超限工況下大直徑越江盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全研究*

楊林松，張毫毫，雷明鋒，朱彬彬，林贊?rùn)?quán)，龔琛杰

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

圍繞盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論研究、數(shù)值分析與模型試驗(yàn)等方面開(kāi)展如下研究工作。

1)理論研究 日本土木工程協(xié)會(huì)基于大量地鐵實(shí)測(cè)資料，于1968年提出盾構(gòu)襯砌慣用設(shè)計(jì)法。當(dāng)考慮錯(cuò)縫拼裝時(shí)，引入剛度折減系數(shù)和彎矩傳遞系數(shù)，提出修正慣用法模型。肖明清等建立盾構(gòu)隧道接頭抗彎承載力解析計(jì)算模型。

2)數(shù)值分析 朱合華等在梁-彈簧模型基礎(chǔ)上，引入Goodman單元思想，提出梁-接頭不連續(xù)模型。彭益成等引入接頭非連續(xù)單元，進(jìn)一步發(fā)展殼-接頭不連續(xù)模型。艾輝軍等建立三維非連續(xù)接觸模型，得到管片接頭結(jié)構(gòu)在列車動(dòng)載作用下的變形、應(yīng)力變化規(guī)律。

3)模型試驗(yàn) 針對(duì)拼裝式盾構(gòu)隧道接頭薄弱環(huán)節(jié)，相關(guān)學(xué)者從受力安全角度出發(fā)，開(kāi)展一系列接頭抗彎、抗剪足尺試驗(yàn)，探明從正常使用到極限承載全過(guò)程的受力變形規(guī)律。同時(shí)，大量工程經(jīng)驗(yàn)表明，接縫大變形不可避免地伴隨滲漏水，部分學(xué)者進(jìn)行越江隧道接縫防水試驗(yàn)，揭示盾構(gòu)隧道防水失效機(jī)理。

針對(duì)上述研究不足之處，本文選取某越江隧道運(yùn)營(yíng)期監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，從超限狀態(tài)中選取最不利工況，作為數(shù)值模擬計(jì)算的代表工況，分別在管片縱縫、環(huán)縫處形成超限錯(cuò)臺(tái)、張開(kāi)量，施加正常地層荷載，分析盾構(gòu)隧道發(fā)生超限錯(cuò)臺(tái)、張開(kāi)時(shí)的受力狀態(tài)，對(duì)超限狀態(tài)下的隧道結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，探討張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響規(guī)律。

1 研究對(duì)象

對(duì)某大直徑越江盾構(gòu)隧道地層條件和工程發(fā)生的超限張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)量進(jìn)行研究。根據(jù)工程情況，盾構(gòu)隧道管片采用10塊管片錯(cuò)縫拼裝而成，分別為7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊B、2個(gè)鄰接塊L1，L2和1個(gè)封頂塊F(見(jiàn)圖1)。管片環(huán)寬2.0m，外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m，襯砌環(huán)與環(huán)間采用58根M30環(huán)縫螺栓連接，每環(huán)10塊管片間采用30根M36縱縫螺栓連接。

圖1 襯砌管片組裝示意

2 三維非連續(xù)接觸有限元模型

數(shù)值模擬常采用荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，考慮到實(shí)際地層條件及計(jì)算工況的多樣性、復(fù)雜性，本文采用荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。

2.1 計(jì)算模型

采用ABAQUS建立20環(huán)管片、共40m長(zhǎng)的模型。管片建模按照工程實(shí)際設(shè)計(jì)圖進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝，具體形式如下：①環(huán)的封頂塊在拱腰右側(cè)，①環(huán)右旋12°24′49.66″為②環(huán)，②環(huán)右旋49°39′18.62″為③環(huán)，③環(huán)右旋86°53′ 47.59″為④環(huán)，④環(huán)右旋124°8′16.55″為⑤環(huán)，⑥環(huán)與①環(huán)位置相同，⑤環(huán)與⑩環(huán)位置相同。為便于分析，對(duì)管片環(huán)進(jìn)行編號(hào)，①～環(huán)管片如圖2所示。根據(jù)螺栓接頭類型不同，接頭分為直螺栓、長(zhǎng)螺栓、彎螺栓、斜螺栓等形式，該隧道采用斜螺栓連接。在數(shù)值模擬中，管片采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，螺栓設(shè)置為梁?jiǎn)卧?，并且嵌入管片單元中，預(yù)緊力設(shè)置為150kN。管片間的接觸在法向上設(shè)置為硬接觸，建立的三維非接觸模型如圖2所示。

