曹鵬飛 郭小龍 胡宇琛 徐騰飛 章立辰

(1.南昌軌道交通集團有限公司 江西南昌 330038；2.中鐵隧道集團二處有限公司 江西南昌 330209；3.華東交通大學土木建筑學院 江西南昌 330013；4.江西省港航建設投資集團石虎塘航電樞紐分公司 江西南昌 330008)

1 引言

地鐵已然成為我國大型城市中主要的交通工具，隧道建設數(shù)量與總里程高居世界前列，但我國隧道建設起步較晚，地鐵建設很大程度上受制于施工工藝、地質(zhì)條件和隧道尺寸的影響，因其運行空間有限且客流量日漸繁重，一旦出現(xiàn)隧道結構安全問題將會造成巨大的經(jīng)濟損失，更嚴重情況下甚至會導致人員傷亡[1－3]。在施工過程中對隧道管片襯砌結構進行監(jiān)測是保證后續(xù)安全投入使用的保障，因此開展隧道健康監(jiān)測工作并及時反饋隧道安全隱患問題十分有必要。

目前國內(nèi)大量學者就隧道管片襯砌結構安全性問題開展了大量研究。何春等[4]利用振弦式傳感技術的可視化監(jiān)測裝置，在施工過程中對武漢地鐵4號線2期工程隧道管片的鋼筋應力和管片內(nèi)部混凝土應變進行監(jiān)測；唐孟雄等[5]依托廣州地鐵二號線某區(qū)間隧道，通過鋼筋應力反算方法得出管片環(huán)向壓力和彎矩的解析公式；張明聚等[6]依托北京地鐵某區(qū)間隧道進行現(xiàn)場監(jiān)測，總結得到先行隧道管片附加內(nèi)力大小及變化規(guī)律；朱熔清等[7]以蘇州地鐵某段為背景，在后行隧道向前掘進過程中對先行隧道管片的徑向及軸向附加應力進行監(jiān)測并統(tǒng)計分析。當前對隧道管片襯砌結構變形監(jiān)測不僅手段豐富，而且技術均十分成熟[8－10]?，F(xiàn)場監(jiān)測并結合數(shù)值模擬的研究手段是目前健康監(jiān)測最常用的研究方式[11－12]，但關于水位變化下過江隧道管片結構縱向變形特征的研究相對偏少。

依托南昌軌道交通4號線安豐站－東新站盾構區(qū)間過江隧道工程，在盾構掘進穿過中風化泥質(zhì)粉砂巖段對管片布設表貼式混凝土應變計，并采用ABAQUS模擬不同水位下管片襯砌結構內(nèi)表面縱向受力情況，最后將數(shù)值模擬值與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析對比，歸納得出江面水位變化對過江隧道管片襯砌結構縱向變形影響規(guī)律。

2 工程背景

2.1 工程概括

該區(qū)間隧道江底段的隧道頂部最大埋深約為25.8 m，線路走向如圖1所示。區(qū)間隧道在贛江西岸先后下穿淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫及強風化、中風化泥質(zhì)粉砂巖；過江段穿越全斷面中風化泥質(zhì)粉砂巖；東岸先后下穿中砂、粗砂、砂礫、中風化泥質(zhì)粉砂巖。區(qū)間隧道主體處于中風化泥質(zhì)粉砂巖中并下穿贛江，地層圍巖質(zhì)量以Ⅲ級為主。

圖1 線路走向平面

2.2 氣象條件

2020年7月起，江西突發(fā)持續(xù)性強降雨，數(shù)十個站點水位超出警戒線，由于受連日贛北強降雨及長江水位頂托影響，贛江水位出現(xiàn)持續(xù)上漲，鄱陽湖出現(xiàn)倒灌。截至7月7日，贛江水位南昌段已超出警戒水位0.44 m且仍處于上升狀態(tài)。南昌地鐵4號線過贛江段區(qū)間隧道在發(fā)生洪澇前不久實現(xiàn)貫通，水位持續(xù)上漲勢必會對管片造成一定影響，一方面會導致江底隧道最深斷面附近因無法及時排水而出現(xiàn)一定程度積水，另一方面管片襯砌結構受到高水壓作用，會對服役期內(nèi)盾構隧道襯砌管片結構產(chǎn)生一定影響。

