孟慶軍,徐 飛,孫飛祥,劉松地,徐文平,王鳳弟

(1.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,廣西 南寧 530029;2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450001;3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 511458)

0 引言

受限于有限的地表空間,城市地下空間開(kāi)發(fā)需要向更為復(fù)雜的立體方向發(fā)展,多條隧道疊交的復(fù)雜工況愈加常見(jiàn),這為城市空間開(kāi)發(fā)打開(kāi)新天地的同時(shí),也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。新建隧道的開(kāi)挖卸荷作用會(huì)打破周邊地層應(yīng)力場(chǎng)平衡而產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)重分布,導(dǎo)致周邊隧道發(fā)生隆起、錯(cuò)臺(tái)、滲漏甚至斷裂等事故［1］。為此,眾多學(xué)者針對(duì)疊交隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征開(kāi)展了廣泛研究。相關(guān)研究方法包括理論解析、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析等［2-8］。在理論解析法方面,隧道結(jié)構(gòu)多被假設(shè)為彈性梁［6-7］,為了考慮管片結(jié)構(gòu)間的剪切變形又在環(huán)間引入了彈簧模型［9-10］;在數(shù)值分析法方面,通過(guò)建立三維模型開(kāi)展不同工況下疊交隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征分析［5,11］;在室內(nèi)模型試驗(yàn)方面,多借助離心機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)［4］;在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析方面,眾多學(xué)者結(jié)合具體工程分析了上穿隧道施工引起的已建隧道結(jié)構(gòu)變形特征［2-3］。然而,已建地鐵隧道環(huán)與環(huán)之間通過(guò)螺栓連接,且接觸面設(shè)置有密封墊,將地鐵隧道考慮為一均質(zhì)彈性體必然與實(shí)際不符,朱偉東［12］分析了連接方式和連接剛度、接頭剛度對(duì)裝配式管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及管片的影響;齊永潔［13］采用綜合考慮管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)和轉(zhuǎn)動(dòng)變形效應(yīng)的協(xié)同變形模型,推導(dǎo)計(jì)算了堆載引起的隧道附加荷載;汪亦顯等［14］采用局部剛度折減法并結(jié)合接頭張合狀態(tài)的力學(xué)模型進(jìn)行盾構(gòu)管片力學(xué)性能的數(shù)值模擬分析。此外,在長(zhǎng)期列車(chē)動(dòng)荷載和地下水侵蝕等作用下,螺栓產(chǎn)生應(yīng)力松弛,密封墊不同程度老化,如何評(píng)估管片結(jié)構(gòu)環(huán)與環(huán)之間連接關(guān)系顯得尤為關(guān)鍵［15-16］。因此,本文從折減管片環(huán)與環(huán)連接位置強(qiáng)度的角度出發(fā),探究隧道上穿對(duì)不同強(qiáng)度折減條件下隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征的影響。本研究?jī)?nèi)容對(duì)指導(dǎo)施工和優(yōu)化理論具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義和理論意義。

1 工程概況

某長(zhǎng)度為42m的頂管上穿既有2條地鐵隧道,地鐵隧道分別位于頂管下方垂直距離1.3m和1.6m。該處地質(zhì)由上到下分別為：素填土、黏土、粉土、圓礫、泥巖(粉砂質(zhì)泥巖),其中,頂管上穿黏土和粉土地層;已建地鐵隧道穿越粉土和圓礫地層,地鐵隧道埋深10.6m;地下水水位埋深8.5m。各地層物理力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 地層參數(shù)取值Table 1 Properties of soil layers

矩形頂管斷面外輪廓尺寸為6 900mm×4 900mm,管片厚度500mm,管節(jié)長(zhǎng)度1 500mm。管節(jié)材料為CF50,P10防水混凝土。已建地鐵隧道管片內(nèi)徑為5.4m,外徑為6m,環(huán)寬為1.5m,管片材料為C50混凝土。

