軟土錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道橫斷面變形控制限值研究

佘才高，張 存，王懷東，田志堯

（1. 南京地鐵集團(tuán)有限公司，南京 210008；2. 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308；3. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施耐久性與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

1 研究背景

城市軌道交通 TOD(transit-oriented development)開(kāi)發(fā)模式，引領(lǐng)城軌交通沿線用地大規(guī)模更新與線路密集成網(wǎng)。然而，軟土地區(qū)地層軟弱、力學(xué)性質(zhì)差，軌道交通沿線的密集工程活動(dòng)，極易改變鄰近既有運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道所處地層環(huán)境的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，使隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況下降，甚至有被破壞而坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。例如，上海地鐵某區(qū)間地表發(fā)生大面積堆載，使得盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的橫斷面收斂變形及滲漏水的情況，部分管片環(huán)出現(xiàn)混凝土掉塊及螺栓斷裂等現(xiàn)象[1-2]；南京地鐵某區(qū)間因鄰近基坑工程活動(dòng)，造成既有盾構(gòu)隧道發(fā)生較大的收斂變形，其中 38環(huán)超過(guò)80 mm[3-4]；寧波地鐵某區(qū)間因鄰近基坑工程活動(dòng)，使既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)密集貫通裂縫[5]。

這些帶病服役的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)仍將長(zhǎng)時(shí)間服役，且其后續(xù)服役期內(nèi)仍將面臨鄰近隧道穿越工程、周邊工程活動(dòng)、高頻列車荷載等不利服役環(huán)境。因此，有必要提出盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形控制限值，在隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，為結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)運(yùn)維及時(shí)提供判斷、決策依據(jù)，或?yàn)槲磥?lái)鄰近工程提出施工控制限值，保障地鐵安全運(yùn)營(yíng)。

部分學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫斷面變形限值展開(kāi)研究。王明卓等考慮通縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫向收斂變形與結(jié)構(gòu)內(nèi)力、接頭張開(kāi)的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，將橫向收斂變形限值確定為40、80、126 mm三個(gè)安全等級(jí)[6]；王志良等基于修正慣用法，建立螺栓應(yīng)力與管片橫向收斂變形的關(guān)系，確定彈性極限狀態(tài)下通縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形限值[7]；王如路等[8]基于三維有限元分析，建立了隧道收斂變形和混凝土、螺栓受力、接頭張開(kāi)量的關(guān)系，提出了通縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形限值；朱斌通過(guò)三維有限元分析，以變形控制的思路進(jìn)行逐步加載，研究了管片橫斷面的變形限值，并探討了通縫與錯(cuò)縫拼裝下隧道結(jié)構(gòu)限值的異同[9]?？傮w來(lái)說(shuō)，較多的學(xué)者基于理論計(jì)算或數(shù)值模擬方法，對(duì)通縫拼裝盾構(gòu)隧道橫斷面的變形限值展開(kāi)了較多研究，但是少有針對(duì)錯(cuò)縫拼裝隧道的研究，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)構(gòu)變形限值的研究更是少見(jiàn)。

筆者以南京某3個(gè)地鐵區(qū)間為背景，分別以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、三維精細(xì)化有限元模擬為手段展開(kāi)研究；將兩種手段相互驗(yàn)證與補(bǔ)充，提出了錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫斷面的變形控制限值，相關(guān)結(jié)論可對(duì)軟土地區(qū)地鐵隧道的維修養(yǎng)護(hù)提供借鑒與參考。

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 案例背景

南京地鐵某3段運(yùn)營(yíng)區(qū)間(下面分別用區(qū)間A、B、C指代)均處于富水軟土地層。據(jù)《南京地鐵十三五規(guī)劃》，未來(lái)將分別有3段隧道穿越A、B、C區(qū)間。為保證穿越過(guò)程中既有隧道的運(yùn)營(yíng)安全，針對(duì)3個(gè)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)服役性能展開(kāi)全面的數(shù)據(jù)采集與分析。

