周 坤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

引言

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)法因其速度快、安全高效、對航道影響小等優(yōu)點，逐漸成為跨海越江隧道施工的首選工法[1-2]。然而，地鐵列車運(yùn)行引起的地基結(jié)構(gòu)破壞，土體液化及振陷已經(jīng)在南京、廣州等多個城市出現(xiàn)[3-6]。由于軌道不平順，長期耦合振動荷載會誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動力響應(yīng)，隧道管片可能會出現(xiàn)開裂、剝落等問題，并使原有的損傷和破壞對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更不利的影響[7]，而土體液化則會導(dǎo)致下臥層土體沉降過大，加劇軌道的不平順，增大列車動荷載，對行車安全有很大的影響[8-11]。

針對列車振動對隧道結(jié)構(gòu)方面的影響，丁祖德、彭立敏[12]等建立隧道-圍巖耦合作用的動力有限差分計算模型，研究了圍巖條件、列車運(yùn)行速度、隧道底部結(jié)構(gòu)厚度以及基底軟弱層厚度的不同對列車振動荷載作用下隧道的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征。孫曉靜[13]采用理論分析、現(xiàn)場測試、數(shù)值模擬及原型試驗等多種研究方法，完成了地鐵振動現(xiàn)狀的測試與分析、隧道-地層系統(tǒng)振動特性分析、地表振動響應(yīng)預(yù)測分析、軌道減振性能研究分析、環(huán)境振動影響分析等多項工作。黃慶祥[14]建立了地鐵荷載下的隧道動力響應(yīng)模型，對襯砌內(nèi)力及位移進(jìn)行監(jiān)測分析。黃強(qiáng)等[15]通過隧道-地基-鋼軌-扣件縱向模型得到作用于隧道道床上的列車荷載，研究了再飽和軟土地層中，二維和三維計算模型的振動響應(yīng)規(guī)律。張碧文[16]以廣州地鐵為例，通過ABAQUS建立三維耦合模型，研究列車荷載作用下盾構(gòu)隧道襯砌及螺栓的動力響應(yīng)。

針對振動液化方面的研究，Seed等[17]通過室內(nèi)動三軸試驗，提出了液化的判別方式，認(rèn)為應(yīng)從應(yīng)力狀態(tài)作為判別砂土液化的標(biāo)志。Casagrande等[18]認(rèn)為應(yīng)以變形作為液化的判別標(biāo)志，并首次提出“實際液化”的概念。宮全美等[19]通過室內(nèi)試驗建立了荷載作用下的列車孔壓累積模型，分析了地基液化性與軌道變形、軌面平順度的關(guān)系。唐益群[20]根據(jù)實測數(shù)據(jù)和室內(nèi)GDS試驗，得出了適用于軟黏土中的孔隙水壓力發(fā)展模型。付海清等[21]通過現(xiàn)場試驗，對砂土液化過程中孔壓與剪應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究并給出兩者關(guān)系表達(dá)式。

三陽路長江隧道是國內(nèi)首個跨江公鐵合建盾構(gòu)隧道，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)所受荷載由地鐵和汽車振動引起，在國內(nèi)鮮有對兩種荷載耦合作用的研究，且隧道基底部分穿越透水性較強(qiáng)的粉細(xì)砂層上，下覆粉細(xì)砂層的穩(wěn)定性也成為了值得關(guān)注的重要問題。因此本文通過動力有限元方法，選取江中盾構(gòu)段的最不利斷面，分析隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征及粉砂基地層的液化情況，討論隧道結(jié)構(gòu)安全性問題。

1 工程背景

三陽路長江隧道是國內(nèi)首個跨江公鐵合建大盾構(gòu)隧道，線路北起漢口三陽路，南接武昌秦園路(圖1)，是武漢市軌道交通7號線一期工程的關(guān)鍵工程。主線全長4 650 m，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同分為江中盾構(gòu)段、工作井、明挖暗埋段及敞開段等區(qū)段，其中，盾構(gòu)段長2 590 m，隧道橫斷面為雙孔圓形結(jié)構(gòu)，管片外徑15.2 m，管片厚度0.65 m。隧道采用雙向六車道公鐵合建方案，即單線隧道具有3個公路車道和1條單向地鐵線路，見圖2。

