地表大范圍開挖卸載引起下臥盾構(gòu)隧道管片碎裂機(jī)理研究

戴志仁

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安　710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710043)

近年來，隨著城市工程的大量興建，為了確保地鐵工程的安全，地鐵周邊環(huán)境的保護(hù)問題越來越突出[1]。按照相關(guān)規(guī)定[2]，既有地鐵隧道周邊50 m范圍內(nèi)為建設(shè)控制地帶，而在地鐵工程(外邊線)兩側(cè)的鄰近3 m范圍內(nèi)不能進(jìn)行任何工程建設(shè)。但受控于周邊環(huán)境與建設(shè)條件，在既有地鐵隧道上方進(jìn)行基坑開挖、大面積堆載，甚至是高層建筑建設(shè)等情況屢見不鮮[3-4]，由此引起的地鐵隧道隆沉變形、管片接縫張開與滲漏、隧道沿縱向的不均勻彎曲變形、道床底部與襯砌結(jié)構(gòu)脫離以及管片裂縫與破碎等，對(duì)既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)與正常運(yùn)營帶來了極大的安全隱患，引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注。李瑛等[5]對(duì)大面積卸荷條件下下臥地鐵隧道的變形進(jìn)行了研究，提出了坑底地層加固與分層分塊開挖的控制措施；李平等[6]提出了在基坑開挖卸載條件下，可利用坑底地層加固與抗浮板樁相結(jié)合的措施，抑制下方隧道的隆起位移；俞縉等[7]肯定了基坑底部地層加固處理對(duì)抑制下方隧道隆起的控制效果；于加新[8]提出了軟土地層基坑開挖引起坑底的回彈變形量的估算方法。但現(xiàn)有文獻(xiàn)鮮有針對(duì)大范圍開挖卸載引起下方隧道的位移與內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行研究，未能對(duì)卸載條件下隧道的承載力與安全性做出評(píng)價(jià)。

成都地鐵某盾構(gòu)隧道竣工后，在其上部地表又進(jìn)行了大范圍的山坡改造和城市道路施工，使得下臥盾構(gòu)隧道覆土厚度驟減，圍巖壓力突變，再加上小曲線半徑條件下管片拼裝質(zhì)量較差，導(dǎo)致隧道管片踏步與錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象明顯，接縫一側(cè)管片出現(xiàn)大范圍裂縫與碎裂，甚至出現(xiàn)明顯的掉塊現(xiàn)象，對(duì)地鐵正常開通運(yùn)營造成了嚴(yán)重的影響。因此，本文采用有限元軟件MIDAS/GTS，對(duì)該工程建立二維平面應(yīng)變模型，數(shù)值模擬分析在地表進(jìn)行大范圍土坡開挖與道路施工的過程中，下臥盾構(gòu)隧道的位移和內(nèi)力的變化趨勢，明確導(dǎo)致隧道管片碎裂的根源，從而提出針對(duì)性的具體管片修補(bǔ)方案，以為類似工程提供借鑒與參考。

1　工程概況

1.1　工程簡介

成都地鐵某盾構(gòu)隧道為典型的單線單洞隧道，拱頂埋深為9.5～24.5 m，主要走行于黏土地層，上覆粉質(zhì)黏土、黏土與雜填土，地形情況較為復(fù)雜，局部屬于丘陵地貌，地表起伏較大，區(qū)間沿線涉及住宅小區(qū)、村莊、農(nóng)田以及規(guī)劃中的龍工北路(城市道路，隧道施工期間該道路尚未施工)，具體如圖1和圖2所示，地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1[9]。

圖1　區(qū)間隧道總平面圖

圖2　典型地質(zhì)剖面圖(單位：m)

土層及其編號(hào)比重/(kN·m-3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)側(cè)壓力系數(shù)彈性模量/MPa土層厚度/m1-1雜填土18.5512.06.90.53-1硬塑黏土20.06019.50.514.015.04-1硬塑粉黏土20.55522.00.510.06.53-2可塑黏土19.55017.00.57.08.09-3中風(fēng)化泥巖23.0100035.03000.0>20.0

1.2　規(guī)劃道路施工與隧道管片破碎情況簡介

隧道工程于2013年6月中旬竣工，此時(shí)規(guī)劃中的龍工北路尚未開工。2014年8月，規(guī)劃道路開始施工，首先對(duì)隧道上方土坡進(jìn)行了場地平整，然后進(jìn)行排水施工、道路基層以及面層施工，左線隧道拱頂覆土厚度由18.0 m減小到約7.0 m，最終恢復(fù)到10.0 m，于2014年10月初施工結(jié)束，具體施工工序見表2。2014年10月下旬，在地鐵即將正式開通運(yùn)營前夕，巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)龍工北路下方左線隧道約60 m范圍(第403～443環(huán))內(nèi)，拱頂出現(xiàn)大范圍裂縫與碎裂掉塊現(xiàn)象，見表3、圖3和圖4，道路側(cè)下方右線隧道未發(fā)現(xiàn)明顯的碎裂現(xiàn)象。

