大直徑盾構(gòu)隧道施工期內(nèi)部箱涵的變形特征

張亮亮，張西文，孫文昊，何應(yīng)道，李春林，劉俊巖，劉 燕

(1. 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；2. 濟南大學(xué) a. 土木建筑學(xué)院，b. 山東省城市地下工程支護及風(fēng)險監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250022；3. 濟南城市建設(shè)集團有限公司，山東 濟南 250131)

隨著城市地下空間的開發(fā)及交通建設(shè)的需求，盾構(gòu)隧道建設(shè)速度和規(guī)模逐年攀升，逐漸向深埋、長距、大斷面方向發(fā)展。截至2020年11月，國內(nèi)外建成了一大批超大直徑的海底隧道和城市道路隧道，建成和在建58項直徑大于14 m的盾構(gòu)隧道，其中國外18項，國內(nèi)40項。隨著超大盾構(gòu)隧道修建技術(shù)的進步，內(nèi)部交通布置一般設(shè)計為雙層車道或公路與軌道交通合建(簡稱公軌合建)，單管雙層的結(jié)構(gòu)型式越來越普遍[1]。根據(jù)施工工藝的不同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有現(xiàn)澆、預(yù)制以及現(xiàn)澆與預(yù)制相結(jié)合3種常見類型[2]，其中現(xiàn)澆與預(yù)制相結(jié)合類型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有施工機械化率高、施工進度快、綠色環(huán)保、盾構(gòu)管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可同步施工等優(yōu)點，是目前最常用內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式。與盾構(gòu)管片相比，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拼裝質(zhì)量、理論研究和設(shè)計方法還不完善，對隧道管片進行設(shè)計、驗算時，幾乎不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，也沒有明確的可以參考的規(guī)范，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在施工期受到重型施工車輛荷載作用，在運營期則受到循環(huán)往復(fù)的車輛荷載作用，因此大直徑盾構(gòu)隧道及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力變形特征相對較復(fù)雜。

很多學(xué)者對大直徑盾構(gòu)隧道開展研究，F(xiàn)eng等[3]、Tan等[4]采用現(xiàn)場實測和有數(shù)值模擬的方法研究了大直徑盾構(gòu)隧道拼裝時的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)拱頂和拱底產(chǎn)生向內(nèi)的位移，而兩側(cè)拱腰產(chǎn)生向外的位移，管片軸力及彎矩受拼裝過程的影響較大。Xie等[5]以上海迎賓三路隧道為例，研究了大直徑盾構(gòu)隧道穿越沉降敏感區(qū)的施工參數(shù)控制，發(fā)現(xiàn)注漿參數(shù)對地層沉降的影響比掌子面推進壓力的影響更大。當(dāng)大直徑盾構(gòu)隧道穿越液化地層時，發(fā)生上浮的響應(yīng)，連接螺栓承受更大的拉應(yīng)力，因此需要重點驗算隧道縱向接頭的抗震性能[6]。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化對大直徑盾構(gòu)隧道空間的合理應(yīng)用至關(guān)重要，在施工中也存在精確定位、接頭處理、施工機械設(shè)備研發(fā)、吊裝安裝等技術(shù)難點[7]。楊繼范[8]針對某越江隧道雙層設(shè)計方案和施工工藝進行優(yōu)化分析，解決了上、下層同時進行施工的問題，縮短了施工的工期。周坤[9]對武漢三陽路公軌合建大直徑盾構(gòu)隧道進行車輛振動響應(yīng)數(shù)值分析，驗證了內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式大直徑盾構(gòu)隧道抵抗振動變形的性能。在動力研究方面，禹海濤等[10]針對預(yù)制結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的趨勢，采用動力時程方法，對比分析預(yù)制和現(xiàn)澆2種內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式對盾構(gòu)隧道管片抗震性能的影響，系統(tǒng)地評價了考慮內(nèi)部預(yù)制結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)隧道抗震性能。王志偉等[11]針對盾構(gòu)隧道軌下預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，分析了列車動力響應(yīng)和地震響應(yīng)。大直徑盾構(gòu)隧道一般埋深較大，承受巨大的土壓力和水壓力[12]，大直徑盾構(gòu)隧道的防排水性能是工程建設(shè)必須考慮的關(guān)鍵問題，一旦發(fā)生滲漏，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全產(chǎn)生較大影響[13]。何應(yīng)道等[14]根據(jù)武漢三陽路長江隧道工程特點，采用雙道排水方案設(shè)計，有效改善了隧道的防水效果。

