李慶桐

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司,上海 201103)

引言

從1969年首都北京開(kāi)通中國(guó)大陸的第一條地鐵開(kāi)始，中國(guó)城市軌道交通已經(jīng)走過(guò)50年的發(fā)展歷程，特別是近10年以來(lái)，其建設(shè)規(guī)模和建設(shè)速度舉世矚目[1]。以交通流量大、建筑物密集的長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶上的龍頭城市——上海為例，2/3的地鐵區(qū)間隧道為盾構(gòu)隧道。由于軟土地層具有變形量大、承載力低的特性，使得呈一維地下管狀結(jié)構(gòu)的隧道襯砌發(fā)生縱向不均勻沉降，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道在服役過(guò)程中存在不同程度的結(jié)構(gòu)病害，其中裂縫與滲漏水是最常見(jiàn)的兩種病害[2]。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、存儲(chǔ)器、圖形處理器(Graphics Processing Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)GPU)、人工智能算法等軟硬件的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者[3-5]將計(jì)算機(jī)視覺(jué)和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害的圖像識(shí)別之中，并能夠快速精準(zhǔn)地提取病害的詳細(xì)參數(shù)，如裂縫長(zhǎng)度和寬度、滲漏水面積等。就隧道維護(hù)保障部門(mén)而言，僅僅將結(jié)構(gòu)病害的區(qū)域從數(shù)字圖像中識(shí)別或者提取出來(lái)，并不能從根本上解決實(shí)際中的工程問(wèn)題。上海市工程建設(shè)規(guī)范DG/TJ08—2213—2013《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》[6]的條文說(shuō)明中第3.1.2條指出，隧道檢查的目的是對(duì)隧道結(jié)構(gòu)服役性能做出評(píng)價(jià)。盾構(gòu)隧道襯砌上裂縫、滲漏水等結(jié)構(gòu)病害的嚴(yán)重程度直接關(guān)系到襯砌結(jié)構(gòu)服役性能的高與低[7]。然而，結(jié)構(gòu)病害參數(shù)與結(jié)構(gòu)服役性能之間的這種力學(xué)關(guān)系尚不清晰，直接制約了病害嚴(yán)重程度的客觀評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[8]指出目前運(yùn)營(yíng)地鐵盾構(gòu)隧道的滲漏水危害等級(jí)評(píng)價(jià)具有模糊性、不確定性的問(wèn)題。

為了解決以上不足，通過(guò)有限元模型(Finite Element Model，簡(jiǎn)稱(chēng)FEM)的數(shù)值模擬手段，來(lái)研究裂縫和滲漏水病害共同存在的情況下襯砌結(jié)構(gòu)服役性能的變化規(guī)律。

1 盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型

在隧道工程的結(jié)構(gòu)分析中，由于巖土體本構(gòu)關(guān)系的非線性、荷載及邊界條件的復(fù)雜性，采用解析方法求解的難度較大，通常需要采用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算。與ANSYS、ADINA等大型通用有限元軟件相比，ABAQUS包含十分豐富的材料模型、單元模式、荷載及邊界條件，尤其在求解非線性問(wèn)題方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)隧道工程有較好的適用性。本文采用ABAQUS軟件開(kāi)展建模工作。

圖1 接頭弱化模型的示意(單位：mm)

對(duì)于已運(yùn)營(yíng)的地鐵盾構(gòu)隧道，其埋深和周?chē)馏w的性質(zhì)會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生重要影響，而且需要對(duì)滲漏水病害進(jìn)行仿真模擬，所以采用地層結(jié)構(gòu)法建立模型。根據(jù)對(duì)盾構(gòu)隧道管片接頭處理方法的不同，管片計(jì)算模型主要有勻質(zhì)圓環(huán)模型、等效剛度圓環(huán)模型、自由鉸圓環(huán)模型、接頭弱化模型[9]、梁-彈簧連續(xù)模型[10]、梁-接頭不連續(xù)模型[11]、殼-接頭模型[12]等。在以上這些模型中，彈簧或鉸接的非連續(xù)模型難以考慮滲漏水病害的數(shù)值模擬，勻質(zhì)或等效剛度的圓環(huán)模型得到計(jì)算結(jié)果偏保守，接頭弱化模型的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較接近真實(shí)的隧道變形和內(nèi)力情況[13]。因此，本文研究采用接頭弱化模型，如圖1所示。按照上海地鐵盾構(gòu)隧道的防水設(shè)計(jì)要求，接頭寬度取5 mm；根據(jù)橫向剛度有效率η=0.67[14]擬合出的接頭模量E′=500 MPa。