由表3可知，在左線隧道第403～443環(huán)的40環(huán)范圍內(nèi)，共有9環(huán)管片出現(xiàn)沿環(huán)寬方向的貫通性裂縫，共有17環(huán)管片出現(xiàn)明顯的碎裂掉塊現(xiàn)象，其中還有5環(huán)管片在拱頂接縫處出現(xiàn)沿環(huán)寬方向的貫通性碎裂，對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的安全造成了嚴(yán)重隱患，給地鐵正常開通運(yùn)營帶來了極大的影響。

表2　道路施工工序與左線隧道覆土厚度變化情況

圖3　左線隧道拱頂管片局部裂縫　　　圖4　左線隧道拱頂管片碎裂掉塊

管片環(huán)編號(hào)破碎情況描述出現(xiàn)部位403,405,410,422,428,432拱頂1點(diǎn)鐘方向沿環(huán)寬出現(xiàn)1條貫通性裂縫,縫寬約0.1mm距接縫約100～300mm434,436,441拱頂1點(diǎn)鐘方向沿環(huán)寬出現(xiàn)2～3條貫通性裂縫,縫寬約0.1～0.2mm距接縫約200～500mm共計(jì)9環(huán)管片出現(xiàn)明顯裂縫,且多以貫通性裂縫為主403,424,428,432,436,438,440拱頂11點(diǎn)鐘方向接縫處局部碎裂掉塊碎裂掉塊尺寸以580mm×140mm×120mm(長×寬×深)為主,其中第438與436環(huán)沿環(huán)寬方向全部碎裂443,441,426,415,404拱頂1點(diǎn)鐘方向接縫處局部碎裂掉塊碎裂掉塊尺寸以350mm×200mm×70mm(長×寬×深)為主,其中第441與443環(huán)沿環(huán)寬方向全部碎裂408,423,425,430,434拱頂12點(diǎn)鐘方向接縫處局部碎裂掉塊碎裂掉塊尺寸以400mm×170mm×110mm(長×寬×深)為主,其中第434環(huán)沿環(huán)寬方向全部碎裂

2　數(shù)值計(jì)算模型與關(guān)鍵技術(shù)

2.1　數(shù)值計(jì)算模型

本文采用有限元軟件MIDAS/GTS，對(duì)規(guī)劃道路施工引起的地表大范圍開挖卸載所導(dǎo)致下臥盾構(gòu)隧道位移和內(nèi)力的變化規(guī)律進(jìn)行定量分析。計(jì)算采用二維平面應(yīng)變模型、摩爾—庫倫準(zhǔn)則，在最不利斷面處建立計(jì)算模型，模型尺寸為114 m×41 m(長×高)，隧道距離模型邊界47 m(≥5D，D為隧道直徑)，距離模型底部17 m，滿足圣維南邊界條件，采用位移邊界條件，共包含1 428個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 432個(gè)單元，如圖5所示。

圖5　計(jì)算模型

2.2　數(shù)值計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)值模擬計(jì)算主要涉及以下4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

(1)地表超載按20 kPa均布荷載考慮，土坡與地層的分層開挖以及道路基層與路面的施工回填，均按照具體分層原則一次施工到位。

(2)隧道開挖與管片襯砌施工對(duì)應(yīng)的地層應(yīng)力釋放系數(shù)均取2∶8，模擬實(shí)際工程中盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)與圍巖應(yīng)力的釋放。

(3)管片襯砌采用梁單元模擬，土層采用平面應(yīng)變單元模擬。

(4)施工順序：左線隧道開挖與襯砌→右線隧道開挖與襯砌→左線隧道上方土坡分層開挖→既有道路施工與地表超挖→地表回填。模擬方法：通過鈍化與激活相關(guān)單元來模擬土層的開挖與回填。

3　地表開挖卸載引起盾構(gòu)隧道位移的變化規(guī)律

道路施工中進(jìn)行了大范圍的地表開挖，開挖區(qū)域類似一個(gè)較大規(guī)模的基坑，引起坑底土體的回彈變形，由于盾構(gòu)隧道沿縱向剛度較小，故在小變形范圍內(nèi)基坑下臥盾構(gòu)隧道的位移(隆起或沉降)與坑底地層的變形是協(xié)調(diào)一致的。

