蘇 昂， 封 坤， 王寧華， 張曉陽， 涂新斌， 何 川， 錢玉華， 梁 坤

(1. 江蘇省交通工程建設局， 江蘇 南京 210000； 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031； 3. 國家電網(wǎng)有限公司， 北京 100031)

0 引言

現(xiàn)代化都市人口密集，城市用電量需求大，同時土地資源匱乏，環(huán)境保護限制嚴格，城市輸變電線無法采用傳統(tǒng)架空線路的形式，實施地下化勢在必行[1-3]。對于輸送大功率的電力隧道，目前國外大多采用盾構(gòu)隧道形式，然而大直徑超高壓越江電力隧道在建設和運營階段面臨一系列技術(shù)難題[4-6]，亟需開展高水壓狀態(tài)下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)安全性評估研究。

國內(nèi)外學者對管片結(jié)構(gòu)安全性評估進行了一系列研究。蘇輝[7]確定了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評價指標，利用屬性識別綜合評判方法，對上海軟土地區(qū)運營期間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全進行快速評估。魏綱等[8]闡述了運營階段地鐵盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)安全評價指標，總結(jié)出地鐵安全評價等級并確定了各個安全評價指標的分級標準。李軍等[9]通過現(xiàn)場調(diào)查、跟蹤監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，對盾構(gòu)管片裂損的成因以及裂損后管片結(jié)構(gòu)的安全性進行了具體分析。魯志鵬[10]提出了考慮環(huán)縫影響的縱向等效連續(xù)剛度修正模型，確立隧道縱向安全評估的體系標準，并合理評估運營期盾構(gòu)隧道的縱向安全性。孫鵬[11]建立了考慮管片開裂狀態(tài)的三維數(shù)值模型，研究環(huán)境因素與隧道運營安全性和穩(wěn)定性之間的規(guī)律關(guān)系。文獻[12-13]對地鐵盾構(gòu)隧道開展足尺試驗，采用結(jié)構(gòu)的荷載儲備比作為安全指標，對結(jié)構(gòu)的整體安全度進行分析討論。文獻[14]提出了動應力分析法，對不同埋置位置液化礦床盾構(gòu)隧道安全性進行評價。文獻[15-16]將隧道的安全性、耐久性與適用性3個方面指標進行整合，對隧道安全及使用性能實現(xiàn)分級評估。以上文獻研究對象多為運營期的城市地鐵盾構(gòu)隧道，針對施工期的大直徑高水壓電力盾構(gòu)隧道的研究較少，與城市地鐵盾構(gòu)隧道相比，大直徑高水壓盾構(gòu)隧道的斷面更大，承受的水壓更高，管片結(jié)構(gòu)在形變、力學性能、安全性等方面更加復雜。

鑒于此，本文依托蘇通GIL綜合管廊工程盾構(gòu)隧道項目，采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體加載裝置”對施工期5個控制斷面管片結(jié)構(gòu)開展原型加載試驗。基于混凝土偏心受壓極限承載力理論，推導出管片結(jié)構(gòu)的M-N承載力曲線，并提出管片結(jié)構(gòu)安全評價指標，得到管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，驗證管片結(jié)構(gòu)的安全性。

1 工程介紹

1.1 工程概況

蘇通GIL綜合管廊工程是國務院環(huán)境污染整治行動計劃重點建設項目——“淮南—南京—上海”1 000 kV特高壓輸變電項目的關(guān)鍵工程，是華東特高壓輸變電網(wǎng)的咽喉要道。蘇通GIL綜合管廊工程穿越長江，起于南通引接站，止于蘇州引接站，已于2019年建成投運。

本工程位于長江下游三角洲前緣地帶，隧道總長度為5 530.5 m，其中盾構(gòu)段總長度約為5 466.5 m，主要穿越第四紀淤泥質(zhì)黏土、粉土、砂層等軟弱覆蓋層，具有高透水性、高密實度、高石英含量等特點。隧道底面最低點標高-74.83 m，水土壓力超過0.9 MPa，隧道頂板埋深20.4～47.8 m，含水層較厚，滲透性強，是目前國內(nèi)埋深最大、水壓最高的隧道，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道縱斷面示意圖

1.2 研究對象

隧道主體結(jié)構(gòu)采用C60單層裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，采用“1+2+5”分塊方式，即1個封頂塊(F塊)、2個鄰接塊(L1塊、L2塊)和5個標準塊(B1—B5塊)。管片襯砌外直徑為11.6 m，內(nèi)直徑為10.5 m，幅寬2 m，厚度0.55 m。其中，封頂塊圓心角為16.37°，鄰接塊圓心角為49.09°，標準塊圓心角為49.09°。管片結(jié)構(gòu)環(huán)向螺栓M36共24根、環(huán)與環(huán)之間縱向螺栓M40共22根，縱向螺栓之間角度為16.37°。管片結(jié)構(gòu)分塊如圖2所示。

