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)。
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)
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)。
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。
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。
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
2.3.1 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
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
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)。