顧 鋒

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥高級(jí)工程師)

地鐵隧道橫斷面變形過(guò)大會(huì)引起隧道管片接縫張開、滲漏水、螺栓拉流和管片開裂等病害，極端情況下甚至?xí)斐伤淼澜Y(jié)構(gòu)整體垮塌。目前，對(duì)于隧道橫斷面變形發(fā)展規(guī)律和控制標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)相對(duì)滯后。文獻(xiàn)[1-2]提出隧道橫斷面變形安全控制指標(biāo)及限值，但研究對(duì)象為車輛最高運(yùn)行速度80 km/h的常規(guī)盾構(gòu)隧道。文獻(xiàn)[3-4]利用足尺試驗(yàn)研究隧道結(jié)構(gòu)的承載性能和變形規(guī)律，但主要側(cè)重于設(shè)計(jì)和施工階段隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，尚缺少針對(duì)錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)階段破壞機(jī)制和橫斷面變形規(guī)律的試驗(yàn)硏究。

已運(yùn)營(yíng)的廣州地鐵18號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“18號(hào)線”)為全地下市域快速軌道交通線路(以下簡(jiǎn)為“市域快線”)，列車設(shè)計(jì)速度為160 km/h，區(qū)間為8.5 m外徑的大直徑盾構(gòu)施工錯(cuò)縫拼裝隧道。本文以該線路南沙地區(qū)深厚軟土區(qū)段大直徑盾構(gòu)隧道(以下簡(jiǎn)為“盾構(gòu)隧道”)為研究對(duì)象，模擬分析加、卸載條件下隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形規(guī)律，并以管片接頭允許張開量和螺栓屈服強(qiáng)度為控制指標(biāo)，確定隧道橫斷面變形的控制限值和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)情況

18號(hào)線某區(qū)間隧道位于南沙地區(qū)深厚軟土區(qū)段，其主要穿越土層為淤泥層、淤泥質(zhì)土層、粉質(zhì)黏土層。該區(qū)間軟土地層厚度較大，最大軟土層厚度約為33 m，平均厚度大于10 m，主要土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 廣州地鐵18號(hào)線某區(qū)間主要土層參數(shù)

1.2 管片設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道采用外徑為8.5 m、內(nèi)徑為7.7 m、環(huán)寬為1.6 m的大管片。襯砌環(huán)由4塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1—B4)、2塊連接塊(L1、L2)、1塊封頂塊(F)組成。襯砌環(huán)型式為通用襯砌環(huán)，采用錯(cuò)縫拼裝施工技術(shù)。襯砌環(huán)的接縫連接包括19個(gè)環(huán)縫連接螺栓(型號(hào)為M30)和14個(gè)縱縫連接螺栓(型號(hào)為M30)?；炷凉芷瑥?qiáng)度等級(jí)≥C50，抗?jié)B等級(jí)≥P12，鋼筋采用HPB300級(jí)、HRB400/HRB400E級(jí)鋼，環(huán)縱向螺栓強(qiáng)度等級(jí)不低于6.8級(jí)。

2 隧道橫斷面變形與結(jié)構(gòu)形態(tài)關(guān)系

運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道橫斷面變形的發(fā)展，受到隧道自身結(jié)構(gòu)特征、周圍土體特性及荷載條件變化等眾多因素的共同影響[5]。盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)期，常受到上部堆載和鄰近基坑工程的影響而發(fā)生“橫鴨蛋”形或“豎鴨蛋”形變形，會(huì)嚴(yán)重降低隧道結(jié)構(gòu)的服役性能。本文采用Abaqus數(shù)值軟件，基于荷載-結(jié)構(gòu)法計(jì)算，研究加載及卸載引起的隧道橫斷面變形與結(jié)構(gòu)性態(tài)的發(fā)展規(guī)律。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

