馬成賢 羅馳 李新志
1.中國國家鐵路集團有限公司,北京 100844;2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所,北京 100081;3.石家莊鐵道大學,石家莊 050043
盾構法是目前城市地下鐵道區(qū)間隧道的主要施工方法。盾構管片是盾構隧道的承載主體。在特殊地層中,若同步注漿不均則易在管片背后形成不密實或者空洞,特別是在盾構隧道拱頂處,空洞的存在易使管片受荷不均勻,導致管片出現(xiàn)變形,甚至裂損、滲漏及掉塊,降低管片承載能力,對隧道結構的正常使用和長期安全影響顯著。因此,研究盾構管片背后空洞導致管片結構破壞規(guī)律對盾構隧道安全防護具有重要意義。
已有研究表明采用沖擊回波法、探地雷達、小排列地震散射掃描等物探手段對隧道背后空洞缺陷尺寸、空洞缺陷直徑、位置等進行探測并進行鉆孔取芯驗證,有效確定了背后空洞展布情況[1-3]。在管片受力及損裂方面,管片裂損受到盾構施工期間多種因素影響。龔琛杰等[4]總結歸納了典型管片裂損模式及分布規(guī)律,管片裂損包含縱縫裂損、環(huán)縫裂損、邊角裂損、螺栓孔裂損、管片本體裂損和環(huán)間錯臺,其中裂損位置集中于拱頂及其左右45°范圍。李軍等[5]通過現(xiàn)場調(diào)查、跟蹤監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法,發(fā)現(xiàn)導致襯砌管片應力集中和局部裂損的主要原因,是由于隧道漏水、漏沙等水土流失導致的襯砌背后巖土體承載力減弱。盧岱岳等[6-7]明確了施工階段管片襯砌結構受到盾構頂進力、密封油脂壓力、注漿壓力、拼裝荷載等多種荷載作用,使得襯砌管片的力學行為更為復雜,具有典型的三維隨機特性。丁小彬等[8]分析了隧道結構因地層損失產(chǎn)生不同橢圓度變形情況下管片結構受力情況,盾構結構最大主應力與橢圓度呈現(xiàn)非線性關系。梁榮柱等[9]推導得到類矩形盾構隧道的縱向等效抗彎剛度解析解,并對影響縱向等效剛度的相關因素進行探究。張增[10]采用有限元分析軟件ABAQUS建立管片局部破損及錯臺模型,對管片受力與變形特征進行分析。孫文昊等[11]指出位于斷層破碎帶區(qū)域盾構隧道會遭到不同程度的結構破壞,管片錯臺主要發(fā)生在斷層面交界處。本文以一地鐵盾構隧道拱頂背后空洞為例,采用擴展有限元法研究隧道拱頂背后空洞對管片裂紋、應力特性和變形特性的影響,對管片裂損防治具有指導意義。
擴展有限元是采用單位分解的原理[12],引入有限元形函數(shù)來作為單位分解函數(shù),在此基礎上加入了可以反映間斷的跳躍函數(shù)以及裂紋漸進位移場函數(shù)。擴展有限元由于能夠很方便地計算大多斷裂問題,被廣泛應用于混凝土結構的斷裂分析領域。
擴展有限元在模擬裂縫擴展問題時,不需要對網(wǎng)格進行重劃分。相比于傳統(tǒng)有限元計算方法,擴展有限元在處理開裂問題時能有效提高計算效率,并適用于多接觸、動力荷載等復雜狀態(tài)下的材料開裂問題,是分析解決裂紋擴展問題的一種十分有效的數(shù)值模擬手段。
該地鐵隧道盾構區(qū)間上行線長1 067.3 m,最大縱坡23%,平面曲線最小曲率半徑5 000 m,區(qū)間下行線長1 037.2 m,最大縱坡24%。區(qū)間覆土厚度為9.7~16.9 m,隧道直徑10.5 m,線路縱斷面大體呈V字坡,隧道區(qū)間主要穿越的地層為淤泥粉細砂交互層、淤泥夾砂、含泥中粗砂、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)黏土,采用復合式土壓平衡盾構進行施工。
施工期間由于復雜地層及施工問題,易出現(xiàn)注漿不均的問題。由于不均勻注漿的影響,該隧道在部分區(qū)段出現(xiàn)注漿過少引起的襯砌背后空洞,或者注漿過多引起的管片內(nèi)力增大等現(xiàn)象。尤其以隧道拱頂背后空洞最為普遍,多處隧道拱頂出現(xiàn)裂損,甚至掉塊的現(xiàn)象,如圖1所示。