以上海城市軌道交通中的地鐵盾構(gòu)隧道為模型背景，該盾構(gòu)隧道的襯砌外徑為6.2 m，襯砌內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，通縫拼裝，管片寬度為1.2 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，其彈性模量為3.55×104MPa，泊松比為0.15。對(duì)于隧道周?chē)翆?，以隧道襯砌圓心為基準(zhǔn)，其隧道頂部上覆土層表面距圓心距離為18.1 m，底部土層下表面距圓心距離為34.1 m，土層總厚度為52.2 m；水平兩側(cè)土層邊界距圓心距離各為34.1 m，土層總長(zhǎng)度為68.2 m。可以看出，盾構(gòu)隧道襯砌外表面距下部、左側(cè)、右側(cè)土層邊界的距離均取5倍的襯砌外徑(6.2 m×5=31 m)。表1給出了土層的物理力學(xué)參數(shù)。盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)及其土層的分布示意如圖2所示?？紤]到該盾構(gòu)隧道所處的地區(qū)為軟土富水區(qū)，假設(shè)地下水位線與地表面持平。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

圖2 土層分布與隧道位置示意(單位：m)

土層本構(gòu)模型采用摩爾庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)模型，其參數(shù)取值依據(jù)表1確定?；炷帘緲?gòu)模型采用Saenz公式簡(jiǎn)化后的雙折線線性強(qiáng)化彈塑性模型[15]，如圖3所示。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為C55的混凝土而言，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖3 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

表2 管片混凝土的物理力學(xué)參數(shù)

模型的頂部表面不設(shè)置約束，底面設(shè)置固定約束，左右兩個(gè)側(cè)面設(shè)置水平約束，保持豎向位移自由。假設(shè)管片拼裝完成之后，襯砌結(jié)構(gòu)與土體之間不發(fā)生相對(duì)滑移，始終保持接觸狀態(tài)，因此，襯砌結(jié)構(gòu)與土體之間的接觸面采用綁定約束。對(duì)土體劃分網(wǎng)格時(shí)采用ABAQUS內(nèi)部的滲流計(jì)算單元，其滿足滲流與固結(jié)沉降的耦合分析要求[16]。

考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，本文研究沿縱向取3個(gè)襯砌管片來(lái)建立上述盾構(gòu)隧道的三維實(shí)體有限元模型，如圖4所示。管片與管片之間的環(huán)縫也采用寬度為5 mm、模量為500 MPa的接頭弱化模型來(lái)考慮。環(huán)縫與管片之間采用綁定約束。該模型共有20 739個(gè)單元。分析步主要包括：(1)地應(yīng)力平衡；(2)土體開(kāi)挖及襯砌激活；(3)超載施加(最大超載設(shè)置為180 kN/m2)；(4)長(zhǎng)期滲流固結(jié)。

圖4 基于地層結(jié)構(gòu)法的盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)病害模擬方法

根據(jù)地鐵盾構(gòu)隧道的病害檢測(cè)結(jié)果，裂縫與滲漏水兩種結(jié)構(gòu)病害往往同時(shí)存在，并相互影響。裂縫病害發(fā)生在混凝土管片的表面；滲漏水病害常發(fā)生在管片與管片的拼縫之間。滲漏水病害會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)外荷載發(fā)生變化，使襯砌結(jié)構(gòu)的橢圓化變形增加，引起裂縫病害的擴(kuò)展，而裂縫病害的進(jìn)一步擴(kuò)展又會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)剛度下降，管片拼縫進(jìn)一步張開(kāi)，滲漏水量相應(yīng)地增加，持續(xù)惡化隧道結(jié)構(gòu)及其受力狀態(tài)，從而威脅盾構(gòu)隧道的安全運(yùn)營(yíng)。因此，本文研究是基于盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型，對(duì)裂縫和滲漏水兩種結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行同時(shí)模擬分析。

