徐文秀，陳 龍，方騰衛(wèi)，王 媛，任 杰

(1. 廣東省粵東三江連通建設(shè)有限公司，廣州 510010；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210024；3. 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510170；4. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210024；5. 河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，南京 210024)

1 概述

中國(guó)水資源分布不均，近年來(lái)輸水隧洞被大量采用，以解決部分地區(qū)干旱、缺水、水污染嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著長(zhǎng)距離輸水隧洞埋深不斷增大，運(yùn)行期內(nèi)可能發(fā)生浪涌、水錘等作用，造成隧洞內(nèi)水壓比實(shí)際水壓偏大[1]。較大的內(nèi)水壓力可能使接縫張開(kāi)增大發(fā)生隧道內(nèi)外水交換，導(dǎo)致輸水污染、地層進(jìn)一步變形導(dǎo)致隧道變形加劇，甚至導(dǎo)致隧洞失穩(wěn)破壞[2]。因此有必要研究輸水隧洞運(yùn)行期內(nèi)管片接縫張開(kāi)特性[3]。

國(guó)內(nèi)在武漢長(zhǎng)江隧道[4]，南京長(zhǎng)江隧道[5]，南京緯三路過(guò)江通道[6]，廣州地鐵三號(hào)線[7]，獅子洋隧道工程[7]等盾構(gòu)隧道工程中分別針對(duì)各自不同洞徑、管片類(lèi)型、接頭形式等的差異分析了隧道管片接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜受力特性。但不同的工程所處的工程與水文地質(zhì)狀況各不相同，其管片受力特性也相差很大，盾構(gòu)管片力學(xué)性能的研究目前主要集中于無(wú)內(nèi)水壓作用下的交通隧道(地鐵和公路盾構(gòu)隧道)和軟粘土地區(qū)的盾構(gòu)隧道，對(duì)于有內(nèi)水壓作用下的盾構(gòu)隧洞，目前的研究相對(duì)較少，對(duì)于穿越淤泥質(zhì)土層且同時(shí)有內(nèi)水作用的輸水盾構(gòu)隧洞研究較少。

目前針對(duì)盾構(gòu)隧洞管片接縫張開(kāi)特性的研究主要集中在模型試驗(yàn)研究[6-7, 9-10]、數(shù)值模擬研究[7, 11]、接頭力學(xué)模型研究[10, 12-15]、以及針對(duì)原位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析研究[5]等。在模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬研究、接頭力學(xué)模型分析方面，學(xué)者們對(duì)接頭抗彎剛度、抗剪剛度、力矩傳遞系數(shù)等方面進(jìn)行了大量研究，但對(duì)接縫張開(kāi)特性研究不足，尤其未見(jiàn)針對(duì)內(nèi)外水壓力共同作用下的管片力學(xué)特性與接縫張開(kāi)特性研究。

本文依托于廣東韓江—榕江—練江三江水系連通工程中的榕江—關(guān)埠引水隧洞工程，針對(duì)該工程采用的管片形式基于大型有限元軟件ABAQUS建立管片—接頭—螺栓組合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，探討隧洞管片及接縫在不同內(nèi)水壓力作用下的力學(xué)特性與張開(kāi)特性，最后結(jié)合隧洞接縫張開(kāi)量健康監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估相應(yīng)的管片接縫結(jié)構(gòu)健康水平。研究結(jié)果可為內(nèi)水作用下盾構(gòu)隧洞管片安全評(píng)價(jià)提供參考。

2 盾構(gòu)管片三維有限元模型

榕江—關(guān)埠引水隧洞工程位于廣東省的粵東地區(qū)，其主要任務(wù)是針對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境現(xiàn)狀，在優(yōu)先實(shí)施控源截污工程的基礎(chǔ)上優(yōu)化水資源配置，治理水環(huán)境，修復(fù)水生態(tài)，解決河流生態(tài)用水問(wèn)題。工程設(shè)計(jì)引水流量為20 m3/s，多年平均取水量為4.19億m3。

輸水線路長(zhǎng)度約為27.71 km，主要采用TBM法為主、鉆爆法為輔的施工方法。線路平、縱斷面設(shè)計(jì)按照與隧洞施工分段方案相結(jié)合的思路，充分利用線路上現(xiàn)有埡口地形條件，高位水池至出水池段輸水隧洞分為3段施工，主要采用TBM施工。為滿(mǎn)足TBM法施工的進(jìn)洞和出洞要求，對(duì)TBM法施工段的進(jìn)、出口150～884 m范圍先行采用鉆爆法施工，剩余主洞段采用TBM法施工。引水隧洞、輸水隧洞段長(zhǎng)度及斷面類(lèi)型見(jiàn)表1所示。

