響進(jìn)行了分析，同時(shí)也對(duì)側(cè)向土壓力、地基彈簧系數(shù)以及地下水位等幾種重要因素對(duì)管片受力變形特性的影響進(jìn)行了評(píng)估。研究表明，隨著裂縫深度的增加，管片砼的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力雖然達(dá)到最大值，但變化幅度并不大。但當(dāng)裂縫接近徑向貫通的時(shí)候，鋼筋的拉應(yīng)力值會(huì)大大增加，有可能超過允許值。同時(shí)，在盾構(gòu)管片存在既有裂縫的情況下，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力值、水平和豎向收斂值、豎向沉降值均隨側(cè)向土壓力系數(shù)、地基彈簧系數(shù)的減少而增大，同時(shí)隨地下水位埋深的增大而增大。根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)該區(qū)間隧道盾構(gòu)隧道的裂縫等病害采取了針對(duì)性修復(fù)措施，目前無新的裂縫出現(xiàn)，總體處于穩(wěn)定及安全的狀態(tài)。

盾構(gòu)隧道；管片；裂縫；Goodman單元；拉應(yīng)力

隨著中國(guó)地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵盾構(gòu)隧道所在的地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜，也出現(xiàn)越來越多的工程難題。地鐵盾構(gòu)管片在施工及運(yùn)營(yíng)期間管片開裂的問題也越來越多地出現(xiàn)在已建的地鐵工程中。以廣州為例，廣州地鐵一號(hào)線黃沙站－長(zhǎng)壽路站區(qū)間、二號(hào)線海珠廣場(chǎng)站－市二宮區(qū)間及三號(hào)線北延段某區(qū)間均出現(xiàn)過部分管片開裂的情況［1－3］。

目前，中國(guó)盾構(gòu)隧道主要采用鋼筋混凝土管片。根據(jù)研究，部分管片在施工階段就出現(xiàn)了開裂和破損現(xiàn)象，盾構(gòu)管片局部開裂問題直接影響到盾構(gòu)隧道的耐久性［4］，這就使對(duì)已出現(xiàn)開裂的盾構(gòu)管片在后期運(yùn)營(yíng)過程中的受力特性分析和研究顯得尤為重要。

現(xiàn)有對(duì)盾構(gòu)襯砌管片的結(jié)構(gòu)分析方法中，結(jié)構(gòu)荷載法和修正慣用法是兩種使用最廣泛的計(jì)算方法［5］。目前已有大量文獻(xiàn)采用這兩種方法對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行力學(xué)分析的案例［6－12］。而對(duì)于已開裂管片的計(jì)算方法方面，季倩倩［13］提出基于帶裂縫的盾構(gòu)隧道襯砌梁彈簧力學(xué)模型，通過在裂縫位置處添加彈簧單元來建立帶裂縫的盾構(gòu)隧道襯砌力學(xué)模型，同時(shí)也在計(jì)算模型中考慮了盾構(gòu)管片材料參數(shù)的降低。這種方法主要基于結(jié)構(gòu)荷載法模型進(jìn)行改進(jìn)，可以粗略地對(duì)裂縫對(duì)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響進(jìn)行評(píng)估，但是無法較精確地得到裂縫本身深度對(duì)襯砌管片受力特性的影響，以及已開裂管片的應(yīng)力分布變化情況。

本文結(jié)合廣州地鐵某已運(yùn)營(yíng)的盾構(gòu)區(qū)間隧道現(xiàn)狀，通過采用三維Goodman單元來模擬管片裂縫，對(duì)盾構(gòu)區(qū)間隧道已開裂管片的裂縫深度變化對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成的影響進(jìn)行了分析，同時(shí)也分析了環(huán)境因素變化時(shí)已開裂管片的變形及受力情況。

1 工程概況

廣州地鐵某已運(yùn)營(yíng)的區(qū)間隧道為雙線盾構(gòu)隧道，已正常運(yùn)行多年。該工程場(chǎng)地地層從上往下依次為雜填土、砂土和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，地下水主要為賦存于砂層中的孔隙水，屬潛水性質(zhì)，地下水位埋深約為2 m，區(qū)間隧道頂部離地表為6.37 m，屬淺埋隧道。該區(qū)間盾構(gòu)管片環(huán)外徑為6 m，厚度為0.3 m，管片寬度為1.2 m，材料為C50，管片內(nèi)配有8根?16 mm的HRB335鋼筋，共兩排，保護(hù)層厚度50 mm。該區(qū)間隧道上方已建成有大型商住樓項(xiàng)目，其與商住樓項(xiàng)目的位置關(guān)系如圖1所示，該工程所在場(chǎng)地的地層力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間隧道及上方商住樓項(xiàng)目平面圖

