盾構(gòu)隧道大修結(jié)構(gòu)服役性能評價及跨尺度模擬

周 彪， 謝雄耀， 楊雨冰， 王嘯劍

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092； 2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 廣東 廣州 510642)

隨著運(yùn)營時間增長，部分越江盾構(gòu)隧道襯砌開裂并滲漏水，同時產(chǎn)生局部縱向沉降過大、環(huán)縫漏水漏泥、封頂塊縱縫張開量過大等病害[1-3]，對運(yùn)營安全造成威脅.對打浦路盾構(gòu)越江隧道已進(jìn)行了大修，并形成了《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》[4]等標(biāo)準(zhǔn)化文件，為后續(xù)大修奠定了良好基礎(chǔ).然而，由于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)劣化成因復(fù)雜，各影響因素相互耦合，目前我國盾構(gòu)隧道的性能評價和維修尚缺乏系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和可操作的技術(shù)體系，維修目標(biāo)及策略選擇盲目.因此，如何考慮盾構(gòu)隧道劣化與各影響因素間的關(guān)系，并采用合理的結(jié)構(gòu)安全評價方法，對于合理確定大修及后續(xù)維養(yǎng)策略至關(guān)重要.

隧道性能評估的目標(biāo)是確定盾構(gòu)隧道服役狀態(tài)，分析結(jié)構(gòu)劣化原因并預(yù)測性能演化規(guī)律.現(xiàn)行的規(guī)范和手冊[4-5]對盾構(gòu)隧道的安全等級評價及指標(biāo)有著明確的規(guī)定，但缺乏可操作的大修性能評估流程.評估方法多是基于故障樹理論，以隧道變形、裂縫、滲漏水等指標(biāo)為導(dǎo)向，通過病害成因分析，采用權(quán)重或模糊綜合評判方法進(jìn)行多層次評價[6-8]，但此類方法是以事故為導(dǎo)向，缺乏服役條件考慮，以及從材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)等多個尺度上進(jìn)行系統(tǒng)性和全壽命周期演化規(guī)律的分析.

Milne等[9]和李兆霞[10]認(rèn)為，大型土木工程在結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)受到環(huán)境侵蝕、材料老化以及荷載的長期疲勞效應(yīng)、突發(fā)事變過載效應(yīng)等因素的綜合作用，導(dǎo)致?lián)p傷積累和抗力衰減.損傷演化造成結(jié)構(gòu)劣化的因與果分別屬于不同尺度、不同層次，損傷演化過程從材料的微細(xì)觀缺陷和構(gòu)件連接部位在建造中留下的細(xì)觀缺陷開始，在服役環(huán)境與極端災(zāi)害環(huán)境的共同作用下，逐步發(fā)展到宏觀，造成結(jié)構(gòu)劣化乃至發(fā)生災(zāi)變.因此，盾構(gòu)隧道性能評定需考慮服役環(huán)境，分別從材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行跨尺度及多層次分析.孫鈞[11]、莊曉瑩等[12]結(jié)合試驗(yàn)和數(shù)值方法初步探討了盾構(gòu)隧道性能演化規(guī)律，但如何進(jìn)行系統(tǒng)性和流程化的評價值得深入研究.

以延安東路越江隧道(下文簡稱延?xùn)|隧道)大修工程為背景，以性能評價為基礎(chǔ)，通過評估區(qū)段劃分，建立以環(huán)境-材料-構(gòu)件-結(jié)構(gòu)為主的多層次評估方法及標(biāo)準(zhǔn)化流程.重點(diǎn)針對局部特殊區(qū)段，綜合隨機(jī)格構(gòu)理論及Diana有限元分析方法，提出了以材料-管片-隧道結(jié)構(gòu)為主體的跨尺度模擬方法，分析了盾構(gòu)隧道在不同收斂變形條件下襯砌結(jié)構(gòu)開裂特征及變化規(guī)律，最后提出了盾構(gòu)隧道收斂變形指標(biāo).