建立包含三環(huán)管片的錯(cuò)縫拼裝盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型，管片采用實(shí)體單元，接頭螺栓采用梁?jiǎn)卧摻畈捎描旒軉卧?，如圖1所示。通過(guò)設(shè)置管片-管片、管片-鋼筋、管片-接頭螺栓等接觸面，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和位移的連續(xù)，其中法向接觸行為采用硬接觸，切向接觸采用庫(kù)倫摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.5?；炷帘緲?gòu)采用塑性損傷本構(gòu)模型，螺栓和鋼筋采用三折線彈塑性本構(gòu)模型，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2和表3。

2.2 計(jì)算工況

數(shù)值分析時(shí)選取典型斷面作為研究對(duì)象，隧道頂部埋深約為12.5 m，隧道底部存在較厚的淤泥層，土重度取17 kN/m3，側(cè)土壓力系數(shù)取0.75。側(cè)向土體抗力假定為等腰三角形，與水平直徑上下呈45°，土體抗力系數(shù)取6 000 kPa/m[1]。數(shù)值模擬中采用控制荷載條件的方式使模型發(fā)生不同程度的橫向收斂變形直至結(jié)構(gòu)破壞，以研究管片結(jié)構(gòu)的承載性能及抗變形能力。由于隧道發(fā)生橫斷面變形的本質(zhì)為隧道上覆豎向荷載和水平荷載的比值發(fā)生變化[1]，因此，本文通過(guò)固定水平荷載，增大或減小豎向荷載，使隧道發(fā)生橫斷面變形。

a) 三環(huán)管片模型

表2 混凝土塑性損傷本構(gòu)模型參數(shù)

表3 鋼筋、螺栓材料本構(gòu)參數(shù)

施加豎向及水平荷載至設(shè)計(jì)荷載水平，設(shè)計(jì)荷載分布如圖2所示。對(duì)于加載工況，加載至設(shè)計(jì)荷載水平后保持水平荷載不變，繼續(xù)以同一幅度施加豎向荷載至430 kPa；對(duì)于卸載工況，加載至設(shè)計(jì)荷載水平后保持水平荷載不變，將豎向荷載逐漸減小至0。數(shù)值模型荷載曲線如圖3所示。

圖2 18號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)荷載分布示意圖Fig.2 Design load distribution of shield tunnel in Line 18certain interval

a) 加載工況

b) 卸載工況圖3 18號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道數(shù)值模型荷載曲線

2.3 典型斷面模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與豎向荷載的關(guān)系

選取中間環(huán)進(jìn)行分析，由于盾構(gòu)隧道拱腰處直徑變化量較大，文中所提及的橫斷面變形均為盾構(gòu)隧道拱腰處收斂變形。隧道橫斷面變形與豎向荷載的關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4可知，在加載至設(shè)計(jì)荷載水平前，盾構(gòu)隧道橫斷面變形與外部荷載近似呈線性正相關(guān)。對(duì)于加載工況，當(dāng)豎向荷載超出設(shè)計(jì)荷載后，隧道結(jié)構(gòu)收斂變形發(fā)展進(jìn)入非線性階段，這是由材料的非線性本構(gòu)關(guān)系所致；當(dāng)豎向荷載達(dá)到333.25 kPa時(shí)，豎向荷載-橫向收斂變形曲線平緩，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屈服。對(duì)于卸載工況，在豎向荷載減小至161.25 kPa的過(guò)程中，豎向荷載與橫向收斂變形仍是線性變化關(guān)系；當(dāng)豎向荷載小于161.25 kPa后，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)收斂變形發(fā)展進(jìn)入非線性階段；當(dāng)豎向荷載為119.41 kPa時(shí)，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖4 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與豎向荷載的關(guān)系

