鄭浩龍，李長俊，陸鈺銓

（1.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030；2.水下隧道智能設(shè)計(jì)、建造與養(yǎng)護(hù)技術(shù)與裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，浙江 杭州 310030）

0 引言

近年來，盾構(gòu)隧道在我國大型跨河（海）通道以及城市軌道交通中的應(yīng)用日益增多，跨海盾構(gòu)隧道工程往往面臨軟土沉降、水位頻繁升降波動、高水壓等一系列復(fù)雜問題，其隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)復(fù)雜多變[1]。國內(nèi)學(xué)者在跨海盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)方面進(jìn)行了較多的研究，蘇宗賢等[2]提出了荷載-結(jié)構(gòu)模式的殼-彈簧-接觸模型來研究盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為；周濟(jì)民等[3]采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場試驗(yàn)方法研究了水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外荷載及內(nèi)力的變化規(guī)律與分布形態(tài)；何川等[4]采用大斷面水下盾構(gòu)隧道原型結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)系統(tǒng)對南京長江隧道及珠江獅子洋隧道的管片襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究；吳世明等[5]通過現(xiàn)場監(jiān)測對杭州慶春路過江隧道在運(yùn)營期橫斷面結(jié)構(gòu)的受力和變形特性進(jìn)行了研究。本文依托舟山魯家峙至東港公路工程，對隧道盾構(gòu)段的典型斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值建模計(jì)算，分析結(jié)構(gòu)的整體受力與變形狀態(tài)，可為盾構(gòu)隧道運(yùn)營期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案提供指導(dǎo)。

1 工程概況

魯家峙至東港公路工程項(xiàng)目全長2.225km，全線設(shè)有一座總長1 920m隧道，是浙江省第一條公路工程海底盾構(gòu)隧道。隧道盾構(gòu)段主體位于沈家門港海域，由魯家峙側(cè)海積平原區(qū)進(jìn)洞，穿過沈家門港海域，從沈家門側(cè)海積平原區(qū)出洞，全程采用大直徑泥水盾構(gòu)施工，最大挖深約25m。如圖1所示。隧道盾構(gòu)段施工主要穿越的土層為淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土、（含礫粉質(zhì)）黏土、（粉質(zhì)）黏土等，河床歷史最高水位為3.26m，歷史最低水位為-2.79m。

圖1 隧道盾構(gòu)段地層剖面圖

2 數(shù)值模型

選取代表性斷面A與斷面B，針對隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)合地勘資料及相關(guān)監(jiān)測資料，斷面A位于沈家門港海域的水深最大處、覆土最淺處，隧道整體主要穿越（含礫粉質(zhì)）黏土層；斷面B處于魯家峙側(cè)堤壩下方，隧道上半部分處于淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土層，下半部分處于（含礫粉質(zhì)）黏土層，具體地層圖見圖2。

圖2 隧道盾構(gòu)段代表性斷面地層圖

采用勻質(zhì)圓環(huán)法進(jìn)行建模，隧道襯砌采用二維梁單元，梁為直徑11.05m的圓形梁，梁單元截面為尺寸1m×0.5m的矩形截面。其中，0.5m對應(yīng)管片厚度，1m對應(yīng)沿隧道軸向的寬度。管片材料為C60混凝土，重度為2 500N/m3，泊松比為0.2，彈性模量取28.8GPa。其中，彈性模量考慮了管片接縫存在引起的剛度折減，參考相關(guān)研究取折減系數(shù)為0.8[6]。

對兩個(gè)斷面分別建立荷載結(jié)構(gòu)模型（見圖3）。荷載包括上部土體應(yīng)力、側(cè)向土壓力、水壓力及地基反力。地層相關(guān)參數(shù)見表1，計(jì)算工況見表2。隧道發(fā)生變形會引起局部襯砌向外擴(kuò)張擠壓地層，產(chǎn)生地層抗力，地層抗力采用全周非線性彈簧模擬，定義非線性彈簧在受壓時(shí)的彈性剛度與相應(yīng)地層的彈性抗力一致，受拉時(shí)彈簧的彈性剛度近似為零。斷面B中根據(jù)地層抗力系數(shù)不同分別定義兩類彈簧，斷面A中只設(shè)一類彈簧。

圖3 盾構(gòu)隧道荷載加載與地層彈簧示意圖

表1 斷面A與B地層參數(shù)