1 盾構(gòu)隧道大修結(jié)構(gòu)性能評估流程與方法

1.1 延?xùn)|隧道大修結(jié)構(gòu)性能評估原則及等級劃分

根據(jù)運(yùn)營隧道設(shè)計規(guī)定以及使用時間、使用條件和使用狀況，考慮盾構(gòu)隧道的服役環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將盾構(gòu)隧道視為處于服役環(huán)境中不斷演化的材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)綜合體系.參考《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》等國內(nèi)外規(guī)范[4-5,8]，根據(jù)隧道的服役狀態(tài)等級，將隧道結(jié)構(gòu)維護(hù)和修繕規(guī)模劃分為五個等級，如表1所示.

表1 隧道結(jié)構(gòu)服役性能等級劃分及大修規(guī)模

隧道大修是在結(jié)構(gòu)安全處于“危險”狀態(tài)、已影響隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全時開展,必須封閉隧道交通并立即采取措施對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性處理，特殊情況下可進(jìn)行局部改建和改造.項(xiàng)修指在限制通行或局部封閉隧道交通的情況下，對處于“惡化”狀態(tài)結(jié)構(gòu)中的一些分項(xiàng)進(jìn)行集中的專項(xiàng)整治.

1.2 延?xùn)|隧道大修結(jié)構(gòu)性能評估流程

延?xùn)|隧道評估主要包括資料調(diào)研及現(xiàn)場檢測、病害統(tǒng)計及成因分析、評估區(qū)段劃分、盾構(gòu)隧道大修結(jié)構(gòu)多層次現(xiàn)狀評估、特殊區(qū)段專項(xiàng)模擬及評估，以及盾構(gòu)隧道大修后評估，如圖1所示.

圖1 盾構(gòu)隧道大修結(jié)構(gòu)性能評估流程

(1) 隧道歷史資料調(diào)研及現(xiàn)場檢測

收集并核對設(shè)計、施工、運(yùn)維及病害等歷史調(diào)查資料，調(diào)研隧道的建造和實(shí)際使用狀況及病害等歷史.在大修期間，對隧道從環(huán)境、材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)四個層次進(jìn)行全面檢測，了解隧道病害分布特征.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行病害統(tǒng)計及成因分析.

(2)隧道結(jié)構(gòu)大修多層次整體性能現(xiàn)狀評估

基于調(diào)研及隧道檢測結(jié)果，將隧道劃分為重點(diǎn)區(qū)段和一般區(qū)段.對每個區(qū)段，采用模糊綜合評判或權(quán)重分析方法，分別從環(huán)境、材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)四個方面對該區(qū)段進(jìn)行性能等級評定，在此基礎(chǔ)進(jìn)行隧道整體性能評價.

(3)隧道結(jié)構(gòu)大修特殊區(qū)段專項(xiàng)評估

對施工期發(fā)生過重大事故或存在初始缺陷以及在運(yùn)營期存在重大隱患，大修現(xiàn)狀評估指標(biāo)單項(xiàng)或整體區(qū)段評估等級為IV級及以上的情況，評估方法宜考慮施工、運(yùn)營等各因素及環(huán)境、材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)等多層次的影響.

(4)大修后評估

大修后評估及檢測宜在隧道修繕完成后一年進(jìn)行，結(jié)合隧道內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展大修后隧道重點(diǎn)區(qū)段服役性能檢測和評估，預(yù)測隧道性能演化規(guī)律及壽命，并對后續(xù)維養(yǎng)提供建議.

2 延?xùn)|隧道大修結(jié)構(gòu)整體性能分區(qū)段評估及收斂特性分析

2.1 延?xùn)|隧道大修概況

延?xùn)|隧道是我國最早建設(shè)的越江盾構(gòu)隧道，其中隧道南線始建于1994年，1996年底竣工，全長約2 112 m，盾構(gòu)段長約1 310 m.建成20年后由于機(jī)電老化啟動全線大修，同步對土建工程進(jìn)行全面評估和維修.

