吳 悅 霍永鵬 巫志農(nóng) 孔令威 李河山 張益瑄

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031; 2.中鐵隆工程集團(tuán)有限公司 成都 610045)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)體量日益發(fā)展壯大，對(duì)交通能力提出了更高的要求，大斷面越江隧道應(yīng)運(yùn)而生。在越江隧道修建過(guò)程中，部分區(qū)段不可避免地穿越可液化地層。一旦遇到地震、爆炸等突發(fā)荷載，隧道可能會(huì)由于周?chē)馏w液化而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[1-3]。

砂土液化引起的地下結(jié)構(gòu)上浮問(wèn)題引起了眾多學(xué)者的關(guān)注和研究?？讘椌4]在二維“結(jié)構(gòu)-地層”模型中使用了雙線性本構(gòu)關(guān)系，研究了管線直徑、埋深、地下水位、地基土相對(duì)密度等因素對(duì)地下管線上浮位移的影響。陳艷華[5]建立了液化場(chǎng)地下埋地管道上浮反應(yīng)的管土接觸-土彈簧分析模型，探討了管徑、液化土密度、壁厚對(duì)埋地管道上浮反應(yīng)的影響。彭加強(qiáng)[6]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了盾構(gòu)隧道抗浮能力的影響因素，提出了從消除液化地基和增加隧道重力2個(gè)方面入手，提高砂土液化區(qū)盾構(gòu)隧道的抗浮能力。

綜上，在既有相關(guān)砂土液化對(duì)地下結(jié)構(gòu)上浮行為的影響性研究中，主要考慮影響因素可分為兩類(lèi)：一是包括工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等周?chē)刭|(zhì)環(huán)境情況，二是例如管徑、壁厚等地下結(jié)構(gòu)自身構(gòu)造條件。但上述研究均很少以考慮接頭的盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象。因此，考慮到襯砌參數(shù)對(duì)液化區(qū)隧道上浮效應(yīng)的影響具有重要的工程意義，本文以某穿越液化土層的越江通道為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬分別建立等效襯砌模型和接頭襯砌模型，具體研究襯砌外徑、襯砌厚度和襯砌接頭對(duì)盾構(gòu)隧道上浮力學(xué)特性的影響。

1 工程概況

某越江通道工程設(shè)有雙層四車(chē)道隧道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，達(dá)到高速公路標(biāo)準(zhǔn)。隧道內(nèi)徑13.3 m、外徑14.5 m，采用直徑14.87 mm泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，管片分塊形式為“7+2+1”，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，厚度0.6 m，幅寬2 m。隧道穿越液化場(chǎng)地土層分布均勻，場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)。為確保越江通道在運(yùn)營(yíng)期的安全，對(duì)隧道周?chē)巴烈夯F(xiàn)象進(jìn)行研究。

2 模型建立

2.1 等效襯砌模型

采用有限元軟件ANSYS建立模型見(jiàn)圖1。液化區(qū)采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模式，土體與隧道的相互作用由僅受壓的彈簧單元COMBIN39單元來(lái)模擬，剛度取值為正常土體的1/2 000[7]。襯砌采用等效襯砌模型，忽略襯砌接頭影響，其中環(huán)向等效剛度有效率為0.72，縱向等效剛度有效率取0.245。襯砌采用C50混凝土，容重為25 kN/m3，彈性模量取35.5 GPa，泊松比為0.2。

圖1 模型的建立(單位：m)

非液化區(qū)采用“地層-結(jié)構(gòu)”模式，土體和隧道之間的相互作用由接觸單元Contact173和Target170實(shí)現(xiàn)，摩擦系數(shù)取0.4。土體由實(shí)體單元SOLID45模擬，材料為粉質(zhì)黏土, 容重為19 kN/m3，彈性模量取3 MPa，泊松比為0.36，摩擦角為24°,黏聚力為23 kPa。

2.2 接頭襯砌模型

在實(shí)際工程中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)并非連續(xù)性結(jié)構(gòu)，襯砌之間靠螺栓接頭進(jìn)行連接。為了研究襯砌接頭對(duì)隧道上浮力學(xué)特性的影響，在相鄰管片環(huán)之間設(shè)置圖2所示的接頭單元來(lái)模擬環(huán)間接頭作用，接頭單元由拉壓彈簧、抗剪彈簧和抗彎彈簧耦合而成。

圖2 接頭模型示意圖

抗壓彈簧的剛度可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：E為混凝土的彈性模量，Pa；A為混凝土截面面積，m2；L為彈簧長(zhǎng)度，m。取彈簧長(zhǎng)度0.2 m；取混凝土的彈性模量為35.5 GPa，截面面積為24.86 m2。計(jì)算得到抗壓彈簧的彈性模量為3 915.45 MPa。抗拉彈簧參數(shù)取值方法類(lèi)似于抗壓彈簧，其彈性模量為65.27 MPa。