圖1 武漢三陽路長江隧道縱剖面

圖2 武漢三陽路長江隧道盾構(gòu)段隧道橫斷面

2 數(shù)值分析

2.1 2.5維有限元法

2.5維有限元法又稱波數(shù)有限元法，其基本思想是先將結(jié)構(gòu)截面不均勻二維區(qū)域進(jìn)行空間笛卡爾坐標(biāo)積分，然后再在有相同幾何尺寸的方向進(jìn)行波數(shù)域中的計算，最后將頻域內(nèi)求解的結(jié)果通過反變換可得三維空間中的解答[22-23]。該法既可極大地較少計算所需的單元數(shù)，節(jié)省計算時間，同時又能正確地考慮波在三維半空間中傳播產(chǎn)生的馬赫輻射效應(yīng)，因此本文采用該計算方法，分析隧道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征及粉砂基地層的液化情況，討論隧道結(jié)構(gòu)安全性問題。

2.2 列車、汽車荷載的確定

三陽路長江隧道采用的是雙向六車道公鐵合建方案，即單線隧道具有3個道路車道和1單向地鐵線路?？紤]最不利情況，即3個道路車道同時受運(yùn)行汽車作用，而隧道基底受列車振動荷載作用，見圖3。

圖3 交通荷載位置示意

地鐵列車振動荷載計算中，取地鐵列車為8節(jié)編組A型車，取地鐵軌道為DTVI2扣件型軌道，并以美國軌道不平順5級譜描述軌道表面的不平順。列車輪軸示意見圖4。地鐵列車荷載由相應(yīng)列車編組的各輪軸軸重組成，具體地，作用于左、右軌的列車荷載(圖3)均可表示為

圖4 列車輪軸空間分布(單位：m)

(1)

三陽路長江隧道單線隧道共計設(shè)置了3條公路車道，在考慮汽車移動荷載時，按3條車道同時受系列汽車荷載作用的最不利情況考慮。假定3條公路車道所受汽車荷載相同，且每條車道均受4輛相同的、等距排列的兩軸汽車所組成的車隊作用。在具體分析中，汽車運(yùn)行速度取為80 km/h，汽車前后軸距取為2.8 m，左右輪距取為1.5 m，前后輪軸軸重均取為9 kN，相鄰兩車對應(yīng)輪軸之間的距離保守地取為40 m。汽車荷載在橫斷面上的作用位置同樣可參見圖3，均可表示為

(2)

2.3 數(shù)值分析模型

2.3.1 數(shù)值模型

根據(jù)三陽路長江隧道地質(zhì)勘查資料及縱斷面圖，選擇江中盾構(gòu)段的最不利斷面——右線隧道里程RK1+573.4 m為計算斷面。在該計算斷面處，三陽路隧道上部位于較為軟弱的粉質(zhì)黏土層中，下部直接與透水性較強(qiáng)的粉細(xì)砂層鄰接，隧道埋深為10.9 m，計算模型示意及隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖5。計算斷面處的主要巖土參數(shù)取值見表1。本文主要對列車、汽車荷載同時作用下隧道-地層結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征進(jìn)行研究，考慮最不利情況作為計算工況：列車速度100 km/h，汽車速度80 km/h。

圖5 動力計算的2.5維數(shù)值模型

表1 各土層主要物理參數(shù)

2.3.2 監(jiān)測點設(shè)置

在分析中，計算斷面在2.5維數(shù)值模型中的縱向坐標(biāo)設(shè)置為x=160 m。為了充分研究隧道結(jié)構(gòu)及粉細(xì)砂層在交通荷載作用下的變形受力特征，在計算斷面位置隧道襯砌結(jié)構(gòu)上選取A1～A88個監(jiān)測點，在計算斷面位置隧道正下方粉細(xì)砂層中向下每隔5 m選擇1個監(jiān)測點，共計選擇S1～S55個監(jiān)測點，分析他們在列車、汽車運(yùn)行過程中物理參量的動態(tài)變化特征。襯砌監(jiān)測點A1～A8及粉細(xì)砂層監(jiān)測點S1～S5空間位置參見圖6。

圖6 模型監(jiān)測點示意

3 計算結(jié)果與分析

圖7及圖8為地鐵列車(100 km/h)及汽車車隊(80 km/h)聯(lián)合作用下計算斷面襯砌監(jiān)測點的垂向位移響應(yīng)及粉細(xì)砂層監(jiān)測點的垂向位移響應(yīng)。從圖7、圖8可以看出，在列車荷載和汽車荷載聯(lián)合作用下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)及粉細(xì)砂層的垂向振動位移響應(yīng)主要由1 Hz以下的低頻成分組成；由于隧道周圍地層較為軟弱的緣故，在聯(lián)合荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)的各監(jiān)測點具有波形、量值相似的垂向振動位移，而隧道結(jié)構(gòu)不同部位間的相對變形量值很?。蝗欢?，在聯(lián)合荷載作用下，粉細(xì)砂地層中監(jiān)測點的振動量值隨距隧道結(jié)構(gòu)距離的增加衰減明顯，其位移最大幅值在S1監(jiān)測點為-0.425 mm，而在S5監(jiān)測點則為-0.051 mm，衰減約88%；在地鐵列車和汽車車隊聯(lián)合作用下，襯砌監(jiān)測點的最大垂向變形約為-0.425 mm。

