列車動(dòng)荷載作用下海域段盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性研究

朱斌忠，郭佳奇，錢源，徐沖

（1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

0 引 言

隨著我國大多數(shù)城市交通壓力不斷增加，城市軌道交通特別是地鐵交通迅速發(fā)展，中國許多城市正在修建、擴(kuò)建或計(jì)劃修建地鐵項(xiàng)目。截至2019年底，我國大陸開通運(yùn)營的軌道交通線路共計(jì)208條，遍布40個(gè)城市，運(yùn)營線路長達(dá)6 736.2 km，其中地鐵線路長5 180.6 km，占比75.9%［1］。城市地鐵在緩解城市交通擁擠的同時(shí)，運(yùn)營期間其病害問題也日益凸顯。20世紀(jì)90年代香港地鐵部分隧道區(qū)間因內(nèi)側(cè)鋼筋銹蝕，導(dǎo)致外側(cè)混凝土保護(hù)層脫落［2］；廣州地鐵運(yùn)營十余年后也出現(xiàn)了鋼筋腐蝕、混凝土碳化、電弧損傷和雜散電流腐蝕問題［3］。研究影響地鐵隧道襯砌耐久性的因素及其致劣機(jī)制，對(duì)我國地鐵建設(shè)意義重大。

隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，部分沿海城市正在嘗試修建跨海地鐵隧道。相對(duì)陸地水土環(huán)境，海底水土荷載環(huán)境復(fù)雜、粒子侵蝕環(huán)境多變［4-5］，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高要求。早在20世紀(jì)60年代，歐美學(xué)者就提高地下管線和地下油罐等混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行了一系列研究［6-7］。M L Post等［8］發(fā)現(xiàn)海域環(huán)境中干 燥混凝土?xí)饾u向海水飽和狀態(tài)過度，且期間混凝土強(qiáng)度逐漸降低。隨著國內(nèi)水域段隧道的大規(guī)模建設(shè)和投入運(yùn)營，國內(nèi)學(xué)者開展了一系列研究。王振信［9］分析了混凝土的腐蝕機(jī)理，提出了提高盾構(gòu)管片耐久性及管片耐久性檢測的方法；何川等［10］對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)材料、環(huán)境、施工和事故等主要因素會(huì)引起結(jié)構(gòu)耐久性問題，從而導(dǎo)致滲漏水、襯砌混凝土開裂、鋼筋銹蝕等隧道病害。在前人基礎(chǔ)上，劉四進(jìn)等［11］考慮鋼筋混凝土劣化過程的特點(diǎn)，研究了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受腐蝕后的力學(xué)性能，提出了腐蝕劣化管片的抗彎剛度衰減模型。在引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)劣化的眾多原因中，Cl—是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的主要因素［12-14］，鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最主要原因［15-17］，而海域環(huán)境中富存Cl—，因此有必要將Cl-作為影響海域隧道襯砌耐久性的重要因素。

地鐵運(yùn)營期間，動(dòng)荷載對(duì)隧道的影響很早就引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，自20世紀(jì)70年代以來，相關(guān)研究相繼開展。G.Degrande等［18］通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)測量得到了峰值點(diǎn)速度和頻率組成的速度函數(shù)隨列車到隧道距離的變化；白冰等［19］通過數(shù)值計(jì)算得到了交疊隧道在列車動(dòng)載下的動(dòng)力響應(yīng)特征，計(jì)算結(jié)果表明隧道中部斷面的拱底位移峰值小于開始段；吳聰［20］設(shè)計(jì)并建造用于列車振動(dòng)試驗(yàn)的相似模型試驗(yàn)裝置，利用激振器對(duì)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)隧道中不同位置單點(diǎn)激振，初步研究了交叉盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)和周圍生體中的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理。