2.2 延?xùn)|隧道大修分區(qū)段多層次評估方法

根據(jù)如圖1所示評估流程，為準(zhǔn)確評估延?xùn)|隧道南線服役現(xiàn)狀，綜合現(xiàn)場檢測結(jié)果對隧道大修結(jié)構(gòu)整體性能分區(qū)段評估，主要包含以下幾個方面：

(1)結(jié)構(gòu)多元檢測

待延?xùn)|隧道大修工程拆除內(nèi)裝修后，采取了激光掃描、表觀機(jī)器視覺、雷達(dá)等方法對隧道進(jìn)行了綜合檢測，檢測結(jié)果見文獻(xiàn)[13].

(2)評估區(qū)段劃分

隧道性能逐步退化和病害發(fā)展常呈現(xiàn)區(qū)段化特征.綜合隧道建設(shè)特點(diǎn)及服役環(huán)境，將隧道評估段劃分為重點(diǎn)和一般區(qū)段.重點(diǎn)區(qū)段包含聯(lián)絡(luò)通道及其兩側(cè)10環(huán)范圍內(nèi)、工作井兩側(cè)30～50 m區(qū)段、施工及運(yùn)營事故段等.以關(guān)鍵區(qū)段端點(diǎn)作為分界點(diǎn)，根據(jù)歷史沉降數(shù)據(jù)等依據(jù)劃分一般區(qū)段.將延?xùn)|隧道南線劃共分為11個評估區(qū)段.

(3)分區(qū)段評估

基于調(diào)研及檢測結(jié)果，依據(jù)評估指標(biāo)體系[13]，采用模糊綜合評價方法，將環(huán)境、材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)作為二級模糊評判層次，基于評價指標(biāo)隸屬度函數(shù)的參數(shù)值，根據(jù)安全度確定區(qū)段安全等級，評估方法及等級劃分見文獻(xiàn)[13].

延?xùn)|隧道南線各區(qū)段服役性能等級如圖2所示，其中1、2、3號井、江中心段及外灘通道穿越區(qū)段的等級為Ⅱ級，其余區(qū)段為Ⅰ級.

2.3 延?xùn)|隧道南線收斂特性及專項(xiàng)評估需求

如圖2所示，評估區(qū)段整體性能均為I、Ⅱ級，整體性能為正常及退化.如圖3所示，由三維激光全空間掃描橢圓擬合方法[14]求取的收斂橢圓度值發(fā)現(xiàn)，局部區(qū)段已達(dá)到《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》中的IV級.

對比圖3中橢圓度曲線與沉降收斂曲線可以發(fā)現(xiàn)，收斂與曲率具有強(qiáng)相關(guān)性.由此可知，隧道在長期運(yùn)營過程中，收斂與沉降具有耦合關(guān)系.收斂超限區(qū)段管片未出現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象，并且施工記錄中僅有拼裝收斂較大，但無明確的初始記錄數(shù)據(jù)，因此為探究初始收斂較大條件下新增收斂對結(jié)構(gòu)性能的影響，開展了跨尺度模擬研究.

圖2 延?xùn)|隧道南線各評估區(qū)段健康等級

圖3 延?xùn)|隧道南線橢圓度變化與變形曲率關(guān)系

3 延?xùn)|隧道收斂與開裂特性跨尺度模擬及分析

3.1 跨尺度模擬方法

采用如圖4所示方法開展跨尺度結(jié)構(gòu)性能分析.通過混凝土材料細(xì)觀模擬確定斷裂能參數(shù)，繼而通過管片構(gòu)件開裂試驗(yàn)及模擬結(jié)果對比來確定模型參數(shù)，最后開展不同收斂條件下結(jié)構(gòu)層次的服役性能模擬.

3.2 混凝土材料細(xì)觀模擬及斷裂能參數(shù)確定

對照Ba?ant教授所開展的混凝土斷裂能試驗(yàn)，采用格構(gòu)混凝土材料模型分析不同尺寸試件的斷裂特性，確定盾構(gòu)隧道管片混凝土的I型斷裂能.

