液化區(qū)盾構(gòu)隧道位置對上浮效應(yīng)影響研究

張益瑄

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,陜西 西安 710043)

0 引言

我國城市規(guī)模日益擴大,公共交通壓力隨之增大,地鐵以其運量大、能耗低的優(yōu)勢而得到迅速發(fā)展。限于各種客觀條件,某些地鐵線路不可避免地穿越了可液化土層?？梢夯貙又械乃淼涝诘卣鸷奢d作用下易遭受破壞[1-3],如1923年日本關(guān)東地震、1952年美國科恩地震、1995年日本阪神地震、2008年中國汶川地震等,都出現(xiàn)了富水砂土場地液化、地下結(jié)構(gòu)上浮破壞的現(xiàn)象,因此可液化土層中盾構(gòu)隧道上浮狀態(tài)的力學(xué)特性具有相當重要的研究意義。

許多學(xué)者對液化區(qū)地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為作了研究[4-5],但很少有人研究大直徑盾構(gòu)隧道在液化區(qū)的上浮行為。本文用ANSYS建立“地層-結(jié)構(gòu)”模式與“荷載-結(jié)構(gòu)”模式相結(jié)合的三維模型,探討液化區(qū)長度和隧道埋深對盾構(gòu)隧道上浮力學(xué)特性的影響規(guī)律,得出的結(jié)論與建議可為類似工程作參考。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間隧道外徑6.2 m,管片分塊形式為“3+2+1”,混凝土強度等級為C55,厚度0.40 m,幅寬1.2 m。隧道穿越液化場地土層分布均勻,場地類別為Ⅱ類。隧址位于環(huán)太平洋地震帶上,地震作用下隧道所在的地層可能會發(fā)生液化,對隧道結(jié)構(gòu)有不利影響,因此本文對隧道在液化土層中的上浮現(xiàn)象進行研究。

2 模型建立

采用有限元軟件ANSYS建立模型如圖1所示。液化區(qū)采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模式,土體對隧道結(jié)構(gòu)的作用用僅受壓的彈簧單元Combin39來模擬,剛度取值為正常土體的1/2 000[6]。襯砌采用等效襯砌模型,忽略襯砌接頭影響,其中環(huán)向等效剛度有效率為0.72,縱向等效剛度有效率取0.245。襯砌采用C50混凝土,容重25 kN/m3,彈性模量取3.55×104MPa,泊松比為0.2。

非液化區(qū)采用“地層-結(jié)構(gòu)”模式,土體和隧道之間的相互作用由接觸單元Contact173和Target170實現(xiàn),摩擦系數(shù)取0.4。土體由實體單元Solid45模擬,材料為粉質(zhì)黏土, 容重為19 kN/m3,彈性模量取3 MPa,泊松比為0.36,摩擦角為24°,黏聚力為23 kPa。

液化土體可以認為完全喪失抗剪強度,對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生浮力,不考慮外荷載的超孔隙水壓力對襯砌上浮的影響,則上浮力由式(1)計算:

Ff=γfπR2

(1)

其中,Ff為襯砌單位長度上所受到的浮力大小,N;γf為土體液化后的容重,N/m3;R為隧道的半徑大小,m(取隧道外徑)。

液化區(qū)砂土在外荷載剪切作用下的瞬時模量可由式(2)～式(4)計算:

(2)

σ0=0.5×{1+tanh[ln(0.010 2/γ)0.492]}

(3)

β(γ)=0.272×{1-tanh[ln(0.055 6/γ)0.4]}

(4)