2.1 裂縫病害

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫病害，其力學(xué)模型主要有3種：(1)分離式裂縫模型(Discrete Crack Model)[17-18]；(2)分布式裂縫模型(Smeared Crack Model)[19]；(3)內(nèi)嵌式裂縫模型(Embedded Crack Model)[20]。分離式裂縫模型是最早模擬混凝土開(kāi)裂的模型，其基本思路是將裂縫設(shè)置為單元邊界，一旦出現(xiàn)裂縫就及時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置或增加新的節(jié)點(diǎn)，并重新劃分單元網(wǎng)格，使裂縫處于單元邊界與邊界之間。分布式裂縫模型假定裂縫在單元內(nèi)部形成，當(dāng)單元達(dá)到開(kāi)裂條件后，就在垂直于主拉應(yīng)力的方向產(chǎn)生裂縫。內(nèi)嵌式裂縫模型是通過(guò)改造單元形函數(shù)的方式來(lái)構(gòu)造內(nèi)嵌裂縫的特殊單元模型。由于分離式裂縫模型能夠較好地描述裂縫病害引起的非連續(xù)性，方便設(shè)置裂縫病害的位置、形狀、寬度、長(zhǎng)度等參數(shù)，而且在本文研究中不考慮裂縫病害的擴(kuò)展演化，所以選擇分離式裂縫模型對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)中的裂縫病害進(jìn)行有限元模擬。

分離式裂縫模型又可分為張開(kāi)型、滑開(kāi)型、撕開(kāi)型3種裂縫類(lèi)型，如圖5所示[21]。其中，張開(kāi)型裂縫是由于受拉破壞引起，其裂縫表面位移上下相反，方向垂直于裂縫擴(kuò)展方向；滑開(kāi)型裂縫是由于剪切破壞引起，其裂縫表面位移前后相反，方向平行于裂縫擴(kuò)展方向；撕開(kāi)型裂縫是由于拉剪破壞引起，其裂縫表面位移左右相反，方向平行于裂縫擴(kuò)展方向。

圖5 裂縫擴(kuò)展的基本類(lèi)型(u指裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生的位移)

根據(jù)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)襯砌管片頂部?jī)?nèi)側(cè)出現(xiàn)裂縫病害的概率較高，也更加容易擴(kuò)展演化，而且裂縫病害的起點(diǎn)位置大都從拼縫處開(kāi)始。文獻(xiàn)[13]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性能威脅最大的裂縫區(qū)域是襯砌管片頂部?jī)?nèi)側(cè)受拉區(qū)域。因此，為了取得較為明顯的數(shù)值模擬效果，研究通過(guò)預(yù)留裂縫的方式在管片頂部?jī)?nèi)側(cè)的最不利區(qū)域內(nèi)模擬張開(kāi)型的裂縫病害。圖6給出了盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型中的裂縫病害模擬，其長(zhǎng)度和寬度根據(jù)計(jì)算工況確定，深度參考文獻(xiàn)[13]的雙直線模型確定。盾構(gòu)隧道管片裂縫病害的雙直線模型是通過(guò)裂縫寬度來(lái)計(jì)算裂縫深度的一個(gè)實(shí)用的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，是依托TJGPJ-2000管片加載系統(tǒng)，對(duì)足尺的地鐵盾構(gòu)隧道管片進(jìn)行四點(diǎn)彎正彎矩試驗(yàn)而建立的。該雙直線模型如圖7所示，其計(jì)算式見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，w為裂縫寬度，mm；d為裂縫深度，mm。

