水下大盾構(gòu)隧道受力特性分析及變形控制值討論
——以南京五橋夾江水下盾構(gòu)隧道工程為例

嚴偉垚， 丁鴻志， 周 全

(南京市公共工程建設(shè)中心， 江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著國內(nèi)基建事業(yè)的迅速發(fā)展，為加強區(qū)域間的溝通聯(lián)結(jié)，越來越多的水下盾構(gòu)隧道投入建造和運營[1]。水下大直徑盾構(gòu)隧道相較于其他隧道，對變形、接頭變位的要求更為嚴格，且水底環(huán)境復(fù)雜，潮汐、沉船、河床沖刷淤積都會造成隧道圍壓變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)病害發(fā)生,危及隧道運營安全，因此，有必要開展大直徑水下盾構(gòu)隧道的力學(xué)分析，確定合理的變形控制標準。

何川等[2]論述了盾構(gòu)隧道服役性能評估等方面的研究進展。林偉波等[3]針對湛江灣跨海隧道開展單環(huán)襯砌三維有限元計算工作，研究了不同水位對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布及接頭變位的影響，但未考慮結(jié)構(gòu)的損傷。魏綱等[4]采用修正慣用法，研究隧道上部在偏心荷載作用下堆載大小、位置及隧道埋深對隧道彎矩、軸力的影響。蘇昂等[5]對蘇通GIL綜合管廊隧道的管片結(jié)構(gòu)開展原型加載試驗，基于混凝土偏心受壓極限承載力理論得到管片軸力-彎矩曲線，以彎矩作為管片結(jié)構(gòu)安全的評價指標，評價結(jié)構(gòu)安全。張鑫海等[6]、王道遠等[7]研究了基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)受力變形的影響，提出以三維卸載比預(yù)測隧道的收斂變形。劉學(xué)增等[8]、賴浩然等[9]通過有限元計算，研究了蘇通GIL綜合管廊在不同地層下隧道結(jié)構(gòu)橫向受力損傷演化規(guī)律，采用變形量作為隧道的安全控制指標。王士民等[10]進行了室內(nèi)模型試驗，通過在隧道上施加極限荷載至隧道失穩(wěn)破壞，探究了盾構(gòu)隧道管片破壞臨界點的分布規(guī)律。陳偉杰等[11]分析了基床系數(shù)和側(cè)壓力系數(shù)對盾構(gòu)隧道變形的影響，發(fā)現(xiàn)混凝土屈服是隧道橢圓度-荷載曲線的拐點。王如路等[12]建立了隧道直徑變化和混凝土受力、螺栓受力以及接頭張開量之間的關(guān)系, 提出了以隧道直徑變化作為隧道橫向結(jié)構(gòu)性態(tài)發(fā)展的判定指標。張旭輝等[13]采用梁-彈簧模型計算地鐵隧道結(jié)構(gòu)橫向內(nèi)力，以接縫張開、螺栓屈服和管片裂縫作為控制依據(jù)提出橫向收斂指標。

現(xiàn)有關(guān)于盾構(gòu)隧道橫向受力變形分析的研究大多基于地鐵隧道，而針對目前越來越多的大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)卻鮮有研究，且多集中于頂部堆載引起的工況，但實際的隧道受力情況復(fù)雜多變，樁基施工、近接施工等使得隧道產(chǎn)生不同的變形受力模式。大部分學(xué)者以收斂變形制定隧道運營安全評估的等級控制標準，也有學(xué)者通過接縫張開量、彎矩等作為控制指標，但考慮到隧道直徑的增大，既有控制標準不能直接用于近年來陸續(xù)出現(xiàn)的大直徑盾構(gòu)隧道工程。

本文在參考現(xiàn)有技術(shù)成果研究思路的基礎(chǔ)上，針對南京五橋夾江水下盾構(gòu)隧道工程建立三維力學(xué)有限元模型，研究在不同變形模式下不同地質(zhì)區(qū)段隧道的橫向受力、變形特性，并以隧道細部構(gòu)件承載變形關(guān)鍵節(jié)點對應(yīng)的直徑變形比為控制指標，提出不同變形模式下夾江隧道的安全控制標準。