上述研究或分析了運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)致劣機(jī)制，或考慮了列車動(dòng)荷載下襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，為隧道的維護(hù)保養(yǎng)提供了一些參考，但由于沒有同時(shí)考慮海水與列車動(dòng)荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性的影響，對(duì)運(yùn)營中的海域地鐵隧道不全適用。本文綜合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究列車動(dòng)荷載作為支護(hù)結(jié)構(gòu)上一種荷載時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性的影響，得到服役期間海域隧道襯砌結(jié)構(gòu)在海水侵蝕和列車動(dòng)荷載共同作用下的劣化特征。研究成果對(duì)海域地鐵隧道運(yùn)營期間的維修與保養(yǎng)具有重要意義。

1 工程概況

廈門地鐵6號(hào)線的馬鑾中心站至集美島站區(qū)間中部下穿馬鑾灣，為海底隧道，地面現(xiàn)狀為魚塘區(qū)，結(jié)構(gòu)深度8～20 m，其中YDK5+550～YDK6+400和YDK7+700～YDK6+400段兩次下穿馬鑾灣，灣底規(guī)劃高程為-4.24 m。隧道所處地層上部為第四系全新統(tǒng)人工填土、海積淤泥、沖洪積粉質(zhì)黏土、砂土、上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、砂土為主，底部為殘積土及全、微風(fēng)化基巖。其中隧道穿越風(fēng)化凝灰熔巖殘積土和風(fēng)化凝灰熔巖，巖體基本質(zhì)量分類等級(jí)為Ⅴ級(jí)，強(qiáng)度較低，節(jié)理裂隙發(fā)育且富含海水。本項(xiàng)目段盾構(gòu)隧道運(yùn)營期間易受海水侵蝕，易造成管片耐久性劣化，對(duì)隧道運(yùn)營安全構(gòu)成威脅。工程段土層參數(shù)如表1所示。

表1 工程段土層參數(shù)Tab.1 Soil layer parameters of engineering section

研究段斷面地質(zhì)情況如圖1所示。隧道管片采用C50防水混凝土，內(nèi)部鋼筋采用HRB400，外徑3 100 mm，內(nèi)徑2 750 mm，襯砌厚度350 mm，服役年限設(shè)計(jì)為100年。

圖1 工程段地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geologic profile of engineering section

2 室內(nèi)管片試驗(yàn)

為模擬海域段隧道襯砌結(jié)構(gòu)受海水侵蝕的情況，進(jìn)行混凝土加速侵蝕室內(nèi)試驗(yàn)，研究Cl-侵蝕對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕作用?；炷猎噳K為廈門地鐵施工混凝土管片供貨商提供的C50混凝土試塊，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，加工得到Φ50 mm×100 mm的圓柱形試件，使用高壓鍋將試樣在鹽水中加熱24 h，得到受到Cl-侵蝕的試件，試驗(yàn)過程如圖2所示。

圖2 試件加速侵蝕試驗(yàn)過程Fig.2 Test process of specimen erosion

分別將干燥狀態(tài)下的普通試件（記為A組）與用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%Nacl浸泡過并在電壓力鍋中加熱24 h的試件（記為B組）進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。試塊力學(xué)性能試驗(yàn)選用武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150B三軸儀。試驗(yàn)中對(duì)每組5個(gè)試塊施加分別為2，4，6，8，10 MPa的圍壓，加載速率為0.5 MPa／s。試塊處理完成后，待試塊自然冷卻為室溫，用三軸儀對(duì)試塊進(jìn)行加壓試驗(yàn)，每組試塊應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖3。整理A、B兩組試件測量結(jié)果，如表2～3所示。

表2 A組試件試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of group A

圖3 試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of samples

變化趨勢相同，曲線峰前斜率接近，因此A組試件在不同圍壓下表現(xiàn)出的彈性模量大致相等，隨著圍壓增加，試件峰值應(yīng)力增大，可見隨著圍壓增加，A組試件抗壓強(qiáng)度明顯增加；隨著圍壓增加，B組試件不僅應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力增加，曲線峰前斜率也表現(xiàn)出增大趨勢，可見受到Cl-侵蝕的混凝土，隨著圍壓提高，抗壓強(qiáng)度和彈性模量會(huì)逐漸增加。