表1 地層力學(xué)計(jì)算參數(shù)

目前該區(qū)間隧道雙線盾構(gòu)區(qū)間的管片均出現(xiàn)了開裂、掉塊的現(xiàn)象。特別是下行線區(qū)間段，于下行線里程K5＋404.8處的11點(diǎn)位出現(xiàn)了掉塊現(xiàn)象，具體位置為環(huán)向管片接縫螺栓孔部位。而在下行線區(qū)間K5＋400～K5＋483范圍內(nèi)隧道頂部10點(diǎn)～12點(diǎn)位處管片縱向裂紋較多，幾乎每環(huán)管片均有裂紋，個(gè)別管片上裂紋達(dá)到10條左右，大多數(shù)裂紋縱向貫穿整塊管片，裂紋寬度最大約0.5 mm。該區(qū)間隧道掉塊及裂縫的現(xiàn)場(chǎng)情況如圖2、圖3所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)掉塊

圖3 管片裂縫

2 裂縫深度對(duì)已開裂管片的影響

2.1 分析模型的建立

為了評(píng)價(jià)已開裂管片的裂縫深度對(duì)管片安全性的評(píng)價(jià)，建立了考慮裂縫存在情況下的盾構(gòu)管片模型。通過比較，認(rèn)為下行線第22環(huán)管片環(huán)的整體性能受裂縫的削弱程度最大（該環(huán)雖然只有2條裂縫，但是檢測(cè)范圍內(nèi)最寬的0.53 mm的裂縫位于該環(huán)管片上，而該環(huán)另一條裂縫的寬度也較大，達(dá)0.45 mm），因此選擇該環(huán)管片作為分析對(duì)象，建立起考慮裂縫存在的實(shí)體管片環(huán)模型。

通過采用三維Goodman單元進(jìn)行裂縫模擬，通過設(shè)定不同的Goodman單元法向、切向剛度值來模擬裂縫的性能參數(shù)。管片之間的接頭也采用Goodman單元進(jìn)行模擬。Goodman單元是一種無厚度單元［14］。兩種材料接觸面的相互作用采用無數(shù)切向和法向的微小彈簧來模擬。在線性彈性假定下，應(yīng)力與相對(duì)位移（變形）的關(guān)系成正比，其關(guān)系式為

式中，kn、ks1、ks2分別為接觸面的法向剛度系數(shù)及2個(gè)方向的切向剛度系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取kn＝1.2×104MN／m3，ks1＝ks2＝0.6×104MN／m3。

根據(jù)計(jì)算環(huán)管片的參數(shù)情況，建立起如圖5所示的整體計(jì)算模型，管片接頭、裂縫及鋼歷位置如圖6所示。其中管片混凝土采用映射劃分的八節(jié)點(diǎn)六面體單元。鋼筋采用MIDAS-GTS獨(dú)有的植入式桁架單元進(jìn)行模擬。而周圍土層與盾構(gòu)隧道之間的相互作用則通過建立曲面彈簧的方式建立，土層地基彈簧系數(shù)為K＝1.5×104k N／m3。計(jì)算時(shí)取模型的地下水位深度為－2 m，地面超載根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為20 k N／m2。管片所受荷載考慮了豎向土壓力、水平側(cè)壓力、水壓力及結(jié)構(gòu)本身的自重，分別計(jì)算如下（軸向一延米寬度情況下的荷載值）。

1）拱頂豎向土壓力

計(jì)算時(shí)，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35。

圖5 整體模型圖

圖6 裂縫、管片接頭及鋼筋位置示意

計(jì)算模型中根據(jù)該環(huán)管片開裂現(xiàn)狀，分別在模型10點(diǎn)～12點(diǎn)位的封頂塊及左側(cè)T1塊上分別布置一條裂縫。針對(duì)裂縫深度對(duì)盾構(gòu)管片的影響，其中左側(cè) T1塊裂縫寬度為0.45 mm，深度為120 mm；封頂塊裂縫寬度為0.53 mm，深度為則設(shè)置了60、150、240、300 mm（此時(shí)裂縫沿徑向貫通）共4組不同的深度值。