2.3.2 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與接縫最大張開量的關(guān)系

由于B2與B3標(biāo)準(zhǔn)塊之間的縱縫(即D縫)位于右側(cè)拱腰處，在加載及卸載兩種工況下，接縫張開量均較大，且加載時(shí)發(fā)生外部張開，卸載時(shí)發(fā)生內(nèi)部張開。選取該接縫進(jìn)行分析，由圖5可知，兩種工況下接縫張開量與橫斷面變形呈現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性。文獻(xiàn)[6]指出，當(dāng)縱縫張開量大于6 mm時(shí)，盾構(gòu)隧道存在較大的滲漏風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于加載工況：D縫張開量達(dá)6 mm、12 mm、18 mm時(shí)，其橫向收斂變形分別為98 mm、166 mm、228 mm。對(duì)于卸載工況：D縫張開量達(dá)6 mm時(shí)，其橫向收斂變形為90 mm；結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，D縫張開量未達(dá)12 mm。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖5 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與接縫最大張開量的關(guān)系

2.3.3 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與縱縫螺栓應(yīng)力的關(guān)系

盾構(gòu)隧道橫斷面變形與縱縫螺栓應(yīng)力的關(guān)系見(jiàn)圖6。由圖6可知，當(dāng)管片結(jié)構(gòu)逐漸加載至設(shè)計(jì)荷載水平時(shí)，位于左側(cè)拱腰的封頂塊F與連接塊L1間縱縫(G縫)的螺栓應(yīng)力較大。對(duì)于加載工況，豎向荷載逐漸增加后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，G縫螺栓應(yīng)力相對(duì)減小，A縫、D縫螺栓應(yīng)力急劇增大；首個(gè)縱縫螺栓(D縫)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度480 MPa時(shí)，橫向收斂變形約為84 mm；當(dāng)橫向收斂變形為151 mm時(shí)，超過(guò)半數(shù)縱縫(A、B、D、F縫)螺栓屈服。對(duì)于卸載工況，螺栓應(yīng)力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)橫向收斂變形為88 mm時(shí)，C、D、G縫螺栓同時(shí)進(jìn)入屈服；當(dāng)橫向收斂變形為141.8 mm時(shí)，D、G螺栓屈服，A、F螺栓接近屈服。此外，可知兩種工況下縱縫螺栓應(yīng)力最大值均發(fā)生在盾構(gòu)隧道拱腰位置。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖6 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與縱縫螺栓應(yīng)力的關(guān)系

2.3.4 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與環(huán)縫螺栓應(yīng)力的關(guān)系

選取中環(huán)與上環(huán)(Z軸前進(jìn)方向)間10個(gè)環(huán)縫螺栓應(yīng)力發(fā)展進(jìn)行分析，見(jiàn)圖7。對(duì)于加載工況，橫斷面收斂變形為103 mm時(shí)，6號(hào)環(huán)縫螺栓應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度480 MPa；橫斷面收斂變形為310.2 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，3、5、7、8號(hào)螺栓接近屈服。對(duì)于卸載工況，橫斷面收斂變形為88 mm時(shí)，1、5號(hào)環(huán)縫螺栓應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度；橫斷面收斂變形為141.8 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，3號(hào)、4號(hào)、8號(hào)及10號(hào)環(huán)縫螺栓應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度，7號(hào)螺栓接近屈服。由此可知，環(huán)縫螺栓應(yīng)力最大值多發(fā)生在右側(cè)拱腰處。

