考慮環(huán)間強度折減的頂管上穿對既有隧道結構變形影響分析*

孟慶軍,徐 飛,孫飛祥,劉松地,徐文平,王鳳弟

(1.南寧軌道交通集團有限責任公司,廣西 南寧 530029;2.盾構及掘進技術國家重點實驗室,河南 鄭州 450001;3.中鐵隧道局集團有限公司,廣東 廣州 511458)

0 引言

受限于有限的地表空間,城市地下空間開發(fā)需要向更為復雜的立體方向發(fā)展,多條隧道疊交的復雜工況愈加常見,這為城市空間開發(fā)打開新天地的同時,也帶來了新的挑戰(zhàn)。新建隧道的開挖卸荷作用會打破周邊地層應力場平衡而產(chǎn)生應力場重分布,導致周邊隧道發(fā)生隆起、錯臺、滲漏甚至斷裂等事故［1］。為此,眾多學者針對疊交隧道結構力學行為特征開展了廣泛研究。相關研究方法包括理論解析、數(shù)值分析、模型試驗和實測數(shù)據(jù)分析等［2-8］。在理論解析法方面,隧道結構多被假設為彈性梁［6-7］,為了考慮管片結構間的剪切變形又在環(huán)間引入了彈簧模型［9-10］;在數(shù)值分析法方面,通過建立三維模型開展不同工況下疊交隧道結構力學行為特征分析［5,11］;在室內(nèi)模型試驗方面,多借助離心機開展試驗［4］;在實測數(shù)據(jù)分析方面,眾多學者結合具體工程分析了上穿隧道施工引起的已建隧道結構變形特征［2-3］。然而,已建地鐵隧道環(huán)與環(huán)之間通過螺栓連接,且接觸面設置有密封墊,將地鐵隧道考慮為一均質彈性體必然與實際不符,朱偉東［12］分析了連接方式和連接剛度、接頭剛度對裝配式管片內(nèi)部結構內(nèi)力及管片的影響;齊永潔［13］采用綜合考慮管片環(huán)間錯臺和轉動變形效應的協(xié)同變形模型,推導計算了堆載引起的隧道附加荷載;汪亦顯等［14］采用局部剛度折減法并結合接頭張合狀態(tài)的力學模型進行盾構管片力學性能的數(shù)值模擬分析。此外,在長期列車動荷載和地下水侵蝕等作用下,螺栓產(chǎn)生應力松弛,密封墊不同程度老化,如何評估管片結構環(huán)與環(huán)之間連接關系顯得尤為關鍵［15-16］。因此,本文從折減管片環(huán)與環(huán)連接位置強度的角度出發(fā),探究隧道上穿對不同強度折減條件下隧道結構的力學行為特征的影響。本研究內(nèi)容對指導施工和優(yōu)化理論具有很強的指導意義和理論意義。

1 工程概況

某長度為42m的頂管上穿既有2條地鐵隧道,地鐵隧道分別位于頂管下方垂直距離1.3m和1.6m。該處地質由上到下分別為：素填土、黏土、粉土、圓礫、泥巖(粉砂質泥巖),其中,頂管上穿黏土和粉土地層;已建地鐵隧道穿越粉土和圓礫地層,地鐵隧道埋深10.6m;地下水水位埋深8.5m。各地層物理力學參數(shù)取值如表1所示。

表1 地層參數(shù)取值Table 1 Properties of soil layers

矩形頂管斷面外輪廓尺寸為6 900mm×4 900mm,管片厚度500mm,管節(jié)長度1 500mm。管節(jié)材料為CF50,P10防水混凝土。已建地鐵隧道管片內(nèi)徑為5.4m,外徑為6m,環(huán)寬為1.5m,管片材料為C50混凝土。

2 管片強度折減數(shù)值計算

2.1 管片參數(shù)折減系數(shù)的確定

實際工程中,單環(huán)管片為多個分片通過螺栓連接拼接成環(huán),管片環(huán)與環(huán)之間同樣以螺栓連接而成盾構隧道襯砌結構,隧道結構取混凝土力學參數(shù)與實際不符。考慮到地鐵管片環(huán)與環(huán)之間的連接方式為螺栓連接,而非剛性連接;且已運營隧道內(nèi)部鋪設有地鐵運行的軌道等設置,很難精細建模模擬已運營隧道。本文提出利用折減系數(shù)將管片環(huán)間折減區(qū)域的彈性模量進行折減,研究不同折減系數(shù)對應地鐵隧道變形特征。數(shù)值計算中假定隧道管片為線彈性材料,其體積模量和剪切模量按管片結構混凝土等級取值;管片環(huán)間折減區(qū)域以對應混凝土強度等級取值為基準進行折減,折減系數(shù)分別取表2中所列數(shù)值。C50混凝土彈性模量取34.5GPa,泊松比取0.2,不同折減系數(shù)對應的體積模量和剪切模量如表2所示。

表2 不同折減系數(shù)對應的體積模量和剪切模量取值Table 2 Values of volume modulus and shear modulus corresponding to different reduction coefficients

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)頂管和地鐵隧道的尺寸及相對位置建立數(shù)值計算模型,如圖1所示。模型沿豎向(z)共包括5個地層,深度30m;沿頂管軸向(x)長度45m;沿地鐵隧道軸向(y)長度60m。模型上表面無約束,作為自有面;側面施加水平約束;模型底面施加三向約束。地表施加20kPa均布荷載。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2.3 管片強度折減數(shù)值計算過程實現(xiàn)

