劉 鵬， 張玉成， 姚 捷， 胡海英

(1．武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072;2．廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610;3．廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640;4．珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611)

與其他交通相比，地鐵交通的高效、安全、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)非常明顯，地鐵盾構(gòu)法施工有著廣泛的應(yīng)用前景。盾構(gòu)法施工的隧道襯砌方式有兩種:單層裝配式襯砌與多層混合式襯砌。在盾構(gòu)施工中，主要采用單層裝配式襯砌。襯砌為鋼筋混凝土管片構(gòu)成盾構(gòu)隧道的主體結(jié)構(gòu)承受四周土體的荷載［1～6］。

地鐵隧道在使用中時(shí)常發(fā)生管片開(kāi)裂的問(wèn)題。影響隧道管片產(chǎn)生裂縫的原因很多，根據(jù)管片的工作階段可以分為三類(lèi)［7］:一類(lèi)為管片生產(chǎn)過(guò)程中由于溫度變化、混凝土配比以及施工工藝的影響;二是隧道施工過(guò)程中由于千斤頂推力過(guò)大、頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生偏心距、隧道推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、隧道姿態(tài)控制不良，以及管片制作精度不夠引起管片不平整等原因;三是隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中由于外界環(huán)境影響產(chǎn)生不均勻沉降或者由于管片荷載變化引起管片內(nèi)力增加而產(chǎn)生裂縫。上述三種情況既有單獨(dú)出現(xiàn)，也有幾種原因共同作用，持續(xù)存在而引發(fā)隧道管片開(kāi)裂。但是上述三個(gè)原因引起的管片裂縫具有不同的特點(diǎn)，管片制作過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫一般規(guī)律性較差，而施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫具有較強(qiáng)的規(guī)律性。

本文結(jié)合某地鐵管片的開(kāi)裂問(wèn)題，從地質(zhì)原因、管片接頭剛度、右線(xiàn)施工時(shí)對(duì)左線(xiàn)管片受力影響等方面分析了管片在使用中的開(kāi)裂原因，并利用數(shù)值方法［8～12］分析了管片接頭剛度變化和右線(xiàn)施工時(shí)對(duì)左線(xiàn)管片受力的影響。

1 工程概況

某市盾構(gòu)地鐵在進(jìn)行巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)既有線(xiàn)(本文稱(chēng)左線(xiàn))長(zhǎng)達(dá)95 m區(qū)間的多節(jié)管片1點(diǎn)鐘位置內(nèi)側(cè)表面出現(xiàn)了不同程度的裂紋，且伴隨地下水滲漏。統(tǒng)計(jì)表明裂縫隔片出現(xiàn)(圖1，圖2)，絕大多數(shù)沿著隧道軸線(xiàn)方向發(fā)展，且多為通長(zhǎng)，最大寬度達(dá)1．5 mm，多處深達(dá)100 mm，并有個(gè)別貫通裂縫。而此時(shí)距其6 m外的右線(xiàn)剛竣工不久。管片受損段工程地質(zhì)沿隧道縱向剖面如圖3所示。

2 開(kāi)裂原因及數(shù)值分析

影響隧道管片產(chǎn)生裂縫的原因很多，本地鐵管片的裂縫是在地鐵運(yùn)營(yíng)后發(fā)現(xiàn)的，無(wú)法準(zhǔn)確確定管片是在施工還是在使用期間開(kāi)裂的。本文重點(diǎn)從開(kāi)裂段的地質(zhì)原因、管片接頭剛度、右線(xiàn)施工時(shí)對(duì)左線(xiàn)管片受力等方面分析其開(kāi)裂原因，并對(duì)部分原因進(jìn)行數(shù)值仿真分析。