如圖1所示，A區(qū)間位于南京典型秦淮河沖積平原地層，沉積物粒度粗細(xì)交替，而隧道則大部分位于力學(xué)性能相對(duì)較好的粉砂層；同時(shí)，由于A區(qū)間位于歷史街區(qū)，未受到大規(guī)模用地開(kāi)發(fā)的工程擾動(dòng)，因此其結(jié)構(gòu)服役性能總體表現(xiàn)優(yōu)良。B、C區(qū)間位于南京典型的長(zhǎng)江河谷平原地層，沉積物粒度自上而下由細(xì)到粗，而隧道均處于厚度較大的淤泥質(zhì)黏土層，力學(xué)性質(zhì)較差；此外，由于B、C區(qū)間位于新城開(kāi)發(fā)區(qū)，自隧道建成后，周邊出現(xiàn)大規(guī)模的基坑卸載與頂部堆載活動(dòng)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)量的“橫鴨蛋變形”，結(jié)構(gòu)服役性能總體表現(xiàn)較差。

圖1 區(qū)間典型地質(zhì)剖面Figure 1 Typical geological section of interval

3個(gè)區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)均采用南京地鐵標(biāo)準(zhǔn)制式混凝土管片：外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度0.35 m，環(huán)寬1.2 m；標(biāo)準(zhǔn)環(huán)由6塊管片組成，包括1塊封頂塊(K)、2塊鄰接塊(B1、B2)、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(A1、A2、A3)。封頂塊對(duì)應(yīng)的圓心角為21.5°，鄰接塊對(duì)應(yīng)的圓心角為68.0°，標(biāo)準(zhǔn)塊對(duì)應(yīng)的圓心角為 67.5°，如圖 2所示。管片環(huán)按照“A-B-A”型式進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝，相鄰環(huán)封頂塊位置偏離正上方±22.5°，如圖3所示。管片塊與塊之間采用2根環(huán)向螺栓連接，每環(huán)管片設(shè)置12根環(huán)向螺栓，相鄰兩環(huán)管片之間每隔22.5°設(shè)置1根縱向螺栓，共計(jì)16根。管片縱縫設(shè)置凹凸榫，環(huán)縫不設(shè)置凹凸榫。管片內(nèi)含主筋、縱向筋、箍筋、螺栓手孔鋼筋。

圖2 南京標(biāo)準(zhǔn)制式盾構(gòu)隧道整環(huán)示意Figure 2 Integral ring diagram of Nanjing Standard Shield Tunnel

圖3 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)錯(cuò)縫拼裝型式Figure 3 Staggered joint assembly form of the shield tunnel structure

2.2 數(shù)據(jù)采集

針對(duì)3個(gè)區(qū)間6段隧道(每個(gè)區(qū)間各包含上、下行線)預(yù)穿越段前后近400環(huán)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，展開(kāi)變形與病害調(diào)研，主要內(nèi)容及調(diào)查方法如下：

1) 橫斷面收斂變形。如圖4所示，在隧道兩側(cè)拱腰位置布設(shè)一條水平基線，基線通過(guò)隧道假定圓心，采用全站儀測(cè)量水平基線長(zhǎng)度，得到橫斷面收斂變形。

圖4 橫斷面收斂變形測(cè)量示意Figure 4 Schematic diagram of cross section convergence deformation measurement

2) 結(jié)構(gòu)裂縫。如圖5(a)、(b)所示，針對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫，詳細(xì)記錄裂縫位置(管片裂縫與道床裂縫)，針對(duì)部分明顯裂縫記錄其走向、長(zhǎng)度、寬度。

3) 滲漏水。如圖5(c)、(d)所示，針對(duì)管片滲漏，詳細(xì)記錄滲漏位置(拱頂、拱腰)。

4) 管片破損。如圖5(e)、(f)所示，針對(duì)混凝土破損掉塊，詳細(xì)記錄其位置、大小。

圖5 典型表觀病害觀測(cè)Figure 5 Typical apparent diseases

2.3 數(shù)據(jù)分析

為分析橫斷面收斂變形與各類病害之間的相關(guān)關(guān)系，將3個(gè)區(qū)間的所有病害信息匯總至圖6～8。值得注意的是，由于A區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害較為輕微，所以詳細(xì)地統(tǒng)計(jì)了道床裂縫信息；而B(niǎo)、C區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)病害較為嚴(yán)重，由于現(xiàn)場(chǎng)工作量的緣故，忽略了其道床裂縫信息。