1 工程概況與分析方法

南京長江第五大橋夾江隧道盾構(gòu)段長1 159 m。隧道穿越的地層主要為②1層軟塑狀粉質(zhì)黏土，②2層流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，②3層松散粉砂，③2、③3層粉細砂，③4層粉質(zhì)黏土等地層，隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。盾構(gòu)段隧道襯砌外徑為15 m，內(nèi)徑為13.7 m，襯砌厚度為0.65 m，環(huán)寬2 m，混凝土強度等級為C60，采用錯縫拼裝方式，襯砌塊共10塊，管片采用機械性能為8.8級的M36斜螺栓連接，環(huán)向螺栓30顆，縱向螺栓42顆。主筋采用HRB400，襯砌管片外側(cè)主筋的混凝土保護層厚度為50 mm，內(nèi)側(cè)主筋的混凝土保護層厚度為40 mm。管片的配筋類型有3種，如表1所示。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面圖(單位： m)

表1 管片配筋

1.1 分析方法及參數(shù)取值

根據(jù)夾江隧道沿線的地質(zhì)環(huán)境、水文條件、線位走向、隧道埋深等因素，選取6個典型斷面作為有限元分析的重點部位。將隧道可能受到的工程活動劃分為2類，如圖2所示。

(a) 頂?shù)准虞d

(b) 兩側(cè)加載

1)以地表堆載、沉船、河床淤積等為典型代表的頂?shù)缀奢d增大的情況，計算時頂?shù)缀奢d在初始埋深荷載下增加至2.5 MPa，側(cè)向荷載保持不變(2.5 MPa為極限荷載，加載至隧道破壞)。

2)樁基施工或其他未知荷載引起的隧道兩側(cè)荷載增大的情況，計算時兩側(cè)荷載在初始狀態(tài)側(cè)壓力荷載下增加至2.5 MPa，頂?shù)缀奢d保持不變。

此外，還考慮了江中段河床沖刷以及水位變化帶來的結(jié)構(gòu)受力的影響。

本文采用荷載-結(jié)構(gòu)法，通過ABAQUS建立三維有限元計算模型。襯砌采用實體單元模擬，鋼筋與接頭螺栓采用桿單元模擬，如圖 3所示。管片之間設(shè)置摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.3，通過螺栓連接。管片結(jié)構(gòu)與地層的相關(guān)作用通過設(shè)置地層彈簧模擬，同時設(shè)置剪切彈簧以約束整環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動。管片襯砌采用混凝土塑性損傷本構(gòu)模型(CDP模型)?；炷痢摻?、螺栓的物理力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型參數(shù)、斷面配筋情況見表2—5。

圖3 三維有限元模型

表2 材料參數(shù)

表3 混凝土塑性損傷本構(gòu)模型參數(shù)

表4 應(yīng)力-應(yīng)變-損傷因子關(guān)系

1.2 數(shù)值模擬模型合理性驗證

通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對數(shù)值計算的合理性進行論證。圖4和圖5分別示出實測的混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力與數(shù)值模擬計算結(jié)果的對比。由圖可知，現(xiàn)場數(shù)據(jù)在初期變化幅度較大，后逐漸穩(wěn)定，穩(wěn)定后的實測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算得到的混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力基本吻合，驗證了模型的正確性。

表5 斷面配筋

(a) 實測曲線 (b) 混凝土應(yīng)力對比(單位： MPa)

(a) 實測曲線 (b) 鋼筋應(yīng)力對比(單位： MPa)

2 不同變形模式下結(jié)構(gòu)損傷演化過程分析

2.1 江中河床沖刷和潮汐作用下結(jié)構(gòu)受力變形性能

以斷面ZK10+060為例，分析江中河床沖刷和潮汐作用下的結(jié)構(gòu)力學(xué)。

2.1.1 沖刷影響

根據(jù)河演分析結(jié)果，夾江隧道最大沖刷深度為7 m，對于強透水地層，沖刷引起的土壓力減小值為70 kPa。如表6和圖6—7所示，沖刷引起結(jié)構(gòu)變形減小，應(yīng)力水平降低，其中螺栓應(yīng)力最為敏感，應(yīng)力降低8.7 MPa，鋼筋次之，混凝土應(yīng)力僅減小1.7 MPa?？傮w而言，沖刷帶來的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力的變化較小。

