不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)類型對(duì)盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的影響

王均勇,封 坤,孫文昊,魯選一,郭文琦,漆美霖

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,武漢 430071； 3.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,武漢 430103；4.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

引言

盾構(gòu)隧道縱向變形過(guò)大導(dǎo)致管片環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)、張開(kāi)，進(jìn)而引發(fā)開(kāi)裂、滲漏水的問(wèn)題成為近年來(lái)影響盾構(gòu)隧道正常運(yùn)營(yíng)的難題之一[1]，探明盾構(gòu)隧道縱向結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能刻不容緩。

目前，對(duì)于盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的研究主要有理論解析、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)3類。在理論解析方面，廖少明[2]考慮了剪切荷載的作用，對(duì)盾構(gòu)隧道縱向剛度求解進(jìn)行了修正；徐凌[3]引入環(huán)縫影響系數(shù)，提高了縱向剛度理論求解的普適性；張文杰等[4]在縱向剛度求解中引入橫向剛度的影響，提出了廣義盾構(gòu)隧道縱向等效連續(xù)化模型；耿萍等[5]同時(shí)考慮了軸力和彎矩對(duì)縱向彎曲變形的影響，提出了5種彎曲模式，并在經(jīng)典志波模型的基礎(chǔ)上，建立盾構(gòu)隧道縱向等效抗彎剛度計(jì)算模型；張勇等[6]基于T-P模型推導(dǎo)了地面堆載作用下盾構(gòu)隧道縱向變形的解析解。在數(shù)值計(jì)算方面，楊茜等[7]通過(guò)地層-結(jié)構(gòu)模型研究了下臥土層性能和上方局部荷載作用對(duì)隧道沉降變形的影響；王金龍[8]通過(guò)ANSYS有限元計(jì)算軟件建立三維數(shù)值模型探討了埋深、水壓、地層及穿越剛性結(jié)構(gòu)物等因素對(duì)盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的影響；張旭[9]通過(guò)建立三維有限元模型，對(duì)土體結(jié)構(gòu)性、土層參數(shù)、水土耦合效果等方面對(duì)隧道縱向受力變形的影響進(jìn)行了研究；郭文琦等[10]建立殼-彈簧模型研究了二襯厚度對(duì)盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)行為的影響；羅文林等[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立數(shù)值模型反分析了隧道縱向彎曲剛度。在模型試驗(yàn)方面，余占奎[12]基于上海地鐵盾構(gòu)隧道，研究了拼裝方式對(duì)盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的影響；何應(yīng)道[13]以廣深高速鐵路獅子洋水下隧道為原型，采用軸向等效剛度模型模擬了隧道在軟弱勻質(zhì)地層、軟硬交界地層等多種復(fù)雜條件下隧道的沉降規(guī)律；何川等[14]采用等效剛度模型，以聚氨酯板和PVC板模擬單層管片襯砌，在襯砌內(nèi)部澆入石膏模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)襯，探討了單、雙層襯砌隧道縱向沉降與彎矩的變化關(guān)系；葉飛等[15]以有機(jī)玻璃作為管片模型材料，采用雙點(diǎn)加載的方式探討了盾構(gòu)隧道縱向剛度有效率的取值；耿萍等[16]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越軟硬交界地層、聯(lián)絡(luò)橫通道、縱向接頭等抗震薄弱部位開(kāi)展了系列研究。

隨著盾構(gòu)工法與盾構(gòu)設(shè)備的成熟，盾構(gòu)隧道正朝著超大直徑方向發(fā)展[17]。在此背景下，盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形式也隨著隧道直徑增加愈發(fā)多樣[18]。過(guò)去盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)中并未作為受力構(gòu)件考慮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能否改變超大直徑盾構(gòu)隧道的縱向力學(xué)性能值得探討與研究。鑒于此，以濟(jì)南黃河隧道與武漢兩湖隧道(東湖段)為工程依托，利用大型有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值計(jì)算模型，分析不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)類型對(duì)隧道縱向力學(xué)性能的影響。