圖6(a)、(b)統(tǒng)計(jì)了A區(qū)間橫斷面收斂變形與結(jié)構(gòu)表觀病害的信息：上下行線橫斷面收斂變形絕大部分均控制在30 mm以內(nèi)，區(qū)間內(nèi)無(wú)滲漏水、管片裂縫等病害，僅觀測(cè)到部分道床裂縫，對(duì)管片結(jié)構(gòu)性能影響不大。

圖6 區(qū)間A病害匯總Figure 6 Disease summary of section A

圖7(a)、(b)統(tǒng)計(jì)了B區(qū)間橫斷面收斂變形與結(jié)構(gòu)表觀病害的信息，上下行線收斂變形主要在 30～60 mm，部分環(huán)超過(guò)60 mm，分布有較多病害，主要以拱腰滲水和拱頂裂縫為主，且具有收斂變形越大、病害越密集的趨勢(shì)，其中有3環(huán)變形超過(guò)60 mm，管片出現(xiàn)破損(上行線拱頂破損1環(huán)，下行線拱頂破損1環(huán)，拱腰破損1環(huán))。

圖7 區(qū)間B病害匯總Figure 7 Disease summary of section B

圖8(a)、(b)統(tǒng)計(jì)了C區(qū)間橫斷面收斂變形與結(jié)構(gòu)表觀病害的信息。上行線區(qū)間在K4+000小里程方向，收斂變形均較好地控制在 30 mm以內(nèi)，且無(wú)結(jié)構(gòu)病害；K4+000大里程方向，收斂變形大多在30～60 mm之間，存在較多管片裂縫與管片滲漏等病害。下行線區(qū)間收斂變形多在30～60 mm區(qū)間，但也有較多環(huán)變形大于60 mm的情況，管片裂縫與管片滲漏等十分嚴(yán)重，部分超過(guò)60 mm變形的片出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損的現(xiàn)象。

圖8 區(qū)間C病害匯總Figure 8 Disease summary of section C

整理上述病害信息可發(fā)現(xiàn)：

1) 區(qū)間A收斂變形始終保持30 mm以內(nèi)，管片結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良，未發(fā)現(xiàn)管片結(jié)構(gòu)病害；在區(qū)間C上行線K4+000小里程方向，也可發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

2) 區(qū)間B、C上行線K4+000大里程方向，區(qū)間C下行線，收斂變形主要在30～60 mm范圍，開(kāi)始出現(xiàn)管片裂縫與管片滲漏，且具有收斂變形越大病害越嚴(yán)重的趨勢(shì)。部分管片環(huán)收斂變形大于60 mm，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破損的現(xiàn)象。

據(jù)此分析，可初步提出橫斷面收斂變形30、60 mm兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)限值。當(dāng)盾構(gòu)隧道橫斷面收斂變形小于30 mm時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)服役性能良好，幾乎沒(méi)有病害發(fā)生；當(dāng)收斂變形處于30～60 mm時(shí)，盾構(gòu)隧道性能開(kāi)始惡化，出現(xiàn)滲漏水及管片裂縫等病害，且具有收斂變形越大病害越嚴(yán)重的趨勢(shì)；當(dāng)收斂變形超過(guò) 60 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)性能進(jìn)一步惡化，除滲漏與裂縫外，還出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破損等嚴(yán)重病害。

3 三維精細(xì)化數(shù)值模擬

3.1 精細(xì)化數(shù)值模擬

基于以上現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，初步建立了橫斷面收斂變形與結(jié)構(gòu)病害發(fā)展程度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。為從機(jī)理角度解釋與補(bǔ)充此關(guān)系，進(jìn)一步展開(kāi)精細(xì)化數(shù)值模擬，逐步增大管片環(huán)頂側(cè)的荷載比，強(qiáng)制其發(fā)生與現(xiàn)場(chǎng)管片近似的“橫鴨蛋”變形，觀察病害的情況，從而得出不同變形量值下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能衰退的特性[8-9]。