表6 沖刷前后結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形對比

圖6 沖刷引起的隧道變形

圖7 沖刷引起的混凝土壓應(yīng)力

2.1.2 水位變化影響

勘察數(shù)據(jù)表明，潮汐荷載或洪枯季節(jié)水位變化高度為+5.85～-3.37 m，而常水位為+3.00 m，按不透水模式進行分析，結(jié)果如圖8—11和表7所示。抬升至最高水位時，隧道豎向變形增大，橫向變形減小； 混凝土、鋼筋壓應(yīng)力略有增大，螺栓拉應(yīng)力減小。而降至最低水位時，豎向變形減小，橫向變形增大； 混凝土、鋼筋壓應(yīng)力略有減小，螺栓拉應(yīng)力增大。這是由于水壓力呈現(xiàn)各向同性，水位上升使得隧道豎向變形增加，但側(cè)向約束增大，因此橫向變形減小，腰部螺栓應(yīng)力降低，有利于結(jié)構(gòu)的承載；而水位降低使得隧道豎向變形減小，但側(cè)向約束減小，橫向變形增大，螺栓拉應(yīng)力水平增大。

圖8 水位上升隧道變形

圖9 水位下降隧道變形

2.2 不同變形模式的影響及差異

本節(jié)通過對以地表堆載等為典型代表的頂?shù)缀奢d增大、側(cè)向荷載保持不變的加載模式，以打樁或其他未知荷載引起的隧道兩側(cè)荷載增大、頂?shù)缀奢d保持不變的加載模式損傷特征進行分析，提煉隧道變形的控制標準，為隧道的安全運營提供參考。由于計算斷面較多，以左線陸域段粉砂層斷面(ZK9+750)為例進行分析。

圖10 水位上升混凝土壓應(yīng)力

圖11 水位下降混凝土壓應(yīng)力

表7 水位變化引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形對比

2.2.1 “橫鴨蛋”變形模式

“橫鴨蛋”變形模式下，按照隧道承載、防水的關(guān)鍵節(jié)點，隧道的變形一共分為5個階段，如圖12—13所示。

1)初始狀態(tài)下隧道的豎向變形為13 mm，橫向變形為12 mm，即直徑變形比達0.8‰(直徑變形比是指豎向變形、水平變形較大者與設(shè)計直徑的比值)，混凝土最大壓應(yīng)力為8.5 MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力為46.6 MPa，螺栓拉應(yīng)力最大值為48 MPa，出現(xiàn)在左腰偏下，接縫基本未張開，隧道整體處于彈性變形狀態(tài)。

圖12 斷面收斂

圖13 混凝土壓應(yīng)力

2)隨著頂?shù)缀奢d增大，當豎向變形為99.1 mm、橫向變形為91.4 mm(直徑變形比達6.6‰)時，左腰螺栓出現(xiàn)屈服，此時混凝土最大壓應(yīng)力為35 MPa，接近屈服，左腰外側(cè)接縫張開量最大，為3.3 mm。此時，隧道處于輕微破損狀態(tài)。

3)當直徑變形比達7.48‰時，單點混凝土應(yīng)力達到軸心抗壓強度；當直徑變形比達8.02‰時，混凝土屈服范圍變大(屈服面積大于單塊管片面積的1/2)，左腰外側(cè)接縫張開量達3.9 mm。此時，隧道塑性變形加速增大，結(jié)構(gòu)處于中等破損狀態(tài)。

4)當豎向變形為156.7 mm、橫向變形為135.5 mm(直徑變形比達10.45‰)時，頂?shù)淄鈧?cè)鋼筋出現(xiàn)受壓屈服，此時混凝土屈服范圍超過一整塊管片； 左腰外側(cè)接縫張開量為5.5 mm，結(jié)構(gòu)處于嚴重破損狀態(tài)。

5)當豎向變形為224.2 mm、橫向變形為183.4 mm(直徑變形比達14.95‰)時，管片最大接縫張開量達到8 mm，即防水控制要求限值，螺栓出現(xiàn)多點屈服； 當直徑變形比達15.83‰時，鋼筋大范圍屈服，結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)。

2.2.2 “豎鴨蛋”變形模式

兩側(cè)加載工況下，隧道的變形可分為5個階段，如圖14—15所示。

圖14 斷面收斂

圖15 混凝土壓應(yīng)力

1)初始狀態(tài)下隧道的豎向變形為13.1 mm、橫向變形為11.7 mm(直徑變形比達0.78‰)；混凝土最大壓應(yīng)力為8.5 MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左腰內(nèi)側(cè)，為38.2 MPa；螺栓拉應(yīng)力水平較低，幾乎為0，接縫基本未張開，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段。

2)隨著荷載增大，當豎向變形為0.35 mm、橫向變形為1.72 mm(直徑變形比達0.11‰)時，管片混凝土壓應(yīng)力達到軸心抗壓強度，螺栓拉應(yīng)力水平很低，接縫未張開；當直徑變形比達7.08‰時，混凝土屈服范圍擴大(屈服面積大于單塊管片面積的1/2)，結(jié)構(gòu)處于輕微破損狀態(tài)。

