羅躍春，童佳榮，王寧偉，孫海峰

（廣東省珠海工程勘察院 廣東省巖土基礎(chǔ)工程技術(shù)研究中心，廣東珠海519000）

1 引言

我國(guó)沿海地區(qū)分布有大量軟土，這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，已建設(shè)或規(guī)劃了大量地鐵線路。由于軟土具有承載力低、流變性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，穿越軟土區(qū)的地鐵隧道由于其外部約束強(qiáng)度不夠，在土水壓作用下易產(chǎn)生接頭張開及橫向變形，進(jìn)而威脅地鐵盾構(gòu)隧道的安全[2]。劉梓圣[3]等就軟土中的盾構(gòu)隧道采用纖維布加固進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體抗力系數(shù)較大時(shí)，隧道橫向變形與等效荷載基本呈線性關(guān)系。但隨著土體抗力系數(shù)較小時(shí)，上述關(guān)系呈非線性關(guān)系，隧道變形速率顯著增大。同時(shí)，指出采用芳綸纖維布對(duì)其進(jìn)行加固具有較好效果。但需注意的是纖維布與盾構(gòu)隧道采用環(huán)氧粘貼，隨時(shí)間推移其黏結(jié)性能將逐漸退化，從而影響加固效果。柳獻(xiàn)[4]等提出了利用鋼板環(huán)對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行加固，由于有鋼板環(huán)具有較好剛度，加固后盾構(gòu)隧道的變形得到了明顯控制，其接頭張開也得到了抑制。鑒于以上，本文以上海某盾構(gòu)隧道為工程背景，通過(guò)有限元分析，探索了隧道變形與上覆軟土深度的發(fā)展規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對(duì)軟土中盾構(gòu)隧道鋼板環(huán)加固效果進(jìn)行了初探，這的研究可為相關(guān)工程提供參考。

2 計(jì)算模型

本計(jì)算隧道環(huán)三維模型如圖1所示，模型中隧道環(huán)外徑、內(nèi)徑和管片厚度均與上海某線路地鐵盾構(gòu)隧道一致，分別為6.2 m、5.5 m和0.35 m。一般隧道埋藏于地下屬于線狀工程，而本次分析主要考察隧道的橫向變形，固選取一環(huán)作為計(jì)算單元，其沿盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度方向?yàn)?.2 m。由圖1可以看到，該隧道環(huán)計(jì)算單元由6塊管片拼接而成，它們分別是封頂塊（K）、臨接塊（L1和L2）、標(biāo)準(zhǔn)塊（B1和B2）以及封底塊（D）。與實(shí)際工程一致，模型中相鄰管片采用2根直螺栓進(jìn)行連接，該螺栓直徑為30 mm，長(zhǎng)度為485 mm，強(qiáng)度等級(jí)為5.8級(jí)。觀察模型可以發(fā)現(xiàn)，隧道環(huán)結(jié)構(gòu)及其所受荷載均為左右對(duì)稱，其變形也應(yīng)是左右對(duì)稱的。因此，為了提升計(jì)算效率，本分析計(jì)算時(shí)僅對(duì)隧道環(huán)左側(cè)進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖1b）。在實(shí)際工程中，為便于施工盾構(gòu)管片上通常設(shè)有手孔、安裝孔、螺栓孔等，導(dǎo)致管片幾何形態(tài)較為復(fù)雜，這給計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分帶來(lái)了困難，同時(shí)考慮到這些孔一般設(shè)有加強(qiáng)鋼筋，一般均不是薄弱部位，不易出現(xiàn)破壞，因此，本模型中不考慮以上孔位[5]。管片內(nèi)部鋼筋根據(jù)上海某地鐵盾構(gòu)管片設(shè)計(jì)圖紙布設(shè)，鋼筋與管片混凝土采用“embed”方式處理，即不考慮鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移。相鄰管片的連接螺栓的兩端設(shè)有螺帽，也采用“embed”方式與管片混凝土進(jìn)行連接。相鄰管片接頭設(shè)置“hard contact”連接，并設(shè)有0.3的摩擦系數(shù)，以模擬管片接頭受力行為。

圖1 某盾構(gòu)隧道環(huán)計(jì)算模型

對(duì)于加固隧道環(huán)，加固部件參考上海某地鐵加固工程選取20 mm厚鋼板。加固部件與隧道環(huán)的連接通過(guò)Cohesive Behavior行為模擬。該Cohesive Behavior本構(gòu)為線彈性，具體參數(shù)如表1所示。值得指出的是，本次加固模擬是一種預(yù)加固手段，即在隧道受荷前就進(jìn)行了加固，這是為了更全面地考察在不同軟土荷載作用鋼板對(duì)隧道的加固效果。