圖2 管片結(jié)構(gòu)分塊示意圖

1.3 控制斷面選擇

蘇通GIL綜合管廊盾構(gòu)隧道沿線經(jīng)過的地質(zhì)條件較為復雜，在岸邊段主要位于淤泥質(zhì)黏土或粉土中，江中段盾構(gòu)隧道主要穿越軟弱地層、巖層及軟硬不均地層等不同的地質(zhì)條件，且具有高水壓的影響。為了能夠較為全面地分析盾構(gòu)管片的受力特性，結(jié)合地質(zhì)情況，選取5個計算斷面進行加載試驗。各控制斷面地層的物理力學參數(shù)如表1所示，地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

表1 地層物理力學參數(shù)

(a) 1號斷面 (b) 2號斷面 (c) 3號斷面

(d) 4號斷面 (e) 5號斷面

1)1號斷面里程CK0+267，左岸覆土最深，上覆土層分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細砂，埋深21.2 m，最高水頭25.2 m，最低水頭6.3 m。

2)2號斷面里程CK1+324，隧道覆土最深，上覆土層分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土混粉土、粉土、粉細砂，埋深42.2 m，最高水頭55.4 m，最低水頭36.5 m。

3)3號斷面里程CK2+158，水位最高，上覆土層分別為粉質(zhì)黏土混粉土、粉細砂、細砂，埋深22 m，最高水頭71 m，最低水頭52.1 m。

4)4號斷面里程CK4+009，地層變化最顯著，上覆土層分別為粉細砂、粉砂、粉質(zhì)黏土混粉土，埋深32.6 m，最高水頭46.9 m，最低水頭28 m。

5)5號斷面里程CK5+198，右岸覆土最深，上覆土層分別為粉細砂、粉質(zhì)黏土混粉土、粉砂，埋深26.8 m，最高水頭33.3 m，最低水頭14.4 m。

2 試驗裝置及加載方案

2.1 試驗裝置

本試驗采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體加載裝置”對管片結(jié)構(gòu)進行原型加載試驗，加載裝置包括超高強度加載梁、超高壓千斤頂、錨具、無黏結(jié)預應力鋼絞線、高精度液壓穩(wěn)壓器和液壓源等。超高強度加載梁，由4根對拉梁(5 150 mm×800 mm×550 mm)和4根環(huán)箍梁(2 000 mm×620 mm×440 mm)組成，為試驗提供內(nèi)力自平衡體系而不依賴外界提供反力。試驗利用超高強度加載梁施加荷載模擬隧道結(jié)構(gòu)所受的土壓荷載和水荷載，其中對拉梁用于對管片結(jié)構(gòu)施加對拉力，從而使管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩，以此模擬管片結(jié)構(gòu)所受到的土壓荷載；環(huán)箍梁用于對管片結(jié)構(gòu)施加環(huán)箍力，從而使管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸力，以此模擬管片結(jié)構(gòu)所受到的水壓荷載。管片結(jié)構(gòu)原型加載試驗如圖4所示。

2.2 量測系統(tǒng)

加載試驗主要測量管片結(jié)構(gòu)目標環(huán)的彎矩和軸力，試驗中通過量測管片內(nèi)外側(cè)的應變值計算得到彎矩和軸力，應變片布置如圖5所示。

2.3 加載方案

試驗采用環(huán)箍力來模擬水壓，對拉力來模擬土壓，為了方便表達，將環(huán)箍力記為p1，主對拉力記為p2，副對拉力記為p3，具體加載方法為：

1)施加水壓。環(huán)箍力p1由零開始逐級加載至最大設計荷載，主對拉力p2、副對拉力p3保持為0，加載過程中每級荷載之間的間隔時間為10 min。

2)施加土壓。保持環(huán)箍力最大設計荷載不變，p2和p3同時從零逐級增大至最大設計荷載，該過程始終保持p3=p2×0.55，每級荷載之間間隔10 min，加載工況如圖6所示，表2為控制斷面的最大設計荷載。

(a) 加載示意圖

(b) 加載現(xiàn)場圖

(a) B3管片內(nèi)弧面

(b) B3管片外弧面

圖5 中間目標環(huán)B3管片應變測點布置示意圖

Fig. 5 Schematic diagrams of strain measurement points of middle target segment B3