3)當豎向變形為110.7 mm、橫向變形為118.4 mm(直徑變形比達7.89‰)時，拱頂內(nèi)側(cè)鋼筋開始出現(xiàn)受壓屈服，右腰內(nèi)側(cè)鋼筋受拉應(yīng)力最大，為191.4 MPa，此時右腰外側(cè)螺栓應(yīng)力最大，為586.5 MPa；左腰內(nèi)側(cè)接縫張開量最大，為3.5 mm，混凝土屈服范圍進一步擴大(超過單塊管片)，結(jié)構(gòu)進入中等破損狀態(tài)。

4)當豎向變形為161.0 mm、橫向變形為177.1 mm(直徑變形比達11.81‰)時，螺栓出現(xiàn)屈服；當直徑變形比達到 12.74‰時，螺栓出現(xiàn)多點屈服，左腰內(nèi)側(cè)接縫張開量達到3.7 mm，結(jié)構(gòu)處于嚴重破損狀態(tài)。

5)當直徑變形比達13.3‰時，鋼筋較大范圍出現(xiàn)屈服，左腰內(nèi)側(cè)接縫張開量達到3.9 mm，結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)。

3 結(jié)構(gòu)變形控制標準探討

3.1 “橫鴨蛋”變形模式

在 “橫鴨蛋”變形模式下，提取隧道在達到受力變形特征節(jié)點的直徑變形比如圖16所示?？梢园l(fā)現(xiàn)不同斷面在達到受力變形特征節(jié)點時，直徑變形比的分布規(guī)律如下。

圖16 “橫鴨蛋”變形模式下不同斷面關(guān)鍵節(jié)點直徑變形比

1)混凝土受壓屈服時，各個典型地質(zhì)斷面的直徑變形比分布在7.99‰～9.08‰。其中，左線陸域段粉砂層(ZK9+750)和右線陸域段粉砂層(K10+200)由于覆土較厚，荷載水平較大，混凝土屈服相對較早；而左線江中段(ZK10+060)和右線江中段(K9+915)處于高水壓透水地層，由于水壓的箍緊作用，混凝土屈服相對深埋段較晚。

2)左線粉質(zhì)黏土地層(ZK9+360)由于埋深較淺，配筋率較高，屈服也晚于深埋段。接縫張開8 mm、螺栓屈服和鋼筋屈服時，對應(yīng)各個斷面的直徑變形比分布在9.54‰～15.6‰、10.07‰～12.17‰和15.51‰～17.81‰，各個地層的斷面屈服節(jié)點也與上述規(guī)律一致，不再贅述。

3)除左線粉質(zhì)黏土層斷面外，其他斷面的關(guān)鍵節(jié)點發(fā)生的順序依次為混凝土屈服、螺栓屈服、接縫張開量達到8 mm、鋼筋屈服，但左線粉質(zhì)黏土層斷面接縫張開量達到8 mm(9.54‰)先于螺栓屈服(8.51‰)，主要原因是左線粉質(zhì)黏土層斷面埋深較淺，隧道周圍的土對管片側(cè)向約束較弱，因此腰部接縫張開發(fā)展較快。

綜上，“橫鴨蛋”變形模式下，針對不同的地質(zhì)條件給出夾江隧道直徑變形比的安全控制標準，其中，2～5級的上限以隧道達到混凝土屈服、螺栓屈服、接縫張開達8 mm和鋼筋屈服對應(yīng)的直徑變形比為參考值，如表8所示。

表8 “橫鴨蛋”變形模式下直徑變形比控制標準

3.2 “豎鴨蛋”變形模式

在兩側(cè)加載作用下，隧道呈現(xiàn)“豎鴨蛋”變形模式，提取隧道在達到受力變形特征節(jié)點的直徑變形比，如圖17所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同斷面在達到受力變形特征節(jié)點時直徑變形比的分布規(guī)律如下。

圖17 “豎鴨蛋”變形模式下不同斷面關(guān)鍵節(jié)點直徑變形比

1)“豎鴨蛋”變形模式下，結(jié)構(gòu)達到承載關(guān)鍵節(jié)點的時刻明顯早于“橫鴨蛋”變形模式，這主要是由于在兩側(cè)加載過程中，隧道經(jīng)歷了由“橫鴨蛋”—“豎鴨蛋”變形模式的轉(zhuǎn)變，從而引起結(jié)構(gòu)損傷，降低了承載力。