本文中對公軌合建大直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)部箱涵在施工期的受力變形特征進行研究，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，分析施工車輛在空車和滿載工況下經(jīng)過測試斷面時，內(nèi)部箱涵拼縫的張開變形、錯動變形以及螺栓軸力監(jiān)測值等，總結(jié)內(nèi)部箱涵的變形規(guī)律。

1 工程背景

現(xiàn)場試驗依托濟南市在建穿黃大直徑盾構(gòu)隧道工程。該工程位于濟南市新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)內(nèi)，南起濼口南路，北連309國道，采用雙管雙層公軌合建，線路全長4.76 km，盾構(gòu)段長度為2.5 km，是濟南市重點建設(shè)工程[15]。該隧道盾構(gòu)管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫斷面示意圖如圖1所示。

圖1 濟南市在建穿黃大直徑盾構(gòu)隧道盾構(gòu)管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的橫斷面示意圖

內(nèi)部箱涵為預(yù)制結(jié)構(gòu)，如圖2所示，每環(huán)的寬度為2 m，內(nèi)部箱涵之間通過5根規(guī)格為M24的螺栓進行連接，內(nèi)部箱涵連接螺栓與軸力監(jiān)測如圖3所示。

2 現(xiàn)場試驗方案與數(shù)據(jù)分析

2.1 現(xiàn)場試驗方案

本次現(xiàn)場試驗時間為第1個施工階段，即只安裝內(nèi)部箱涵，內(nèi)部箱涵兩側(cè)車道板及現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)還未施工。主要重型施工車輛為管片運輸車。試驗過程中測試斷面與管片運輸車的位置關(guān)系如圖4所示。選取管片運輸車滿載和空車2種工況，運輸車沿內(nèi)部箱涵頂面縱向行駛，通過測試點時，安裝的位移計和測縫計自動記錄內(nèi)部箱涵之間的錯動變形和張開變形。

圖2 濟南市在建穿黃大直徑盾構(gòu)隧道施工期預(yù)制內(nèi)部箱涵橫斷面示意圖(單位為mm)

(a)螺栓連接

(b)軸力監(jiān)測現(xiàn)場圖3 內(nèi)部箱涵連接螺栓與軸力監(jiān)測現(xiàn)場

內(nèi)部箱涵錯動、張開變形測量示意圖與現(xiàn)場測量圖如圖5所示。位移計和測縫計選用DMWY型全橋應(yīng)變式位移計，數(shù)據(jù)采集采用DM-YB1820型動靜態(tài)應(yīng)變測試儀。另外在內(nèi)部箱涵連接螺栓上安裝DMBH型應(yīng)變式螺栓測力計監(jiān)測錨桿軸力的變化。

2.2 施工期內(nèi)部箱涵變形分析

試驗位置位于隧道東線745環(huán)與746環(huán)之間，前期調(diào)查結(jié)果是內(nèi)部箱涵拼縫錯動量為37.61 mm，拼縫張開量為46.87 mm，2個螺栓松動，屬于東線內(nèi)部箱涵拼裝較差拼縫。通過對拼裝質(zhì)量較差箱內(nèi)部涵施工期的變形分析，可以有效掌握該隧道內(nèi)部箱涵施工期重型施工車輛作用下的變形和穩(wěn)定性特征。