表3 B組試件試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of group B

由表2～3可知，B組試件的彈性模量較A組試件有所降低，下降了約46.13%；4～10 MPa圍壓下B組試件的抗壓強(qiáng)度較A組分別下降46.4%，38.5%，41.9%和37.5%。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

3.1.1 數(shù)值模型及邊界約束條件

有限元分析軟件MIDAS GTS擁有幾乎所有巖土工程及隧道領(lǐng)域的分析功能，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。本文使用該軟件，依據(jù)圣維南原理建立尺寸40 m×12 m×40 m的模型；襯砌為完全剛度均質(zhì)圓環(huán)，外徑3 100 mm、內(nèi)徑2 750 mm，管片厚度350 mm，忽略接頭影響；為方便計(jì)算，模型中地層單元尺寸為0.5～2 m，軌床與管片最小尺寸為0.5 m，如圖4所示。動(dòng)力計(jì)算時(shí)，體系阻尼比取0.05，大地阻尼比取0.05，隧道最大、最小固有頻率分別為0.82 Hz和0.627 Hz；上邊界自由，前后、左右及下邊界設(shè)置“黏性邊界”；此外，土層荷載通過土層荷載法施加，海水荷載通過設(shè)置水位施加。

圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

假設(shè)襯砌受海水侵蝕后，各個(gè)方向Cl-侵入深度一致，則受侵蝕與未受侵蝕管片關(guān)系如圖5所示，依圖5建模，對(duì)管片進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，未受侵蝕和已受侵蝕部分分別賦彈性模量34.50，20.97 GPa，泊松比均為0.2。引用文獻(xiàn)［21］中Cl-侵入管片深度與時(shí)間的關(guān)系，即假設(shè)運(yùn)營0，50，100 a時(shí)，Cl-侵入管片深度分別為0，165.57，216.45 mm。

圖5 侵蝕管片模型圖Fig.5 Erosion sheet model diagram

3.1.2 動(dòng)荷載施加

使用MIDAS GTS動(dòng)力分析模塊，按照中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造的6B型列車參數(shù)（見表4）施加列車動(dòng)荷載，見圖6。

表4 6B型地鐵列車主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of type 6B subway train

圖6 列車動(dòng)荷載示意圖Fig.6 Train dynamic load diagram

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

3.2.1 初始靜力場分析

不同服役年限下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向位移變化不大，縱向位移變化趨勢相同，其中拱頂位移較為明顯，隨著運(yùn)營時(shí)間增加，拱頂位移增加約1 mm。與一般盾構(gòu)隧道相同，隨著使用年限增加，混凝土強(qiáng)度降低，會(huì)出現(xiàn)隧道拱頂下沉、拱底隆起、兩腰分別向外位移的現(xiàn)象。

圖7～8顯示了初始應(yīng)力場下隧道襯砌的主應(yīng)力分布。盾構(gòu)隧道襯砌主應(yīng)力的最大值一般對(duì)稱分布在隧道拱頂、底部和兩腰。運(yùn)營年限增加后，海域隧道襯砌強(qiáng)度降低，但是上述趨勢并未改變。隧道襯砌的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，其中拱頂拉應(yīng)力比其他部位大，未受侵蝕時(shí)最大拉應(yīng)力為6.31 MPa，隧道運(yùn)營100 a后最大拉應(yīng)力增長至6.79 MPa，增幅為6.42%。隧道結(jié)構(gòu)主要承受壓應(yīng)力，未受侵蝕時(shí)最大為10.38 MPa，隧道服役100 a后增長至11.85 MPa，增幅14.16%。綜上，Cl-對(duì)襯砌侵蝕程度不斷增加，襯砌承受的拉壓應(yīng)力也不斷增加，可見Cl-侵蝕對(duì)襯砌強(qiáng)度是不利的。

圖7 初始應(yīng)力場下管片最大主應(yīng)力分布Fig.7 Max principal stress distribution under the initial stress field