(a) 1號斷面 (b) 2號斷面

(c) 3號斷面 (d) 4號斷面

(e) 5號斷面

圖6 加載工況圖

Fig. 6 Schematic diagrams of loading schemes

表2 最大設計荷載

3 混凝土管片結(jié)構(gòu)安全性評價方法

3.1 混凝土管片結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力

混凝土管片結(jié)構(gòu)在水土壓力作用下出現(xiàn)偏心受壓破壞，可以分為大偏心受壓破壞和小偏心受壓破壞，大偏心受壓破壞或者小偏心受壓破壞臨界狀態(tài)對應的內(nèi)力值為混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力[17-18]。

3.1.1 大偏心受壓破壞極限承載力

大偏心破壞極限承載力計算示意圖如圖7所示。

(1)

(2)

式中：Nu為軸力設計值；Mu為彎矩設計值；α1為混凝土強度調(diào)整系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；b為混凝土構(gòu)件寬度；x為混凝土受壓區(qū)計算高度；fy′為鋼筋抗壓強度設計值；As′為受壓區(qū)鋼筋面積之和；fy為鋼筋抗拉強度設計值；As為受拉區(qū)鋼筋面積之和；e為軸向力作用點至受拉鋼筋As合力點之間的距離；h0為受拉鋼筋至受壓區(qū)混凝土構(gòu)件邊界的距離；as′為受壓區(qū)鋼筋到受壓區(qū)混凝土構(gòu)件邊界的距離。

以上公式的使用條件：

1)ξ≤ξb，確認為大偏心受壓構(gòu)件。

2)x≥2as′，截面破壞時，在保證正確配筋前提下，受壓鋼筋應力達到抗壓強度設計值。

無論是對于國家性非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承人的立法還是地方性有關(guān)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承人的管理條例都只對具有代表性的傳承主體進行了規(guī)定，并未對傳承人作出詳細的分類和界定，故筆者認為應該有一般性傳承人與之相對應，傳承人還可就此分為代表性傳承人與一般性傳承人。

(a) 截面應變分布和應力分布

(b) 等效計算圖形

3.1.2 小偏心受壓破壞極限承載力

小偏心破壞極限承載力計算示意圖如圖8所示。

(3)

(4)

(5)

式中：σs為距軸向力較遠一側(cè)的鋼筋應力；β1為系數(shù)，當混凝土強度等級不超過C50時，取0.8,當混凝土強度等級為C80時，取0.74，其間按線性內(nèi)插法確定；ξ為相對受壓區(qū)高度；ξb為相對界限受壓區(qū)高度；h/h0為混凝土構(gòu)件高度與受拉鋼筋至受壓區(qū)混凝土構(gòu)件邊界距離之比。

(a) 截面應變分布和應力分布

(b) 等效計算圖形

根據(jù)混凝土管片結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力理論，利用管片結(jié)構(gòu)截面極限承載力曲線判斷管片結(jié)構(gòu)的狀態(tài)[18]，如圖9所示。當管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力(Mi，Ni)在包絡曲線的內(nèi)部區(qū)域，可認為管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力未超過極限承載力，管片結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。當管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力(Mi，Ni)在包絡曲線外部區(qū)域，則認為管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過極限承載力，管片結(jié)構(gòu)處于破壞狀態(tài)。

3.2 混凝土管片結(jié)構(gòu)安全性評價指標

試驗加載方法為先施加環(huán)箍力再施加對拉力，即在加載過程中管片結(jié)構(gòu)的環(huán)箍力保持不變，對拉力持續(xù)增加。當截面尺寸和配筋情況一定時，管片結(jié)構(gòu)正截面承載力函數(shù)是一條關(guān)于軸力和彎矩的曲線f(M,N)=0，如圖9所示，某軸力作用下，某一截面的內(nèi)力組合為(M1,N1)，該軸力下，截面內(nèi)力組合的極限為(Mu,N1)，即當截面內(nèi)力組合達到或超過該極限之后，構(gòu)件將完全喪失承載能力。

圖9 混凝土管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

超載工況下截面的安全系數(shù)定義為在一定軸力條件下截面的極限彎矩與實際彎矩之比，即

R=Mu/M1。

(6)

4 GIL綜合管廊工程安全性評估

4.1 蘇通GIL綜合管廊工程M-N承載力曲線

管片結(jié)構(gòu)截面極限承載力曲線按照混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓公式計算得到，在計算過程中假設如下：