2．1 管片受損段地質(zhì)特點(diǎn)的影響

分析管片開(kāi)裂區(qū)域的左線(xiàn)地質(zhì)剖面圖(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，與其他區(qū)域相比，受損段地質(zhì)條件較差，洞身范圍為＜5H-2＞花崗巖硬塑土，風(fēng)化劇烈，遇水易軟化，洞底圍巖為＜6H＞花崗巖全風(fēng)化帶。管片上方分布有＜5H-1＞、＜4-1＞、＜3-2＞、＜2-2＞等砂質(zhì)粘土，地層比較軟弱。各層地質(zhì)分層的土性和厚度分別為:＜1＞人工雜填土，厚0．4～2．2 m;＜2-1 ＞淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚2．6～4．6 m;＜3-2＞陸相沖洪積砂層，厚 1．3 ～5．9 m;＜4-1＞沖-洪積土層，厚 3．4 ～4．0 m;＜5H-1＞花崗巖殘積土，厚8．6～15．2 m;＜5H-2＞花崗巖殘積土，厚7．0～18．0 m;＜6H＞花崗巖全風(fēng)化層，厚5．0 ～8．0 m。

圖1 裂縫現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 盾構(gòu)管片裂縫位置及展開(kāi)示意

圖3 開(kāi)裂區(qū)間地質(zhì)斷面

受損段隧道地面為某小區(qū)1～3號(hào)樓。建筑物的基礎(chǔ)為15～20 m深的錘擊貫入樁，地面環(huán)境復(fù)雜。從地質(zhì)圖可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)裂段隧道頂部1 m以上就是＜5H-1＞(花崗巖殘積土)土層，花崗巖殘積土遇水容易軟化，相關(guān)研究也表明擾動(dòng)后強(qiáng)度參數(shù)降低明顯。地面建筑物、施工時(shí)候土層的擾動(dòng)可能會(huì)引起管片受力狀態(tài)的變化。

圖4 受損管片相鄰段地質(zhì)剖面

2．2 塌落拱高度增加的影響

根據(jù)上一節(jié)可知，和其他段隧道區(qū)域的地質(zhì)條件相比，開(kāi)裂段的地質(zhì)條件發(fā)生了變化。隧道洞身及洞頂主要為＜5H-1＞、＜5H-2＞礫質(zhì)粘性土，該類(lèi)土層透水性較強(qiáng)，天然狀態(tài)下具有較好的力學(xué)性質(zhì)，但遇水后極易軟化，強(qiáng)度急劇降低，尤其在具有臨空面的浸水條件下，花崗巖殘積土?xí)蜍浕澜舛Ｍ瑫r(shí)隧道上方靠近地面分布有較大范圍的＜4-1＞沖-洪積土層，地層的特點(diǎn)決定了其對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的擾動(dòng)十分敏感。分析設(shè)計(jì)資料可知，盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)該段時(shí)，地面的某小區(qū)1～3樓發(fā)生了沉降，截止2008年4月地面最大沉降已經(jīng)達(dá)129．6 mm，地面沉降可能已經(jīng)引起隧道頂巖土體的擾動(dòng)，應(yīng)力發(fā)生了重分布，并可能使得拱頂塌落拱高度增加。塌落拱高度增加會(huì)使得隧道管片豎向荷載和水平荷載增加，隨著塌落拱高度的增加，當(dāng)管片內(nèi)力超過(guò)其開(kāi)裂荷載時(shí)，管片就會(huì)在拉應(yīng)力最大位置出現(xiàn)裂縫。

松弛土壓力的計(jì)算方法—般采用太沙基(Terzaghi)公式，換算土壓力計(jì)算高度h0的計(jì)算公式為:

其中:

式中，B1為根據(jù)太沙基公式計(jì)算的隧道拱頂松弛寬度的一半;K0為水平土壓力與垂直土壓力之比;φ為土的內(nèi)摩擦角;p0為上覆荷載;γ為土的重度。

