胡建賓 李 桐 劉瑞康 岳健

（1.中建市政工程有限公司，北京 大興 102600；2.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

很多城市沿江而建，為了改善城市交通擁擠的狀況，需要建設(shè)越江隧道；為了滿足隧道下穿江水并且從地面進出的線路布置，一些隧道采用“凹形縱坡”的形式，可近似認為由三折線組成，即劃分為下坡段、轉(zhuǎn)折段(平直段)、上坡段。一些城市越江交通隧道采用雙洞平行布置的形式，以滿足雙向行車的要求，為了節(jié)約土地，雙洞之間靠得較近，即采用小凈距隧道的形式。很多越江隧道采用鋼筋混凝土襯砌作為抵抗水土壓力的主要屏障，無論是在施工期還是在服役期，襯砌的受力性狀都是決定隧道是否安全的關(guān)鍵因素。因此，有必要研究江底凹形縱坡小凈距隧道的襯砌受力性狀。盡管國內(nèi)外學者已經(jīng)取得了一系列相關(guān)的研究成果，但由于該課題涉及到的影響因素較多，還需在數(shù)值模擬方面繼續(xù)研究[1-4]。本文針對江底凹形縱坡小凈距隧道，建立三維數(shù)值模型，研究隧道混凝土襯砌的受力性狀。

1 建立數(shù)值模型

1.1 工程概況

某江底淺埋小凈距隧道，按城市快速路規(guī)格建設(shè)，設(shè)計速度為60km/h。隧道采用盾構(gòu)法施工，挖通先行洞后再開挖后行洞。該越江隧道采用凹形縱坡，最大縱坡坡度為5%。研究區(qū)段的圍巖主要為Ⅴ級強風化粉砂質(zhì)泥巖，江底巖土覆蓋層厚度約為9~11m。采用裝配式鋼筋混凝土圓形襯砌，襯砌混凝土的強度等級為C50，抗?jié)B等級P12，襯砌環(huán)的外直徑B為11.3m，襯砌厚度為0.5m。

1.2 有限元模型分析

建立三維有限元數(shù)值模型如圖1 所示，雙洞間凈距的變化范圍為0.5B~2.5B。模型寬160m，高80m，下坡段與上坡段均為200m 長，轉(zhuǎn)折段（平直段）長22m。計算參數(shù)如表1 所示，掘進壓力取為240kPa，千斤頂推力取為4558kPa，下坡段、轉(zhuǎn)折段、上坡段的注漿壓力分別取為317kPa、328kPa、353kPa。模擬環(huán)節(jié)如表2所示。

表1 材料的計算參數(shù)

表2 模擬環(huán)節(jié)說明

圖1 數(shù)值模型

根據(jù)本文特殊的研究目的，施工期只考慮江水壓力，沒有計算滲流；服役期則參照文獻[5]的原理計算滲流應力耦合。凹形縱坡轉(zhuǎn)折段的位置最低，易發(fā)生滲水，因此在服役期研究雙洞轉(zhuǎn)折段襯砌下半部同時滲水的影響（壓力水頭設(shè)為0）。模型底面位移固定，4 個側(cè)面均限制法向位移；枯水期江水最深取為10m，與江水接觸的模型頂面為自由面，為透水邊界，頂面的總水頭取為90m。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 不同位置受力分析

對于凹形縱坡隧道，斜坡段與轉(zhuǎn)折段交界處的下轉(zhuǎn)處襯砌與轉(zhuǎn)上處襯砌統(tǒng)稱為“交界處襯砌”。以雙洞凈距0.5B為例，先行洞交界處襯砌的最大壓應力在不同環(huán)節(jié)的變化曲線如圖2 所示，先行洞交界處襯砌在環(huán)節(jié)7的最小主應力云圖如圖3所示。計算得知：

圖2 先行洞交界處襯砌的最大壓應力變化曲線

圖3 先行洞交界處襯砌在環(huán)節(jié)7的最小主應力(單位：kPa)

（1）在施工階段，先行洞的下轉(zhuǎn)處襯砌與轉(zhuǎn)上處襯砌的最大壓應力均呈現(xiàn)為“雙折線”形態(tài)，但兩條分布曲線并不重合。在施工完先行洞的轉(zhuǎn)折段后，先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌壓應力的最大值為4364kPa，出現(xiàn)在遠離中夾巖一側(cè)的拱肩處；先行洞轉(zhuǎn)上處襯砌壓應力的最大值為3941kPa，出現(xiàn)在偏向中夾巖一側(cè)的邊墻處。在施工完先行洞上坡段后，先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌壓應力的最大值為4341kPa，出現(xiàn)在遠離中夾巖一側(cè)的拱肩處；先行洞轉(zhuǎn)上處襯砌壓應力的最大值為5750kPa，出現(xiàn)在偏向中夾巖一側(cè)的邊墻處。在施工完后行洞下坡段后，先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌壓應力的最大值為4474kPa，出現(xiàn)在遠離中夾巖一側(cè)的拱肩處；先行洞轉(zhuǎn)上處襯砌壓應力的最大值為5781kPa，出現(xiàn)在偏向中夾巖一側(cè)的邊墻處。在施工完后行洞轉(zhuǎn)折段后，先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌壓應力的最大值為4613kPa，先行洞轉(zhuǎn)上處襯砌壓應力的最大值為6138kPa，均出現(xiàn)在偏向中夾巖一側(cè)的邊墻處。在施工完后行洞上坡段后，先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌壓應力的最大值為4668kPa，先行洞轉(zhuǎn)上處襯砌壓應力的最大值為6312kPa，均出現(xiàn)在偏向中夾巖一側(cè)的邊墻處。