表1 榕江—關(guān)埠引水隧洞工程輸水線路參數(shù)

2.1 盾構(gòu)管片模型材料參數(shù)

結(jié)合榕江—關(guān)埠引水隧洞工程實(shí)例，建立隧洞的普通標(biāo)準(zhǔn)斷面，其具體參數(shù)如下：輸水盾構(gòu)隧洞管片外徑設(shè)定為5.0 m，內(nèi)徑設(shè)定為4.2 m，管片的寬度設(shè)定為1.4 m，盾構(gòu)管片厚度設(shè)定為0.4 m。每一環(huán)盾構(gòu)管片由6片混凝土平板形管片拼裝而成，其中3片標(biāo)準(zhǔn)塊(B1塊、B2塊、B3塊)，2片鄰接塊(L1塊、L2塊)及1片封頂塊(F塊)；盾構(gòu)管片采用C55高性能耐腐蝕混凝土，管片與管片之間通過(guò)螺栓連接。其盾構(gòu)隧洞標(biāo)準(zhǔn)剖面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧洞標(biāo)準(zhǔn)斷面示意(單位：mm)

根據(jù)工程資料可知，盾構(gòu)管片采用C55高性能耐腐蝕混凝土、連接螺栓采用性能等級(jí)為8.8級(jí)的高強(qiáng)度螺栓，其物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 盾構(gòu)管片的物理力學(xué)性質(zhì)

應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)盾構(gòu)管片進(jìn)行數(shù)值分析，計(jì)算模型中的接觸主要為螺栓與管片之間的連接，管片與管片之間接觸。采用Solid實(shí)體單元模擬盾構(gòu)管片，Beam梁?jiǎn)卧M連接螺栓，將梁?jiǎn)卧度?Embedded)管片實(shí)體單元中，模擬螺栓與管片之間的連接；管片與管片之間設(shè)置面-面接觸，法向?yàn)椤坝病苯佑|，切向?yàn)槟Σ两佑|，摩擦系數(shù)為0.5[15]。

2.2 計(jì)算模型假定

對(duì)所建立的盾構(gòu)管片三維有限元模型，作以下假設(shè)。

① 材料均勻性假定：所有的實(shí)體單元全部進(jìn)行均勻性假定，管片也模擬成均質(zhì)的各向同性材料，不考慮由于施工工藝或者管片端面細(xì)微凹凸形成的微小差異；

② 小變形假定：相比構(gòu)件原來(lái)的幾何尺寸，管片接頭端面在受到外荷載的作用下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角和變形非常微小，屬小變形范疇；

③ 平截面假定：管片斷面變形前后均為平截面，由于混凝土擠壓而形成曲面的接觸端面除外；

④ 不考慮管片之間的密封墊、止水材料等；

⑤ 盾構(gòu)管片采用彈性材料性質(zhì)進(jìn)行分析，高強(qiáng)度螺栓不存在明顯屈服階段，因此，連接螺栓也視為線彈性材料；

⑥ 忽略管片的注漿孔。

2.3 荷載及邊界條件的確定

計(jì)算荷載：根據(jù)工程地質(zhì)資料，輸水盾構(gòu)隧洞土層材料的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值見(jiàn)表3。

表3 土層材料的物理力學(xué)性質(zhì)

計(jì)算模型中盾構(gòu)隧洞埋深土層主要為淤泥，側(cè)壓力系數(shù)K0=0.5，盾構(gòu)管片主要受水土壓力荷載的作用：

上覆荷載：設(shè)定為上覆巖土體自重，大小為σz=γz=15.3×103×191=292 230 Pa，側(cè)向荷載按照隨深度線性增加施加。

水壓力：水壓力對(duì)盾構(gòu)管片的受力影響很大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，內(nèi)水壓力沿盾構(gòu)管片內(nèi)部徑向均勻分布。

應(yīng)力邊界條件：上邊界施加上覆土層自重的等效垂直荷載，左右兩邊界均施加由上向下遞增的梯形壓力荷載，管片底部施加地基反力，管片內(nèi)部施加內(nèi)水壓力。

變形邊界條件：模型的隧洞掘進(jìn)方向前后邊界施加Y方向的約束，底面邊界施加X(jué)、Y、Z方向的約束。

計(jì)算分析采用封頂塊位于拼裝點(diǎn)位1點(diǎn)的計(jì)算模型，連接螺栓為M30型螺栓，工況選取不同的內(nèi)水壓：即工況1：內(nèi)水壓為0.1 MPa；工況2：內(nèi)水壓為0.15 MPa；工況3：內(nèi)水壓為0.2 MPa。