3.2.2 不同服役年限運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)劣化

不同服役年限列車動(dòng)荷載作用下隧道管片的橫向位移與縱向位移云圖如圖9～10所示。由圖9可知，動(dòng)荷載作用下管片左右拱腰出現(xiàn)較大收斂位移，且隨著運(yùn)營年限增加，收斂位移有不同程度增加，最大位移4.3 mm左右；由圖10可知，服役隧道運(yùn)營0，50，100 a后，在列車動(dòng)荷載影響下的縱向位移分布趨勢大致相同，隧道洞口處容易出現(xiàn)較大位移，最大在60.3 mm左右。此外隨著服役年限增加，縱向位移較大部分分布區(qū)域逐漸減小，動(dòng)荷載對(duì)隧道整體性的影響有一定下降。

圖9 動(dòng)荷載下橫向位移云圖Fig.9 Longitudinal displacement cloud map under dynamic load

圖10 動(dòng)荷載下縱向位移云圖Fig.10 Lateral displacement cloud map under dynamic load

動(dòng)荷載下隧道主應(yīng)力分布如圖11～12所示，隧道兩端軌床與襯砌接觸位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，針對(duì)這一現(xiàn)象，實(shí)際中在隧道的這些位置采取加固措施，如噴射混凝土等。隧道內(nèi)側(cè)易受拉，外側(cè)易受壓，如圖12所示，應(yīng)力較大區(qū)域都出現(xiàn)在隧道拱頂、底部兩腰位置。隧道兩端壓應(yīng)力較大，且隨著服役年限增加，較大壓應(yīng)力分布區(qū)域減小。

圖8 初始應(yīng)力場下管片最小主應(yīng)力分布Fig.8 Min principal stress distribution under initial stress field

圖11 動(dòng)荷載作用下隧道管片最大主應(yīng)力分布Fig.11 Max principal stress distribution under dynamic load

圖12 動(dòng)荷載作用下隧道管片最小主應(yīng)力分布Fig.12 Min principal stress distribution under dynamic load

3.2.3 不同位置管片在動(dòng)荷載下響應(yīng)情況

列車振動(dòng)會(huì)周期性向隧道管片加載，為了分析列車經(jīng)過該段隧道時(shí)動(dòng)荷載在不同時(shí)間對(duì)隧道的影響，以服役50 a的隧道為例，提取不同位置位移、應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析。

由于動(dòng)荷載作用下隧道管片的橫向位移較小，本節(jié)只考慮隧道拱頂管片的縱向位移。沿著列車行駛方向，自隧道起始處依次記為1～11，整理提取點(diǎn)的縱向位移，其變化趨勢如圖13所示。

圖13 拱頂位移變化曲線Fig.13 Displacement change curves of vault

由圖13可知：（1）在周期性的列車動(dòng)荷載作用下，襯砌上的位移沿軸向大致對(duì)稱分布，荷載對(duì)隧道中部影響最大。隨著荷載作用時(shí)間增加，位移變化量逐漸增大。（2）隨著動(dòng)荷載作用時(shí)間增加，管片整體向下移動(dòng)，位移量不斷加大，相同位置最大位移差可達(dá)4.52 mm，增加了近1.6倍。（3）由于列車長120 m，本文建模隧道長10 m，列車在隧道中通行10 s，這10 s中動(dòng)荷載周期性施加于管片上，使隧道不斷產(chǎn)生位移，位移量不斷疊加，位移曲線見圖13。實(shí)際上，列車通過隧道后，位移不會(huì)隨著列車離開而恢復(fù)，列車不斷通過時(shí)，位移仍然會(huì)不斷疊加，導(dǎo)致隧道襯砌出現(xiàn)喪失耐久性的可能。

沿著列車行駛方向，提取管片拱頂、底部、兩腰的一排單元分析不同時(shí)刻隧道整體的應(yīng)力變化情況，每排單元格沿列車前進(jìn)方向依次標(biāo)號(hào)1～10，如圖14～17所示。