（2）從先行洞的縱向看，下轉(zhuǎn)處襯砌與轉(zhuǎn)上處襯砌二者所處的位置關(guān)于中間斷面對稱，如果不考慮施工過程的影響，在服役期轉(zhuǎn)折段襯砌下半部滲水影響下，這兩環(huán)襯砌的襯砌應力變化似乎應該一致。但計算結(jié)果表明：服役期轉(zhuǎn)折段襯砌下半部滲水前后，先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌的最大壓應力由4668kPa 增大到4821kPa，增大了153kPa；先行洞轉(zhuǎn)上處襯砌的最大壓應力由6312kPa 減小到6124kPa，減小了188kPa。由此可見，在服役期轉(zhuǎn)折段襯砌下半部滲水影響下，這兩環(huán)襯砌的應力變化明顯不同，這正是因為如上所述施工過程的影響不同，這表明研究襯砌在服役期的受力性狀時，宜考慮施工過程的影響，因為施工期襯砌在受力上的缺陷會在服役期發(fā)展直至產(chǎn)生明顯病害。

2.2 最大壓應力的變化曲線

圖4針對5種雙洞凈距，給出了先行洞襯砌的最大壓應力沿凹形縱坡的變化曲線；圖5給出了先行洞交界處襯砌的最大壓應力隨凈距的變化曲線。計算得知：

圖4 先行洞襯砌的最大壓應力沿凹形縱坡的變化曲線

圖5 先行洞交界處襯砌最大壓應力隨凈距的變化曲線

（1）先行洞兩環(huán)交界處襯砌的最大壓應力隨雙洞凈距的變化情況也有所不同。雙洞凈距從0.5B增大到1B時，服役期滲水前后的先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌最大壓應力的變化量明顯增大了236kPa；但當雙洞凈距大于1.5B后，最大壓應力的變化量基本穩(wěn)定在466kPa。雙洞凈距從0.5B增大到1.5B時，服役期滲水前后的先行洞轉(zhuǎn)上處襯砌最大壓應力的變化量也較大；但當雙洞凈距大于1.5B后，最大壓應力的變化量基本穩(wěn)定在423kPa。

（2）在服役期滲水前后，對于5 種雙洞凈距，先行洞的下坡段與上坡段的襯砌最大壓應力沿縱坡都呈現(xiàn)類似“斜直線”的分布，但數(shù)值不同；先行洞轉(zhuǎn)折段襯砌的最大壓應力沿縱坡的分布很不規(guī)則，這是因為轉(zhuǎn)折段受到了下坡段與上坡段的耦合影響；從整個凹形縱坡來看，斜坡段與轉(zhuǎn)折段交界處的襯砌是受力的關(guān)鍵部位。以雙洞凈距0.5B情況的先行洞為例：

①在服役期隧道滲水前：從距離中間斷面-210.75m到-11m，先行洞下坡段襯砌的最大壓應力由4994kPa增大到5872kPa，增大了878kPa；從距離中間斷面-11m到11m，轉(zhuǎn)折段襯砌的最大壓應力由4668kPa 增大至6312kPa，增大了1644kPa；從距離中間斷面11m 到210.75m，上坡段襯砌的最大壓應力由6058kPa 減小至5277kPa，減小了781kPa。

②在服役期雙洞轉(zhuǎn)折段襯砌下半部滲水后：從距離中間斷面-210.75m 到-11m，先行洞下坡段襯砌的最大壓應力由4549kPa 增大至5293kPa，增大了744kPa；從距離中間斷面-11m 到11m，轉(zhuǎn)折段襯砌的最大壓應力由4821kPa 增大至6124kPa，增大了1303kPa；從距離中間斷面11m 到210.75m，上坡段襯砌的最大壓應力由5427kPa減小至4517kPa，減小了910kPa。

3 結(jié)束語

（1）從先行洞的縱向看，盡管下轉(zhuǎn)處襯砌與轉(zhuǎn)上處襯砌所處的位置關(guān)于中間斷面對稱，但這兩環(huán)襯砌的應力變化存在明顯不同，這是因為施工過程的影響不同。研究江底隧道襯砌在服役期的受力性狀時，要注意施工過程對不同位置襯砌的影響程度不同，這會導致長期服役后的襯砌健康狀況不同。

（2）雙洞凈距從0.5B增大到1B時，服役期滲水前后的先行洞下轉(zhuǎn)處襯砌最大壓應力的變化量明顯增大了236kPa；但當雙洞凈距大于1.5B后，最大壓應力的變化量基本穩(wěn)定在466kPa。

（3）在服役期滲水前后，對于5 種雙洞凈距，先行洞的下坡段與上坡段的襯砌最大壓應力沿縱坡都呈現(xiàn)類似“斜直線”的分布，但數(shù)值不同；先行洞轉(zhuǎn)折段襯砌的最大壓應力沿縱坡的分布很不規(guī)則，這是因為轉(zhuǎn)折段受到了下坡段與上坡段的耦合影響；從整個凹形縱坡來看，斜坡段與轉(zhuǎn)折段交界處的襯砌是受力的關(guān)鍵部位。建議江底凹形縱坡隧道在維修養(yǎng)護時，注意下坡段、轉(zhuǎn)折段、上坡段的襯砌受力性狀的不同。