2.3.5 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)損傷開裂過(guò)程

加載及卸載工況下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)損傷云圖見(jiàn)圖8。由圖8可知，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)裂縫均主要分布在拱頂、拱底及拱腰附近，封頂塊所在區(qū)域受拉損傷發(fā)展不明顯。當(dāng)加載/卸載量達(dá)到53.75 kPa時(shí)，管片開始出現(xiàn)裂縫，對(duì)應(yīng)的橫斷面收斂變形分別為19.8 mm(加載)、15 mm(卸載)；當(dāng)加載/卸載量達(dá)到64.50 kPa時(shí)，管片拱頂處受拉損傷區(qū)域沿縱向貫通，對(duì)應(yīng)的橫斷面收斂變形分別為30.5 mm(加載)、27.1 mm(卸載)；隨著加載/卸載量進(jìn)一步增大，混凝土損傷區(qū)域沿環(huán)向擴(kuò)大、損傷程度加深，當(dāng)兩種工況下結(jié)構(gòu)發(fā)生極限破壞狀態(tài)時(shí)，加載量及卸載量分別為123.37 kPa、95.59 kPa，對(duì)應(yīng)的橫斷面收斂變形分別為310.2 mm、141.8 mm。由此可見(jiàn)：2種工況下管片結(jié)構(gòu)受拉損傷發(fā)展規(guī)律一致，但卸載工況下?lián)p傷開裂情況更嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)發(fā)生受拉破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的卸載量和橫向收斂變形更小。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖7 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與環(huán)縫螺栓應(yīng)力的關(guān)系

a) 加載53.75 kPa

c) 加載123.37 kPa

e) 卸載64.50 kPa

3 盾構(gòu)隧道橫斷面變形安全等級(jí)

上述模擬計(jì)算研究表明，深厚軟土地區(qū)大直徑盾構(gòu)隧道的橫斷面變形與接縫張開量、最大螺栓應(yīng)力以及混凝土結(jié)構(gòu)損傷之間具有較好的相關(guān)性。因此，盾構(gòu)隧道橫斷面變形在一定程度上可以反映盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的性態(tài)發(fā)展。匯總加載及卸載工況下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能隨拱腰處收斂變形的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，如表4所示?？芍?，兩種工況下縱縫張開量與拱腰收斂變形的發(fā)展規(guī)律基本一致，且螺栓發(fā)生屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)隧道收斂變形量值相近。為便于實(shí)際操作，本文確立了統(tǒng)一的大直徑盾構(gòu)隧道橫斷面變形安全等級(jí)劃分方法，見(jiàn)表5。

表4 盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能隨拱腰處收斂變形的發(fā)展

4 結(jié)語(yǔ)

1) 在加載至設(shè)計(jì)荷載水平之前，盾構(gòu)隧道橫斷面變形與外部荷載近似呈線性正相關(guān)；對(duì)于加載工況，當(dāng)豎向荷載超出設(shè)計(jì)荷載后，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)收斂變形發(fā)展進(jìn)入非線性階段；對(duì)于卸載工況，當(dāng)豎向荷載小于161.25 kPa后，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)收斂變形發(fā)展進(jìn)入非線性階段。

表5 盾構(gòu)隧道橫斷面變形安全等級(jí)評(píng)定

2) 盾構(gòu)隧道橫斷面變形與接縫最大張開量、接頭螺栓應(yīng)力、混凝土結(jié)構(gòu)損傷存在一定的內(nèi)在聯(lián)系：①最大接縫張開量位于右側(cè)拱腰處縱縫，且接縫張開量與盾構(gòu)隧道橫斷面變形呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系；②縱縫和環(huán)縫螺栓應(yīng)力最大值均位于盾構(gòu)隧道拱腰處；③管片結(jié)構(gòu)裂縫主要分布在拱頂、拱底以及拱腰附近，加載及卸載引起的結(jié)構(gòu)受拉損傷發(fā)展規(guī)律一致，但卸載工況下?lián)p傷開裂情況更為嚴(yán)重。

3) 以盾構(gòu)隧道拱腰處收斂變形為控制指標(biāo)，建立了大直徑盾構(gòu)隧道橫斷面變形安全等級(jí)，分為Ⅰ(正常)、Ⅱ(退化)、Ⅲ(劣化)、Ⅳ(惡化)、Ⅴ(危險(xiǎn))共5個(gè)等級(jí)，針對(duì)不同的安全等級(jí)應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。當(dāng)盾構(gòu)隧道拱腰直徑變化量超過(guò)80 mm時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，并加強(qiáng)對(duì)拱頂、拱腰接頭的監(jiān)測(cè)。