圖6 盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型中的裂縫病害模擬

圖7 盾構(gòu)隧道管片裂縫病害的雙直線模型

2.2 滲漏水病害

在盾構(gòu)隧道的服役過(guò)程中，雖然襯砌管片的接頭、螺栓孔、注漿孔等位置采用了特殊的材料及構(gòu)造防水措施，但由于隧道變形、材料老化等不利因素的影響，難以避免防水措施的失效，進(jìn)而引發(fā)滲漏水病害。盾構(gòu)隧道襯砌出現(xiàn)滲水病害后，土層中水分會(huì)發(fā)生流失現(xiàn)象，導(dǎo)致土體中孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加，使得土體發(fā)生重新固結(jié)，影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。針對(duì)滲漏水病害在襯砌表面的分布位置，文獻(xiàn)[22]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)：接頭滲漏水占88.17%，注漿孔滲漏水占8.77%，螺栓孔滲漏水占3.06%，具體如圖8所示?？梢钥闯觯宇^滲漏水所占的比例非常高，注漿孔滲漏水和螺栓孔滲漏水所占的比例較低。因此，研究?jī)H考慮接頭滲漏水病害，包括環(huán)縫滲漏水、縱縫滲漏水、十字縫滲漏水3種類(lèi)型。

圖8 滲漏水病害在襯砌表面的分布規(guī)律

對(duì)于隧道襯砌滲漏水病害的數(shù)值模擬方法，主要分為3類(lèi)：均質(zhì)滲漏模型、差異滲漏模型和局部滲漏模型。均質(zhì)滲漏模型是將隧道襯砌整體等效成為均質(zhì)滲流，如泰國(guó)亞洲理工大學(xué)Arjnoi等[23]通過(guò)設(shè)置襯砌內(nèi)部的滲透參數(shù)，對(duì)排水隧道出現(xiàn)滲漏水病害后土體孔隙水壓力的分布規(guī)律進(jìn)行了研究。差異滲漏模型是根據(jù)隧道襯砌的不同位置，有差異地設(shè)置不同的滲透系數(shù)，如英國(guó)巖土工程咨詢(xún)集團(tuán)Wongsaroj等[24]對(duì)倫敦地鐵盾構(gòu)隧道的長(zhǎng)期沉降進(jìn)行分析時(shí)，將管片的上部與下部分別設(shè)置不同的滲透系數(shù)，其模擬結(jié)果與檢測(cè)數(shù)據(jù)的吻合度較好。局部滲漏模型是針對(duì)滲漏水病害可能出現(xiàn)的局部區(qū)域(如接頭位置等)而設(shè)置滲流路徑，其他位置不發(fā)生滲漏，如同濟(jì)大學(xué)劉印等[25]采用該方法分析了盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期滲漏下隧道周邊孔隙水壓力、地表沉降等的變化規(guī)律。以上3種不同的滲漏水病害模擬方法如圖9所示。雖然盾構(gòu)隧道的滲漏水病害大多發(fā)生在拼縫部位，但對(duì)于不同區(qū)間的盾構(gòu)隧道而言，其滲漏水病害發(fā)生的部位相差較大。如果采用均質(zhì)滲漏模型和差異滲漏模型的話，難以真實(shí)地模擬實(shí)際工程情況。因此，采用局部滲漏模型開(kāi)展盾構(gòu)隧道滲漏水病害的數(shù)值模擬。