頂管隧道施工前,完成模型初始應力化,其次完成地鐵隧道開挖,并將該過程計算產(chǎn)生的變形做歸零處理。對于新建頂管隧道,考慮其管片厚度較大(500mm),隧道長度較小,連接螺栓應力松弛現(xiàn)象不明顯;此外,頂管管節(jié)預制生產(chǎn)時,對管節(jié)增設預應力孔,頂管通道完成后,穿預應力筋進行后張法張拉,加強管節(jié)的整體性,減小隧道上浮的風險,故將其考慮為連續(xù)的彈性材料。

對于地鐵隧道結構,假定管片環(huán)向為連續(xù)的均質彈性材料。管片結構僅考慮在環(huán)與環(huán)之間一定區(qū)域進行強度折減。一般認為折減區(qū)域不應過大,但從數(shù)值建模網(wǎng)格劃分及計算機算力考慮,該區(qū)域不應過小,管片環(huán)間兩側各取50mm作為強度折減區(qū)域。

3 數(shù)值分析結果

3.1 環(huán)間強度折減對隧道結構的影響

1)隧道結構變形

已建隧道左、右線隧道拱頂位移接近,選左線拱頂位移開展分析,隧道結構左、右線位移云圖如圖2所示。不同折減系數(shù)對應的沿隧道軸向的左線隧道拱頂位移分布曲線如圖3所示。由圖可知：①頂管開挖卸荷引起的地鐵隧道上浮位移近似呈“正態(tài)分布”,上浮位移由頂管正下方沿隧道軸線向兩側逐步減小,頂管正下方對應的隧道拱頂上浮位移最大。②折減系數(shù)越小,隧道結構上浮區(qū)段越小,隧道結構最大上浮位移則越大,對應的上浮位移分布曲線越“高瘦”;折減系數(shù)越大,隧道結構上浮區(qū)段越大,隧道結構最大上浮位移則越小,折減系數(shù)越大對應的上浮位移分布曲線越“矮胖”。③折減系數(shù)不小于10-1以及折減系數(shù)不大于10-4時,隧道結構上浮位移變化不再顯著,分別趨于收斂。由此可知,加強隧道結構整體性,提高連接位置強度可以有效控制管片上浮位移,但上浮區(qū)域會顯著增加,不利于已建隧道結構抗浮整體控制;較弱的管片連接強度,可以控制隧道結構上浮區(qū)域,便于采取輔助工法開展小區(qū)域的隧道結構上浮控制。

圖2 隧道結構z向位移云圖(折減系數(shù)取0.01)Fig.2 z-direction displacement cloud diagram of tunnel structure (Reduction factor=0.01)

圖3 左線隧道結構拱頂位移曲線Fig.3 Vault displacement carve of left line tunnel structure

2)隧道結構應力

管片環(huán)間強度進行不同折減情況下對應的隧道結構最大拉應力、壓應力如圖4所示。由圖4可知,當折減系數(shù)大于10-1時,隧道結構最大拉應力、壓應力受折減系數(shù)影響明顯;當折減系數(shù)小于10-1時,隧道結構最大拉應力、壓應力受折減系數(shù)影響則不明顯。

圖4 環(huán)間強度折減后最大拉應力、壓應力曲線Fig.4 Maximum tensile and compressive stress curves after interring strength reduction

3)管片環(huán)間錯臺

選取頂管正下方三環(huán)連續(xù)地鐵隧道管片進行分析,圖5為折減系數(shù)為10-5時拱頂、拱腰和拱底位移分布曲線。由圖5可知,管片環(huán)間均發(fā)生了不同程度的錯臺現(xiàn)象。圖6為不同折減系數(shù)條件下隧道拱頂位移分布曲線,由圖6可知,當折減系數(shù)不小于10-2,隧道結構的錯臺現(xiàn)象不明顯或無錯臺現(xiàn)象;當折減系數(shù)不大于10-3,隧道結構存在環(huán)間錯臺現(xiàn)象,且在一定范圍內(nèi),錯臺位移隨折減系數(shù)的降低而增大,當折減系數(shù)小于10-5時,環(huán)間錯臺位移趨于收斂。

圖5 拱頂、拱腰和拱底位移分布曲線(折減系數(shù)為10-5)Fig.5 Displacement distribution curves of vault,arch waist and arch bottom (reduction coefficient=10-5)

圖6 不同折減系數(shù)條件下隧道拱頂位移分布曲線Fig.6 Displacement distribution curves of tunnel vault under different reduction coefficients

4 結語

1)上部新建隧道開挖卸荷將使已建隧道結構發(fā)生上浮現(xiàn)象,上浮位移在新建隧道正下方最大,向兩側逐漸減小。

2)折減系數(shù)大小影響已建隧道結構上浮位移分布特征。在一定范圍內(nèi),隨著折減系數(shù)的減小,隧道結構最大上浮位移逐步增大,但上浮區(qū)域逐漸減小,呈現(xiàn)隧道結構上浮位移分布曲線由“矮胖”向“高瘦”變化的特征,可以通過適當調整折減系數(shù)降低管片結構上浮位移和上浮區(qū)域。

3)隨著折減系數(shù)減小,管片環(huán)間出現(xiàn)不同程度的錯臺現(xiàn)象。折減系數(shù)不小于10-2時,隧道結構的錯臺現(xiàn)象不明顯;當折減系數(shù)不大于10-3時,管片結構環(huán)間錯臺位移隨折減系數(shù)的降低而增大,當折減系數(shù)小于10-5時,環(huán)間錯臺位移趨于收斂。加強環(huán)間連接強度有利于控制隧道結構錯臺現(xiàn)象。

4)折減系數(shù)大小影響管片結構內(nèi)力。當折減系數(shù)大于10-1時,隧道結構最大拉應力、壓應力受折減系數(shù)影響明顯;當折減系數(shù)小于10-1時,隧道結構最大拉、壓應力受折減系數(shù)影響則不明顯。