圖1 拱頂背后空洞引起裂損和滲漏水
采用有限元軟件建立三維隧道-地層有限元模型,對盾構隧道拱頂背后空洞引起的管片開裂機理進行研究。計算模型沿隧道縱向長度為30 m,模型橫截面尺寸為60 m×60 m。對于邊界條件,限制模型左右面、前后面和下表面的法向位移,設置模型上表面為自由面。隧道周圍地層土體與盾構管片結構假設為連續(xù)體,其物理力學參數(shù)見表1。該模型劃分采用線性C3D8R網(wǎng)格單元,地層模型的本構關系采用Mohr?Coulomb本構模型,盾構隧道管片采用各向同性的線彈性體模型,并設置擴展有限元(XFEM)開裂準則。
表1 隧道模型計算參數(shù)
根據(jù)實際工程中拱頂空洞情況,假設空洞寬度d=0.5 m、深度s=0.5 m,選取盾構拱頂背后沿環(huán)向夾角α=5°、10°、15°、20°四種工況為研究對象,研究空洞大小對盾構管片裂紋擴展的影響。盾構隧道拱頂背后空洞如圖2所示。在計算模型中,隧道開挖完成后的模型和模型中洞頂背后空洞位置如圖3所示。
圖2 盾構隧道拱頂背后空洞示意
圖3 隧道模型及拱頂背后空洞位置
盾構拱頂背后沿環(huán)向5°、10°、15°、20°范圍存在空洞時襯砌管片的裂紋擴展情況如圖4所示。
圖4 盾構拱頂空洞導致的管片裂紋擴展情況
從圖4可知:拱頂背后空洞范圍對管片裂紋的分布位置、擴展方向、最終裂紋形狀有很大影響。當沿環(huán)向5°范圍存在空洞時,初始裂紋出現(xiàn)在隧道仰拱的管片內(nèi)側,并且沿著管片走向發(fā)展;最終,在極限承載力情況下仰拱內(nèi)側形成了沿管片走向的縱向裂紋。隨著空洞范圍的增大,初始裂紋逐漸出現(xiàn)在隧道拱頂空洞的管片外側,并且沿著隧道環(huán)向發(fā)展,在極限承載力情況下拱頂空洞處管片外側形成了環(huán)向裂紋。
以盾構拱頂背后沿環(huán)向5°、15°范圍存在空洞為例,研究拱頂背后空洞對襯砌管片應力的影響,應力云圖見圖5。
圖5 拱頂背后不同空洞時管片應力云圖(單位:Pa)
由圖5可知:當盾構拱頂背后沿環(huán)向5°范圍存在空洞時,拱頂空洞對管片應力影響較小。管片最大主應力出現(xiàn)在隧道仰拱處,其值為1.911 MPa,與其初始裂紋位置一致;而最小主應力出現(xiàn)在拱頂空洞兩側處,其值為-2.157 MPa。當盾構拱頂背后沿環(huán)向15°范圍存在空洞時,管片空洞處應力集中非常明顯,空洞范圍的最大主應力和最小主應力均近似呈橢圓形;最大主應力值為5.825 MPa,出現(xiàn)在隧道拱頂空洞邊緣處。兩種工況下襯砌管片的最大主應力均高于混凝土的極限抗拉強度(1.890 MPa),因此才導致盾構管片上均出現(xiàn)了裂紋。初始裂紋位置與最大主應力位置基本一致。
盾構拱頂背后沿環(huán)向5°、10°、15°、20°范圍存在空洞時襯砌管片的位移見圖6。可知:盾構襯砌管片位移從上至下逐漸減小,最大位移在拱頂處;由于拱頂背后空洞的存在,拱頂空洞附近的管片位移明顯增大,并且隨著空洞范圍的增加而增大,沿環(huán)向5°、10°、15°、20°范圍空洞時管片的位移最大值分別為9.783、9.826、12.000、12.870 mm,位移最大值均出現(xiàn)在拱頂空洞范圍的中心位置。
圖6 存在拱頂空洞時的管片位移(單位:m)
1)拱頂背后空洞范圍對管片裂紋的分布位置、擴展方向、最終裂紋形狀都有很大影響。拱頂空洞范圍較小時,裂紋出現(xiàn)在隧道仰拱內(nèi)側,形成沿管片走向的縱向裂紋。拱頂空洞范圍較大時,裂紋出現(xiàn)在隧道拱頂空洞處管片外側,形成環(huán)向裂紋。
2)管片最大主應力位置與裂紋出現(xiàn)位置一致。拱頂空洞范圍較小時,管片最大主應力出現(xiàn)在隧道仰拱處。拱頂空洞范圍較大時,管片空洞處應力集中明顯,最大主應力出現(xiàn)在空洞范圍處。
3)管片位移的最大值出現(xiàn)在拱頂背后空洞范圍的中心,且隨著空洞范圍的增大而增大。