地面超載軟土大直徑地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)

徐秀峰黃愛(ài)軍王春凱袁 勇

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，200092，上海；2.上海城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，200125，上?！蔚谝蛔髡撸T士）

目前，國(guó)內(nèi)正在運(yùn)營(yíng)的地鐵盾構(gòu)隧道基本都是小直徑隧道，且上下行線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，以便災(zāi)害發(fā)生時(shí)乘客能及時(shí)逃生與等待救援。上海軌道交通16號(hào)線工程在國(guó)內(nèi)首次采用單管雙線大直徑地鐵盾構(gòu)隧道，相對(duì)于小直徑盾構(gòu)隧道，可節(jié)省更多的地下空間資源，減小施工影響范圍，并且不需要設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，能更好地保證突發(fā)情形下乘客的安全。文獻(xiàn)［1］分析了剛性連接的中隔墻對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，文獻(xiàn)［2］為中隔墻頂部與襯砌管片之間預(yù)留間隙值的確定以及連接部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

本文以上海軌道交通16號(hào)線野生動(dòng)物園站—惠南站區(qū)間盾構(gòu)隧道為例，在地面超載作用下，對(duì)該隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形、縱縫張開(kāi)、石巖棉變形以及中隔墻壓應(yīng)力等進(jìn)行了模擬分析。

1 工程背景及計(jì)算模型

1.1 工程背景

上海軌道交通16號(hào)線野生動(dòng)物園站—惠南站區(qū)間位于上海市浦東新區(qū)惠南鎮(zhèn)，沿拱極路地下敷設(shè)，全長(zhǎng)約2.07 km。盾構(gòu)隧道外徑為11.36 m，內(nèi)徑為10.4 m，襯砌管片環(huán)寬為1.5 m。盾構(gòu)襯砌管片環(huán)由1塊封頂塊（F）、2塊鄰接塊（L）和 5塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B）組成，各管片塊對(duì)應(yīng)的圓心角均為45°?？v縫布置3根5.8級(jí)M36型螺栓，每環(huán)總計(jì)24根螺栓；環(huán)縫布置32根5.8級(jí)M30型螺栓。采用2環(huán)1組的錯(cuò)縫拼裝方式，相鄰環(huán)錯(cuò)開(kāi)角度為11.25°。

盾構(gòu)襯砌管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)由石巖棉、中隔墻、后澆結(jié)構(gòu)、T形現(xiàn)澆臺(tái)、口字件及其它現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)等組成，如圖1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)［3］中關(guān)于控制斷面的規(guī)定，本文選取隧道埋深最大（即覆土厚度為13.9 m、地下水位高度為1.5 m）的斷面進(jìn)行計(jì)算。

1.2 物理力學(xué)參數(shù)

地鐵隧道襯砌管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)選用實(shí)體單元，連接螺栓采用桁架單元。文獻(xiàn)［4］給出了石巖棉的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)，如表1所示。襯砌管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土采用塑性損傷本構(gòu)［5］，結(jié)合規(guī)范［6］得到襯砌管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土塑性損傷模型計(jì)算參數(shù)，如表2所示。螺栓采用雙折線彈塑性本構(gòu)關(guān)系［6］，其計(jì)算參數(shù)如表3所示。

1.3 接觸與約束條件

圖1 地鐵隧道襯砌管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 巖棉物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表2 襯砌管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土塑性損傷模型計(jì)算

表3 螺栓的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

將地鐵隧道襯砌管片縱、環(huán)縫接觸面定義為面與面接觸，即法向行為定義為“硬接觸”，切向行為采用“罰函數(shù)”算法（模擬小滑移以及由法向接觸壓力引起的摩擦力，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3）。

因襯砌管片手孔部位加大了配筋量，故假定手孔及螺栓孔與管片等剛度，將螺栓兩端分別嵌入到相鄰的兩塊管片中。

現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)與口字件的水平向接觸面搭接在一起，故定義為面與面接觸。內(nèi)部結(jié)構(gòu)其余位置的接觸面通過(guò)鋼筋或植筋的方式連接，故定義為綁定，且假定綁定的兩個(gè)面在分析過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)位移。內(nèi)部結(jié)構(gòu)各接觸面的分布位置示意圖如圖2所示。