3.2 非線性有限元模型

以南京地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)為對(duì)象，基于大型通用有限元軟件Abaqus，建立了含有管片、鋼筋、縱縫細(xì)部構(gòu)造，連接螺栓的錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的三維精細(xì)化非線性有限元模型(見(jiàn)圖9)。該模型需反映極限承載下混凝土塑性變形的特性，以及螺栓、內(nèi)置鋼筋的塑性變形，并表達(dá)管片接頭三維非線性接觸關(guān)系。

圖9 三整環(huán)有限元模型Figure 9 Finite element model of three integral ring

3.3 模型精細(xì)化設(shè)置

接頭是管片結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，其細(xì)部構(gòu)造模擬的準(zhǔn)確性對(duì)真實(shí)反映管片的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能十分重要。因此，筆者基于南京地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，充分考慮縱縫凹凸榫、螺栓手孔、防水密封墊凹糟等接頭構(gòu)造的細(xì)節(jié)。單環(huán)管片的有限元模型如圖10所示。為真實(shí)反映管片混凝土的受力行為，管片采用三維實(shí)體單環(huán)進(jìn)行模擬，厚度設(shè)置為350 mm。

圖10 管片精細(xì)化設(shè)置Figure 10 Refinement setting of segment

鋼筋用桁架進(jìn)行模擬，并嵌入到管片中，具體采用Embedded Region技術(shù)，將鋼筋、接頭螺栓植入管片中，不考慮鋼筋、螺栓與管片混凝土發(fā)生相對(duì)滑移，如圖11所示。

圖11 管片-鋼筋及管片-接頭螺栓的接觸設(shè)定Figure 11 Contact setting of segment to reinforcement and segment to joint bolt

接頭螺栓主要承受拉力和剪力，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并嵌入到管片中；梁截面與真實(shí)螺栓界面保持一致，既能反映螺栓本身的力學(xué)性質(zhì)，也能模擬相鄰管片間的連接作用。

3.4 非線性材料本構(gòu)

為更好地模擬盾構(gòu)隧道管片的開(kāi)裂和損傷，更加真實(shí)地反映管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，采用混凝土塑性損傷本構(gòu)，描述混凝土非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[10]。C50混凝土單軸受壓、受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及損傷因子分別如表1、2所示。

表1 C50混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及損傷因子Table 1 Stress-strain relationship and damage factors of C50 concrete under uniaxial compression

管片主筋采用HRB335鋼筋，縱向筋、箍筋采用HPB235鋼筋，忽略螺栓手孔鋼筋，采用三折線來(lái)表征材料彈塑性特征，以模擬螺栓、鋼筋在加載中出現(xiàn)的屈服、硬化及軟化現(xiàn)象，材料物理力學(xué)參數(shù)如表 3所示。材料屈服硬化后彈性模量折減為初始值的0.01倍，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖12所示。

表3 螺栓、鋼筋材料物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of bolt and reinforcement materials

圖12 螺栓、鋼筋材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Figure 12 Stress-strain curves of bolt and reinforcement materials

3.5 管片間接觸關(guān)系

由于有限元模型中管片分開(kāi)建模，需建立管片間接觸面的相互作用關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力-位移的連續(xù)，從而模擬接頭張開(kāi)/接觸等接觸非線性問(wèn)題。采用“硬接觸”[11]模擬接觸面法向行為：當(dāng)兩個(gè)接觸面相互接觸時(shí)，接觸壓力可以是任何值；當(dāng)兩個(gè)接觸面相互分離時(shí)，接觸壓力為零(見(jiàn)圖13)。

圖13 接觸面法相“硬接觸”關(guān)系Figure 13 “Hard contact” relationship of contact surface method