盾構(gòu)管片接縫張開(kāi)量的大小是控制管片接縫防水設(shè)計(jì)最直接的因素，也是影響盾構(gòu)隧洞結(jié)構(gòu)整體剛度和變形的重要因素。管片接縫張開(kāi)量控制標(biāo)準(zhǔn)參考莊曉瑩提出的管片接頭健康評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]，將接縫張開(kāi)量分為可忽略、需考慮、較嚴(yán)重、嚴(yán)重5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)接縫張開(kāi)量值為：0～2 mm，2～4 mm，4～6 mm，6～9 mm，>9 mm(見(jiàn)表4)。

表4 盾構(gòu)管片接頭健康評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 不同內(nèi)水壓力下管片受力狀態(tài)分析

3.1 管片主應(yīng)力分析

盾構(gòu)管片的主應(yīng)力云圖示意見(jiàn)圖2，每一盾構(gòu)管片環(huán)的應(yīng)力變化趨勢(shì)都較為接近。管片頂部外側(cè)表現(xiàn)為受壓，內(nèi)側(cè)逐漸受拉；而在管片環(huán)拱腰兩側(cè)應(yīng)力變化也較為對(duì)稱(chēng)，外部受拉，逐漸過(guò)渡到管片內(nèi)部區(qū)域表現(xiàn)為受壓；管片底部應(yīng)力狀態(tài)主要受壓，同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)塊(B1塊，B2塊)內(nèi)部管片應(yīng)力狀態(tài)為受拉，外部邊緣受壓。

盾構(gòu)管片所受主拉應(yīng)力最大值為2.658 MPa，大于C55混凝土抗拉強(qiáng)度為1.96 MPa，在本工程中采用注漿加固法使得管片承載力滿(mǎn)足要求，在本文中不進(jìn)行詳細(xì)介紹；同時(shí)所受主壓應(yīng)力最大值為4.298 MPa，小于C55混凝土抗壓強(qiáng)度25.3 MPa。當(dāng)內(nèi)水壓為0.2 MPa時(shí)，從計(jì)算結(jié)果查看，管片的最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在管片右側(cè)拱腰區(qū)域，在盾構(gòu)管片鄰接塊(L1塊)出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，與封頂塊(F塊)相接處管片內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大。

a 工況1盾構(gòu)管片最大主應(yīng)力云圖

由圖2a～f計(jì)算分析不同內(nèi)水壓下盾構(gòu)管片的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)水壓為0.1 MPa、0.15 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片的最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在管片底部區(qū)域，在盾構(gòu)管片標(biāo)準(zhǔn)塊(B1塊、B2塊)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，管片外側(cè)出現(xiàn)壓應(yīng)力最大值；當(dāng)內(nèi)水壓為0.2 MPa時(shí)，管片的最大主應(yīng)力主要出現(xiàn)在管片右側(cè)拱腰區(qū)域，在盾構(gòu)管片鄰接塊(L1塊)出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值，與封頂塊(F塊)相接處管片內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力最大。

由圖2a～f可知，隨著內(nèi)水壓力逐漸增大，盾構(gòu)管片的應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢(shì)相同，無(wú)明顯的變化，盾構(gòu)管片頂部外側(cè)表現(xiàn)為受壓，內(nèi)側(cè)逐漸受拉；而在管片環(huán)拱腰兩側(cè)應(yīng)力變化也較為對(duì)稱(chēng)，管片外部受拉，逐漸過(guò)渡到內(nèi)部表現(xiàn)為受壓狀態(tài)。但是內(nèi)水壓逐漸增大的過(guò)程，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力值也不斷增大，主應(yīng)力值變化較為明顯：當(dāng)內(nèi)水壓為0.1 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力為1.446 MPa，最大壓應(yīng)力為3.035 MPa；當(dāng)內(nèi)水壓為0.15 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力為1.926 MPa，最大壓應(yīng)力為3.447 MPa；當(dāng)內(nèi)水壓為0.2 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力為2.658 MPa，最大壓應(yīng)力為4.298 MPa。盾構(gòu)隧洞運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)水壓對(duì)盾構(gòu)管片的應(yīng)力狀態(tài)有著較大的影響作用。