圖2 地鐵隧道襯砌管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)接觸面分布位置

對(duì)地鐵隧道施加軸向約束，并于第一環(huán)和最后一環(huán)襯砌管片的圓心水平軸線位置及底部分別施加豎向與水平向的自由度約束，如圖3所示。

圖3 地鐵隧道有限元模型圖

1.4 計(jì)算工況

計(jì)算采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，荷載取值詳見(jiàn)有關(guān)規(guī)范［7］。地面超載工況采用隧道頂部的堆土高度來(lái)模擬，從正常運(yùn)營(yíng)工況下的0 m增加到6.3 m，每次增加0.9 m，共設(shè)7個(gè)超載工況。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)，堆土重度取16 kN/m3，如表4所示。

表4 不同堆土高度下的豎向土壓力表

2 地鐵隧道有限元計(jì)算結(jié)果與分析

選取中間2環(huán)襯砌管片（見(jiàn)圖3）進(jìn)行分析，采用文獻(xiàn)［8］建立的編碼規(guī)則，將管片F(xiàn)與L1的縱縫設(shè)定為第1條縱縫，襯砌管片環(huán)縱縫編號(hào)如圖4所示?？v縫張開(kāi)量限值為2～4 mm［7］。

圖4 襯砌管片環(huán)縱縫編號(hào)

在襯砌管片環(huán)豎向、橫向和45°方向設(shè)置4條測(cè)線來(lái)統(tǒng)計(jì)隧道的徑向變形，如圖5所示。襯砌結(jié)構(gòu)的直徑變形量限值為3‰ D［7］，其中D為隧道外徑，本文限值取34 mm。

圖5 地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)測(cè)線示意圖

2.1 襯砌管片環(huán)整體變形

在正常運(yùn)營(yíng)工況下，襯砌管片環(huán)整體變形呈“橫鴨蛋”狀，2環(huán)管片的豎向變形量均為6.0 mm、橫向變形量均為5.0 mm。在地面超載工況下，襯砌管片環(huán)I～I(xiàn)I的變形玫瑰圖如圖6所示。由圖6可知，襯砌管片環(huán)始終呈“橫鴨蛋”狀。

圖6 地面超載工況下襯砌管片環(huán)變形玫瑰圖

襯砌管片環(huán)Ⅰ與Ⅱ在不同堆土高度下的變形曲線如圖7所示。由圖7可知，在堆土高度達(dá)到2.7 m之前，曲線斜率基本保持不變；堆土高度超過(guò)2.7 m之后，曲線斜率逐漸下降；堆土高度達(dá)到2.7 m時(shí)，襯砌管片環(huán)Ⅰ與Ⅱ的最大收斂變形量為28 mm；堆土高度達(dá)到3.6 m時(shí)，襯砌管片環(huán)Ⅰ與Ⅱ的最大收斂變形量為73 mm。由此可知，襯砌管片環(huán)變形量達(dá)到限值34.0 mm時(shí)，堆土高度為2.82 m。

2.2 襯砌管片環(huán)張開(kāi)接縫

襯砌管片環(huán)I張開(kāi)接縫分布圖和不同堆土高度下接縫張開(kāi)量曲線如圖8、圖9所示。圖8中尖角表示接縫張開(kāi)位置，其中內(nèi)弧面張開(kāi)為正，外弧面張開(kāi)為負(fù)。在正常運(yùn)營(yíng)工況下，各接縫的張開(kāi)量均為0.01 mm。在加載過(guò)程中，未出現(xiàn)新的接縫張開(kāi)，已張開(kāi)接縫的張開(kāi)量隨堆土高度的增加而增加。當(dāng)堆土高度達(dá)到6.3 m時(shí)，襯砌管片環(huán)I的各接縫張開(kāi)量如表5所示。