切向接觸采用庫(kù)倫摩擦模型[11]，當(dāng)每個(gè)接觸面間的等效剪應(yīng)力超過(guò)臨界剪應(yīng)力時(shí)，接觸面間發(fā)生相對(duì)滑移。對(duì)于三維接觸問(wèn)題，每個(gè)接觸面之間存在兩個(gè)相互垂直的剪應(yīng)力分量τ1、τ2，定義等效剪應(yīng)力當(dāng)?shù)刃Ъ魬?yīng)力(切向摩擦力)較小時(shí)，接觸面處于閉合或黏結(jié)狀態(tài)，接觸面之間可傳遞剪應(yīng)力；當(dāng)?shù)刃Ъ魬?yīng)力(切向摩擦力)超過(guò)接觸面的臨界剪應(yīng)力τcrit時(shí)，接觸面之間發(fā)生相對(duì)滑移。接觸面之間的臨界剪應(yīng)力τcrit計(jì)算如下：

式中：μ為摩擦系數(shù)，P為接觸壓力。

考慮到有限元計(jì)算時(shí)間效率和結(jié)果精確性，根據(jù)相應(yīng)的相關(guān)文獻(xiàn)[11]，本研究的切向接觸摩擦系數(shù)取為0.5。

3.6 設(shè)計(jì)荷載模擬過(guò)程

首先，依據(jù)盾構(gòu)隧道區(qū)間典型埋深，將襯砌環(huán)加載到正常承載狀況，即設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)，如圖14所示。在隧道結(jié)構(gòu)達(dá)到正常承載狀況后，轉(zhuǎn)為變形控制的加載模式，即繼續(xù)增大豎向荷載P1和P2，維持其余荷載不變(這也是考慮到軟土地層承載力低，隧道變形引起的土體抗力很小)，以模擬頂/側(cè)荷載比逐步增大的情況。這樣做的目的在于以變形控制為條件，強(qiáng)制結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生“橫鴨蛋”變形，從而觀察不同變形量值下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能衰退特性[12-15]。

圖14 區(qū)間盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)荷載狀態(tài)Figure 14 Design load state of the shield tunnel linings

3.7 變形計(jì)算結(jié)果分析

3.7.1 橫斷面收斂變形和最大接縫張開(kāi)量

如圖15所示，橫斷面收斂變形和最大接縫張開(kāi)量近似線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)最大接縫張開(kāi)為6 mm時(shí)，橫斷面收斂變形為31.2 mm。較多學(xué)者已經(jīng)從理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)研究得出，盾構(gòu)隧道接縫張開(kāi)量在6 mm時(shí)管片環(huán)易出現(xiàn)滲漏[16-17]。因此，可以認(rèn)為數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)論相互驗(yàn)證，即收斂變形大于30 mm時(shí)，管片開(kāi)始出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

圖15 橫斷面收斂變形和最大接縫張開(kāi)量的關(guān)系Figure 15 Relationship between convergence deformation of cross section and maximum seam opening

3.7.2 橫斷面收斂變形和最大混凝土應(yīng)力

如圖16所示，橫斷面收斂變形和最大混凝土應(yīng)力呈明顯正相關(guān)。當(dāng)混凝土應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度22.4 MPa時(shí)，橫斷面收斂變形為31.1 mm；當(dāng)混凝土應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度32.4 MPa時(shí)，橫斷面收斂變形為66.2 mm。這同樣與實(shí)測(cè)分析中得出的收斂變形與管片裂縫、管片破損的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了相互驗(yàn)證。

圖16 橫斷面收斂變形和最大混凝土應(yīng)力的關(guān)系Figure 16 Relationship between convergence deformation of cross section and maximum concrete stress

3.7.3 橫斷面收斂變形和最大螺栓應(yīng)力

由于現(xiàn)場(chǎng)很難觀測(cè)到螺栓狀態(tài)的信息，因此基于數(shù)值計(jì)算，對(duì)螺栓受力狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)充，橫斷面收斂變形和最大螺栓應(yīng)力的近似線性相關(guān)關(guān)系如圖17所示。當(dāng)首個(gè)螺栓到達(dá)屈服時(shí)(400 MPa)，橫斷面收斂變形為37.8 mm；當(dāng)首個(gè)螺栓到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)(500 MPa)，橫斷面收斂變形為81.3 mm。

圖17 橫斷面收斂變形和最大螺栓應(yīng)力的關(guān)系Figure 17 Relationship between convergence deformation of cross section and maximum bolt stress