3.2 管片變形分析

在內(nèi)水壓力為0.2 MPa下，盾構(gòu)管片的豎向變形云圖示意見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，盾構(gòu)管片發(fā)生豎向變形，其管片豎向變形的范圍在-3.296～0.007 6 mm。管片頂部向下沉降，最大為3.296 mm，管片底部向上發(fā)生豎向變形，盾構(gòu)管片環(huán)發(fā)生橢變，在管片頂部產(chǎn)生的豎向變形大于管片底部的豎向變形。

a 第1環(huán)盾構(gòu)管片豎向變形云圖

由圖3a～c可以看出，隨著內(nèi)水壓的增加，其盾構(gòu)管片的豎向變形值逐漸增加。當(dāng)內(nèi)水壓為0.1 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片豎向變形值最小，為1.078 mm；當(dāng)內(nèi)水壓為0.15 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片豎向變形值為1.497 mm；當(dāng)內(nèi)水壓為0.2 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片豎向變形值最大，為3.303 mm。從盾構(gòu)管片豎向變形值柱狀圖中明顯看到，當(dāng)內(nèi)水壓從0.15 MPa增加到0.2 MPa時(shí)，其盾構(gòu)管片豎向變形的變形趨勢(shì)明顯增大。

4 不同內(nèi)水壓力下管片接縫張開(kāi)量特性分析

4.1 管片接縫張開(kāi)量分析

當(dāng)內(nèi)水壓為0.20 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片接縫張開(kāi)量云圖見(jiàn)圖4，管片接縫張開(kāi)主要體現(xiàn)在2個(gè)管片法向脫開(kāi)與切向錯(cuò)臺(tái)。分析圖4可知，接縫張開(kāi)主要發(fā)生在盾構(gòu)管片頂部和拱腰處管片的接縫位置，盾構(gòu)管片采用通縫拼裝模型，每一環(huán)盾構(gòu)管片主要產(chǎn)生接縫張開(kāi)的位置都相同，且變化趨勢(shì)也都較為接近。盾構(gòu)管片在水土壓力等荷載的作用下，管片環(huán)發(fā)生變形，管片之間受力不均，在管片接頭部位產(chǎn)生接縫張開(kāi)角。從云圖4中可以看到，在管片頂部封頂塊(F塊)與鄰接塊(L2塊)接縫處，管片接縫內(nèi)側(cè)張開(kāi)，外側(cè)壓密；封頂塊(F塊)與鄰接塊(L1塊)接縫處，管片接縫內(nèi)側(cè)壓密，外側(cè)張開(kāi)；在盾構(gòu)管片拱腰標(biāo)準(zhǔn)塊(B2塊)與標(biāo)準(zhǔn)塊(B3塊)接縫處，管片接縫內(nèi)側(cè)壓密、外側(cè)張開(kāi)。

通過(guò)分析不同內(nèi)水壓下的管片接縫張開(kāi)量，每環(huán)盾構(gòu)管片與管片之間產(chǎn)生接縫張開(kāi)的位置都相同，且接縫張開(kāi)量都較為接近。因此，統(tǒng)計(jì)分析3種工況條件下盾構(gòu)管片接縫張開(kāi)量的最大值(見(jiàn)表5)，同時(shí)繪制不同內(nèi)水壓下盾構(gòu)管片的最大接縫張開(kāi)量曲線示意(見(jiàn)圖5)。

由圖5及表5分析可得，隨著內(nèi)水壓不斷的增加，相同管片接縫位置處的管片接縫張開(kāi)量也逐漸增加，而且從圖5中看到，當(dāng)內(nèi)水壓為0.2 MPa時(shí)，管片接縫張開(kāi)量明顯比其它兩種工況的接縫張開(kāi)量要大。當(dāng)內(nèi)水壓為0.10 MPa時(shí)，管片接縫張開(kāi)量最大為0.270 5 mm；當(dāng)內(nèi)水壓為0.15 MPa時(shí)，管片接縫張開(kāi)量最大為0.441 9 mm，根據(jù)表5盾構(gòu)管片接頭健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，盾構(gòu)管片的接縫張開(kāi)量均在0～2 mm范圍內(nèi)，可以忽略。當(dāng)內(nèi)水壓為0.20 MPa時(shí)，管片的接縫張開(kāi)量較大，鄰接塊(L1塊)與標(biāo)準(zhǔn)塊(B1塊)處接縫張開(kāi)量為2.040 2 mm，標(biāo)準(zhǔn)塊(B3塊)與鄰接塊(L2塊)處接縫張開(kāi)量為2.812 0 mm，盾構(gòu)管片的接縫張開(kāi)量均在2～4 mm范圍內(nèi)，根據(jù)表4盾構(gòu)管片接頭健康評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)注意接縫張開(kāi)較大位置處的接縫防水問(wèn)題。

a F～L1管片接縫張開(kāi)云圖

表5 不同工況下盾構(gòu)管片各接縫位置處張開(kāi)量(mm)