圖9給出了地鐵列車及汽車車隊聯(lián)合作用下典型時刻(t=8 s)計算斷面上部分典型襯砌監(jiān)測點的動應(yīng)力時程。從圖9可以看到，在交通荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的承載能力，交通荷載對結(jié)構(gòu)自身不會產(chǎn)生不利影響。

圖10給出了地鐵列車及汽車車隊聯(lián)合作用下粉細(xì)砂層監(jiān)測點S1～S5的超靜水孔隙壓力及有效動應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律。其中，圖中的有效動應(yīng)力并未考慮結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)，是單純由交通荷載引起的動應(yīng)力的有效應(yīng)力。

圖7 襯砌監(jiān)測點的垂向位移響應(yīng)

從圖10可以看到，在隧道正下方的監(jiān)測點中，隨著監(jiān)測點距隧道距離的增大，超靜孔隙水壓力大體上呈現(xiàn)出減小的趨勢，但當(dāng)前工況下，超靜孔隙水壓力在粉細(xì)砂層中隨距離的衰減相對較為緩慢；在考慮的聯(lián)合荷載作用下，隧道下覆粉細(xì)砂層中的最大超靜孔隙水壓力為765 Pa；交通荷載引起下覆粉細(xì)砂層有效動應(yīng)力隨距荷載作用點距離增大的衰減極為迅速；在考慮的聯(lián)合荷載作用下，隧道下覆粉細(xì)砂層各方向上的有效動應(yīng)力在多數(shù)時刻均為壓應(yīng)力，只有監(jiān)測點S2與S4之間的部分區(qū)域在列車及汽車通過期間，橫向有效動應(yīng)力大多時刻表現(xiàn)為拉應(yīng)力。但該計算斷面粉細(xì)砂層的垂向靜有效應(yīng)力≥∑γjhj=0.203 MPa(受壓)，橫向縱向靜有效應(yīng)力≥∑K0jγjhj=0.104 MPa(受壓)，均顯著大于列車通過過程中可能出現(xiàn)的動拉應(yīng)力量值。因此，可以推斷，在地鐵列車及汽車耦合振動作用下，三陽路隧道的下覆粉細(xì)砂地層是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)砂土液化的失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖8 粉細(xì)砂地層監(jiān)測點的垂向位移響應(yīng)

圖9 襯砌監(jiān)測點的動應(yīng)力時程

圖10 監(jiān)測點超靜孔隙水壓力及有效動應(yīng)力時程

4 結(jié)論

本文采用2.5維數(shù)值計算程序?qū)θ柭饭F兩用長江隧道盾構(gòu)段典型不利斷面處隧道-地層結(jié)構(gòu)在汽車和地鐵振動作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行了分析，研究地鐵振動荷載和汽車振動荷載耦合作用對隧道結(jié)構(gòu)及隧道下覆粉細(xì)砂層穩(wěn)定性的影響。通過相應(yīng)工作，得到如下主要結(jié)論。

(1)在地鐵振動荷載與汽車振動荷載聯(lián)合作用下，三陽路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移振動響應(yīng)量值及受力情況均較小，振動荷載不會對襯砌結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生不利影響。

(2)列車和汽車車隊耦合荷載引起隧道下覆飽和粉細(xì)砂層超靜孔隙水壓力在隧道正下方衰減較為緩慢。

(3)由于三陽路長江隧道直徑大、襯砌厚，可有效分散列車及汽車交通荷載，加之其在交通荷載作用的最不利區(qū)段僅隧道底部一部分直接與透水性較強(qiáng)的粉細(xì)砂層鄰接，因此三陽路長江隧道下覆飽和粉細(xì)砂地層由正常的地鐵振動荷載及汽車荷載激發(fā)的超靜孔隙水壓力不會超過1 kPa。

(4)考慮到三陽路長江隧道下覆飽和粉細(xì)砂地層中可能被地鐵及汽車振動荷載激發(fā)起的最大超靜孔隙水壓力及飽和粉細(xì)砂地層的賦存環(huán)境，可以斷定在正常(運(yùn)行速度不超過設(shè)計速度100 km/h)地鐵荷載及正常汽車荷載單獨(dú)作用或聯(lián)合作用下，該飽和粉細(xì)砂地層能夠保持穩(wěn)定，不會發(fā)生液化失穩(wěn)。