根據(jù)公式(1)可知，如果土體強(qiáng)度降低，隧道管片頂部土壓力增大，使得管片內(nèi)力也增大。

2．3 管片接頭剛度的影響

開(kāi)裂區(qū)間管片是錯(cuò)縫安裝，開(kāi)裂發(fā)生在1662～1724環(huán)管片上，所有裂縫均出現(xiàn)在偶數(shù)環(huán)上(隔環(huán)產(chǎn)生)的連接塊上，如圖2所示。裂縫兩端對(duì)應(yīng)管片的封頂塊接頭，封頂塊接頭處的剛度小于管片的彎曲剛度，封頂塊所承受的彎矩比毗鄰的管片所受的小。如果開(kāi)裂區(qū)域的隧道圍壓出現(xiàn)局部增加，由于連接塊剛度比封頂塊接縫處的剛度大，所以連接塊分擔(dān)的荷載多些。

圖5 接頭部位的模擬

圖6 錯(cuò)縫拼裝模型

用ANSYS軟件，通過(guò)荷載-結(jié)構(gòu)法［13］建立了管片接頭實(shí)體模型，模型中管片縱縫和管片環(huán)縫均采用等效剛度的彈簧單元建立聯(lián)系，對(duì)模擬螺栓的單元施加初始應(yīng)變，以模擬施工中對(duì)螺栓施加的300 N·m預(yù)緊扭矩，地基反力也采用彈簧單元。建立的管片接頭實(shí)體模型見(jiàn)圖5和圖6?？紤]管片接頭剛度效應(yīng)和錯(cuò)縫拼裝的既有隧道整體變形如圖7，可見(jiàn)在一定圍壓作用下，管片在11點(diǎn)鐘方向連接塊的變形比封頂塊的大，進(jìn)一步說(shuō)明外荷載增加時(shí)，連接塊會(huì)承擔(dān)更多的荷載，如果超過(guò)其開(kāi)裂荷載就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

圖7 整體管片11點(diǎn)鐘位置的位移放大

2．4 右線(xiàn)施工對(duì)左線(xiàn)管片受力的影響

利用有限元方法［14］定量分析右線(xiàn)施工對(duì)左線(xiàn)(開(kāi)裂段)的管片內(nèi)力影響。

2．4．1 仿真計(jì)算模型及其參數(shù)

計(jì)算分析采用ANSYS大型有限元軟件。模型橫向在管片邊界之外另取4倍直徑寬度;豎向在管片之上取實(shí)際覆土的加權(quán)平均，用等厚地層來(lái)近似，管片之下取12．5 m;縱向從所研究的一環(huán)管片開(kāi)始，前后各取12節(jié)。左右兩側(cè)約束橫向位移，前后約束縱向位移，底部位移全約束。將整個(gè)空間網(wǎng)格在縱向按0．75 m的間距劃分，整個(gè)空間區(qū)域如圖8所示，共31750個(gè)單元，34680個(gè)節(jié)點(diǎn)，縱斷面中取出一截放大后如圖9所示。各地層的力學(xué)參數(shù)如表1所示。各施工步的邊界力通過(guò)等效節(jié)點(diǎn)力來(lái)施加，直接加在節(jié)點(diǎn)上。

圖8 整體有限元模型

圖9 局部開(kāi)挖節(jié)段示意圖

表1 地層的設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

2．4．2 盾構(gòu)推進(jìn)的模擬步驟

本次計(jì)算分析按照以下循環(huán)進(jìn)行:(1)計(jì)算初始應(yīng)力狀態(tài);(2)每向前開(kāi)挖一步，推進(jìn)距離1．5 m(圖10中由左向右)，單元材料作如下變化:將開(kāi)挖面向前推進(jìn)1．5 m，此區(qū)間內(nèi)被挖除的土單元換為軟單元;(3)計(jì)算應(yīng)力狀態(tài);(4)原來(lái)位于管片位置的一環(huán)軟單元變換為混凝土單元;(5)計(jì)算應(yīng)力狀態(tài);(6)重復(fù)第(2)步;(7)綜合處理計(jì)算結(jié)果，得到各步影響的增量及總量。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，與目標(biāo)片相對(duì)應(yīng)的右線(xiàn)那一環(huán)及其前4環(huán)和后8環(huán)，共13步影響顯著，對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的逐次開(kāi)挖計(jì)算，各步位置關(guān)系及編號(hào)如圖10所示。單次開(kāi)挖長(zhǎng)度及與既有線(xiàn)目標(biāo)片的位置關(guān)系如圖11所示。