(a)縱向剖面

(b)橫斷面圖4 測試斷面與管片運輸車的位置關(guān)系

(a)錯動測量示意圖(b)張開測量示意圖(c)現(xiàn)場測量圖圖5 內(nèi)部箱涵錯動、張開變形測量與現(xiàn)場測量圖

2.2.1 內(nèi)部箱涵錯動變形

對管片運輸車空車(總質(zhì)量約為26 t)和滿載(總質(zhì)量約為80 t)2種工況進行內(nèi)部箱涵拼縫變形的測試。管片運輸車經(jīng)過測試斷面時內(nèi)部箱涵拼縫的錯動變形時程如圖6所示。從圖中可以看出： 當(dāng)管片運輸車空車經(jīng)過時，內(nèi)部箱涵左側(cè)錯動位移為-0.34 mm，右側(cè)錯動位移為0.075 mm；當(dāng)管片運輸車滿載經(jīng)過時，內(nèi)部箱涵左側(cè)錯動位移為-0.88 mm，右側(cè)錯動位移為0.22 mm?？梢姡┕て趦?nèi)內(nèi)部箱涵和管片沒有形成有效剛性連接，內(nèi)部箱涵左右兩側(cè)的變形并不一致，滿載工況下拼縫的錯動位移和張開位移明顯比空載工況時大。

(a)空車工況

(b)滿載工況圖6 施工車輛經(jīng)過測試斷面時內(nèi)部箱涵拼縫的錯動變形時程

內(nèi)部箱涵拼縫處橫向轉(zhuǎn)動角度α的計算公式為

tanα=|Δl-Δr|/B，

(1)

式中：Δl為內(nèi)部箱涵左側(cè)的錯動位移；Δr為內(nèi)部箱涵右側(cè)的錯動位移；B為內(nèi)部箱涵的橫向?qū)挾?。?jīng)過計算，當(dāng)管片運輸車空車經(jīng)過時，內(nèi)部箱涵拼縫轉(zhuǎn)動角度為0.005°；當(dāng)管片運輸車滿載經(jīng)過時，內(nèi)部箱涵拼縫轉(zhuǎn)動角度為 0.012°；轉(zhuǎn)動量較小，施工期內(nèi)內(nèi)部箱涵橫向轉(zhuǎn)動較穩(wěn)定。

2.2.2 內(nèi)部箱涵張開變形

當(dāng)管片運輸車空車(總質(zhì)量約為26 t)和滿載(總質(zhì)量約為80 t)經(jīng)過測試斷面時，內(nèi)部箱涵拼縫的張開位移時程如圖7所示。從圖中可以看出：當(dāng)管片運輸車空車經(jīng)過時，內(nèi)部箱涵拼縫左側(cè)張開位移為0.29 mm；當(dāng)管片運輸車滿載經(jīng)過時，內(nèi)部箱涵拼縫張開位移為0.54 mm，內(nèi)部箱涵的張開變形左右兩側(cè)基本一致。

(a)空車工況

(b)滿載工況圖7 施工車輛經(jīng)過測試斷面時內(nèi)部箱涵拼縫的張開位移時程

2.2.3 內(nèi)部箱涵變形小結(jié)

本次測試的施工階段為預(yù)制內(nèi)部箱涵安裝就位，現(xiàn)澆弧形內(nèi)襯和車道板等未施工。該施工工況下內(nèi)部箱涵底部未完全固定，當(dāng)施工車輛經(jīng)過時，內(nèi)部箱涵有一定程度的晃動，因此產(chǎn)生的變形相對較大。當(dāng)現(xiàn)澆內(nèi)襯與預(yù)制、現(xiàn)澆道路板施工完成后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體性更好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形相對更小。另外，本次測試結(jié)果為內(nèi)部箱涵相對變形，當(dāng)施工車輛經(jīng)過時，隧道管片也產(chǎn)生相應(yīng)的變形和錯動，也導(dǎo)致內(nèi)部箱涵拼縫發(fā)生相對變形。

2.3 施工期內(nèi)部箱涵連接螺栓軸力分析

在現(xiàn)場試驗中選取東線1 039環(huán)和1 034環(huán)2個斷面的6個連接螺栓，安裝DMBH型應(yīng)變式螺栓軸力計進行螺栓軸力長期監(jiān)測，監(jiān)測時間為100 d，2個斷面的螺栓軸力監(jiān)測值如圖8所示。從圖中可以看出，在螺栓安裝初期，軸力損失較快。在安裝40 d后，軸力損失較小，部分螺栓軸力出現(xiàn)增大現(xiàn)象。在安裝100 d時，平均軸力損失為62.12%，最差的一根螺栓軸力損失率達到99.36%。由此可知，該螺栓已基本喪失承載能力。通過施工期螺栓軸力的監(jiān)測可見，在施工期管片運輸車輛作用下，內(nèi)部箱涵之間的連接出現(xiàn)松動或連接力損失現(xiàn)象，因此在內(nèi)部箱涵施工完成后，建議施工單位對連接螺栓進行二次緊固方可進行路面層的施工。