表1 Co h esi v e B e h a v ior本構(gòu)參數(shù)取值

在實(shí)際工程中，地鐵隧道環(huán)同時(shí)受到土壓力和靜水壓力的作用，對(duì)其精確反應(yīng)較為困難，一般可采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行簡(jiǎn)化[6]。其方法為，首先計(jì)算隧道外部的荷載，并將其以面荷載形式直接施加于隧道環(huán)外壁上，同時(shí)土體抗力作用以地基彈簧來(lái)進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖1），該地基彈簧一端接地，一端與隧道環(huán)外壁連接，當(dāng)隧道環(huán)發(fā)生橫向變形時(shí)，該地基彈簧將起到抑制其變形的作用。圖1中土的豎向和側(cè)向土壓力（P1和P2~P3）按水土合算計(jì)算、土層反力（P4）按隧道環(huán)豎向受力平衡計(jì)算，隧道環(huán)外土體則以全周布置的受壓地基彈簧進(jìn)行模擬。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，上海軟土地區(qū)其土的重度一般為17.2~20.1 kN/m3，本計(jì)算模型中土的重度選取為19 kN/m3，并假設(shè)隧道環(huán)整個(gè)埋置于軟土中。上海的盾構(gòu)隧道埋深可逾20 m，在局部地區(qū)甚至超過(guò)30 m。此外，由于后期城市建設(shè)開展，一些區(qū)段區(qū)將出現(xiàn)地表堆土或上部新建建筑，導(dǎo)致隧道等效埋深可超過(guò)40 m。為便于統(tǒng)一分析比較，本分析中土體壓力按等效埋深進(jìn)行計(jì)算。最大埋深按實(shí)際工程適當(dāng)加大，本分析以0~60 m的等效埋深對(duì)應(yīng)的土壓力進(jìn)行加載，即隧道環(huán)上部的豎向土壓力P1為0~1 140 kPa。分析模型中靜止土壓力系數(shù)按0.5取用，土層抗力系數(shù)取為2 500 kPa/m。

3 材料參數(shù)

計(jì)算中管片混凝土本構(gòu)按GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（2015年版）[7]規(guī)定的彈塑性模型計(jì)算，其強(qiáng)度為按C55考慮。計(jì)算模型中管片內(nèi)部鋼筋、連接螺栓、鋼板均按理想彈塑性考慮，其屈服強(qiáng)度分別取為410 MPa、515 MPa和305 MPa，所有鋼材屈服前的彈性模量均取為200 GPa。

4 結(jié)果分析

圖2為隧道環(huán)接頭張開量隨豎向荷載P1（P1大小反映的是上覆土深度）關(guān)系曲線圖，可以看到無(wú)論加固與否，隨隧道上部的荷載加大，其頂部和腰部的接頭張開量均隨荷載P1增大而增大。同時(shí)可以看到，其腰部處接頭張開速度比頂部接頭張開速度要快，因此，軟土中盾構(gòu)隧道變形應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注腰部處變形。同時(shí)可以看到，采用鋼板對(duì)隧道環(huán)進(jìn)行加固后，其接頭張開良得到了明顯控制，尤其當(dāng)荷載小于600 kPa時(shí)，其發(fā)展趨勢(shì)遠(yuǎn)低于未加固隧道環(huán)，表明當(dāng)荷載不大時(shí)鋼板具有較好的加固效果。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在隧道上部荷載小于600 kPa以前，加固后的隧道接頭張開量約為未加固的40%。

圖2 接頭張開與豎向荷載關(guān)系曲線圖

圖3 為隧道環(huán)變形與豎向荷載關(guān)系曲線圖，其中隧道豎向變形和橫向變形分別是指隧道環(huán)頂?shù)住⒆笥蚁鄬?duì)位移，本分析中隨荷載增大，隧道頂?shù)字饾u靠攏，而隧道左右側(cè)逐漸遠(yuǎn)離，整個(gè)隧道呈“橫鴨蛋”變形。在相同荷載作用下隧道豎向變形略小于橫向變形。鋼板加固在荷載不大時(shí)對(duì)隧道變形控制較好，但后期隨著加固部件與隧道環(huán)連接破壞，其加固效果逐漸降低。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在隧道上部荷載小于600 kPa以前，加固后的隧道變形約為未加固的50%。

圖3 隧道變形與豎向荷載關(guān)系曲線圖

5 結(jié)論

1）軟土中的盾構(gòu)隧道，其接頭張開量與上覆軟土厚度近似呈線性關(guān)系，上覆土越大（上部荷載越大）接頭張開越大，且隧道腰部處的接頭張開速度明顯快于頂部接頭。

2）軟土中的盾構(gòu)隧道，在土壓力作用下其變形呈“橫鴨蛋”形，且豎向變形量略小于腰部變形。

3）加固后隧道環(huán)接頭張開量和橫向變形均得到明顯控制，在荷載較小時(shí)該現(xiàn)象尤為明顯，如當(dāng)上部荷載≤600 kPa時(shí)，加固后隧道接頭張開量可降低約60%，隧道變形可降低約50%。但隨荷載增大，其加固效果逐漸降低。