江底凹形縱坡小凈距隧道混凝土襯砌的受力性狀研究

胡建賓 李 桐 劉瑞康 岳健

（1.中建市政工程有限公司，北京 大興 102600；2.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

很多城市沿江而建，為了改善城市交通擁擠的狀況，需要建設越江隧道；為了滿足隧道下穿江水并且從地面進出的線路布置，一些隧道采用“凹形縱坡”的形式，可近似認為由三折線組成，即劃分為下坡段、轉折段(平直段)、上坡段。一些城市越江交通隧道采用雙洞平行布置的形式，以滿足雙向行車的要求，為了節(jié)約土地，雙洞之間靠得較近，即采用小凈距隧道的形式。很多越江隧道采用鋼筋混凝土襯砌作為抵抗水土壓力的主要屏障，無論是在施工期還是在服役期，襯砌的受力性狀都是決定隧道是否安全的關鍵因素。因此，有必要研究江底凹形縱坡小凈距隧道的襯砌受力性狀。盡管國內外學者已經(jīng)取得了一系列相關的研究成果，但由于該課題涉及到的影響因素較多，還需在數(shù)值模擬方面繼續(xù)研究[1-4]。本文針對江底凹形縱坡小凈距隧道，建立三維數(shù)值模型，研究隧道混凝土襯砌的受力性狀。

1 建立數(shù)值模型

1.1 工程概況

某江底淺埋小凈距隧道，按城市快速路規(guī)格建設，設計速度為60km/h。隧道采用盾構法施工，挖通先行洞后再開挖后行洞。該越江隧道采用凹形縱坡，最大縱坡坡度為5%。研究區(qū)段的圍巖主要為Ⅴ級強風化粉砂質泥巖，江底巖土覆蓋層厚度約為9~11m。采用裝配式鋼筋混凝土圓形襯砌，襯砌混凝土的強度等級為C50，抗?jié)B等級P12，襯砌環(huán)的外直徑B為11.3m，襯砌厚度為0.5m。

1.2 有限元模型分析

建立三維有限元數(shù)值模型如圖1 所示，雙洞間凈距的變化范圍為0.5B~2.5B。模型寬160m，高80m，下坡段與上坡段均為200m 長，轉折段（平直段）長22m。計算參數(shù)如表1 所示，掘進壓力取為240kPa，千斤頂推力取為4558kPa，下坡段、轉折段、上坡段的注漿壓力分別取為317kPa、328kPa、353kPa。模擬環(huán)節(jié)如表2所示。

表1 材料的計算參數(shù)

表2 模擬環(huán)節(jié)說明

圖1 數(shù)值模型

根據(jù)本文特殊的研究目的，施工期只考慮江水壓力，沒有計算滲流；服役期則參照文獻[5]的原理計算滲流應力耦合。凹形縱坡轉折段的位置最低，易發(fā)生滲水，因此在服役期研究雙洞轉折段襯砌下半部同時滲水的影響（壓力水頭設為0）。模型底面位移固定，4 個側面均限制法向位移；枯水期江水最深取為10m，與江水接觸的模型頂面為自由面，為透水邊界，頂面的總水頭取為90m。

2 數(shù)值模擬結果分析

2.1 不同位置受力分析

對于凹形縱坡隧道，斜坡段與轉折段交界處的下轉處襯砌與轉上處襯砌統(tǒng)稱為“交界處襯砌”。以雙洞凈距0.5B為例，先行洞交界處襯砌的最大壓應力在不同環(huán)節(jié)的變化曲線如圖2 所示，先行洞交界處襯砌在環(huán)節(jié)7的最小主應力云圖如圖3所示。計算得知：

圖2 先行洞交界處襯砌的最大壓應力變化曲線

圖3 先行洞交界處襯砌在環(huán)節(jié)7的最小主應力(單位：kPa)

（1）在施工階段，先行洞的下轉處襯砌與轉上處襯砌的最大壓應力均呈現(xiàn)為“雙折線”形態(tài)，但兩條分布曲線并不重合。在施工完先行洞的轉折段后，先行洞下轉處襯砌壓應力的最大值為4364kPa，出現(xiàn)在遠離中夾巖一側的拱肩處；先行洞轉上處襯砌壓應力的最大值為3941kPa，出現(xiàn)在偏向中夾巖一側的邊墻處。在施工完先行洞上坡段后，先行洞下轉處襯砌壓應力的最大值為4341kPa，出現(xiàn)在遠離中夾巖一側的拱肩處；先行洞轉上處襯砌壓應力的最大值為5750kPa，出現(xiàn)在偏向中夾巖一側的邊墻處。在施工完后行洞下坡段后，先行洞下轉處襯砌壓應力的最大值為4474kPa，出現(xiàn)在遠離中夾巖一側的拱肩處；先行洞轉上處襯砌壓應力的最大值為5781kPa，出現(xiàn)在偏向中夾巖一側的邊墻處。在施工完后行洞轉折段后，先行洞下轉處襯砌壓應力的最大值為4613kPa，先行洞轉上處襯砌壓應力的最大值為6138kPa，均出現(xiàn)在偏向中夾巖一側的邊墻處。在施工完后行洞上坡段后，先行洞下轉處襯砌壓應力的最大值為4668kPa，先行洞轉上處襯砌壓應力的最大值為6312kPa，均出現(xiàn)在偏向中夾巖一側的邊墻處。