3.7.4 橫斷面收斂變形和外部荷載

由于現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到整環(huán)屈服，因此基于數(shù)值計(jì)算，對(duì)此極限狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)充。如圖18所示，隨著頂側(cè)荷載比的增大，橫斷面收斂變形不斷增大，當(dāng)收斂變形值達(dá)到 107.7 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入整環(huán)屈服。此外，數(shù)值計(jì)算結(jié)果也與相同荷載條件下的足尺試驗(yàn)[16]進(jìn)行了對(duì)比，二者吻合較好，證明了本研究數(shù)值模型的可行性。同時(shí)，圖18也總結(jié)了本文3.7.1～3.7.3節(jié)中收斂變形的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，以方便其限值的提出。

圖18 橫斷面收斂變形和P1的關(guān)系Figure 18 Relationship between convergence deformation of cross section and P1

4 橫斷面收斂變形控制限值

總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與數(shù)值計(jì)算的相關(guān)結(jié)論，同時(shí)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)維修管理的可行性，提出錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道橫斷面的收斂變形控制限值，如表4所示。

表4 橫斷面收斂變形限值Table 4 Limit of convergence deformation of cross section

為進(jìn)一步闡述表 2收斂變形控制限值提出的意義，并緊扣本研究的背景，根據(jù)表2的研究結(jié)論，同時(shí)以結(jié)構(gòu)性能等級(jí)不惡化為條件，進(jìn)一步提出A、B、C三個(gè)區(qū)間在未來(lái)穿越工程的施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)變形控制限值的制定依據(jù)，如表5所示。

表2 C50混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及損傷因子Table 2 Uniaxial tensile stress-strain relationship and damage factors of C50 concrete

表5 A、B、C區(qū)間未來(lái)穿越工程變形控制限值的制定依據(jù)Table 5 Formulation basis of deformation control limits for future crossing works of sections A, B, and C mm

5 結(jié)語(yǔ)

筆者分別以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、三維精細(xì)化有限元數(shù)值計(jì)算為手段展開(kāi)研究(兩種手段相互驗(yàn)證與補(bǔ)充)，提出了錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)橫斷面的變形控制限值，得出如下結(jié)論。

1) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明：盾構(gòu)隧道橫斷面收斂變形小于30 mm時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)服役性能良好，幾乎沒(méi)有病害發(fā)生；當(dāng)收斂變形處于30～60 mm時(shí)，盾構(gòu)隧道的性能開(kāi)始惡化，出現(xiàn)滲漏水及管片裂縫等病害，且具有收斂變形越大、病害越嚴(yán)重的趨勢(shì)；當(dāng)收斂變形超過(guò)60 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)性能進(jìn)一步惡化，除滲漏與裂縫外，還出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破損等嚴(yán)重病害。

2) 三維精細(xì)化有限元數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)論相互驗(yàn)證：當(dāng)最大接縫張開(kāi)為6 mm時(shí)，橫斷面收斂變形為31.2 mm；當(dāng)混凝土應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度22.4 MPa時(shí)，橫斷面的收斂變形為31.1 mm；當(dāng)混凝土應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度32.4 MPa時(shí)，橫斷面的收斂變形為66.2 mm。

3) 采用三維精細(xì)化有限元數(shù)值分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)難以觀測(cè)的信息進(jìn)行了補(bǔ)充：當(dāng)首個(gè)螺栓到達(dá)屈服時(shí)(400 MPa)，橫斷面收斂變形為37.8 mm；當(dāng)首個(gè)螺栓達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)(500 MPa)，橫斷面收斂變形為81.3 mm；當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入整環(huán)屈服時(shí)，收斂變形為107.7 mm。

4) 依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析與數(shù)值計(jì)算的相關(guān)結(jié)論，同時(shí)考慮養(yǎng)護(hù)管理的可行性，提出了錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道橫斷面的收斂變形控制限值。同時(shí)，以結(jié)構(gòu)性能等級(jí)不惡化為依據(jù)，進(jìn)一步提出研究背景中3個(gè)區(qū)間未來(lái)穿越工程的施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)變形控制限值的制定依據(jù)。