其中,G為土體的瞬時剪切模量,Pa;σ0為土體的有效應(yīng)力平均值,Pa;γ為循環(huán)荷載作用下的剪切應(yīng)變幅值。

3 上浮反應(yīng)的影響因素分析

3.1 液化上浮分析方法

襯砌結(jié)構(gòu)在液化土體的浮力作用下發(fā)生縱向彎曲,由圖2(a)可知,軸向應(yīng)力在非液化區(qū)與完全液化區(qū)的交界處達到最大值,拱頂和拱底的軸向應(yīng)力曲線形狀基本上下對稱,拱底為拉應(yīng)力,最大值0.125 MPa;拱頂為壓應(yīng)力,最大值0.107 4 MPa。圖2(b)為襯砌xy平面的剪力,襯砌在浮力的作用下,各部位的最大剪應(yīng)力均集中在液化土層與非液化土層的交界處,且剪應(yīng)力最大值比軸向應(yīng)力最大值小一個數(shù)量級。由此可知在液化土層中,相對于剪應(yīng)力,軸向應(yīng)力對盾構(gòu)隧道截面安全起控制作用,因此后文主要監(jiān)測隧道的縱向應(yīng)力。

3.2 液化區(qū)長度對隧道上浮的影響分析

取液化區(qū)的長度分別為50 m,60 m,80 m,100 m,不同液化區(qū)長度下襯砌的上浮位移如圖3(a)所示。由圖3(a)可知液化區(qū)長度對襯砌上浮影響結(jié)果極為顯著,液化區(qū)長度越長,襯砌上浮量越大,且襯砌最大位移均發(fā)生在液化區(qū)中部位置。當液化區(qū)長度為100 m時,襯砌最大上浮位移為0.009 7 m。原因在于隨著液化區(qū)長度增加,襯砌受到的浮力增大,且增幅量大于襯砌本身增加的重量,因此襯砌上浮量增大。不同液化區(qū)長度下的拱頂?shù)妮S向應(yīng)力的曲線如圖3(b)所示,液化區(qū)長度增加,襯砌的軸向應(yīng)力最大值也隨之增大。當液化區(qū)長度為50 m,60 m,80 m,100 m時,拱頂處大拉應(yīng)力分別為0.01 MPa,0.025 MPa,0.076 MPa,0.10 MPa,且均發(fā)生在液化區(qū)中部。

3.3 隧道埋深對隧道上浮的影響分析

為研究埋深對盾構(gòu)隧道上浮反應(yīng)的影響,選取隧道埋深分別為5 m,10 m,15 m,20 m。液化區(qū)長度統(tǒng)一取60 m,襯砌外徑取6 m,襯砌厚度取30 cm。不同埋深下的隧道上浮位移如圖4(a)所示,由圖4(a)可知,隨著隧道襯砌埋深的減小,襯砌結(jié)構(gòu)的上浮位移逐漸增大,埋深5 m時上浮位移最大值(0.037 m)為埋深20 m時上浮位移最大值(0.010 m)的3.7倍。這是因為隧道上覆土厚度減小,對襯砌結(jié)構(gòu)的約束降低,使得襯砌結(jié)構(gòu)在液化區(qū)內(nèi)上浮的阻力減小。圖4(b)為不同埋深下的拱頂軸向應(yīng)力沿襯砌長度的變化曲線,由圖可知,襯砌埋深為5 m時,拱頂處最大壓應(yīng)力1.29 MPa,最大拉應(yīng)力0.912 MPa,約為埋深20 m時最大拉應(yīng)力的10倍,可見襯砌埋深對隧道結(jié)構(gòu)上浮效應(yīng)影響較大。因此,在實際工程中對淺埋盾構(gòu)隧道上部的可液化土層進行加固,可有效減緩液化土層中隧道的受拉破壞。

4 結(jié)論與建議

可液化地層中的隧道在地震荷載作用下易遭受破壞,本文依托某地鐵工程對液化區(qū)長度和隧道埋深作了單變量分析,得到了以下結(jié)論:

1)等效襯砌模型在液化上浮計算中,襯砌的危險位置發(fā)生在土體液化區(qū)與非液化區(qū)的交界面。

2)襯砌所處的液化區(qū)長度越大,襯砌的最大上浮位移越大,襯砌軸向應(yīng)力也越大,在實際工程中,需要嚴格控制隧道穿越液化區(qū)的范圍。

3)隧道埋深越小,隧道的上浮位移越大,襯砌結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力越大。對淺埋盾構(gòu)隧道上部的可液化土層進行加固,可有效減緩液化土層中隧道的受拉破壞。