超卸載對(duì)內(nèi)水壓盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響分析

王勝利，杜 江，范大鵬

(中國(guó)人民解放軍32378部隊(duì)， 北京 100072)

對(duì)于深埋盾構(gòu)隧道，因其埋深較大，在地下空間資源的開(kāi)發(fā)主要以淺層為主時(shí)，臨近施工對(duì)其影響較小。但隨著城市地下空間資源的開(kāi)發(fā)走向深層化，深埋隧道受到臨近施工影響的可能性逐漸增大。處于軟土地層中的盾構(gòu)隧道，具有襯砌結(jié)構(gòu)自身薄弱環(huán)節(jié)多、地層約束作用弱等特點(diǎn)，使得盾構(gòu)隧道施工時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)與周邊臨近結(jié)構(gòu)間的相互擾動(dòng)極為敏感[1-2]。已建的既有盾構(gòu)隧道，當(dāng)隧道周邊臨近施工時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)受到由于臨近施工所引起的地層擾動(dòng)、作用荷載變化所帶來(lái)的影響，造成隧道承載性能劣化[3-7]。當(dāng)隧道頂部及頂部附近建造新的結(jié)構(gòu)物或上部卸載開(kāi)挖時(shí)，隧道上部的荷載會(huì)發(fā)生變化[8]，如圖1所示。

圖1 模擬工況示意圖

近年來(lái)，全球氣候變化導(dǎo)致暴雨等極端天氣頻發(fā)，暴雨過(guò)程中地面徑流量快速增加，城市排水管網(wǎng)承受極大壓力，導(dǎo)致我國(guó)多數(shù)城市在雨季發(fā)了嚴(yán)重的內(nèi)澇災(zāi)害。借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家解決城市內(nèi)澇問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，上海市提出修建深層隧道排水系統(tǒng)解決日益頻發(fā)的內(nèi)澇問(wèn)題。該深層排水系統(tǒng)的主隧采用盾構(gòu)隧道型式，最大埋深約為50 m，運(yùn)營(yíng)期內(nèi)隧道內(nèi)的最高內(nèi)水壓力可達(dá)到0.6 MPa[9]。由于已有的研究多針對(duì)公路或地鐵盾構(gòu)隧道[10-15]，對(duì)于內(nèi)水壓荷載作用下的深埋盾構(gòu)隧道受臨近施工荷載影響的研究較少，未能揭示內(nèi)水壓盾構(gòu)隧道頂部超載和卸載時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)；基于此，采用三維有限元精細(xì)化模型研究超卸載對(duì)有內(nèi)水壓盾構(gòu)隧道力學(xué)性能的影響。

1 數(shù)值分析模型

1.1 襯砌環(huán)

盾構(gòu)隧道由襯砌環(huán)拼裝形成。在數(shù)值模型中，選取的襯砌環(huán)數(shù)過(guò)多時(shí)，會(huì)造成模型網(wǎng)格數(shù)過(guò)多，對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力提出了較高要求?？紤]到盾構(gòu)環(huán)與環(huán)之間的相互作用，選取1個(gè)完整環(huán)和兩個(gè)半環(huán)拼裝形成襯砌環(huán)進(jìn)行數(shù)值分析，在保障計(jì)算精度的前提下可以兼顧計(jì)算速度[16]。因接頭位置構(gòu)造較為復(fù)雜，造成模型的建立及網(wǎng)格的劃分較為困難。在模型中管片接頭位置忽略了止水條、止水槽等細(xì)部構(gòu)造。數(shù)值分析以中間完整環(huán)為主要研究對(duì)象。數(shù)值分析采用的管片結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

管片混凝土強(qiáng)度等為C60。管片之間的連接采用環(huán)向直螺栓，環(huán)向螺栓為10.9級(jí)M39型螺栓，屈服強(qiáng)度為940 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。襯砌環(huán)與環(huán)之間的連接采用縱向斜螺栓，環(huán)與環(huán)之間還設(shè)置剪力銷?？v向螺栓為6.8級(jí)M36型螺栓，屈服強(qiáng)度為480 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3；剪力銷屈服強(qiáng)度為110 MPa，彈性模量為12 GPa。拼裝完成后的襯砌環(huán)如圖3所示。襯砌環(huán)內(nèi)徑9 m，厚度0.6 m，幅寬1.5 m，均分為8塊管片，采用通縫拼裝。

圖2 數(shù)值分析管片模型示意圖

圖3 數(shù)值分析襯砌環(huán)模型示意圖

1.2 荷載位移邊界條件

隧道頂部埋深為50 m，按全覆土重計(jì)算豎向土壓力，土體側(cè)壓力系數(shù)取為0.5。隧道內(nèi)水壓按靜水壓考慮，拱頂內(nèi)水壓為0.5 MPa，拱底為0.6 MPa。模型中施加的具體荷載見(jiàn)圖4所示。地層反力采用局部地基彈簧模型，其中法向彈簧剛度取為10 000 kN/m3，切向彈簧剛度取法向彈簧剛度的1/3。除此之外，在數(shù)值分析模型中約束襯砌環(huán)一側(cè)縱向位移，并在襯砌環(huán)另一側(cè)施加縱向均布?jí)毫?，以模擬盾構(gòu)環(huán)與環(huán)之間的作用力，如圖5所示。