圖7 襯砌管片環(huán)在不同堆土高度下的變形曲線

圖8 襯砌管片環(huán)Ⅰ張開(kāi)接縫分布圖

2.3 石巖棉變形曲線及中隔墻應(yīng)力變化

圖9 襯砌管片環(huán)Ⅰ各接縫張開(kāi)量-堆土高度曲線

表5 堆土高度6.3 m時(shí)襯砌管片環(huán)I各接縫的張開(kāi)量mm

圖10、圖11分別為石巖棉在不同堆土高度下的變形量曲線和中隔墻在不同堆土高度下的壓應(yīng)力曲線（襯砌管片環(huán)Ⅰ和Ⅱ的曲線基本重合）。由圖10～11可知，在正常運(yùn)營(yíng)工況下，石巖棉收斂變形量為4 mm，中隔墻壓應(yīng)力為0.2 MPa。加載過(guò)程中，襯砌管片環(huán)Ⅰ、Ⅱ的石巖棉變形量曲線和中隔墻壓應(yīng)力曲線基本一致。當(dāng)堆土高度為0～2.7 m時(shí)，曲線斜率保持不變；當(dāng)堆土高度為2.7～5.4 m時(shí)，斜率較前一階段減小；當(dāng)堆土高度為5.4～6.3 m時(shí)，圖10的曲線斜率驟增，圖11的曲線斜率趨于平緩，即在此加載過(guò)程中，石巖棉壓縮量變化較小，中隔墻的壓應(yīng)力變化較大；當(dāng)堆土高度達(dá)到6.3 m時(shí)，石巖棉壓縮量達(dá)到114 mm，該數(shù)值接近中隔墻頂部與襯砌管片之間的間隙值120 mm。

圖10 石巖棉在不同堆土高度下的變形量曲線

圖11 中隔墻在不同堆土高度下的壓應(yīng)力曲線

3 結(jié)論

（1）在地面超載工況下，本區(qū)間地鐵隧道每組拼裝循環(huán)中的2環(huán)管片受力變形性能基本一致。地面超載對(duì)襯砌管片環(huán)變形、接縫張開(kāi)、石巖棉變形及中隔墻壓應(yīng)力均有一定影響。

（2）在正常運(yùn)營(yíng)及超載工況下，襯砌管片環(huán)變形呈“橫鴨蛋”狀，其變形量隨超載量的增加而增大。襯砌管片環(huán)最大變形量達(dá)到限值時(shí)，堆土高度為2.82 m。當(dāng)堆土高度超過(guò)2.82 m時(shí)，需采取相應(yīng)措施來(lái)控制襯砌管片環(huán)的變形。

（3）中隔墻壓應(yīng)力與石巖棉變形量存在緊密聯(lián)系。當(dāng)堆土高度達(dá)到6.3 m時(shí)，石巖棉壓變形達(dá)到114 mm，該值接近中隔墻頂部與襯砌管片之間的間隙值120 mm，使地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力體系發(fā)生變化。

［1］ 楊洪杰.大斷面地鐵區(qū)間隧道中隔墻對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析［J］.地下工程與隧道，2011（1）：12.

［2］ 張中杰，葉冠林，湯翔.中隔墻對(duì)上海軌道交通16號(hào)線大斷面盾構(gòu)隧道的變形影響分析［J］.隧道建設(shè)，2014，10：953.

［3］ 王宸，鄧華，黃莉.巖棉夾芯金屬屋面板的阻尼性能研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2013，20：55.

［4］ 聶建國(guó)，王宇航.ABAQUS中混凝土本構(gòu)模型用于模擬結(jié)構(gòu)靜力行為的比較研究［J］.工程力學(xué)，2013（4）：59.

［5］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］ 上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì).地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：DGJ 08—11—2010［S］.上海：上海市建筑建材業(yè)市場(chǎng)管理總站，2010.

［7］ 姚旭朋，王旭東，劉兆吉.越江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)日常檢查的狀況評(píng)價(jià)模型研究［J］.中國(guó)市政工程，2016（1）：82.