2)各個斷面達到承載關(guān)鍵節(jié)點的順序一致，依次為混凝土屈服、螺栓屈服、鋼筋屈服(“豎鴨蛋”變形模式下接縫均未達到8 mm的防水要求)。但左線粉砂層深埋段和右線粉質(zhì)黏土層、粉砂層深埋段由于埋深和水位情況較為接近，發(fā)生混凝土屈服、螺栓屈服、鋼筋屈服對應(yīng)的直徑變形比分布在6.98‰～7.08‰、12.2‰～12.74‰和13.24‰～13.26‰，左線淺埋段發(fā)生混凝土屈服、螺栓屈服、鋼筋屈服對應(yīng)的直徑變形比為5‰、9.13‰、11.95‰?？梢园l(fā)現(xiàn)，淺埋段的承載關(guān)鍵節(jié)點均提前到來，這可能是由于淺埋段荷載水平較低，周圍土體對隧道的約束變形能力較小，因而早于深埋段屈服。

綜上，不同地層引起的直徑變形比差異不大，僅左線粉砂粉質(zhì)黏土互層地層發(fā)生屈服時間節(jié)點較早，以嚴格控制的原則制定“豎鴨蛋”變形模式下的直徑變形比分級標準，因此沒有按照地層的不同進行區(qū)分?！柏Q鴨蛋”變形模式下，夾江隧道直徑變形比的安全控制標準可按照表9執(zhí)行，其中，2～5級的上限以隧道達到混凝土屈服、螺栓屈服和鋼筋屈服對應(yīng)的直徑變形比為參考值。

表9 “豎鴨蛋”變形模式下直徑變形比控制標準

現(xiàn)有的《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護技術(shù)標準》對管片變形的分級如表10所示，文獻[12]以螺栓屈服對應(yīng)的直徑變形比(7.7‰)作為安全控制的控制值，文獻[13]提出的控制標準如表11所示。對比目前現(xiàn)有的研究成果及相關(guān)規(guī)范可知，“橫鴨蛋”變形模式的控制標準略高于規(guī)范，對于“豎鴨蛋”變形模式，本文提出的控制標準與規(guī)范基本一致。

表10 基于管片變形的健康度評定標準

表11 隧道收斂控制指標

在隧道實際運營中，豎向收斂變形的數(shù)據(jù)由于隧道上方存在煙道板、風(fēng)機等而難以測量，通常只能獲得隧道的橫向收斂變形值?？赏ㄟ^數(shù)值計算得到的荷載-變形曲線，找到實際測量得到的橫向變形對應(yīng)的豎向變形，從而計算直徑變形比，判斷隧道安全等級。如圖18所示，橫鴨蛋變形模式下陸域段隧道5級對應(yīng)直徑變形比為12‰(180 mm)，在相同荷載下對應(yīng)的橫向變形為160 mm(10.67‰)，當現(xiàn)場橫向變形測得達160 mm情況下，隧道安全等級即進入5級。

圖18 “橫鴨蛋”模式下斷面收斂

4 結(jié)論與建議

本文針對南京五橋夾江隧道，開展了有限元計算，研究了大直徑越江隧道在不同加載模式下的結(jié)構(gòu)承載、變形發(fā)展規(guī)律，并總結(jié)了各個地層的承載關(guān)鍵節(jié)點，提煉了以變形為基準的安全控制指標。主要結(jié)論如下：

1)在河床沖刷7 m作用下，引起的隧道結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力均有減小，隧道整體上浮2.85 mm，混凝土最大壓應(yīng)力由6.5 MPa降低為4.8 MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力由35.4 MPa降低為28.5 MPa，螺栓應(yīng)力最為敏感，由32.3 MPa降低為23.6 MPa。

2)從最高水位+5.85 m到最低水位-3.37 m，隧道豎向變形減小0.27 mm，橫向變形增大0.14 mm，總體而言，水位變化對結(jié)構(gòu)的影響較小。

3)根據(jù)深埋、淺埋、高水壓的地質(zhì)特征，以混凝土屈服、螺栓屈服、接縫張開8 mm、鋼筋屈服4個關(guān)鍵節(jié)點的直徑變形比為基礎(chǔ)，提出了2種變形模式下大直徑越江盾構(gòu)隧道收斂變形的分級標準。

本文只針對結(jié)構(gòu)橫向的受力變形進行分析，對于跨度較長的隧道，后續(xù)宜開展縱向不均勻沉降和縱向接頭的分析，建立相應(yīng)的評價標準。