圖2 三維非連續(xù)接觸有限元模型

2.2 加載方式及邊界條件

土對(duì)隧道的約束和壓力影響隧道變形與應(yīng)力，尤其是隧道初始階段變形，因此，為考慮土層與結(jié)構(gòu)間的共同作用，引入土彈簧單元。數(shù)值計(jì)算中，襯砌與土體受壓區(qū)域存在抗壓彈簧，而在脫離區(qū)域土彈簧消失。土彈簧采用只受拉不受壓的非線性三向(包括1個(gè)法向彈簧、2個(gè)切向彈簧)全周彈簧模式，如圖3所示。

圖3 土彈簧示意

根據(jù)資料采取如圖4所示土壓力計(jì)算模式，圖中P1為管片環(huán)頂部的上覆水土壓力；P2為管片環(huán)底部的土層抗力及豎向水壓力；P3為管片環(huán)頂部水平面上的側(cè)向水土壓力；P4為管片環(huán)底部水平面上的側(cè)向水土壓力；P5為管片自重。實(shí)際計(jì)算參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察說(shuō)明書和超限斷面位置進(jìn)行確定。

圖4 隧道周圍土壓力分布

2.3 材料本構(gòu)與參數(shù)

模型中管片與螺栓采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015年版)、GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》及其他規(guī)范，參數(shù)取值如表1所示。模型中土體參數(shù)根據(jù)不利斷面的具體位置和地質(zhì)圖進(jìn)行對(duì)應(yīng)后，參照《隧道地質(zhì)縱斷面設(shè)計(jì)圖》《工程地質(zhì)勘察說(shuō)明書》進(jìn)行取值(見(jiàn)圖5與表2)。

表1 隧道結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)

圖5 隧道地質(zhì)縱剖面

表2 土體參數(shù)

2.4 管片接頭編號(hào)

如圖6a所示，環(huán)縫①～②表示第①，②環(huán)管片間的環(huán)縫。第①環(huán)10片管片間的縱縫接頭編號(hào)如圖6b所示，雖然錯(cuò)縫拼裝時(shí)管片環(huán)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但接頭內(nèi)的相對(duì)位置不變，可沿用①環(huán)的編號(hào)方法。

圖6 管片接頭編號(hào)示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 縱縫錯(cuò)臺(tái)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和圖片，縱縫錯(cuò)臺(tái)主要集中在隧道拱腰處，選取20環(huán)管片作為分析模型，將第環(huán)作為分析環(huán)，在B6，B5，B7標(biāo)準(zhǔn)塊間建立錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到超限值的計(jì)算工況。盾構(gòu)管片錯(cuò)臺(tái)如圖7所示。

圖7 縱縫錯(cuò)臺(tái)工況示意

縱縫錯(cuò)臺(tái)環(huán)號(hào)分別為399,1 055,1 421,1 457,1 600, 1 640時(shí)，對(duì)應(yīng)超限錯(cuò)臺(tái)值分別為14.2,14.7,15.7,19.2,19.8,15.4mm，確定最大縱縫錯(cuò)臺(tái)值為1 600 環(huán)19.8mm。

圖8 縱縫錯(cuò)臺(tái)前后管片結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖9 縱縫錯(cuò)臺(tái)前后第環(huán)最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖10 縱縫錯(cuò)臺(tái)前后B6標(biāo)準(zhǔn)塊及螺栓最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

1)B6標(biāo)準(zhǔn)塊錯(cuò)臺(tái)使管片整體受力狀態(tài)發(fā)生明顯變化，具體表現(xiàn)為從B6標(biāo)準(zhǔn)塊呈圓形向相鄰塊擴(kuò)散發(fā)展，在B6標(biāo)準(zhǔn)塊的4個(gè)角點(diǎn)明顯增大。

2)管片接頭B5-B6，B6-B7接縫邊角處的最大壓應(yīng)力從24.0MPa增至67.0MPa，超過(guò)C60混凝土抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致接縫外邊角混凝土被壓潰。管片其他位置最大壓應(yīng)力為33.7MPa，尚未達(dá)到C60混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，管片整體結(jié)構(gòu)安全。