2.2 不同裂縫深度對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果

4組不同的裂縫深度情況下計(jì)算所得的管片砼應(yīng)力情況匯總在表2中。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）可知，管片混凝土C50的軸向抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc為23.1 MPa，軸向抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft為1.89 MPa。HRB335鋼筋的抗拉及抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值均為300 MPa。

由表2可知，在其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，隨著拱頂處裂縫深度的增加，管片砼的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力變化不大，變化趨勢(shì)無明顯規(guī)律，且均在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。這說明只要外荷載條件不發(fā)生大的變化，管片砼的受力狀態(tài)與已存在的裂縫深度關(guān)系不大。值得注意的是，當(dāng)裂縫徑向貫通的時(shí)候，鋼筋的拉應(yīng)力值超過了規(guī)范允許值。此外通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著裂縫深度的增加，盾構(gòu)管片的水平及豎向收斂略有增加，但變化幅度不大（見表3所示）。

表2 封頂塊不同裂縫深度下管片應(yīng)力情況匯總表

表3 不同裂縫深度時(shí)的盾構(gòu)管片收斂及整體位移值

3 環(huán)境因素變化時(shí)已開裂管片的特性

為了對(duì)管片是否處于安全狀況以及裂縫是否會(huì)繼續(xù)發(fā)展等問題進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，在第3節(jié)中的計(jì)算模型基礎(chǔ)上（管片左側(cè)T1塊裂縫寬度為0.45 mm，深度為120 mm；封頂塊裂縫寬度為0.53 mm，深度為150 mm），分別對(duì)側(cè)向土壓力、地基彈簧系數(shù)以及地下水位等幾種重要因素對(duì)管片受力特性的影響進(jìn)行分析評(píng)估。各因素均設(shè)置四組不同的參數(shù)值，每組均對(duì)應(yīng)不同的荷載值或地基彈簧系數(shù)。各組模型的荷載分布示意圖見圖7。各組模型下對(duì)應(yīng)荷載具體數(shù)值及地基彈簧系數(shù)值見表4所示。

圖7 荷載分布示意圖

表4 各分析工況對(duì)應(yīng)的荷載情況及地基彈簧系數(shù)

3.1 側(cè)向土壓力系數(shù)對(duì)盾構(gòu)管片的影響

針對(duì)側(cè)向土壓力系數(shù)對(duì)盾構(gòu)管片的影響，共設(shè)置了4組不同的側(cè)向土壓力系數(shù)值，分別為k＝0.593（靜止土壓力）、0.536、0.479、0.422（主動(dòng)土壓力）。通過計(jì)算可知，在其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，隨著側(cè)向土壓力系數(shù)的增加，管片砼的最大壓應(yīng)力、最大剪應(yīng)力以及鋼筋的應(yīng)力變化幅度較小，且均小于規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。而管片砼的最大拉應(yīng)力則隨著側(cè)向土壓力系數(shù)的增加而加速增加（見圖8）。側(cè)向土壓力系數(shù)k達(dá)到主動(dòng)土壓力狀態(tài)時(shí)，管片砼的最大拉應(yīng)力值為1.251 MPa，為靜止土壓力狀態(tài)時(shí)的3.3倍，但并未超過混凝土的拉應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。需要指出的是計(jì)算時(shí)假定地基地基彈簧系數(shù)在K＝1.5×104k N／m3且計(jì)算水位不下降（即為水位為－2 m）的情況下。而現(xiàn)實(shí)情況下隨著側(cè)向土壓力系數(shù)的減少，地基彈簧系數(shù)及地下水位也有可能在變化，因此也有可能出現(xiàn)管片砼的最大拉應(yīng)力值超過規(guī)范允許值的情況。

管片位移方面，隨著土壓力系數(shù)由靜止土壓力系數(shù)減少主動(dòng)土壓力系數(shù)，管片的水平、豎向收斂值及豎向沉降值均增加，其中整體豎向沉降的增幅相對(duì)收斂值而言更小（見圖9）。