抗剪彈簧的參數(shù)可根據(jù)式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：E為襯砌彈性模量，Pa；I為截面慣性矩，m4；L與l分別為襯砌與螺栓長(zhǎng)度，m；Gluo為螺栓最大剪切模量，Pa；Aluo為螺栓界面面積，m2；a為截面系數(shù)；n為截面處的剪切彈簧數(shù)量。根據(jù)計(jì)算，可以得到剪切彈簧的彈性模量為324 MPa。

抗彎剛度參考趙青等[8-9]建立的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，采用COMBIN49單元進(jìn)行模擬。不同軸力N下的正、負(fù)彎矩轉(zhuǎn)角曲線變化見(jiàn)圖3。為了適應(yīng)不同軸力下的彎曲剛度，根據(jù)表1對(duì)COMBIN39單元的實(shí)常數(shù)單元的8個(gè)實(shí)常數(shù)進(jìn)行賦值。

圖3 不同軸力下接頭轉(zhuǎn)角-彎矩關(guān)系圖

表1 COMBIN39單元實(shí)常數(shù)賦值

在建立接頭襯砌模型時(shí)，每處環(huán)縫設(shè)置12組對(duì)應(yīng)點(diǎn)，每2個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間連接3個(gè)彈簧，將抗壓彈簧、抗剪彈簧和抗彎彈簧耦合在一起。需要注意的是，本文未考慮襯砌的通縫與錯(cuò)縫拼裝以及環(huán)向接頭的影響。

3 上浮反應(yīng)的影響因素分析

3.1 襯砌外徑對(duì)隧道上浮的影響分析

為研究隧道外徑對(duì)液化區(qū)隧道上浮的影響，選取常用的盾構(gòu)隧道外徑(6，8，12，15 m)進(jìn)行研究。襯砌的厚度統(tǒng)一取60 cm，液化區(qū)長(zhǎng)度統(tǒng)一取60 m。繪制不同隧道外徑下的力學(xué)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4。

圖4 不同隧道外徑下的力學(xué)響應(yīng)

圖4a)為不同隧道外徑的襯砌上浮位移圖，模型在隧道縱向共120 m，中間的液化區(qū)60 m，兩端的非液化區(qū)各30 m，由于模型左右荷載對(duì)稱(chēng)、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，取模型左半部進(jìn)行分析，即圖中0～30 m為左端非液化區(qū)，30 m處為液化區(qū)與非液化區(qū)的交界面，30～60 m為液化區(qū)左半部分，60 m處為液化區(qū)中部。由圖4a)可知，襯砌外徑為6 m時(shí)有最大上浮位移值，為0.002 m。隧道襯砌的上浮位移隨隧道外徑的增大而減小，且外徑越大，減小趨勢(shì)越明顯。這是因?yàn)樗淼酪r砌外徑越大，縱向抗彎剛度越大，且抵抗變形能力的增幅超過(guò)了浮力增幅。

由圖4b)可見(jiàn)，不同隧道外徑下的拱頂軸向應(yīng)力外徑為15 m時(shí)應(yīng)力值最大，襯砌拱頂拉應(yīng)力最大值(0.076 MPa)出現(xiàn)在液化區(qū)中部，壓應(yīng)力最大值(0.097 MPa)出現(xiàn)在液化土與非液化土交界處，可見(jiàn)土體交界處為破壞危險(xiǎn)點(diǎn)。液化區(qū)內(nèi)隧道襯砌的軸向應(yīng)力隨著襯砌外徑的增加而增加，但襯砌軸向應(yīng)力變化較小，這是因?yàn)橐r砌外徑的增大使得隧道浮力與重力同時(shí)增大。

3.2 襯砌厚度對(duì)隧道上浮的影響分析

為研究不同襯砌厚度下盾構(gòu)隧道的上浮效應(yīng)，選取襯砌厚度為30，35，60，70 cm進(jìn)行計(jì)算，襯砌外徑統(tǒng)一取14.5 m，液化區(qū)長(zhǎng)度統(tǒng)一取60 m。繪制不同襯砌厚度下的力學(xué)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5。

圖5 不同襯砌厚度下的力學(xué)響應(yīng)

由圖5a)可見(jiàn)，隧道豎向位移沿縱向長(zhǎng)度的變化，隧道的上浮位移隨襯砌厚度的增大而減小。

由圖5b)可見(jiàn)，不同襯砌厚度下的拱頂軸向應(yīng)力，隧道拱頂在液化土與非液化土的交界處(即30 m處)及液化區(qū)中部(60 m處)，隧道襯砌厚度越大，襯砌拱頂?shù)妮S向應(yīng)力越小。這是因?yàn)樗淼揽v向抗彎剛度隨襯砌厚度的增加而增加，同時(shí)結(jié)構(gòu)自重也在增加，從而抵消了一部分浮力。由浮力的計(jì)算公式可知，浮力僅與隧道外徑和液化土容重有關(guān)，僅改變襯砌厚度不會(huì)改變浮力大小。因此適當(dāng)增大襯砌厚度可以增強(qiáng)盾構(gòu)隧道的抗浮性能。