1 盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)不同的功能用途盾構(gòu)隧道可分為公路隧道與鐵路隧道。在兩種類型的中小型隧道中目前最為普遍使用的是單管單層結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式設(shè)置一層車道板用于通車，其他空間通過(guò)預(yù)制或現(xiàn)澆的墻板分隔成若干隧道正常運(yùn)營(yíng)所需的不同工作腔室。在大型隧道中則常采用單管單層雙線結(jié)構(gòu)形式，該形式在隧道底部設(shè)置預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件的內(nèi)部作為工作腔室，構(gòu)件的頂部鋪上車道板，同時(shí)被中隔墻分隔為兩車道。隨著超大型盾構(gòu)隧道的發(fā)展，單管雙層結(jié)構(gòu)成為目前國(guó)內(nèi)外逐步推廣應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式[19]。根據(jù)已有隧道修建資料，單管雙層結(jié)構(gòu)可分為3類。第一類是公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該類型上、下層均為公路交通；第二類是軌道型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該類型上、下層均為軌道交通；第三類是公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該類型通常上層用于公路交通，下層用于軌道交通。表1為國(guó)內(nèi)外典型隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)。由于軌道型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的案例目前在國(guó)內(nèi)并未出現(xiàn)，故以公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究。

2 依托工程概況

2.1 工程概況

濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道位于濟(jì)南市城市中部，全長(zhǎng)4.76 km，其中，盾構(gòu)段長(zhǎng)2.516 km。隧道最大埋深50 m，最大水位水壓力達(dá)0.65 MPa，為國(guó)內(nèi)跨越黃河最大直徑盾構(gòu)隧道，也是黃河上第一條公鐵合用隧道。

表1 國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)

武漢兩湖隧道工程(東湖段)主線線路全長(zhǎng)約11.45 km，為單管雙層公路隧道。隧道最大埋深42.5 m，最大水位水壓達(dá)到0.46 MPa，隧址區(qū)巖溶發(fā)育，主要穿越強(qiáng)中風(fēng)化泥巖。

2.2 管片襯砌

濟(jì)南黃河隧道及武漢兩湖隧道橫斷面如圖1、圖2所示，隧道其他參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 隧道參數(shù)

圖1 濟(jì)南黃河隧道管片橫斷面

圖2 武漢兩湖隧道(東湖段)管片橫斷面

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

濟(jì)南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用單管雙層結(jié)構(gòu)形式中的公軌合建形式，如圖3所示。該內(nèi)部結(jié)構(gòu)幅寬2 m，中間為一個(gè)Π字形預(yù)制構(gòu)件，構(gòu)件中間的空間則作為地鐵通車的軌道交通區(qū)域。Π形件兩側(cè)搭接預(yù)制車道板，與Π形件頂部共同作為上層的公路車道。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片內(nèi)側(cè)之間澆筑混凝土形成非封閉二襯。

圖3 濟(jì)南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用單管雙層結(jié)構(gòu)形式中的雙層公路形式，如圖4所示。該內(nèi)部結(jié)構(gòu)幅寬6 m，下層采用Π形預(yù)制構(gòu)件且兩側(cè)用素混凝土回填。為滿足道路結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)掘進(jìn)同步施工的要求，下層立柱、上層車道板及牛腿采用現(xiàn)澆形式，待整個(gè)隧道施工完成后鋪設(shè)路面層。

圖4 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

3 數(shù)值計(jì)算模型

3.1 計(jì)算假定

由于盾構(gòu)隧道是復(fù)雜的三維拼裝結(jié)構(gòu)，其數(shù)值計(jì)算模型具有高度的非線性，為減少計(jì)算成本，現(xiàn)做計(jì)算假定如下。

(1)由于盾構(gòu)隧道接頭位置較管片主體更薄弱，因此，盾構(gòu)隧道接頭較管片主體更先達(dá)到塑性階段，以往研究通常是在鋼筋混凝土管片的彈性階段進(jìn)行分析[20]，故本次將管片視為均質(zhì)彈性材料，螺栓采用雙線性本構(gòu)關(guān)系。

(2)實(shí)際工程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有搭接、現(xiàn)澆、植筋等多種連接。內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型的建立忽略上述連接，將內(nèi)部結(jié)構(gòu)視為一均質(zhì)整體。

3.2 模型概況

為盡可能反映盾構(gòu)隧道的縱向力學(xué)特征，利用大型有限元軟件ABAQUS建立了31環(huán)盾構(gòu)隧道管片模型，如圖5、圖6所示。其中，管片及內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用C3D8R實(shí)體單元，螺栓采用B31兩節(jié)點(diǎn)空間線性單元。利用ABAQUS內(nèi)嵌功能將螺栓兩端嵌入管片實(shí)現(xiàn)螺栓與管片的連接。管片塊與塊以及環(huán)與環(huán)之間采用面-面接觸，其切向行為采用罰函數(shù)設(shè)置摩擦系數(shù)為0.8，法向?yàn)榉乐拱l(fā)生穿透導(dǎo)致與實(shí)際情況不符設(shè)置為硬接觸，管片與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間采用相同的相互作用。其他各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。