圖10 主要計(jì)算范圍及工況編號(hào)

2．4．3 計(jì)算結(jié)果

2．4．3．1 開(kāi)挖導(dǎo)致隧道周?chē)鷰r土體位移

右線(xiàn)的各步開(kāi)挖都將引起圍巖新的位移，左線(xiàn)則處于這種新的位移場(chǎng)中，將受到影響。在圖12中，計(jì)算表明沉降以右線(xiàn)隧道正上方為最大，左線(xiàn)處于該位移場(chǎng)中，使得其右上方外圍巖體有較大位移，呈現(xiàn)出從右上方(1點(diǎn)鐘位置附近)擠壓既有左線(xiàn)管片的特性，該影響使得1點(diǎn)鐘方向內(nèi)部環(huán)向拉應(yīng)力增加。同時(shí)，隨著開(kāi)挖的推進(jìn)，右線(xiàn)上方形成新的塌落拱時(shí)拱腳有可能落于左線(xiàn)管片右上方，也增加了相應(yīng)區(qū)域的受力。

圖11 單次開(kāi)挖示意圖

2．4．3．2 開(kāi)挖引起的地面沉降空間分布

新隧道開(kāi)挖將引起一定范圍內(nèi)的地表沉降。計(jì)算的沉降云圖如圖13所示，地表沉降等值線(xiàn)如圖14所示。從圖13和圖14可知，新線(xiàn)開(kāi)挖引起的地表沉降橫向區(qū)域?yàn)樗淼肋吘夐_(kāi)始，向兩側(cè)各15 m之內(nèi)，新開(kāi)挖的右線(xiàn)正上方沉降最大。地表沉降沿橫向的分布規(guī)律是:以新建隧道軸線(xiàn)為中線(xiàn)，呈近似正態(tài)分布曲線(xiàn)的形狀分布，新建隧道正上方地表沉降值最大，向左右逐漸減小。

圖12 右線(xiàn)典型開(kāi)挖步引起的位移場(chǎng)等值線(xiàn)圖

圖13 右線(xiàn)典型開(kāi)挖步引起沉降云圖

圖14 右線(xiàn)典型開(kāi)挖步引起地表沉降等值線(xiàn)圖

2．4．3．3 既有隧道管片的位移和變形

為驗(yàn)證上述附加應(yīng)力規(guī)律，這里將地應(yīng)力釋放法［4］用于三維模型，也可得到每一施工步單獨(dú)產(chǎn)生的影響。該算法可在模型上直接顯示單步影響形態(tài)及量值。新建隧道各施工步都將引起已建隧道目標(biāo)片的位移和變形，雖然各步影響量值不同，但有著共同的基本特性，現(xiàn)取其中一步，如圖15所示，規(guī)律如下。

(1)新建隧道開(kāi)挖致使已建隧道有離開(kāi)新建隧道方向的水平位移和下沉，因?yàn)殡m然右側(cè)開(kāi)挖相當(dāng)于解除了對(duì)左線(xiàn)右側(cè)的部分約束，但右線(xiàn)開(kāi)挖后形成了新的應(yīng)力拱，并且拱腳又恰恰作用在既有隧道右上部，從而沒(méi)有產(chǎn)生向新建隧道方向靠近的水平位移。