圖8 管片砼最大拉應(yīng)力隨側(cè)向土壓力系數(shù)變化的曲線

圖9 管片收斂及整體位移隨側(cè)向土壓力系數(shù)變化的曲線

3.2 地基彈簧系數(shù)對(duì)盾構(gòu)管片的影響

針對(duì)地基彈簧系數(shù)對(duì)盾構(gòu)管片的影響，本文共設(shè)置了四組不同的地基彈簧系數(shù)值，分別為K、0.7 K、0.4 K、0.1 K（K ＝1.5×104k N／m3）。在其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，隨著地基彈簧系數(shù)的減少，管片砼的最大拉應(yīng)力（見圖10）、最大壓應(yīng)力均在增加。其中當(dāng)?shù)鼗鶑椈上禂?shù)達(dá)到最初K值的1／10時(shí)，管片砼的最大拉應(yīng)力值為2.302 MPa，為地基彈簧系數(shù)取K時(shí)的1.8倍，超過混凝土的拉應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。位移方面，隨著地基彈簧系數(shù)K逐漸減少，管片的水平及豎向收斂值均增加。整體水平位移基本可忽略不計(jì)（見圖11）。但隨著地基彈簧系數(shù)的減少，管片砼的整體豎向沉降在加速增大，呈拋物線型增加趨勢(shì)（見圖12）。

圖10 管片砼最大拉應(yīng)力隨地基彈簧系數(shù)變化的曲線

11 管片收斂及整體水平位移隨地基彈簧系數(shù)變化的曲線

12 管片最大整體豎向沉降隨地基彈簧系數(shù)變化的曲線

3.3 地下水位對(duì)盾構(gòu)管片的影響

針對(duì)地下水位對(duì)盾構(gòu)管片的影響，共設(shè)置了4組不同的地下水位深度值，分別為0、－2、－4、－6 m。在其他計(jì)算參數(shù)不變的情況下，隨著地下水位埋深的增加，管片砼的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力均隨著地下水位埋深的增加而增加。其中最大壓應(yīng)力在計(jì)算范圍內(nèi)均小于規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而地下水位為－4、－6 m兩個(gè)工況中管片砼的最大拉應(yīng)力超過了規(guī)范允許值（見圖13）。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钸_(dá)到－6 m時(shí)，管片砼的最大拉應(yīng)力值為3.183 MPa，為即地下水位－2 m時(shí)的2.5倍。同時(shí)，隨著地下水位的降低，管片的水平、豎向收斂值及豎向沉降值均增加，且豎向沉降的增速略大于收斂值增速（見圖14）。

圖13 管片砼最大拉應(yīng)力隨地下水位變化的曲線

圖14 管片收斂及整體位移值隨地下水位變化的曲線

4 處理措施及效果

根據(jù)前述的的計(jì)算分析可知，盾構(gòu)隧道周邊土體與盾構(gòu)管片之間的相互作用情況以及地下水位的分布情況是影響盾構(gòu)管片受力性能、影響其穩(wěn)定性及安全性的重要因素。為了保證目前已存在裂縫的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在使用期間的穩(wěn)定及安全，本區(qū)間盾構(gòu)隧道最終采用了以下的措施進(jìn)行處理：

1）對(duì)于變形較大的盾構(gòu)隧道區(qū)段，采取注漿處理或者其他加固措施對(duì)周邊土體進(jìn)行加固，盡量使盾構(gòu)結(jié)構(gòu)與周邊土體之間能夠從主動(dòng)土壓力狀態(tài)恢復(fù)到接近靜止土壓力狀態(tài)，并提高基床系數(shù)，從而保證盾構(gòu)隧道的受力性能，增強(qiáng)隧道自身的穩(wěn)定性。

2）該區(qū)段所在場(chǎng)地的地下水位情況進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)，防止地下水位出現(xiàn)較大的下降。足夠水壓的存在對(duì)于使盾構(gòu)隧道保持受壓狀態(tài)、防止受拉區(qū)應(yīng)力及管片彎矩超過允許值起著重要的作用。

3）對(duì)于管片開裂，選用環(huán)氧樹脂漿液進(jìn)行化學(xué)注漿，封閉裂縫，避免致使受拉側(cè)鋼筋外露。同時(shí)密切關(guān)注隧道正上方和正下方的裂縫情況。