表2 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

各工況的模擬計(jì)算結(jié)果分別見圖4～圖7。各工況下襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力、剪力、位移均呈現(xiàn)一定的共性規(guī)律。彎矩如圖4（a）～7（a）所示，整體分布呈蘋果狀，最大正彎矩均出現(xiàn)于隧道拱頂，除了拱頂區(qū)域外，拱底一定區(qū)域也會出現(xiàn)正彎矩，但比拱頂正彎矩小；最大負(fù)彎矩出現(xiàn)于隧道拱肩部分，隧道拱腳部分也會出現(xiàn)負(fù)彎矩，但比拱肩的負(fù)彎矩小。軸力如圖4（b）～7（b）所示，整體分布大致呈橢圓狀，最大軸力均出現(xiàn)于拱腰部位，從拱頂?shù)焦把俚焦暗?，軸力呈現(xiàn)先逐漸增大后逐漸減小的趨勢，最小軸力出現(xiàn)于拱頂。剪力如圖4（c）～7（c）所示，其數(shù)值均遠(yuǎn)小于軸力，近似于45°斜對稱。位移如圖4（d）～7（d）所示（隧道的變形均按相同的比例進(jìn)行放大），隧道橫斷面變形模式基本相同，均為拱底拱頂向內(nèi)收斂，拱腰向外張開，斷面由圓形變化為有一定橢圓度。

圖4 斷面A在工況1下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖5 斷面A在工況2下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖6 斷面A在工況3下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖7 斷面B在工況4下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

各工況下的最大正彎矩均出現(xiàn)于拱頂，最小軸力也出現(xiàn)于拱頂區(qū)域，最大正彎矩處對應(yīng)最小軸力；最大負(fù)彎矩均出現(xiàn)于拱肩區(qū)域，而最大軸力出現(xiàn)于拱腰部位。通過對比工況1、2、3可知，隨著水位的上升，襯砌最大正負(fù)彎矩值與之對應(yīng)的軸力以及豎直與水平向變形量均增大。通過對比工況1～3與工況4可知，工況1～3計(jì)算得到的“蘋果狀”彎矩圖更為飽滿，這是工況4中隧道斷面穿越兩種地層導(dǎo)致的結(jié)果，工況4計(jì)算得到的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及豎直與水平向的變形量均大于工況1～3，主要原因是斷面B處隧道所受的上部荷載較大。

斷面A在工況2下的直徑變形量最大為13.8mm，斷面B的直徑變形量最大為16.0mm，根據(jù)《盾構(gòu)隧道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51438—2021）中規(guī)定盾構(gòu)隧道收斂變形應(yīng)不超過2‰D，該隧道外徑D=11.5m，2‰D=23mm，計(jì)算變形值小于規(guī)定允許值，處于安全范圍。

綜上所述，影響襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的主要因素有地層組合模式、水位、上部荷載等。隧道穿越不同地層時(shí)，不同的地層組合模式下的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力在橫斷面上的分布差異較大；在相同的地層組合模式及相同的上覆地層下，隨著水位升降變化，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力在橫斷面上分布形式并未發(fā)生明顯變化，但其內(nèi)力值均受較大影響；隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的大小受上部荷載大小的影響明顯，上部總荷載越大，斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力也相應(yīng)增大。

取計(jì)算結(jié)果中不同工況下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在典型部位上的軸力及彎矩值進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，結(jié)果如表3所示。

表3 盾構(gòu)隧道不同工況各部位安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表3可知，隧道襯砌結(jié)構(gòu)所有部位的安全系數(shù)均大于1，表明均處于安全狀態(tài)。安全系數(shù)由小到大可排序?yàn)椋汗绊敚脊凹纾脊暗祝脊把?，拱頂及拱肩處的安全系?shù)相對較小，在運(yùn)營期的隧道健康監(jiān)測中應(yīng)加強(qiáng)對這些敏感薄弱部位的監(jiān)測。對比可知，水位的升高會使隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)更為不利。

4 結(jié)語

依托魯家峙至東港公路工程，對盾構(gòu)法跨海公路隧道進(jìn)行運(yùn)營期結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算，分析并對比了不同工況下隧道結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律和結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)，研究結(jié)論如下：

（1）影響跨海盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的主要因素有水位、地層組合模式、埋深等，水位以及隧道埋深對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力值有較大影響，地層組合模式對斷面上內(nèi)力的分布形式有較大影響。

（2）通過安全系數(shù)對比可知，盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的拱頂及拱肩處較為薄弱，在隧道運(yùn)營期應(yīng)加強(qiáng)對此類敏感薄弱部位的監(jiān)測。