(a)監(jiān)測斷面1(b)監(jiān)測斷面2圖8 內(nèi)部箱涵連接螺栓軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 施工期內(nèi)部箱涵變形數(shù)值分析

3.1 數(shù)值計算模型

采用大型有限元軟件ABAQUS對該公軌合建大直徑盾構(gòu)隧道進行建模分析，數(shù)值計算模型如圖9所示，土層和結(jié)構(gòu)均采用六面體單元。土層選用莫爾-庫侖模型，隧道管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)選用彈性單元。土層與結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

(a)幾何模型(b)有限元模型 圖9 濟南市濟濼路穿黃大直徑盾構(gòu)隧道的數(shù)值計算模型

表1 數(shù)值計算模型中的土層與結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 數(shù)值計算結(jié)果

采用4個輪載模擬管片運輸車荷載，單個輪載設(shè)為P，不同輪載作用下內(nèi)部箱涵頂面的豎向位移如圖10所示。從圖中可以看出，內(nèi)部箱涵最大豎向位移發(fā)生在內(nèi)部箱涵跨中位置，并且隨著輪載的增大，豎向位移基本呈線性增加趨勢。管片運輸車滿載工況時，車輛總質(zhì)量為80t，單個輪載P=200 kN，支座處的豎向位移計算值為0.78 mm，現(xiàn)場試驗測得最大值為0.88 mm。管片運輸車空載工況時，車輛總質(zhì)量為26 t，單個輪載P=65 kN，支座處的豎向位移計算值為0.25 mm，現(xiàn)場試驗測得最大值為0.34 mm。現(xiàn)場試驗與數(shù)值分析結(jié)果對比驗證了數(shù)值模型的可靠性。

圖11所示為當(dāng)單個輪載為200 kN時，內(nèi)部箱涵和模型整體的豎向位移云圖。從圖中可以看出，內(nèi)部箱涵在軸載作用斷面的跨中位置豎向位移最大；在管片運輸車作用下，隧道管片與周圍土層發(fā)生相應(yīng)的豎向位移，內(nèi)部箱涵、管片及周圍土體變形相對較大，外圍土層變形較小。在施工荷載作用下，土體-管片-內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生協(xié)同變形，內(nèi)部箱涵的變形由內(nèi)部箱涵、管片和周圍土層共同作用產(chǎn)生。

圖10 不同輪載P作用下內(nèi)部箱涵頂面的豎向位移

(a)內(nèi)部箱涵

(b)模型整體圖11 內(nèi)部箱涵和模型整體的豎向位移云圖

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬的方法對公軌合建大直徑盾構(gòu)隧道的內(nèi)部箱涵施工期的受力變形特征進行了研究，得到以下主要結(jié)論：

1)公軌合建大直徑盾構(gòu)隧道施工期的主要重型施工荷載為管片運輸車，空載時總質(zhì)量約為26 t，滿載時總質(zhì)量約為80 t。當(dāng)管片運輸車滿載經(jīng)過內(nèi)部箱涵拼縫位置時，內(nèi)部箱涵拼縫支座處錯動位移最大值為0.88 mm，張開位移最大值為0.54 mm，內(nèi)部箱涵相對轉(zhuǎn)動角度為0.012°，總體上能夠滿足穩(wěn)定性的要求。

2)對內(nèi)部箱涵連接螺栓軸力進行長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，安裝初期鎖緊力損失嚴重，6根螺栓100 d平均軸力損失率為62.12%。在內(nèi)部箱涵施工完畢、路面層鋪筑前，應(yīng)對連接螺栓進行二次緊固才能保證內(nèi)部箱涵的縱向連接作用。

3)采用ABAQUS軟件模擬不同輪載作用下內(nèi)部箱涵變形特征的結(jié)果表明，輪載越大則內(nèi)部箱涵豎向變形越大，豎向位移的最大位置位于內(nèi)部箱涵跨中部位。在施工車輛作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管片及周圍土層均發(fā)生豎向位移，上部土層變形，呈倒漏斗狀。