4）對(duì)于管片滲水，采取“堵排結(jié)合、多道防線、因地制宜、剛?cè)嵯酀?jì)、綜合治理”的原則進(jìn)行治理。針對(duì)管片環(huán)向、縱向接頭縫滲漏水，漏水量較大的孔洞，采取灌漿堵漏措施，并做好相應(yīng)的引排水措施；針對(duì)管片結(jié)構(gòu)表面有輕度或微量滲水，采用聚合物水泥砂漿抹面或剛性防水多層抹面方法對(duì)點(diǎn)滲漏部位進(jìn)行封堵處理；針對(duì)管片結(jié)構(gòu)表面存在大面積嚴(yán)重滲漏，或有眾多明顯裂縫時(shí)，則采取注漿補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行處理。

5）對(duì)于管片掉塊部位，采取局部補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行處理。

通過采取以上修復(fù)措施，該區(qū)段盾構(gòu)隧道的裂縫等病害已得到有效的處理。通過日常的監(jiān)測(cè)及觀察，該區(qū)段盾構(gòu)隧道目前無新的裂縫出現(xiàn)，總體處于穩(wěn)定及安全的狀態(tài)。

5 結(jié) 語

結(jié)合廣州地鐵某已運(yùn)營(yíng)的盾構(gòu)區(qū)間隧道現(xiàn)狀，利用數(shù)值分析軟件，采用三維Goodman單元來模擬管片已存在的裂縫并進(jìn)行分析研究，研究表明：

1）隨著管片裂縫深度的增加，管片砼的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力變化不大。但當(dāng)裂縫接近徑向貫通的時(shí)候，鋼筋的拉應(yīng)力值會(huì)大大增加，有可能超過規(guī)范允許值。同時(shí)而隨著裂縫深度的增加，盾構(gòu)管片的水平及豎向收斂略有增加，但變化幅度不大。

2）在盾構(gòu)管片存在既有裂縫的情況下，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力值、水平和豎向收斂值、豎向沉降值均隨側(cè)向土壓力系數(shù)、地基彈簧系數(shù)的減少而增大，同時(shí)隨地下水位埋深的增大而增大。其中地下水位以及地基彈簧系數(shù)的變化對(duì)管片最大拉應(yīng)力的影響相對(duì)更大。

根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)該區(qū)間隧道盾構(gòu)隧道的裂縫等病害采取針對(duì)性修復(fù)措施，總體效果良好。目前該區(qū)段盾構(gòu)隧道目前無新的裂縫出現(xiàn)，總體處于穩(wěn)定及安全的狀態(tài)。

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（編輯 王秀玲）

Mechanical and Deformation Characteristics on Shield Tunnel Segment with Cracks

Zhang Hongbin1，2，Zhang Guoxiang1，An Guanfeng2，Liu Tianjun2
（1.College of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，P.R.China；2.Guangzhou Municipal Engineering Group，Guangzhou 510060，P.R.China）

The 3D Goodman element is used to simulate segments＇cracks in one section of shield tunnel in Guangzhou.Mechanical and deformation characteristics of segment structure responded to varied depth of cracks is analyzed in this paper.Meanwhile，research on coefficient of lateral earth pressure，soil coefficient and ground water level on mechanical and deformation characteristics is carried out.The research result shows that along with the increase of cracks＇depth，the tensile stress，pressure stress reach the maximum value while the increment is not too much.However，when the depth equals to the thickness of segment，the reinforcements＇tensile stress has increase sharply，even exceeded the allowable value.Moreover，the maximum number of tensile stress，horizontal and vertical convergent value of shield tunnel segment with cracks increase with the reduction of the coefficient of lateral earth pressure and soil coefficient，and increase with the increase of ground water level as well.Specific repair measure has been taken to segments＇cracks in this section of shield tunnel based on the conclusions.In general，this section of shield tunnel is stable and safe now，and there is no longer new cracks appeared.

shield tunnel；segment；crack；Goodman element；tensile stress

U451

A

1674-4764（2014）03-0052-07

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.03.009

2013-08-25

廣東省國(guó)際合作項(xiàng)目（2012B050300005）；廣州市建筑集團(tuán)有限公司科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010KJ007）

張洪彬（1982-），男，博士生，主要從事巖土及市政工程的數(shù)值分析、設(shè)計(jì)及研究，（E-mail）binbin131421＠qq.com。