圖4 不同收斂條件下隧道裂縫特征跨尺度分析方法

Fig.4 Cross-scale analysis method for tunnel crack under different convergence conditions

混凝土內(nèi)部水泥基和骨料隨機(jī)分布，為建立混凝土隨機(jī)格構(gòu)模型，首先生成隨機(jī)三角格構(gòu)[15]，而后將符合富勒顆粒級配曲線的混凝土顆粒結(jié)構(gòu)(骨料)映射到格構(gòu)單元上[16]，獲得混凝土材料格構(gòu)模型，如圖5所示.

圖5 隨機(jī)混凝土格構(gòu)模型建立流程

參照Ba?ant教授開展的混凝土斷裂能試驗(yàn)，建立如圖6所示三類不同梁高試件(S、M、L)的隨機(jī)格構(gòu)模型[17].極限荷載P和名義應(yīng)力σN計算值與試驗(yàn)值的對比如表2所示，兩者吻合良好.

圖6 Ba?ant斷裂能試驗(yàn)試件尺寸及隨機(jī)混凝土格構(gòu)模型

表2 極限荷載和名義應(yīng)力的試驗(yàn)值與計算值

依據(jù)基于尺寸效應(yīng)模型的斷裂能定義[17]，可采用以下格構(gòu)算法求取斷裂能[18]：

(1)

3.3 管片加載試驗(yàn)?zāi)M及模型參數(shù)確定

經(jīng)現(xiàn)場測試，延?xùn)|隧道管片材料未發(fā)生弱化，通過對比單塊管片結(jié)構(gòu)在不同邊界和荷載條件下的開裂壓碎過程[19]，確定模擬所需的混凝土、嵌入式鋼筋等單元模型及參數(shù)建議值.如圖8所示，試驗(yàn)管片的外徑為3 000 mm，內(nèi)徑為2 700 mm，寬度為1 200 mm，中心角為67.5°.混凝土標(biāo)號為C50，彈性模量為34.5 GPa.通過三個并聯(lián)千斤頂施加徑向等值荷載P，采用兩端支撐跨中撓度控制加載[20].

圖7 盾構(gòu)隧道管片混凝土尺寸效應(yīng)率的線性化計算值

a 管片配筋

b 加載條件

c Diana有限元模型

選取非線性有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Diana 9.4.4進(jìn)行計算[18].混凝土采用修正Maekawa模型，并采用含多方向固定裂縫模型及Hordijk應(yīng)變軟化曲線模擬混凝土開裂及軟化特征[21-22].鋼筋采用嵌入式鋼筋Von-Mises理想塑性模型.計算與試驗(yàn)的荷載位移曲線對比如圖9所示.選取特征點(diǎn)1、2、3為特征荷載值，并定義為開裂荷載、屈服荷載和極限荷載點(diǎn)，試驗(yàn)值與計算值的相對誤差均在±3%以內(nèi).

基于上述模擬，通過參數(shù)調(diào)整，得到管片混凝土及鋼筋模擬參數(shù)(見表3～5)，并用于后續(xù)隧道整環(huán)結(jié)構(gòu)開裂特征模擬.

圖9 盾構(gòu)隧道管片加載試驗(yàn)值與計算值對比

密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa斷裂能/(N·m-1)裂縫帶寬度/m25003.45×1040.22.6440570.1

表4 鋼筋網(wǎng)模型參數(shù)

表5 管片與土體界面單元參數(shù)

3.4 盾構(gòu)隧道收斂特性模擬及指標(biāo)確定

盾構(gòu)隧道的收斂變形直接影響到隧道行車界限，并引發(fā)管片裂縫、接頭展開等病害，因此隧道收斂變形指標(biāo)的確定對于評價隧道服役性能及安全狀況至關(guān)重要.基于確定的材料及構(gòu)件計算參數(shù)，采用Diana軟件分析盾構(gòu)隧道收斂變形和裂縫發(fā)展規(guī)律，確定收斂變形控制指標(biāo).

(1)計算模型及計算參數(shù)

如圖10所示，隧道外徑為11.0 m，內(nèi)徑為9.9 m.每環(huán)寬1 m，肋高0.55 m.每環(huán)由八塊管片組成，封頂塊采用全縱向插入，管片環(huán)間以M36的縱向螺栓相連，塊間以M36的環(huán)向螺栓緊密相連.