1)管片結(jié)構(gòu)變形后符合平截面假定；

2)混凝土不承受拉應力；

3)使用對稱配筋的方式；

4)受壓區(qū)混凝土采用等效矩形應力圖。

相關(guān)參數(shù)均按照混凝土相關(guān)計算規(guī)范選取，得到管片結(jié)構(gòu)偏心受壓破壞極限承載力計算公式，繪制出管片結(jié)構(gòu)的M-N承載力曲線，如圖11所示。

當e≥0.221，大偏心受壓破壞極限承載力

(7)

當e<0.221，小偏心受壓破壞極限承載力

(8)

圖10 管片截面尺寸圖(單位： mm)

圖11 管片結(jié)構(gòu)的正截面承載力曲線

4.2 蘇通GIL綜合管廊工程控制斷面安全系數(shù)

4.2.1 原型試驗管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果

試驗得到了各個控制斷面的管片環(huán)彎矩、軸力，如圖12和圖13所示。

各個控制斷面管片結(jié)構(gòu)的彎矩呈現(xiàn)出“蝶狀”分布，軸力呈現(xiàn)“圓狀”分布，彎矩分布不均勻，軸力分布較為均勻，管片結(jié)構(gòu)的最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂位置，最大負彎矩出現(xiàn)在左右拱腳位置，最大軸力出現(xiàn)在拱頂位置，最小軸力出現(xiàn)在左拱腳附近(327°)。

4.2.2 管片結(jié)構(gòu)承載力包絡曲線

由于截面承載力是彎矩M和軸力N的組合，彎矩和軸力最大的位置不一定是最危險的位置，選擇管片結(jié)構(gòu)全周的試驗內(nèi)力組合(Mi，Ni)，將之繪制到M-N承載力曲線中，得到不同控制斷面的管片結(jié)構(gòu)承載力包絡圖，如圖14所示。

從圖可以看出，5個控制斷面的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在承載力曲線包絡范圍內(nèi)，從截面承載的角度來看，管片結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖12 管片結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖13 管片結(jié)構(gòu)軸力圖

(a) 1號斷面

(b) 2號斷面

(c) 3號斷面

(d) 4號斷面

(e) 5號斷面

4.2.3 管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)包絡曲線

根據(jù)管片結(jié)構(gòu)承載力包絡圖，結(jié)合管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)定義，可以得到控制斷面管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)包絡圖，如圖15所示。由圖可以看出，管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)近似呈軸對稱分布，不同位置的安全系數(shù)存在較大的差異，拱頂位置安全系數(shù)最小，拱頂位置彎矩和軸力組合為最不利內(nèi)力組合，此處為控制位置。

結(jié)合圖14，可以得出5個控制斷面拱頂位置的彎矩極限值分別為2 023.53、2 629.41、2 800、2 423.53、2 205.88 kN·m，5個控制斷面的安全系數(shù)分別為2.91、2.37、2.26、2.12、2.32，如表3所示。其中，4號斷面的安全系數(shù)最小，為2.12，1號斷面的安全系數(shù)最大，為2.91，管片結(jié)構(gòu)的安全余量充足，設計滿足安全性的要求。

圖15 管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)包絡圖

表3 控制斷面試驗內(nèi)力

5 結(jié)論與建議

本文依托蘇通GIL綜合管廊工程盾構(gòu)隧道，采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體加載裝置”對5個控制斷面管片結(jié)構(gòu)開展原型加載試驗，提出管片結(jié)構(gòu)安全性評價指標，對管片結(jié)構(gòu)安全性進行評價，得到如下結(jié)論：

1) 5個控制斷面管片結(jié)構(gòu)的彎矩均呈現(xiàn)出“蝶狀”分布，軸力呈現(xiàn)“圓狀”分布，彎矩分布不均勻，軸力分布較為均勻，管片結(jié)構(gòu)的最大正彎矩均出現(xiàn)在拱頂位置，最大負彎矩出現(xiàn)在左右拱腳位置，最大軸力出現(xiàn)在拱頂位置，最小軸力出現(xiàn)在左拱腳附近(327°)。

2)基于混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力，推導出管片結(jié)構(gòu)的M-N承載力曲線，提出管片結(jié)構(gòu)的安全性評價指標。5個控制斷面的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在承載力M-N曲線包絡范圍內(nèi)，從截面承載的角度來看，管片結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3)管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)沿圓周分布不均，拱頂位置的安全系數(shù)小于其他位置，拱頂為管片結(jié)構(gòu)安全的控制位置，管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2.12～2.91，設計滿足安全性要求。

4)管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)除了與內(nèi)力有關(guān)外，與形變、能量等其他因素也相關(guān)，建議以后的研究可以從內(nèi)力、形變和能量角度開展多因素分析，提出綜合性評價指標，對管片結(jié)構(gòu)的安全性進行綜合評估。