(2)既有管片變形特性表現(xiàn)為右上部受到顯著下壓作用，產(chǎn)生新的橢圓度。這一位移特性為其空間受力形式所致，是左右線(xiàn)的位置關(guān)系、圍巖特性、開(kāi)挖次序等共同作用的結(jié)果。既有隧道的這一位移變形特性，也證明了裂縫出現(xiàn)于1點(diǎn)鐘附近區(qū)域的可能性。

圖15 右線(xiàn)典型施工步引起左線(xiàn)目標(biāo)片位移云圖和矢量圖

2．4．3．4 既有隧道管片應(yīng)力變化情況

由于此模型較好地模擬了分步開(kāi)挖的施工過(guò)程，計(jì)算表明開(kāi)挖的影響相對(duì)較小，是小變形，可以進(jìn)行各步疊加進(jìn)而得到已建隧道的應(yīng)力總變化。計(jì)算可知，既有隧道管片徑向軸向的應(yīng)力變化很小，而環(huán)向的應(yīng)力變化比較顯著。整個(gè)右線(xiàn)施工引起左線(xiàn)目標(biāo)片各部位總影響如圖16所示。

圖16 右線(xiàn)各開(kāi)挖步引起左線(xiàn)目標(biāo)片環(huán)向應(yīng)力增量圖

圖16表明，能對(duì)左線(xiàn)目標(biāo)片產(chǎn)生顯著影響的為右線(xiàn)相應(yīng)的平行片及前部三片和后部八片，各片編號(hào)見(jiàn)圖10。單步開(kāi)挖引起最大環(huán)向拉力產(chǎn)生于1點(diǎn)鐘位置，為第七施工步(挖后部第三片)，引起的拉應(yīng)力值為0．13 MPa;各開(kāi)挖步對(duì)11點(diǎn)鐘位置影響均較小，一般為0．03 MPa。往前及往后的施工步所引起的影響都逐次下降，至第二及第十三步基本趨于零。

圖17表明，對(duì)目標(biāo)片內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力累積增量，拉應(yīng)力在12點(diǎn)處最大，為0．857 MPa，此為最不利的;壓應(yīng)力在3點(diǎn)鐘最大，為 －0．941 MPa，此為有利的。但外側(cè)影響與內(nèi)側(cè)反號(hào)，所以三點(diǎn)和九點(diǎn)鐘的外圍值得進(jìn)一步關(guān)注，可通過(guò)物理探測(cè)和有限元計(jì)算進(jìn)一步對(duì)照分析，綜合評(píng)價(jià)其安全性。

圖17 右線(xiàn)開(kāi)挖引起左線(xiàn)目標(biāo)片環(huán)向應(yīng)力累計(jì)總量

雖然1點(diǎn)鐘累積增量為0．783 MPa，不及12點(diǎn)鐘大(圖16)，但單步影響卻是1點(diǎn)鐘最大(圖17)，此增量值對(duì)于原本已經(jīng)受拉的混凝土來(lái)說(shuō)影響相對(duì)較大，極有可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，尤其是在有初始裂縫的情況下。對(duì)11點(diǎn)鐘的影響相對(duì)較小，這也與裂縫主要出現(xiàn)在一點(diǎn)鐘附近的實(shí)際情況較為吻合。

3 結(jié)論

隧道管片在使用過(guò)程中的開(kāi)裂主要原因是管片圍壓發(fā)生改變，而引起該段管片圍壓改變的可能原因有:管片受損段的地質(zhì)特點(diǎn);土體擾動(dòng)引起隧道拱頂塌落拱高度增加;管片背后注漿密實(shí)程度;管片開(kāi)裂位置的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)以及右線(xiàn)施工期間對(duì)左線(xiàn)巖土體的擾動(dòng)。原有應(yīng)力及相鄰線(xiàn)路盾構(gòu)施工引起的附加應(yīng)力的綜合結(jié)果見(jiàn)表2，可見(jiàn)1點(diǎn)處管片內(nèi)側(cè)的綜合拉應(yīng)力最大，達(dá)2．72 MPa，已超出C50混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2．65 MPa。再加上后期線(xiàn)路施工產(chǎn)生的如圖15的效應(yīng)，以及開(kāi)裂段花崗巖全風(fēng)化＜6H＞軟弱下臥層較厚(圖4)，這些因素作用在一起就直接導(dǎo)致裂縫隔片出現(xiàn)于連接塊上1點(diǎn)附近。

