(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610052)

地鐵盾構(gòu)隧道普遍采用管片作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。管片在施工與運(yùn)營過程中容易產(chǎn)生不同程度的開裂與損傷[1]。目前關(guān)于管片裂紋的研究，多集中于對其開裂原因與開裂機(jī)理的分析。如楊雨冰等[2]基于斷裂力學(xué)理論，對管片的開裂破損機(jī)制進(jìn)行了研究；徐國文等[3]基于室內(nèi)相似模型試驗，采用聲發(fā)射測試手段從細(xì)觀層面揭示了管片漸進(jìn)性破壞的全過程；戴志仁[4]對地表大范圍開挖引起下臥盾構(gòu)隧道管片碎裂的機(jī)理進(jìn)行了分析；盧岱岳等[5]對千斤頂作用下帶榫管片的裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 工程概況

該區(qū)間盾構(gòu)隧道主要穿越膨脹土層和砂卵石地層。隧道管片結(jié)構(gòu)普遍采用“3+2+1”的分塊形式，即襯砌圓環(huán)由3個標(biāo)準(zhǔn)塊(B1，B2，B3)、2個鄰接塊(L1，L2)、1個封頂塊(F)組成。管片尺寸見圖1。管片環(huán)外直徑6.0 m，內(nèi)直徑5.4 m，管片厚度0.3 m，幅寬1.2 m。

圖1 管片尺寸

隧道運(yùn)營過程中位于膨脹土層的部分管片產(chǎn)生了沿著幅寬方向分布的縱向裂紋(見圖2)。因此，本文研究縱向裂紋對管片力學(xué)特性的影響。

圖2 縱向裂紋

2 數(shù)值模擬

2.1 裂損管片模擬方法

圖3 數(shù)值計算模型

管片采用殼單元進(jìn)行模擬，管片接頭通過彈簧來表征。同時，裂紋采用接頭單元進(jìn)行模擬[10]，其剛度由Kθ(旋轉(zhuǎn)剛度)、Kn(剪切剛度)，Kt(抗壓剛度)表征。旋轉(zhuǎn)剛度的計算公式為

(1)

式中：EI為材料的抗彎剛度；R為盾構(gòu)隧道的半徑；η為剛度折減系數(shù)，η=h/H，h為開裂截面中未開裂部分的高度，H為截面原始高度。

剪切剛度和抗壓剛度的計算公式為

Kn=GA′

(2)

Kt=EA

(3)

式中：G為材料的剪切模量；A為管片截面面積；A′為管片截面的有效面積，A′=ηA。

2.2 計算工況

考慮管片不同裂損程度(η=0.1,0.5,0.7,1)與裂紋位置的組合，分為2種工況進(jìn)行計算：①裂紋單獨(dú)出現(xiàn)在L1，B1和L2塊；②裂紋同時出現(xiàn)在L1，B1和L2塊(單一分塊僅出現(xiàn)單條裂紋)。

2.3 數(shù)值模擬的實現(xiàn)

表1 膨脹土層力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 覆土厚度的影響

不同覆土厚度下管片內(nèi)力的分布規(guī)律相似。覆土厚15 m與40 m時管片內(nèi)力分布見圖4。圖中實心圓點(diǎn)為裂紋所在位置，空心圓點(diǎn)為管片環(huán)向接頭位置?？梢钥闯觯孩倭鸭y的存在會導(dǎo)致裂紋附近內(nèi)力比無裂紋時明顯減小。覆土厚15 m，裂紋單獨(dú)出現(xiàn)在B1，L1，L2塊時，裂紋處彎矩分別為6.7，5.8，22.7 kN·m，小于無裂紋時相應(yīng)位置的彎矩(37.3，60.2，61.2 kN·m)；裂紋處的軸力分別為400，340，322 kN，也小于無裂紋時相應(yīng)位置的軸力(849，985，881 kN)。②裂紋的存在并不會改變管片的基本力學(xué)特性。外荷載作用下管片全環(huán)軸力均為正值(受壓)，且拱頂及拱底處管片內(nèi)側(cè)受拉，拱腰處管片外側(cè)受拉。③以裂紋為中心，兩側(cè)各25°區(qū)域內(nèi)管片內(nèi)力受裂紋的影響較大，其余區(qū)域內(nèi)管片內(nèi)力與無裂紋時相比變化較小。

圖4 管片內(nèi)力分布

3.2 裂損程度及裂紋數(shù)量的影響

圖5 B1塊存在裂紋時不同裂損程度下管片內(nèi)力分布

B1塊存在裂紋時不同裂損程度下管片內(nèi)力分布見圖5。圖中實心圓點(diǎn)為裂紋所在位置，空心圓點(diǎn)為管片環(huán)向接頭位置?？梢钥闯觯孩偻夂奢d作用下管片全環(huán)軸力均為正值(受壓)，并未隨著裂損程度的增加出現(xiàn)負(fù)值。開裂位置附近管片的軸力均顯著減小，且減小幅度隨著裂損程度的增加而增大。②彎矩受裂損程度的影響規(guī)律與軸力類似。③隨著裂損程度的增加，裂紋對管片內(nèi)力影響較大區(qū)域的范圍有所增加。

存在多條裂紋時，裂紋對管片內(nèi)力的影響規(guī)律與存在單條裂紋時相似。不同裂紋數(shù)量及裂損程度下管片彎矩分布見圖6。圖中實心圓點(diǎn)為裂紋所在位置，空心圓點(diǎn)為管片環(huán)向接頭位置。

圖6 不同裂紋數(shù)量及裂損程度下管片彎矩分布

從圖6(a)可以看出:同時存在3條裂紋時裂紋的存在會導(dǎo)致各條裂紋附近管片彎矩比無裂紋時明顯減小。同時，裂紋對管片彎矩影響較大區(qū)域的范圍并未產(chǎn)生疊加，在同一裂紋影響區(qū)單條裂紋與多條裂紋作用效果相近。

從圖6(b)可以看出：與存在單條裂紋時相似，同時存在3條裂紋時隨著裂損程度的增加裂紋附近管片彎矩逐漸降低，且裂紋對管片彎矩影響較大區(qū)域的范圍有所增加。

4 結(jié)論

1)裂紋的存在會導(dǎo)致裂紋附近管片的內(nèi)力比無裂紋時明顯減小。

2)存在多條裂紋時(單一分塊僅出現(xiàn)單條裂紋)，裂紋對管片彎矩影響較大區(qū)域的范圍并未產(chǎn)生疊加，在同一裂紋影響區(qū)單條裂紋與多條裂紋作用效果相近。

3)隨著裂損程度的增加，裂紋附近管片內(nèi)力逐漸降低，且裂紋對管片彎矩影響較大區(qū)域的范圍也有所增加。