圖4 襯砌環(huán)荷載示意圖

圖5 襯砌環(huán)環(huán)間作用力施加示意圖

2 超/卸載對(duì)高內(nèi)壓深埋隧道力學(xué)性能的影響

2.1 超載影響

隧道頂部超載時(shí)，襯砌環(huán)整體下沉，且接頭張開(kāi)量最大的位置位于拱腰上部的接頭，如圖6所示。

圖6 頂部超載數(shù)值分析示意圖

隧道頂部超載過(guò)程中，襯砌環(huán)收斂變形、接頭張開(kāi)量及螺栓拉力最大值的變化規(guī)律見(jiàn)表1和表2所示。

表1 頂部超載時(shí)襯砌環(huán)收斂變形

表2 頂部超載時(shí)接頭張開(kāi)及螺栓拉力最大值

由表1和表2可知，內(nèi)水壓荷載作用下，深埋盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的收斂變形、接頭張開(kāi)量及螺栓拉力最大值均隨超載值增加而增大。已有研究表明，盾構(gòu)隧道的破壞源于管片接頭的破壞，而管片接頭的破壞由接頭螺栓屈服引起；當(dāng)螺栓屈服后，會(huì)發(fā)生較大的塑性變形，無(wú)法有效地限制接頭張開(kāi)，因而造成接頭破壞[17-18]。對(duì)于10.9級(jí)M39環(huán)向螺栓，屈服應(yīng)力為940 MPa，有效斷面面積為976 mm2，因此其屈服時(shí)的拉力約為917 kN[8，16]。當(dāng)超載值到達(dá)180 kPa時(shí)，張開(kāi)量最大的接頭位置(拱腰上部)螺栓最先屈服，拉力達(dá)到922.5 kN。根據(jù)圖6(a)和表2中的數(shù)據(jù)，接頭張開(kāi)及螺栓拉力最大值的接頭均為拱腰上部位置的接頭；當(dāng)隧道頂部超載時(shí)，該接頭為內(nèi)水壓盾構(gòu)隧道的薄弱點(diǎn)。

2.2 卸載影響

隧道頂部卸載時(shí)，襯砌環(huán)整體上浮，且接頭張開(kāi)量最大的位置位于拱腰下部的接頭，如圖7所示。

圖7 頂部卸載數(shù)值分析示意圖

隧道頂部卸載過(guò)程中，襯砌環(huán)收斂變形、接頭張開(kāi)量及螺栓拉力最大值的變化規(guī)律見(jiàn)表3和表4所示。

表3 頂部卸載時(shí)襯砌環(huán)收斂變形

表4 頂部卸載時(shí)接頭張開(kāi)及螺栓拉力最大值

由表3和表4可知，內(nèi)水壓荷載作用下，深埋盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的收斂變形、接頭張開(kāi)量及螺栓拉力最大值均隨卸載值增加而增大。當(dāng)卸載值到達(dá)180 kPa時(shí)，張開(kāi)量最大的接頭位置(拱腰下部)螺栓最先屈服，拉力達(dá)到1029.0 kN。根據(jù)圖7(a)和表4中的數(shù)據(jù)，接頭張開(kāi)及螺栓拉力最大值的接頭均為拱腰下部位置的接頭；當(dāng)隧道頂部卸載時(shí)，該接頭為內(nèi)水壓盾構(gòu)隧道的薄弱點(diǎn)。

當(dāng)隧道頂部超/卸載達(dá)到180 kPa時(shí)，接頭螺栓均已屈服，但超載180 kPa接頭最大張開(kāi)量及最大螺栓拉力分別為3.98 mm和922.5 kN，而卸載180 kPa接頭最大張開(kāi)量及最大螺栓拉力分別為4.15 mm和1 029.0 kN。造成這一現(xiàn)象的原因是，超載過(guò)程中，襯砌環(huán)截面彎矩和軸力同時(shí)增大，而卸載過(guò)程中，襯砌環(huán)截面彎矩增大的同時(shí)截面軸力減小；軸力的消散對(duì)襯砌環(huán)抵抗變形不利，因而造成深埋隧道襯砌環(huán)抵抗頂部卸載的能力小于抵抗頂部超載時(shí)的能力。

3 結(jié)論

1) 內(nèi)水壓荷載作用下，頂部超載時(shí)襯砌環(huán)下沉，且收斂變形、接頭張開(kāi)量及螺栓拉力均隨超載值增加而增大。超載值增大過(guò)程中，最先出現(xiàn)螺栓屈服現(xiàn)象的接頭位于拱腰上部，該位置為盾構(gòu)隧道頂部超載時(shí)的薄弱點(diǎn)。

2) 內(nèi)水壓荷載作用下，頂部卸載時(shí)襯砌環(huán)上浮，且收斂變形、接頭張開(kāi)量及螺栓拉力均隨卸載值增加而增大。卸載值增大過(guò)程中，最先出現(xiàn)螺栓屈服現(xiàn)象的接頭位于拱腰下部，該位置為盾構(gòu)隧道頂部卸載時(shí)的薄弱點(diǎn)。

3) 內(nèi)水壓盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)抵抗頂部卸載的能力小于抵抗頂部超載時(shí)的能力。主要原因?yàn)槌d過(guò)程中，襯砌環(huán)截面彎矩和軸力同時(shí)增大，而卸載過(guò)程中，襯砌環(huán)截面彎矩增大的同時(shí)截面軸力減??；軸力的消散對(duì)襯砌環(huán)抵抗變形不利。