表2 管片綜合內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，后施工隧道所產(chǎn)生的塌落拱拱腳作用在臨近的既有隧道斜上方;后線(xiàn)單施工步引起既有線(xiàn)目標(biāo)片最大內(nèi)側(cè)環(huán)向拉應(yīng)力產(chǎn)生于靠近后施工線(xiàn)路的右上1點(diǎn)鐘位置，而11點(diǎn)鐘位置(即背向后施工線(xiàn)路一側(cè))所受影響較小。

當(dāng)?shù)叵驴臻g允許時(shí)，建議適當(dāng)加大兩條線(xiàn)路的水平距離，使之相隔1．5倍隧道直徑以上，以避開(kāi)對(duì)方的塌落拱拱腳。同時(shí)先施工的隧道應(yīng)重點(diǎn)對(duì)靠近后施工線(xiàn)路一側(cè)的斜上方土體進(jìn)行加固以應(yīng)對(duì)未來(lái)的附加應(yīng)力及相應(yīng)的變位。錯(cuò)縫形式可改縱向的兩片一循環(huán)為多片一循環(huán)，以減小相鄰片之間錯(cuò)縫角度，減輕相鄰管片在頂部的剛度不連續(xù)性，改善受力狀態(tài)。

［1］ Working Group No．2，International Tunneling Association．Guidelines for the design of shield tunnel lining［J］．Tunneling and Underground Space Technology，2000，15(3):303-331．

［2］ 張玉成，楊光華，姚 捷，等．基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(s1)，109-115．

［3］ Lee K M，Hou X Y，Ge X W，et al．An analytical solution for a jointed shield-driven tunnel lining［J］．International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2001，25(4):365-390．

［4］ 唐孟雄，陳如桂，陳 偉．廣州地鐵盾構(gòu)隧道施工中管片受力監(jiān)測(cè)與分析［J］．土木工程學(xué)報(bào)，2009，25(3):103-107．

［5］ Sharma J S，Hefny A M，Zhao J，et al．Effect of large excavation on deformation of adjacent MRT tunnels［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2001，16(2):93-98．

［6］ 張鳳祥，朱合華，傅德明．盾構(gòu)隧道［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［7］ 徐林生．大斷面高速公路隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)分析［J］．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(3):528-530．

［8］ 楊建民，喻 渝，譚忠盛，等．大斷面深淺埋黃土隧道圍巖壓力試驗(yàn)研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，(2):76-79．

［9］ 劉斯琴，余曉琳，顏全勝．基坑開(kāi)挖對(duì)下方既有地鐵影響數(shù)值分析［J］．廣東土木與建筑，2009，(6):19-20．

［10］ Teodor I．Design Considerations and Testing in Shield-Driven Tunnels［C］//Towards New Worlds in Tunneling．Rotterdam:Balkema A A，1992:67-80．

［11］ Qi Ke-Jun，Wang Xu-Dong，Jiang Gang，et al．Analysis of deep pit excavation adjacent to tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005(10):5485-5489．

［12］ 王敏強(qiáng)，陳勝宏．盾構(gòu)推進(jìn)隧道結(jié)構(gòu)三維非線(xiàn)性有限元仿真［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(2):228-232．

［13］ 張厚美，傅德明．盾構(gòu)隧道管片接頭荷載試驗(yàn)研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(6):28-41．

［14］ 姚 捷，楊光華，張玉成，等．相鄰線(xiàn)路盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道的影響［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(s2):3945-3952．