3.1　隧道豎向位移的變化規(guī)律

不同施工階段，隧道的隆沉情況主要反應(yīng)在拱頂與拱底豎向位移的變化，因左線隧道位于道路的正下方，右線隧道位于道路的側(cè)下方，所以對(duì)左、右線隧道分別進(jìn)行分析。

3.1.1左線隧道拱頂和拱底豎向位移的變化規(guī)律

道路正下方的左線隧道不但受到開挖卸載的影響，而且還在一定程度上受到偏載的影響(見圖5)。不同施工階段左線隧道拱頂和拱底的豎向位移增量(各施工階段的豎向位移與隧道竣工后豎向位移的差值)如圖6所示。

圖6　不同施工階段左線隧道拱頂和拱底的豎向位移增量

由圖6可知：地表大范圍開挖卸載導(dǎo)致道路正下方左線隧道整體隆起，隨著逐步卸載，隧道拱頂和拱底隆起趨勢漸增，最大隆起值分別為52.7和38.8 mm，均發(fā)生在最大開挖深度階段；從地表超挖至道路回填施工完成，隧道拱頂和拱底的豎向位移均先增大后減小，但變形是同步的，反應(yīng)在拱頂和拱底間的豎向位移差基本維持在10～14 mm。

當(dāng)隧道有最大隆起變形時(shí)[10]，開挖卸載引起的隧道豎向直徑變化率為2.32‰。

當(dāng)隧道貫通時(shí)，拱頂沉降為-27.5 mm，最大卸載時(shí)拱頂隆起為25.2 mm。由此可見，地表卸載引起的隧道豎向直徑變化率為7.75‰>6‰(6‰為相關(guān)規(guī)范中要求的最大變形率[11])，如此大的位移變化幅度可能是引起左線隧道拱頂接縫一側(cè)管片破壞的一個(gè)主要原因。

3.1.2右線隧道拱頂與拱底的豎向位移

道路側(cè)下方的右線隧道受到地層開挖卸載的影響相對(duì)較小。不同施工階段隧道拱頂和拱底的豎向位移增量(各施工階段的豎向位移與隧道竣工后豎向位移的差值)如圖7所示。

圖7　不同施工階段右線隧道拱頂和拱底的豎向位移增量

由圖7可知，地表大范圍開挖卸載導(dǎo)致側(cè)下方右線隧道整體隆起，其中拱頂和拱底最大隆起增量分別達(dá)到23.4和19.4 mm，隧道豎向直徑變化率為0.67‰，與左線隧道豎向位移的變化規(guī)律基本相似，但變化量明顯減小。

右線隧道豎向直徑變化率呈現(xiàn)先增大后減小、再增大的變化趨勢，這主要是由于右線隧道受到卸載與偏載的共同作用，同時(shí)在地表超挖到一定深度以前，地層卸載的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，當(dāng)?shù)乇沓诘揭欢ㄉ疃群?，右線隧道兩側(cè)壓力相差較大，偏載的影響占據(jù)主導(dǎo)地位。

3.2　隧道水平向位移的變化規(guī)律

不同施工階段，隧道水平向位移的變化主要反應(yīng)在兩側(cè)拱腰處。

3.2.1左線隧道水平向位移的變化規(guī)律

不同施工階段左線隧道拱腰處的水平向位移增量(各施工階段的水平向位移與隧道竣工后水平向位移的差值)如圖8所示。

圖8　不同施工階段左線隧道拱腰處的水平向位移增量

由圖8可知：左線隧道水平向位移的變化主要發(fā)生在地表超挖及其回填階段，地表大范圍超挖卸載導(dǎo)致道路正下方左線隧道整體水平位移為負(fù)(向左為負(fù))，表明隧道向地層卸載方向偏移，右側(cè)拱腰最大偏移達(dá)到-22.5 mm，同時(shí)隧道水平向位移先減小后增大，當(dāng)?shù)乇沓诘阶畲笊疃葧r(shí)，隧道向卸載側(cè)的偏移趨勢最大，道路回填施工后，水平向位移與地表超挖前相當(dāng)。在此期間，左線隧道左右拱腰水平向位移差的增量基本維持不變，穩(wěn)定在-17～-21 mm。

另外，隧道水平向直徑最大變化率為2.15‰，如考慮隧道貫通時(shí)已經(jīng)發(fā)生的變形，隧道的豎向變形率為3.67‰<6‰，滿足規(guī)范要求。