圖5 濟(jì)南黃河隧道數(shù)值計(jì)算模型

圖6 武漢兩湖隧道(東湖段)數(shù)值計(jì)算模型

表3 模型參數(shù)

3.3 試驗(yàn)工況及加載方式

試驗(yàn)工況根據(jù)隧道拼裝形式以及有無(wú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為5種：通縫拼裝形式無(wú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道、通縫拼裝形式含內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道、錯(cuò)縫拼裝形式無(wú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道、錯(cuò)縫拼裝形式含內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道及勻質(zhì)圓環(huán)。

力學(xué)模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，如圖7所示，加載方式類似于簡(jiǎn)支梁，隧道一端限制其Y、Z方向上的位移，另一段限制其X方向上的位移，隧道中間一環(huán)作為加載環(huán)承受集中力來(lái)等效彎矩的作用，力的大小為500～2 500 kN，每級(jí)增加500 kN。

圖7 隧道模型加載方式示意

4 結(jié)果分析

4.1 隧道縱向剛度分析

4.1.1 隧道縱向變形分析

現(xiàn)規(guī)定隧道軸向?yàn)樽鴺?biāo)橫軸，且第一環(huán)管片為零點(diǎn)。縱軸為隧道豎向位移，豎直向下為負(fù)值。以集中力大小2 500 kN為例，將隧道最底部的豎向位移作為整個(gè)隧道的位移得到圖8、圖9。其中，曲線命名第一項(xiàng)為工程名稱首字母縮寫(xiě)；第二項(xiàng)為拼裝方式，TF表示通縫，CF表示錯(cuò)縫，YZYH表示勻質(zhì)圓環(huán)；第三項(xiàng)表示是否考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)，考慮則標(biāo)注NBJG。

圖8 濟(jì)南黃河隧道縱向位移曲線

圖9 武漢兩湖隧道(東湖段)縱向位移曲線

從圖中可以看出，兩個(gè)隧道的變形規(guī)律相似，即跨中位移最大，并向兩端位移減少，這與簡(jiǎn)支梁的變形規(guī)律類似。當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，武漢兩湖隧道(東湖段)位移曲線形狀未發(fā)生較大變化，而濟(jì)南黃河隧道位移曲線相比未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)更接近材料力學(xué)中梁的撓度曲線，這說(shuō)明考慮公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)隧道提高了盾構(gòu)隧道在縱向上的結(jié)構(gòu)連續(xù)性。

提取加載環(huán)底部位移作為隧道跨中位移得到圖10、圖11。從圖中可以看出，考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后隧道的豎向位移顯著減小。對(duì)于濟(jì)南黃河隧道考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式隧道跨中位移減小了13.1%～39.3%，錯(cuò)縫拼裝形式隧道跨中位移減少了10.5%～23.4%；對(duì)于武漢兩湖隧道(東湖段)，通縫拼裝形式隧道跨中位移減少了14.9%～28.4%，錯(cuò)縫拼裝形式隧道跨中位移減少了11.1%～23.1%。從以上結(jié)果來(lái)看，內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠顯著提高隧道的縱向剛度。

圖10 濟(jì)南黃河隧道跨中位移曲線

圖11 武漢兩湖隧道(東湖段)跨中位移曲線

4.1.2 隧道縱向剛度有效率分析

根據(jù)已有計(jì)算盾構(gòu)隧道縱向剛度有效率方法[15]，即

(1)

式中，η為縱向剛度有效率；(EI)eq為等效連續(xù)化模型的縱向剛度；EcIc為隧道實(shí)際抗彎剛度。結(jié)合撓曲線方程計(jì)算得到隧道的縱向剛度有效率，如圖12所示。

由圖12得知，濟(jì)南黃河隧道在不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.014～0.019，錯(cuò)縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.029～0.032。當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.017～0.031，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)提高了15.1%～64.8%；錯(cuò)縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.032～0.042，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)提高了11.7%～30.6%。武漢兩湖隧道(東湖段)在不考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.03～0.034，錯(cuò)縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.043～0.046。當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.036～0.048，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)提高了17.5%～39.6%；錯(cuò)縫拼裝形式的縱向剛度有效率為0.048～0.059，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)提高了12.5%～30%。