圖9 隧道滲漏水病害的3種數(shù)值模擬方法

當(dāng)滲漏水病害的發(fā)生位置與裂縫病害越接近時(shí)，由滲漏水引起的裂尖應(yīng)力和裂縫寬度的增長(zhǎng)值也越大[13]。為了便于分析結(jié)構(gòu)病害對(duì)盾構(gòu)隧道服役性能的影響，滲漏水病害的模擬位置設(shè)置在封頂塊與鄰接塊的管片接頭處。圖10給出了盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型中的滲漏水病害模擬?；诳梢詫?shí)現(xiàn)流固耦合分析的孔壓?jiǎn)卧?Pore Pressure Element)，在盾構(gòu)隧道管片接頭處設(shè)置滲漏水病害的滲流路徑，其路徑寬度與接頭寬度相同(按照上海地鐵盾構(gòu)隧道的防水設(shè)計(jì)要求取5 mm)，路徑長(zhǎng)度取150 mm，再設(shè)置相應(yīng)滲流單元的屬性及滲透系數(shù)，即可模擬管片接頭處的滲漏水病害。根據(jù)上文中關(guān)于地下水位線位于地表的假定，將地表孔壓設(shè)置為0。為了保證滲流的連續(xù)性，襯砌管片單元類(lèi)型選擇孔壓?jiǎn)卧?。?dāng)襯砌管片發(fā)生滲漏水病害時(shí)，滲出側(cè)位于管片內(nèi)側(cè)且與空氣直接接觸，故管片內(nèi)側(cè)孔壓設(shè)置為0。管片單元與土體單元之間采用綁定約束，初始滲流場(chǎng)分析會(huì)自動(dòng)計(jì)算管片外側(cè)迎水面的孔壓，不需要再專(zhuān)門(mén)進(jìn)行設(shè)置。由于該盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型的尺寸遠(yuǎn)大于隧道襯砌尺寸，認(rèn)為土體兩側(cè)及底面的3個(gè)邊界不會(huì)由于滲漏水病害而引起土層中水體的流動(dòng)，故設(shè)置為不透水邊界。

圖10 盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型中的滲漏水病害模擬

3 計(jì)算方案

盾構(gòu)隧道襯砌表面上出現(xiàn)的裂縫病害通常不是直線形狀，而是具有一定曲率變化的曲線形狀。裂縫病害的主要量化參數(shù)有長(zhǎng)度、寬度、深度、位置。由于本文采用圖7所示的雙直線模型，所以寬度和深度是一一對(duì)應(yīng)的，因此僅考慮裂縫病害的寬度信息。鑒于裂縫病害出現(xiàn)的位置主要集中于管片頂部?jī)?nèi)側(cè)，僅研究管片頂部?jī)?nèi)側(cè)位置處的裂縫病害。

由GB 50208—2011《地下防水工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[26]表C.1.5知，滲漏水病害主要有5種類(lèi)型，分別是濕漬、滲水、水珠、滴漏、線漏。文獻(xiàn)[27]對(duì)盾構(gòu)隧道不同類(lèi)型滲漏水病害的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：滲水的比例為76%，濕跡的比例為17%，滴漏比例為7%，水珠的比例為0，線漏的比例為0?？梢钥闯觯温┑乃嫉谋壤^少，且滴漏的滲水量與其面積之間沒(méi)有明顯的相關(guān)性(面積很小可能滲水量很大)，所以本文研究暫不考慮滴漏這種類(lèi)型的滲漏水病害。對(duì)于下述所提及的滲漏水病害，均是指滲水與濕跡兩種類(lèi)型。滲漏水病害的量化參數(shù)主要有面積和位置兩種。對(duì)于滲漏水病害發(fā)生的位置主要是管片拼縫處，即環(huán)縫、縱縫、十字縫等3處。對(duì)于滲漏水病害的面積，其大小與滲漏量有關(guān)；而滲漏水病害在滲流通道面積和水力坡降一定的情況下，與滲透系數(shù)成正比關(guān)系，具體如式(2)所示。在數(shù)值模擬過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置不同的滲透系數(shù)來(lái)描述滲漏水病害的不同面積。

q=kiA

(2)

式中，q為滲水量；k為滲透系數(shù)；i為水力坡降；A為滲漏通道面積。

為了便于裂縫和滲漏水病害數(shù)值模擬，假設(shè)盾構(gòu)隧道襯砌表面上的裂縫病害均為直裂縫，滲漏水病害區(qū)域均為圓形。對(duì)于隧道襯砌結(jié)構(gòu)，病害數(shù)量的增加會(huì)顯著降低完整性，從而降低其服役性能[6]。就本文所要模擬的結(jié)構(gòu)病害數(shù)量而言，在不影響計(jì)算精度前提下，出于對(duì)計(jì)算時(shí)間的考慮，在盾構(gòu)隧道三維實(shí)體模型中僅考慮1處裂縫病害和1處滲漏水病害。因此，本文計(jì)算主要是針對(duì)裂縫寬度、長(zhǎng)度和滲漏水面積、位置等4個(gè)量化參數(shù)開(kāi)展研究。