3.2.2右線隧道水平向位移的變化規(guī)律

不同施工階段右線隧道拱腰處的水平向位移增量(各施工階段的水平向位移與隧道竣工后水平向位移的差值)如圖9所示。

圖9　不同施工階段右線隧道拱腰處的水平向位移增量

由圖9可知：與左線隧道水平向位移的規(guī)律相似，地表大范圍超挖卸載導(dǎo)致右線隧道水平向位移為負(fù)，即向卸載側(cè)整體偏移，水平向位移先減小后增大，最大偏移值出現(xiàn)時(shí)刻與最大卸載時(shí)刻吻合。

同時(shí)，由卸載引起的右線隧道水平向直徑最大變化率為0.82‰，如考慮隧道貫通時(shí)已經(jīng)發(fā)生的變形，右線隧道的豎向變形率為1.48‰<6‰，滿足規(guī)范要求。

另外，由以上分析可知，不論是左線隧道還是右線隧道，其水平向直徑的縮小與豎向直徑的增大是對(duì)應(yīng)的，同時(shí)豎向直徑的增大幅度要大于水平向直徑的減小幅度。

4　地表大范圍超挖卸載引起盾構(gòu)隧道內(nèi)力的變化規(guī)律

地表大范圍超挖與回填施工，導(dǎo)致圍巖壓力與隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨之變化，進(jìn)而會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

4.1　襯砌彎矩的變化規(guī)律

在隧道貫通、土坡開挖、地表開挖以及地表回填階段，襯砌彎矩的分布如圖10—圖13所示。

圖10　隧道貫通后襯砌的彎矩分布(單位：kN·m)

圖11　土坡開挖后襯砌的彎矩分布(單位：kN·m)

由圖10—圖13可知：地表大范圍超挖與回填施工對(duì)右線隧道襯砌彎矩的影響不大，但是對(duì)左線隧道襯砌彎矩的影響顯著，開挖導(dǎo)致左線隧道彎矩明顯減小，拱頂處彎矩由162.8 kN·m減小到41.1 kN·m，并導(dǎo)致左線隧道拱頂處局部區(qū)域由內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)橥鈧?cè)受拉，隧道左半斷面尤其明顯，彎矩由41.1 kN·m減小到-25.2 kN·m(外側(cè)受拉為負(fù))；地表回填后，隧道拱頂處再次轉(zhuǎn)變成內(nèi)側(cè)受拉。

圖12　地表超挖后襯砌的彎矩分布(單位：kN·m)

圖13　地表回填后襯砌的彎矩分布(單位：kN·m)

4.2　左線隧道內(nèi)力的變化規(guī)律

不同施工階段地表開挖卸載引起正下方左線隧道內(nèi)力的變化規(guī)律如圖14和圖15所示。

圖14　不同施工階段左線隧道拱頂處的內(nèi)力

圖15　不同施工階段左線隧道拱底處的內(nèi)力

由圖14和15可知：土坡開挖階段，左線隧道拱頂和拱底的彎矩均急劇下降，地表大范圍超挖及其回填階段沒有引起拱頂處彎矩的明顯波動(dòng)，但是地表超挖卻導(dǎo)致隧道拱頂處彎矩出現(xiàn)負(fù)值，由內(nèi)側(cè)受拉演變?yōu)橥鈧?cè)受拉，地表回填后彎矩穩(wěn)定在45 kN·m左右；隧道拱頂與拱底軸力的變化主要出現(xiàn)在地表最大超挖階段，其中左線隧道拱頂和拱底的軸力分別降低至361和457 kN，而且彎矩的最小值均出現(xiàn)在最大超挖階段。

由以上分析可知，地表大范圍超挖卸載對(duì)隧道拱頂和拱底內(nèi)力的影響主要體現(xiàn)在彎矩減小、軸力基本不變，彎矩的減小主要集中在土坡開挖階段，軸力的波動(dòng)主要體現(xiàn)在地表超挖及其回填階段。由于隧道襯砌屬于典型的壓彎構(gòu)件，內(nèi)力的變化不會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的承載力與安全產(chǎn)生明顯的不利影響。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)左線隧道拱頂管片出現(xiàn)大量的裂縫與碎裂掉塊現(xiàn)象。分析其原因主要有：在結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化幾乎不影響構(gòu)件承載力與安全的前提下，由于地表大范圍開挖卸載，導(dǎo)致左線隧道豎向直徑變化率較大，拱頂縱縫由內(nèi)側(cè)張開轉(zhuǎn)變成外側(cè)張開、內(nèi)側(cè)擠壓，拱頂處由內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變成外側(cè)受拉，隨后又轉(zhuǎn)變成內(nèi)側(cè)受拉，再加上小曲線半徑條件下管片拼裝質(zhì)量較差，使得踏步與錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象比較明顯，拱頂縱縫兩側(cè)管片塊由平整接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€與面的不平整接觸(見圖16)，在軸力基本不變的情況下，導(dǎo)致左線接觸側(cè)管片均出現(xiàn)不同程度的碎裂。