3.3 襯砌接頭對(duì)隧道上浮的影響分析

為研究接頭對(duì)盾構(gòu)隧道上浮效應(yīng)的影響，控制其他條件一致(襯砌外徑統(tǒng)一為14.5 m，襯砌厚度統(tǒng)一為60 cm)，設(shè)置2類(lèi)模型：等效襯砌模型和接頭襯砌模型，其中接頭襯砌模型又分為考慮2個(gè)環(huán)縫和考慮4個(gè)環(huán)縫2種情況。

接頭襯砌模型的上浮變形云圖見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，其上浮變形呈現(xiàn)一定的不連續(xù)性，隧道在接頭環(huán)縫處發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)。隧道液化區(qū)中部達(dá)到最大上浮位移量，兩環(huán)縫模型的最大位移值為0.017 1 m，四環(huán)縫模型的最大位移值為0.029 2 m，相同條件下等效襯砌模型的最大位移值為0.016 2 m，可見(jiàn)襯砌接頭的出現(xiàn)使得隧道的最大上浮位移量增大。

圖6 接頭襯砌模型變形云圖(單位：m)

2類(lèi)襯砌模型的拱頂Mises應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖7a)，在非液化土階段，等效襯砌模型拱頂處Mises應(yīng)力與兩環(huán)縫接頭襯砌模型變化一致。在非液化土與液化土的交界處，2種模型的拱頂Mises應(yīng)力均達(dá)到最大值，其中兩環(huán)縫接頭襯砌模型最大Mises應(yīng)力為0.132 MPa。由于接頭襯砌模型在液化區(qū)考慮了環(huán)縫，2種模型的應(yīng)力變化模式存在差異，接頭襯砌模型在50 m處的Mises應(yīng)力存在突變現(xiàn)象，此處是設(shè)置有環(huán)間接頭的環(huán)縫，而等效襯砌模型則沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖7 2類(lèi)模型的力學(xué)響應(yīng)

2種襯砌模型的軸向應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖7b)，等效襯砌模型與兩環(huán)縫接頭襯砌模型的軸向應(yīng)力在液化區(qū)與非液化區(qū)的交界處均達(dá)到了最大值，且接頭襯砌模型最大軸向應(yīng)力略小于等效襯砌模型。接頭襯砌模型在50 m位置處發(fā)生應(yīng)力突變，這是因?yàn)榇颂幨窃O(shè)置有環(huán)間接頭的環(huán)縫，而等效襯砌模型在此處的軸向應(yīng)力變化平緩。襯砌接頭使得盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)具有更大的柔性，相比于等效襯砌模型，接頭襯砌模型的拱頂拉應(yīng)力最大值由液化區(qū)中部轉(zhuǎn)移到了接頭位置，環(huán)縫附近襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為0.051 MPa。此時(shí)環(huán)縫接頭產(chǎn)生較大變形，襯砌可能會(huì)由于接頭轉(zhuǎn)角過(guò)大而發(fā)生破壞。

為了進(jìn)一步研究接頭襯砌模型在上浮力作用下的接頭轉(zhuǎn)角變形行為，將上浮力分為20個(gè)荷載步逐步施加，并監(jiān)測(cè)四環(huán)縫接頭襯砌模型的接頭轉(zhuǎn)角。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8，由于4處接頭的變形情況以隧道中間斷面為中心面兩兩對(duì)稱(chēng)，圖8繪制出第一、第二接頭轉(zhuǎn)角值，省略第三、第四接頭轉(zhuǎn)角值。由圖8可知，2處接頭轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)相同，隨著液化浮力增大，接頭轉(zhuǎn)角在前期迅速增大，靠近非液化區(qū)接頭的轉(zhuǎn)角略大于靠近液化區(qū)接頭的轉(zhuǎn)角。由此推斷，在液化上浮作用下，液化土與非液化土的交界面處是接頭襯砌模型最危險(xiǎn)的位置，靠近此處的接頭容易因轉(zhuǎn)角過(guò)大而發(fā)生破壞。在實(shí)際工程中，需要對(duì)易液化土與其它土交界處的襯砌接頭部位進(jìn)行加固，防止因襯砌接頭轉(zhuǎn)角過(guò)大引發(fā)滲漏水破壞。

圖8 接頭襯砌模型的轉(zhuǎn)角

4 結(jié)語(yǔ)

可液化地層中的隧道在地震荷載作用下易遭受破壞，本文依托某越江通道工程對(duì)襯砌外徑、襯砌厚度和襯砌接頭作了單變量分析，得到以下結(jié)論。

1) 襯砌外徑越大，隧道的上浮位移越小，但是襯砌結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)力會(huì)增大。因此襯砌外徑需進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，不宜過(guò)大或過(guò)小。

2) 隨著襯砌厚度增加，襯砌的上浮位移和軸向應(yīng)力均減小，因此合理地增大襯砌厚度有利于提高液化區(qū)隧道的抗浮安全性。

3) 接頭襯砌模型在液化上浮作用下，液化土與非液化土的交界面處是最危險(xiǎn)的位置。在實(shí)際工程中，需要對(duì)易液化土與其它土交界處襯砌的接頭部位進(jìn)行加固，防止襯砌上浮導(dǎo)致襯砌環(huán)間間隙過(guò)大而發(fā)生滲漏。