由圖14～17可知：（1）在周期性列車動(dòng)荷載作用下，襯砌上的主應(yīng)力沿軸向線大致對(duì)稱分布，隧道中部與隧道兩端主應(yīng)力相差較大。列車動(dòng)荷載作用時(shí)間越長，隧道拱頂最大主應(yīng)力、底部最小主應(yīng)力增加越明顯；隧道拱頂最小主應(yīng)力、底部最大主應(yīng)力及隧道左右兩側(cè)主應(yīng)力隨列車動(dòng)荷載作用時(shí)間增加而小幅增加。（2）除隧道底部外，較高的主應(yīng)力值一般出現(xiàn)在隧道兩端，如隧道拱頂最小主應(yīng)力最大9.5 MPa，隧道左右兩側(cè)最大主應(yīng)力最大5.5 MPa，均出現(xiàn)在隧道兩端。

圖14 拱頂應(yīng)力變化曲線Fig.14 Stress change curves at vault

在列車動(dòng)荷載作用下，隧道位移與應(yīng)力均隨服役時(shí)間增加而增大。由于隧道襯砌始終有較大的位移與應(yīng)力，拱頂位移均維持在60 mm以上，拉、壓應(yīng)力最大值分別為2.72，19.3 MPa，軌床與管片接觸處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是隧道兩端應(yīng)力相對(duì)于中間會(huì)偏大；初始位移、應(yīng)力清零后，動(dòng)荷載作用下縱向位移較大值出現(xiàn)在隧道中部，應(yīng)力沿隧道軸線大致對(duì)稱分布，應(yīng)力關(guān)于中點(diǎn)位置對(duì)稱，橫斷面上應(yīng)力關(guān)于豎向線左右對(duì)稱；相同服役年限下，動(dòng)荷載作用時(shí)間越長，隧道襯砌產(chǎn)生的位移越大，最大值7.43 mm，隨著時(shí)間增加而疊加。

圖15 下側(cè)應(yīng)力變化曲線Fig.15 Stress variation curves at the lower side

圖16 左側(cè)應(yīng)力變化曲線Fig.16 Stress change curve at the left

圖17 右側(cè)應(yīng)力變化曲線Fig.17 Stress change curves at the right

4 結(jié) 論

（1）海水侵蝕會(huì)使試件內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，試件內(nèi)部裂縫中產(chǎn)生一系列侵蝕產(chǎn)物使裂縫延伸，從而使管片混凝土性能劣化。三軸壓縮試驗(yàn)中，受到Cl-侵蝕的混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低，通過計(jì)算得出結(jié)論Cl-侵蝕下C50混凝土試樣強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，彈性模量下降了46.13%。

（2）受到侵蝕后，隧道襯砌強(qiáng)度降低，管片受到的應(yīng)力不斷增加，其中壓應(yīng)力增加最多，增幅達(dá)14.6%。服役海域隧道在海水作用下耐久性不斷下降，運(yùn)營時(shí)間較長且未進(jìn)行加固處理可能會(huì)出現(xiàn)安全問題。

（3）列車動(dòng)荷載作用下，隧道的縱向位移進(jìn)一步增加，且隧道中間段位移更大，周期性動(dòng)荷載作用時(shí)間越長，位移越大，位移有疊加效果，列車動(dòng)荷載單獨(dú)作用于隧道一次，產(chǎn)生的最大縱向位移為7.43 mm。

（4）列車動(dòng)荷載作用下，服役年限越久的隧道襯砌上應(yīng)力也會(huì)越大，隧道上應(yīng)力沿縱向中軸線左右對(duì)稱、沿隧道中間截面前后對(duì)稱分布；動(dòng)荷載作用于隧道襯砌上時(shí)，對(duì)隧道拱頂和兩腰偏上部位的應(yīng)力影響較大，最大值為5.5 MPa，周期性動(dòng)荷載持續(xù)作用于隧道襯砌上時(shí)，拱頂應(yīng)力不斷增加，隧道耐久性降低。