3 現(xiàn)場監(jiān)測及分析

3.1 監(jiān)測斷面選取

根據(jù)地形地貌條件及水文地質(zhì)條件，考慮隧道多處于中風化泥質(zhì)粉砂巖地層中且需研究贛江水位變化對隧道管片的受力影響情況，故選取里程為XK11＋928.607(834環(huán))和XK11＋927.105(835環(huán))處作為監(jiān)測斷面，在該相鄰管片布設傳感器，該測試斷面位于贛江下，埋深約為20 m。監(jiān)測斷面地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 監(jiān)測斷面地質(zhì)剖面

3.2 表貼式混凝土應變計工作原理

監(jiān)測儀器采用WY-H3型頻率讀數(shù)儀和表貼式混凝土應變計。WY-H3型頻率讀數(shù)儀可測量實時溫度值、應變值、應變差值、傳感器編號及頻率值(分辨率為0.1 Hz)。應變與頻率的計算公式為A＝K·f2，其中A為應變值，f為振弦頻率，K為標定系數(shù)。考慮到傳感器需溫度修正，應變計的溫度系數(shù)為Kt，實測混凝土應變?yōu)棣舏，初始混凝土應變?yōu)棣?，實測溫度為T，初始溫度為T0，可得到修正后的混凝土應變表達式為:ε＝(εi－ε0) ＋Kt·(T－T0)。 最終根據(jù)應力應變的換算關系σ＝E·ε，將現(xiàn)場監(jiān)測到的應變轉(zhuǎn)化為應力。

3.3 測點布置

區(qū)間盾構隧道統(tǒng)一采用圓形斷面，假定襯砌管片受力情況對稱，故在布設表貼式混凝土應變計時，將其安裝在第834環(huán)和第835環(huán)管片襯砌結構內(nèi)表面一側的拱底、拱腰及拱頂處。在每環(huán)監(jiān)測管片襯砌結構內(nèi)表面安裝3個表貼式混凝土應變計，其中拱底處應變計編號分別為24449-07和47734-07，在拱腰處安裝的應變計編號分別為46762-07和13029-07，在拱頂安裝的應變計編號分別為00224-07和58302-07。為方便描述，將此命名為應變計1～應變計6。測試元件現(xiàn)場安裝如圖3所示。

圖3 隧道管片測試元件現(xiàn)場安裝

3.4 監(jiān)測計劃及監(jiān)測數(shù)據(jù)

自2020年8月初開始開展管片襯砌結構縱向應變監(jiān)測工作，為不破壞管片結構，考慮到采用粘貼式混凝土應變計，其工作有效性很大程度受到隧道內(nèi)灰塵及濕度影響，故計劃總監(jiān)測周期持續(xù)約兩個半個月時間，在前一個半月監(jiān)測頻率為三天一次，而在監(jiān)測周期內(nèi)的最后一個月將監(jiān)測頻率調(diào)整為一個星期一次。監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)包括溫度、頻率、應變值及贛江水位，自2020年7月6日起至2020年10月30日記錄每日贛江水位南昌段實時數(shù)據(jù)，水位變化情況如圖4所示。

圖4 贛江南昌段水位變化曲線

由圖4可知:自7月6日起由于連續(xù)的強降雨，導致贛江水位在短期內(nèi)急劇上升，贛江南昌段水位于7月11日達到最高23.63 m，超出警戒水位0.63 m，自此水位逐漸下降，在監(jiān)測周期結束時贛江水位降低至16.13 m。以監(jiān)測周期內(nèi)的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為總樣本，6個應變計縱向應變變化如圖5所示。

圖5 管片內(nèi)表面縱向應變歷時變化曲線

通過對隧道縱向位移監(jiān)測結果進行整理以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)在監(jiān)測周期初期時應變值變化幅度較大，主要是因為粘膠結硬過程中會對應變計產(chǎn)生一定內(nèi)部力，但整體看仍可反映出應變變化規(guī)律。由應變歷時曲線可知，水位變化對管片變形存在較大影響，水位越高，管片縱向應變愈大，混凝土管片沿隧道方向縱向應變歷時曲線呈現(xiàn)出顯著的偏相關特性，具體如下:

(1)在強降雨后贛江水位出現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)步的下降，在監(jiān)測周期內(nèi)水位由監(jiān)測初期的近21 m降至16 m，在此期間內(nèi)布設在拱底的應變計數(shù)值隨著水位下降而降低，管片拱底區(qū)域受壓，應變計1數(shù)值從2 880降至2 805，累計降低75；應變計2數(shù)值從3 047下降至3 005，共計降低42，在總體上體現(xiàn)下降趨勢的同時，細節(jié)上表現(xiàn)出變化，具有非平穩(wěn)性。