通過(guò)上述結(jié)果分析可以看到，兩種形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)通縫拼裝隧道的縱向剛度有效率提升效果更顯著，其中，公軌合建形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)通縫拼裝形式隧道的縱向剛度有效率提高了50%以上。對(duì)于不同隧道拼裝形式而言，公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)縱向剛度有效率的提升效果均優(yōu)于雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖12 隧道縱向剛度有效率

4.2 隧道內(nèi)力分析

以錯(cuò)縫拼裝為例，兩個(gè)隧道在荷載為2 500 kN下MISES應(yīng)力云圖如圖13、圖14所示。

圖13 濟(jì)南黃河隧道錯(cuò)縫MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖14 武漢兩湖隧道(東湖段)錯(cuò)縫MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖13(a)、圖14(a)中可以看出，兩個(gè)隧道在錯(cuò)縫拼裝形式下應(yīng)力分布特點(diǎn)基本一致，且數(shù)值較大的MISES應(yīng)力集中分布在拱頂處。濟(jì)南黃河隧道拱頂處的MISES應(yīng)力值在0.13～0.46 MPa范圍內(nèi)，且越靠近加載環(huán)位置的管片環(huán)其MISES應(yīng)力值更大。同時(shí)，在加載環(huán)兩側(cè)的3環(huán)范圍內(nèi)由于彎矩傳遞效應(yīng)還發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。武漢兩湖隧道(東湖段)在錯(cuò)縫拼裝形式下，拱頂應(yīng)力值為0.26～0.7 MPa，且上述濟(jì)南黃河隧道中應(yīng)力分布特點(diǎn)同樣能夠在武漢兩湖隧道(東湖段)中體現(xiàn)。

考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，兩個(gè)隧道的應(yīng)力分布各自發(fā)生了不同變化。從圖13(b)中可以看到，濟(jì)南黃河隧道在考慮公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片應(yīng)力值整體上減小，拱頂、拱肩、拱腰等位置的MISES應(yīng)力值較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)最大減小了50%以上。然而，其下層軌道交通運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)下側(cè)兩側(cè)墻與管片連接位置之間，MISES應(yīng)力值為0.42～0.98 MPa，較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)的拱頂?shù)腗ISES應(yīng)力值大了40%～61.5%，說(shuō)明該區(qū)域應(yīng)力值較大，應(yīng)考慮填充混凝土、加鋼板等補(bǔ)強(qiáng)措施。

從圖14(b)中可以看到，武漢兩湖隧道(東湖段)在考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片的MISES應(yīng)力分布規(guī)律與未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)基本一致，即拱頂處應(yīng)力值較大。觀察其MISES應(yīng)力數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，管片應(yīng)力較未考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)減小了25%以上，這說(shuō)明無(wú)論是公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還是雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)均可起到承載作用。同時(shí)，雙層車道內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯著減小了拱腰位置的MISES應(yīng)力值。當(dāng)未考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，隧道拱腰位置的MISES應(yīng)力值為0.18～0.44 MPa，而當(dāng)考慮內(nèi)部結(jié)構(gòu)后為0.09～0.36 MPa，減小了18%～50%。

從受力條件上來(lái)說(shuō)，兩種類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)均能夠起到分擔(dān)荷載的作用，但公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致管片拱底一定范圍內(nèi)的應(yīng)力值過(guò)大，相較之下雙層車道內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)生管片出現(xiàn)較大范圍應(yīng)力增加現(xiàn)象，因此更有利于受力。

4.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形受力分析

4.3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)縱向變形分析

圖15、圖16為濟(jì)南黃河隧道和武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向位移云圖。從圖中可以看出，兩種類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)跨中位移最大，向兩端逐漸減小，即其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形與管片變形規(guī)律一致，符合梁的變形規(guī)律。從圖15可以看出，公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)在縱向上的變形主要包括錯(cuò)臺(tái)與張開(kāi)，隧道最大豎向位移為8.9 mm，而內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了向上0.68～1.5 mm的位移。從圖16中可以看出，雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)在縱向上發(fā)生的變形同樣為錯(cuò)臺(tái)與張開(kāi)，最大豎向位移為8 mm，但在隧道兩端并未出現(xiàn)向上的位移。

圖15 濟(jì)南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)縱向位移云圖(單位：mm)

圖16 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)縱向位移云圖(單位：mm)