（2）從先行洞的縱向看，下轉處襯砌與轉上處襯砌二者所處的位置關于中間斷面對稱，如果不考慮施工過程的影響，在服役期轉折段襯砌下半部滲水影響下，這兩環(huán)襯砌的襯砌應力變化似乎應該一致。但計算結果表明：服役期轉折段襯砌下半部滲水前后，先行洞下轉處襯砌的最大壓應力由4668kPa 增大到4821kPa，增大了153kPa；先行洞轉上處襯砌的最大壓應力由6312kPa 減小到6124kPa，減小了188kPa。由此可見，在服役期轉折段襯砌下半部滲水影響下，這兩環(huán)襯砌的應力變化明顯不同，這正是因為如上所述施工過程的影響不同，這表明研究襯砌在服役期的受力性狀時，宜考慮施工過程的影響，因為施工期襯砌在受力上的缺陷會在服役期發(fā)展直至產(chǎn)生明顯病害。

2.2 最大壓應力的變化曲線

圖4針對5種雙洞凈距，給出了先行洞襯砌的最大壓應力沿凹形縱坡的變化曲線；圖5給出了先行洞交界處襯砌的最大壓應力隨凈距的變化曲線。計算得知：

圖4 先行洞襯砌的最大壓應力沿凹形縱坡的變化曲線

圖5 先行洞交界處襯砌最大壓應力隨凈距的變化曲線

（1）先行洞兩環(huán)交界處襯砌的最大壓應力隨雙洞凈距的變化情況也有所不同。雙洞凈距從0.5B增大到1B時，服役期滲水前后的先行洞下轉處襯砌最大壓應力的變化量明顯增大了236kPa；但當雙洞凈距大于1.5B后，最大壓應力的變化量基本穩(wěn)定在466kPa。雙洞凈距從0.5B增大到1.5B時，服役期滲水前后的先行洞轉上處襯砌最大壓應力的變化量也較大；但當雙洞凈距大于1.5B后，最大壓應力的變化量基本穩(wěn)定在423kPa。

（2）在服役期滲水前后，對于5 種雙洞凈距，先行洞的下坡段與上坡段的襯砌最大壓應力沿縱坡都呈現(xiàn)類似“斜直線”的分布，但數(shù)值不同；先行洞轉折段襯砌的最大壓應力沿縱坡的分布很不規(guī)則，這是因為轉折段受到了下坡段與上坡段的耦合影響；從整個凹形縱坡來看，斜坡段與轉折段交界處的襯砌是受力的關鍵部位。以雙洞凈距0.5B情況的先行洞為例：

①在服役期隧道滲水前：從距離中間斷面-210.75m到-11m，先行洞下坡段襯砌的最大壓應力由4994kPa增大到5872kPa，增大了878kPa；從距離中間斷面-11m到11m，轉折段襯砌的最大壓應力由4668kPa 增大至6312kPa，增大了1644kPa；從距離中間斷面11m 到210.75m，上坡段襯砌的最大壓應力由6058kPa 減小至5277kPa，減小了781kPa。

②在服役期雙洞轉折段襯砌下半部滲水后：從距離中間斷面-210.75m 到-11m，先行洞下坡段襯砌的最大壓應力由4549kPa 增大至5293kPa，增大了744kPa；從距離中間斷面-11m 到11m，轉折段襯砌的最大壓應力由4821kPa 增大至6124kPa，增大了1303kPa；從距離中間斷面11m 到210.75m，上坡段襯砌的最大壓應力由5427kPa減小至4517kPa，減小了910kPa。

3 結束語

（1）從先行洞的縱向看，盡管下轉處襯砌與轉上處襯砌所處的位置關于中間斷面對稱，但這兩環(huán)襯砌的應力變化存在明顯不同，這是因為施工過程的影響不同。研究江底隧道襯砌在服役期的受力性狀時，要注意施工過程對不同位置襯砌的影響程度不同，這會導致長期服役后的襯砌健康狀況不同。

（2）雙洞凈距從0.5B增大到1B時，服役期滲水前后的先行洞下轉處襯砌最大壓應力的變化量明顯增大了236kPa；但當雙洞凈距大于1.5B后，最大壓應力的變化量基本穩(wěn)定在466kPa。

（3）在服役期滲水前后，對于5 種雙洞凈距，先行洞的下坡段與上坡段的襯砌最大壓應力沿縱坡都呈現(xiàn)類似“斜直線”的分布，但數(shù)值不同；先行洞轉折段襯砌的最大壓應力沿縱坡的分布很不規(guī)則，這是因為轉折段受到了下坡段與上坡段的耦合影響；從整個凹形縱坡來看，斜坡段與轉折段交界處的襯砌是受力的關鍵部位。建議江底凹形縱坡隧道在維修養(yǎng)護時，注意下坡段、轉折段、上坡段的襯砌受力性狀的不同。