(2)隨著水位逐漸下降，應變計3數(shù)值從2 533上升到2 603，且應變計4數(shù)值從2 799上升到2 862，應變累計變化分別增加70與63。由現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)歸納可知水位降低會造成管片襯砌結構內(nèi)表面拱腰區(qū)域縱向受拉。

(3)隨著水位逐漸下降，應變計5數(shù)值從2 771降到2 607，且應變計6數(shù)值從3 324降至3 129，應變累計變化分別減少164和195。經(jīng)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)水位降低會造成管片襯砌結構內(nèi)表面拱頂區(qū)域縱向受壓。

4 監(jiān)測斷面數(shù)值模擬分析

選取南昌軌道交通4號線過江隧道中的一段進行分析，利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型。隧道埋深為20 m，約為3倍管徑，整體模型尺寸為(24×50×39)m(X、Y、Z向)。盾構模型具體參數(shù)如表1所示。

表1 盾構隧道模型參數(shù)

通過水位高度變化換算得到作用于模型頂部的均布作用力以及孔壓，將此作用施加于模型可以得到不同水位下管片襯砌結構縱向應力模擬值，如圖6～圖8所示。應力為正值表示管片襯砌結構縱向受力方向與X軸正方向一致，即管片襯砌結構處于受拉狀態(tài)，反之應力為負值時表示管片襯砌結構處于縱向受壓狀態(tài)。

圖6 不同水位下監(jiān)測管片內(nèi)側拱底處縱向應力模擬值

圖7 不同水位下監(jiān)測管片內(nèi)側拱腰處縱向應力模擬值

圖8 不同水位下監(jiān)測管片內(nèi)側拱頂處縱向應力模擬值

可以看出，在隧道縱向上管片整體受到一個沿隧道行進方向的剪應力作用，在隧道底部剪應力最大，隧道管片拱底區(qū)域受到的縱向應力在數(shù)值上比管片頂部和底部區(qū)域的縱向應力大約高半個數(shù)量級，且隧道管片頂部和底部區(qū)域受拉，而隧道管片拱腰處為受壓狀態(tài)。

水位從21 m降至16 m過程中，管片襯砌結構縱向應力數(shù)值降低，其中在834環(huán)管片處，管片拱底區(qū)域縱向應力由873 kPa降低至635 kPa，拱腰區(qū)域縱向應力由－562 kPa降低到－421 kPa，拱頂區(qū)域由295 kPa降至52 kPa。在835環(huán)管片處，管片拱底區(qū)域縱向應力由811 kPa降為613 kPa，拱腰區(qū)域縱向應力由－509 kPa降低到－387 kPa，拱頂區(qū)域由302 kPa降至80 kPa?？梢姰斔辉礁邥r，隧道管片受到的縱向應力在數(shù)值上會變大，雖然管片拱底區(qū)域受到的縱向應力最大，但在拱頂區(qū)域縱向應力受水位影響變化幅度最大，這是因為一方面水作為外荷載作用于隧道結構上，隧道頂部直接受到水位變化影響，由此產(chǎn)生的作用力變化不大，但變化幅值大，進而導致其在水位變化下管片拱頂處應變變化量比拱底及拱腰區(qū)域大；另一方面由于水位的上升，額外會對隧道結構產(chǎn)生一定的上浮力，此類上浮力主要作用于隧道結構拱底至拱腰區(qū)域，可導致管片拱底區(qū)域應力較大幅度增加，沿隧道縱向斷面在上浮力的作用下有可能導致隧道結構發(fā)生不均勻沉降。

5 結論

以南昌地鐵4號線區(qū)間過江隧道為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬方法研究不同贛江水位對管片襯砌結構拱底、拱腰及拱頂處隧道縱向受力變形規(guī)律，得到主要結論如下:

(1)水位持續(xù)變化對管片襯砌結構內(nèi)表面縱向位移影響偏小，但仍具有一定影響規(guī)律，水位降低會造成管片襯砌結構的拱底和拱頂區(qū)域出現(xiàn)受壓現(xiàn)象，而在拱腰處表現(xiàn)為受拉狀態(tài)，水位下降幅度越大，管片襯砌受拉或者受壓作用愈嚴重。

(2)管片拱頂區(qū)域應變值變化受水位影響最大，在同等條件下拱底區(qū)域應變值受水位影響最小。在監(jiān)測周期內(nèi)當水位由21 m降至16 m后，監(jiān)測管片拱底區(qū)域應變壓縮量分別為75與42，拱腰區(qū)域應變值拉伸量分別為70與73，而管片拱頂區(qū)域應變值壓縮量分別可達到164與195。