圖5 不同內(nèi)水壓下盾構(gòu)管片最大接縫張開(kāi)量曲線示意

4.2 管片接縫防滲性能分析

彈性密封墊是盾構(gòu)管片接縫常用的防水材料，主要靠接觸面之間的接觸力來(lái)抵抗外水壓力。而管片接縫張開(kāi)量對(duì)彈性密封墊接觸面之間的接觸力有較大的影響。張子新等[17]定義不同接縫張開(kāi)量下密封墊的耐水壓與接縫未發(fā)生張開(kāi)變形下密封墊耐水壓的比值為耐水壓折減系數(shù)fw，張開(kāi)量越小，密封墊耐水壓折減系數(shù)越小，接觸應(yīng)力越大，防水能力越好，得到了張開(kāi)量對(duì)耐水壓折減系數(shù)的影響：

fw(O)=-0.206O+1

(1)

式中：

fw(O)——張開(kāi)量對(duì)耐水壓折減系數(shù)，0

O——張開(kāi)量大小，mm。

本文在研究不同內(nèi)水壓力作用下管片接縫張開(kāi)量大小的基礎(chǔ)上，結(jié)合接縫張開(kāi)量對(duì)耐水壓力折減系數(shù)的影響關(guān)系，可以得到本工程在不同工況下接縫的防滲性能(見(jiàn)表6所示)。

從表6可以看出，隨著隧洞內(nèi)水壓力的增大，管片接縫處隨之出現(xiàn)不同的張開(kāi)量，而張開(kāi)量的增大會(huì)導(dǎo)致接縫彈性密封墊接觸力減小，導(dǎo)致接縫防滲性能減弱；在內(nèi)水壓力為0.2 MPa時(shí)，相鄰塊與標(biāo)準(zhǔn)塊之間的耐水壓折減系數(shù)已經(jīng)衰減至0.420 728，需要重視此處的抗?jié)B問(wèn)題，采用注漿等方法予以處理。

表6 不同工況下盾構(gòu)管片各接縫位置處耐水壓折減系數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托榕江—關(guān)埠引水隧洞工程，針對(duì)該工程采用的管片設(shè)計(jì)形式建立了管片—接頭—螺栓組合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，以此模型探討了隧洞管片及接縫在不同內(nèi)水壓力作用下的力學(xué)特性與張開(kāi)特性，得出以下結(jié)論：

1) 本文建立的管片—接頭—螺栓組合結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型能夠較好地反映隧洞所處工程與水文地質(zhì)情況，可以得到隧洞管片及接縫在不同內(nèi)水壓力作用下的力學(xué)特性與張開(kāi)特性；

2) 內(nèi)水壓荷載的作用，對(duì)盾構(gòu)隧洞運(yùn)行期管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有著顯著的影響。隨著內(nèi)水壓力增大，盾構(gòu)管片的最大拉應(yīng)力值與最大壓應(yīng)力值也不斷增大，主應(yīng)力值變化較為明顯。而且隨著內(nèi)水壓的增加，其盾構(gòu)管片的豎向變形值逐漸增加。當(dāng)內(nèi)水壓為0.2 MPa時(shí)，盾構(gòu)管片豎向變形值最大，為3.303 mm，且內(nèi)水壓從0.15 MPa增加到0.2 MPa，盾構(gòu)管片豎向變形的變形趨勢(shì)也明顯增大。

3) 內(nèi)水壓荷載作用下，要特別注意接縫張開(kāi)較大位置處的接縫防水問(wèn)題。隨著內(nèi)水壓不斷增加，相同管片接縫位置處的管片接縫張開(kāi)量也逐漸增加，當(dāng)內(nèi)水壓為0.20 MPa時(shí)，管片的接縫張開(kāi)量中標(biāo)準(zhǔn)塊(B3塊)與鄰接塊(L2塊)處接縫張開(kāi)量最大，為2.812 0 mm。

4) 建立接縫張開(kāi)量對(duì)彈性密封墊耐水壓折減系數(shù)的公式，用于預(yù)測(cè)防水密封墊在管片不同部位接縫處的不同張開(kāi)量下的耐水壓折減情況，可以為工程中隧道接縫防水能力設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。