圖16　隧道拱頂縱縫兩側(cè)管片不平整接觸示意圖

4.3　右線隧道內(nèi)力的變化規(guī)律

不同施工階段地表大范圍超挖卸載引起右線隧道的內(nèi)力如圖17和圖18所示。

由圖17與18可知：土坡開挖階段，右線隧道拱頂與拱底的彎矩有所下降(下降約15%)，地表超挖及其回填階段，彎矩先增大后減小，最終的穩(wěn)定值與土坡開挖完成階段相當(dāng)，分別為165和156 kN·m；同時(shí)，軸力的波動(dòng)主要是由地表超挖引起的，拱頂和拱底的軸力最大下降幅度分別為23.9%和13.4%，均出現(xiàn)在最大卸載階段。

圖17　不同施工階段右線隧道拱頂處的內(nèi)力

圖18　不同施工階段右線隧道拱底處的內(nèi)力

在最大卸載階段，右線隧道拱頂和拱底的軸力最小，而對(duì)應(yīng)的彎矩卻最大(M=230 kN·m，N=344 kN)，這對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載力不利，可能會(huì)導(dǎo)致隧道拱頂或頂?shù)滋庨_裂或局部破碎。

另外，與左線隧道相比，右線隧道內(nèi)力波動(dòng)范圍較小，尤其是彎矩的變化，受地層卸載的影響相對(duì)較小。

5　管片修補(bǔ)方案

基于既有城市地鐵管片修補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)[12]，經(jīng)過深入研究，最后形成的管片修補(bǔ)方案原則如下。

(1)對(duì)于裂縫寬度在0.5 mm以下非貫穿性且不影響結(jié)構(gòu)承載力的裂縫，用改性環(huán)氧樹脂注漿材料灌注處理。

(2)對(duì)于裂縫寬度在0.5 mm以上的裂縫，先用改性環(huán)氧樹脂注漿材料灌注處理，并在表面騎縫粘貼碳纖維片材1層，裂縫兩側(cè)外延至少各150 mm，保證碳纖維片材寬度至少為300 mm。

(3)對(duì)于不影響管片承載力的破碎掉塊，采用環(huán)氧砂漿填充抹平，且應(yīng)與未修補(bǔ)混凝土面平整；對(duì)于破碎范圍較大、可能影響構(gòu)件承載力與安全的破碎掉快，還應(yīng)在表面騎縫粘貼碳纖維片材進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

基于以上修補(bǔ)原則修補(bǔ)后的管片如圖19所示，其承載力完全能夠滿足地鐵安全運(yùn)營的要求。

圖19　現(xiàn)場修補(bǔ)后的管片

6　結(jié)　論

(1)隧道整體呈隆起趨勢，同時(shí)呈現(xiàn)水平向直徑減小、豎向直徑增大的變形規(guī)律，隧道橫斷面由“橫鴨蛋”轉(zhuǎn)變成“豎鴨蛋”形式。

(2)隧道拱頂和拱底的彎矩減小、軸力基本不變，這對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響不大，但同時(shí)導(dǎo)致拱頂處局部區(qū)域由內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變成外側(cè)受拉，拱頂接縫由內(nèi)側(cè)張開轉(zhuǎn)變?yōu)橥鈧?cè)張開、內(nèi)側(cè)擠壓，同時(shí)接縫兩側(cè)管片的不平整接觸(錯(cuò)臺(tái))，加劇了拱頂接縫一側(cè)管片的裂縫與破碎。

(3)對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全的威脅主要來自隧道拱頂處內(nèi)側(cè)擠壓、隧道豎向橢圓度的增加和接縫兩側(cè)管片的不平整接觸(錯(cuò)臺(tái))，而非襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。

(4)右側(cè)隧道軸力減小、彎矩增大，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的受力和穩(wěn)定性不利。

(5)對(duì)于管片的裂縫宜采用改性環(huán)氧樹脂灌注處理，破碎掉塊處宜采用環(huán)氧砂漿填充；對(duì)影響構(gòu)件承載力與安全的管片裂縫或破碎(如沿管片環(huán)寬方向貫通的裂縫或破碎處)，還需粘貼碳纖維進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

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