各計(jì)算因素的水平選取如下：

(1)以實(shí)際裂縫病害的最大寬度為參考，選取數(shù)值模擬中裂縫病害的寬度為3個(gè)水平，分別為1，3，5 mm；

(2)以實(shí)際裂縫病害的長(zhǎng)度為參考，選取數(shù)值模擬中裂縫病害的長(zhǎng)度為3個(gè)水平，分別為50，100，150 mm；

(3)參考文獻(xiàn)[13]，[27]對(duì)滲漏量分別為0.1，0.15，0.5，1.0 L/(m2·d)時(shí)所計(jì)算的滲透系數(shù)，將滲漏水病害的滲透系數(shù)設(shè)置為3水平，分別為1×10-6，5×10-6，9×10-6m/s；

(4)根據(jù)盾構(gòu)隧道滲漏水病害經(jīng)常發(fā)生的位置(環(huán)縫、縱縫、十字縫)，給出了滲漏水病害位置的3個(gè)水平，分別用H、Z、S三個(gè)字母進(jìn)行指代，其中，H代表環(huán)縫滲漏水，Z代表縱縫滲漏水，S代表十字縫滲漏水，具體的數(shù)值模擬位置如圖11所示。

圖11 裂縫和滲漏水病害的模擬位置示意(F為封頂塊、L為鄰接塊、B為標(biāo)準(zhǔn)塊、D為封底塊)

需要特別說(shuō)明的是，裂縫病害的模擬位置是設(shè)置在封頂塊的內(nèi)表面中心處，且裂縫病害的一端與環(huán)縫相接。之所以將裂縫病害的一端與環(huán)縫相接，是由于實(shí)際襯砌表面的裂縫病害大都是起始于管片拼縫，極少發(fā)現(xiàn)裂縫病害出現(xiàn)在襯砌表面的內(nèi)部。這種特征與公路隧道襯砌上的裂縫病害相差較大。

表3列出了本文研究中各計(jì)算因素的水平。為了減少計(jì)算次數(shù)，優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，提高數(shù)據(jù)可靠性，采用標(biāo)準(zhǔn)正交表L9(34)設(shè)計(jì)計(jì)算工況。計(jì)算工況共有9個(gè)，具體如表4所示。

表3 計(jì)算因素水平

表4 計(jì)算工況

4 計(jì)算結(jié)果及其分析

根據(jù)確定的計(jì)算方案，采用ABAQUS有限元分析軟件，實(shí)現(xiàn)不同工況下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算。文獻(xiàn)[13]在研究盾構(gòu)隧道接頭滲漏水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)既有裂縫病害演化的研究中，采用裂尖應(yīng)力作為計(jì)算指標(biāo)，能夠有效地評(píng)判隧道某一位置發(fā)生滲漏水病害時(shí)的最危險(xiǎn)裂縫位置。為此，采用裂尖最大應(yīng)力作為計(jì)算指標(biāo)。裂尖最大應(yīng)力是指隧道襯砌管片頂部?jī)?nèi)側(cè)受拉區(qū)域中預(yù)留裂縫病害處的最大Mises應(yīng)力值。在超載和長(zhǎng)期滲流固結(jié)的作用下，裂縫病害處會(huì)發(fā)生一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工況1～工況3尚未出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；工況4～工況9存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。不同工況的裂尖最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表5所示。不同計(jì)算工況下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖12 不同計(jì)算工況下襯砌結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖

表5 不同工況的裂尖最大應(yīng)力

表6 極差分析法的計(jì)算結(jié)果 MPa

為了分析病害參數(shù)在不同水平下裂尖最大應(yīng)力的變化規(guī)律，圖13分別給出了不同病害參數(shù)水平下裂尖最大應(yīng)力的變化曲線。隨著裂縫寬度和長(zhǎng)度、滲漏水的滲透系數(shù)等3個(gè)參數(shù)的單調(diào)增大，裂尖最大應(yīng)力均呈現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢(shì)。當(dāng)滲漏水病害的位置依次取環(huán)縫、縱縫、十字縫時(shí)，裂尖最大應(yīng)力也均呈現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)以上計(jì)算分析，得到了裂縫寬度、長(zhǎng)度與滲漏水病害的滲透系數(shù)、位置等4個(gè)參數(shù)的數(shù)值變化對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂尖最大應(yīng)力的影響規(guī)律，揭示了裂縫和滲漏水病害共同存在情況下襯砌結(jié)構(gòu)服役性能的變化規(guī)律。

圖13 不同病害參數(shù)水平下裂尖最大應(yīng)力的變化曲線

5 討論

圖14給出了地鐵盾構(gòu)隧道襯砌表面實(shí)際的裂縫和滲漏水病害圖像。從圖14可以看出，裂縫病害大多發(fā)生在頂部管片邊角處；滲漏水病害以腰部管片拼縫處發(fā)生滲流為主。

在荷載的作用下，盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)普遍呈現(xiàn)出“橫鴨蛋”式的變形(水平直徑增大，豎向直徑減小)。襯砌頂部區(qū)域的管片處于內(nèi)側(cè)受拉，腰部區(qū)域的管片處于外側(cè)受拉。內(nèi)側(cè)受拉容易導(dǎo)致混凝土拉應(yīng)力超過(guò)極限拉應(yīng)力，致使管片上出現(xiàn)可被肉眼觀測(cè)到的裂縫病害。在螺栓的約束下，雖然裂縫病害的長(zhǎng)度不大，但通常會(huì)有較大的寬度，說(shuō)明裂縫寬度是描述結(jié)構(gòu)服役性能的一個(gè)主要參數(shù)。飽和軟土地層中管片外側(cè)受拉時(shí)，會(huì)導(dǎo)致管片接頭處張開(kāi)量增大，降低接頭抗?jié)B性能，從而引發(fā)滲漏水病害。滲漏量越大，隧道周?chē)馏w中孔壓降低越快，使得土層有效應(yīng)力增大，隧道外荷載顯著增加，從而產(chǎn)生的裂尖最大應(yīng)力也越大。以上分析與本文的研究結(jié)論相一致，一定程度上驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)病害數(shù)值模擬的有效性。

圖14 地鐵盾構(gòu)隧道襯砌表面的裂縫和滲漏水病害

在后續(xù)的研究工作中，將基于上述客觀規(guī)律，以2017年同濟(jì)大學(xué)Li等[28]選取的200環(huán)襯砌管片為診斷尺度，根據(jù)裂縫病害的長(zhǎng)度、寬度與滲漏水病害的面積、位置等4個(gè)參數(shù)，來(lái)建立能夠描述隧道病害嚴(yán)重程度的客觀診斷指標(biāo)。

6 結(jié)論

以地鐵盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面的裂縫和滲漏水病害為研究對(duì)象，基于地層結(jié)構(gòu)法，采用接頭弱化的盾構(gòu)隧道三維實(shí)體有限元模型，揭示了裂縫和滲漏水病害共同存在情況下襯砌結(jié)構(gòu)服役性能的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下。

(1)建立了可以同時(shí)模擬裂縫和滲漏水兩種結(jié)構(gòu)病害的三維實(shí)體模型，其中裂縫病害采用張開(kāi)型的分離式裂縫模型，滲漏水病害采用管片接頭處設(shè)置滲流路徑的局部滲漏模型。

(2)隨著裂縫病害長(zhǎng)度、寬度和滲漏水病害滲透系數(shù)等參數(shù)大小的單調(diào)遞增，裂尖最大應(yīng)力均呈現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢(shì)；就滲漏水病害的位置參數(shù)而言，十字縫處發(fā)生滲漏時(shí)的裂尖最大應(yīng)力最大，其次是縱縫處，最小的是環(huán)縫處。

(3)病害參數(shù)對(duì)裂尖最大應(yīng)力影響的主次順序?yàn)榱芽p寬度、裂縫長(zhǎng)度、滲漏水滲透系數(shù)、滲漏水位置。