4.3.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向變形分析

圖17、圖18為濟(jì)南黃河隧道與武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向位移云圖。

圖17 濟(jì)南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向變形云圖

圖18 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)橫向變形云圖

從圖17可以看出，濟(jì)南黃河隧道上層車道板發(fā)生了形如“M”狀變形，左跨與右跨車道板發(fā)生了向上的彎曲，中跨車道板向下彎曲，且中跨豎向位移最大，為8.892 mm。同時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)下層軌道交通區(qū)域側(cè)墻發(fā)生了向外的彎曲，側(cè)墻上下兩端出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)，整個(gè)側(cè)墻結(jié)構(gòu)受到彎扭作用。

從圖18中可以看出，雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)上層車道板較公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位移小，同時(shí)并未出現(xiàn)位移向上的現(xiàn)象。然而，下層車道板跨中出現(xiàn)了向上的位移，整個(gè)車道板呈開(kāi)口向下的弧形。觀察雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)上層車道側(cè)墻與下側(cè)Π形件側(cè)墻，發(fā)現(xiàn)其受力特征與公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)墻一致，均受到了彎扭作用。

4.3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力分析

圖19、圖20為不同類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的MISES應(yīng)力云圖。

圖19 濟(jì)南黃河隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖20 武漢兩湖隧道(東湖段)內(nèi)部結(jié)構(gòu)MISES應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖19可以看出，公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)車道板處的MISES應(yīng)力值較小，為0.27～0.77 MPa。相比之下，下層側(cè)墻和非封閉二襯部分出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是側(cè)墻與非封閉二襯之間的連接部位MISES應(yīng)力值最大達(dá)到18 MPa，而下層側(cè)墻與非封閉二襯的厚度與其他位置相比較薄，因此，該部位考慮采用對(duì)應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施。同時(shí)，上層側(cè)墻與管片連接處MISES應(yīng)力值在1～2 MPa，需注意現(xiàn)澆側(cè)墻時(shí)的施工質(zhì)量問(wèn)題。

從圖20可以看出，雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)上層車道板MISES應(yīng)力值為0.001 9～0.17 MPa；下層車道板MISES應(yīng)力值為0.085～0.33 MPa，且在其與側(cè)墻連接處應(yīng)力值達(dá)到0.67 MPa，應(yīng)力值顯著大于上層車道板。同時(shí)，上層車道側(cè)墻與盾構(gòu)管片連接位置也出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大達(dá)到2.5 MPa。

綜合上述兩種內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，可以得到盾構(gòu)隧道縱向受力時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)自身各部位的連接點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片的連接部位是受力關(guān)鍵點(diǎn)?，F(xiàn)有連接方式主要有搭接、現(xiàn)澆、植筋、灌漿套筒等，不同的連接方式也將導(dǎo)致連接點(diǎn)的剛度不同，對(duì)整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力也會(huì)有所影響，應(yīng)根據(jù)具體工程實(shí)際謹(jǐn)慎選擇。

5 結(jié)論

以濟(jì)南黃河隧道和武漢兩湖隧道(東湖段)為工程背景，建立了31環(huán)隧道縱向三維模型，對(duì)比討論了公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)盾構(gòu)隧道縱向力學(xué)性能的影響，得到主要結(jié)論如下。

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠顯著提高隧道的縱向剛度。隧道考慮公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，跨中位移最大減小了39.3%，考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，跨中位移最大減小了28.4%。

(2)隧道考慮公軌合建內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度有效率提高了15.1%～64.8%，錯(cuò)縫拼裝形式的縱向剛度有效率提高了11.7%～30.6%；隧道考慮雙層公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，通縫拼裝形式的縱向剛度提高了17.5%～39.6%，錯(cuò)縫拼裝形式的縱向剛度有效率提高了12.5%～30%。兩種形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)通縫拼裝形式隧道的縱向剛度有效率提升效果更顯著，公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的提升效果優(yōu)于雙層公路型。

(3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)隧道縱向上受力起到承載作用。當(dāng)隧道考慮公軌合建型內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片MISES應(yīng)力值可減小50%以上；當(dāng)隧道考慮雙層公路型內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，管片MISES應(yīng)力值可減小25%以上。

(4)兩種類型內(nèi)部結(jié)構(gòu)在縱向上的變形主要以錯(cuò)臺(tái)、張開(kāi)為主，同時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)墻均受到彎扭的作用。

(5)內(nèi)部結(jié)構(gòu)自身連接部位及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與管片之間的連接點(diǎn)應(yīng)力值較大，且有應(yīng)力集中現(xiàn)象發(fā)生，在實(shí)際工程中應(yīng)謹(jǐn)慎選擇連接方式。