圖10 延?xùn)|隧道南線管片尺寸示意圖

計算中混凝土結(jié)構(gòu)采用八節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變單元(CQ16E)來建立二維模型，管片接頭、周圍土體對隧道結(jié)構(gòu)的土體抗力采用界面單元CL12I模擬[23-24]，行車道路板與管片之間接觸實(shí)際形式假定為鉸接，采用界面單元(L8IF)模擬，鋼筋混凝土及鋼筋模型參數(shù)如表3～5所示.

(2)不同收斂條件下盾構(gòu)隧道管片開裂特征

如圖11所示，在隧道不同角度處施加收斂量μ[D]，以分析不同新增收斂量條件下管片開裂情況.以線性軟化曲線為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計單元積分點(diǎn)裂縫應(yīng)力-應(yīng)變狀況[23]，將裂縫劃分為無裂縫(白色)、微裂縫(灰色)及宏觀裂縫(黑色)三類[24].在收斂值為0.5%D、1.0%D、2.0%D及3.0%D(D為隧道直徑)時裂縫分布情況如圖13所示.

圖11 盾構(gòu)隧道的模擬收斂量簡化展開圖

由圖12可知，隨著收斂量的增大，裂縫在由隧道底部往側(cè)部和頂部逐步擴(kuò)展過程中，也由隧道內(nèi)側(cè)表層宏觀裂縫逐步發(fā)展為貫穿性裂縫.

a 豎向收斂增量0.5%D

b 豎向收斂增量1.0%D

c 豎向收斂增量2.0%D

d 豎向收斂增量3.0%D

(3)盾構(gòu)隧道收斂指標(biāo)確定

圖13從整體上給出了不同收斂條件下無裂縫、微裂縫及宏觀裂縫占比.從圖13看出，隨著襯砌環(huán)的豎向收斂增量不斷增大，開裂率的增長呈現(xiàn)“臺階式”特征，1.0%D和2.0%D處曲線走勢有明顯的變化出現(xiàn)，表明裂縫擴(kuò)展及結(jié)構(gòu)性能變化明顯.當(dāng)豎向收斂增量達(dá)到1.0%D(見圖12b)時，左右側(cè)區(qū)域及封頂塊宏觀裂縫沿環(huán)向進(jìn)一步擴(kuò)大，并且沿厚度方向擴(kuò)展，底部和左側(cè)宏觀裂縫沿厚度方向已貫穿，形成宏觀裂縫.當(dāng)豎向收斂增量達(dá)到2.0%D(見圖12c)時，整個管片已無裂縫不發(fā)育區(qū)域，底部和左側(cè)宏觀裂縫貫穿區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大.

圖13 隧道裂縫狀態(tài)所占比例與收斂量的關(guān)系

基于對不同收斂變形條件下隧道管片開裂特征模擬，綜合前人研究成果[25-27]，對照如表1所示安全等級，11.0 m直徑級通縫拼裝的盾構(gòu)公路隧道的收斂控制指標(biāo)如表6所示.

表6 11.0 m直徑盾構(gòu)隧道收斂評價指標(biāo)

從分析結(jié)果看，延?xùn)|隧道大修期間所測得收斂主要為施工期初始收斂，新增收斂未危及結(jié)構(gòu)安全.

4 結(jié)論

(1)隨著收斂量增大,開裂區(qū)域沿管片環(huán)向從拱底擴(kuò)展到拱底左側(cè)與道路板交接處區(qū)域，局部接頭處出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象.

(2)隨著收斂量的增大，裂縫在由隧道底部往側(cè)部和頂部逐步擴(kuò)展過程中，也從隧道內(nèi)側(cè)表層宏觀裂縫逐步發(fā)展為貫穿性裂縫.

(3)以直徑為11.0 m通縫拼裝盾構(gòu)隧道為例，隧道性能隨開裂率的增長呈現(xiàn)“臺階式”發(fā)展特征，在1.0%D和2.0%D新增收斂量處出現(xiàn)拐點(diǎn)，據(jù)此可確定隧道收斂評價指標(biāo).