3)錯(cuò)臺(tái)后，B6標(biāo)準(zhǔn)塊最大拉應(yīng)力從全部受壓增至最大拉應(yīng)力為5.50MPa，在B5-B6，B6-B7縱縫螺栓處明顯集中，超過(guò)C60混凝土極限抗拉強(qiáng)度，且大大增加拉應(yīng)力分布范圍，對(duì)管片整體受力極為不利。

4)錯(cuò)臺(tái)時(shí)，螺栓最大主應(yīng)力發(fā)生在拱頂部位，最大拉應(yīng)力為303.3MPa。考慮極限錯(cuò)臺(tái)后，螺栓最大拉應(yīng)力達(dá)663MPa，螺栓已屈服，但尚未達(dá)到螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值800MPa，留有一定安全余量。

5)從管片整體結(jié)構(gòu)受力來(lái)看，縱縫錯(cuò)臺(tái)19.8mm時(shí)，B6標(biāo)準(zhǔn)塊4個(gè)外邊角已被壓潰；除外邊角外，B6標(biāo)準(zhǔn)塊其余部分與其他標(biāo)準(zhǔn)塊應(yīng)力雖有增大，但整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化依然在混凝土安全范圍內(nèi)。

3.2 環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)分析

圖11 環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)前后管片結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖12 環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)前后管片結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖13 管片結(jié)構(gòu)、螺栓最大主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

1)環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)使管片受力狀態(tài)發(fā)生明顯變化，主要表現(xiàn)為拱腰處應(yīng)力增大，從環(huán)的拱腰向臨近環(huán)擴(kuò)散。

4)錯(cuò)臺(tái)前，螺栓最大主應(yīng)力發(fā)生在拱頂部位，最大拉應(yīng)力為303.3MPa；錯(cuò)臺(tái)后，螺栓最大拉應(yīng)力發(fā)生在拱底，達(dá)693MPa，螺栓已屈服。

3.3 環(huán)間張開(kāi)分析

1)環(huán)間張開(kāi)，管片整體受力呈拱頂與拱底內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓；左右拱腰外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓狀態(tài)。考慮環(huán)間張開(kāi)后，分析環(huán)的最大壓應(yīng)力有所減小，即⑩環(huán)最大壓應(yīng)力從23.8MPa減為22.8MPa；環(huán)最大壓應(yīng)力從24.0MPa減為23.3MPa。

3)未考慮張開(kāi)時(shí)，螺栓最大主應(yīng)力發(fā)生在拱頂部位，最大拉應(yīng)力為303MPa，遠(yuǎn)小于螺栓屈服強(qiáng)度600MPa，說(shuō)明在初始地應(yīng)力條件下，螺栓受力安全；考慮極限張開(kāi)后，螺栓最大拉應(yīng)力達(dá)718MPa，螺栓已屈服，但尚未達(dá)到螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值800MPa。

4)從管片整體受力情況看，在環(huán)間張開(kāi)的極限工況下，管片最大壓應(yīng)力有所減小；但分析環(huán)拱頂、仰拱最大拉應(yīng)力急劇增大，均超過(guò)C60混凝土極限抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明分析環(huán)的拱頂、仰拱部位可能被破壞，其余部位安全。

4 結(jié)語(yǔ)

1)縱縫拱腰B6標(biāo)準(zhǔn)塊錯(cuò)臺(tái)使管片整體受力從B6標(biāo)準(zhǔn)塊呈圓形向相鄰塊擴(kuò)散發(fā)展，造成管片接頭B5-B6，B6-B7接縫外邊角混凝土被壓潰；B6標(biāo)準(zhǔn)塊最大拉應(yīng)力在B5-B6，B6-B7縱縫螺栓處明顯集中，超過(guò)C60混凝土極限抗拉強(qiáng)度，需引起重視。

3)環(huán)間張開(kāi)后分析環(huán)的最大壓應(yīng)力有所減小，但分析環(huán)拱頂、仰拱環(huán)內(nèi)部位最大拉應(yīng)力急劇增大，超過(guò)C60混凝土極限抗拉強(qiáng)度，此處混凝土有局部開(kāi)裂危險(xiǎn)，其余部位安全。

4)在張開(kāi)、錯(cuò)臺(tái)超限工況下，部分螺栓最大拉應(yīng)力超過(guò)螺栓屈服強(qiáng)度，螺栓屈服，但未達(dá)到螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值800MPa，留有一定安全余量。