2 管片強(qiáng)度折減數(shù)值計(jì)算

2.1 管片參數(shù)折減系數(shù)的確定

實(shí)際工程中,單環(huán)管片為多個(gè)分片通過(guò)螺栓連接拼接成環(huán),管片環(huán)與環(huán)之間同樣以螺栓連接而成盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu),隧道結(jié)構(gòu)取混凝土力學(xué)參數(shù)與實(shí)際不符。考慮到地鐵管片環(huán)與環(huán)之間的連接方式為螺栓連接,而非剛性連接;且已運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)部鋪設(shè)有地鐵運(yùn)行的軌道等設(shè)置,很難精細(xì)建模模擬已運(yùn)營(yíng)隧道。本文提出利用折減系數(shù)將管片環(huán)間折減區(qū)域的彈性模量進(jìn)行折減,研究不同折減系數(shù)對(duì)應(yīng)地鐵隧道變形特征。數(shù)值計(jì)算中假定隧道管片為線彈性材料,其體積模量和剪切模量按管片結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)取值;管片環(huán)間折減區(qū)域以對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)取值為基準(zhǔn)進(jìn)行折減,折減系數(shù)分別取表2中所列數(shù)值。C50混凝土彈性模量取34.5GPa,泊松比取0.2,不同折減系數(shù)對(duì)應(yīng)的體積模量和剪切模量如表2所示。

表2 不同折減系數(shù)對(duì)應(yīng)的體積模量和剪切模量取值Table 2 Values of volume modulus and shear modulus corresponding to different reduction coefficients

2.2 數(shù)值模型建立

根據(jù)頂管和地鐵隧道的尺寸及相對(duì)位置建立數(shù)值計(jì)算模型,如圖1所示。模型沿豎向(z)共包括5個(gè)地層,深度30m;沿頂管軸向(x)長(zhǎng)度45m;沿地鐵隧道軸向(y)長(zhǎng)度60m。模型上表面無(wú)約束,作為自有面;側(cè)面施加水平約束;模型底面施加三向約束。地表施加20kPa均布荷載。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

2.3 管片強(qiáng)度折減數(shù)值計(jì)算過(guò)程實(shí)現(xiàn)

頂管隧道施工前,完成模型初始應(yīng)力化,其次完成地鐵隧道開(kāi)挖,并將該過(guò)程計(jì)算產(chǎn)生的變形做歸零處理。對(duì)于新建頂管隧道,考慮其管片厚度較大(500mm),隧道長(zhǎng)度較小,連接螺栓應(yīng)力松弛現(xiàn)象不明顯;此外,頂管管節(jié)預(yù)制生產(chǎn)時(shí),對(duì)管節(jié)增設(shè)預(yù)應(yīng)力孔,頂管通道完成后,穿預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行后張法張拉,加強(qiáng)管節(jié)的整體性,減小隧道上浮的風(fēng)險(xiǎn),故將其考慮為連續(xù)的彈性材料。

對(duì)于地鐵隧道結(jié)構(gòu),假定管片環(huán)向?yàn)檫B續(xù)的均質(zhì)彈性材料。管片結(jié)構(gòu)僅考慮在環(huán)與環(huán)之間一定區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度折減。一般認(rèn)為折減區(qū)域不應(yīng)過(guò)大,但從數(shù)值建模網(wǎng)格劃分及計(jì)算機(jī)算力考慮,該區(qū)域不應(yīng)過(guò)小,管片環(huán)間兩側(cè)各取50mm作為強(qiáng)度折減區(qū)域。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 環(huán)間強(qiáng)度折減對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響

1)隧道結(jié)構(gòu)變形

已建隧道左、右線隧道拱頂位移接近,選左線拱頂位移開(kāi)展分析,隧道結(jié)構(gòu)左、右線位移云圖如圖2所示。不同折減系數(shù)對(duì)應(yīng)的沿隧道軸向的左線隧道拱頂位移分布曲線如圖3所示。由圖可知：①頂管開(kāi)挖卸荷引起的地鐵隧道上浮位移近似呈“正態(tài)分布”,上浮位移由頂管正下方沿隧道軸線向兩側(cè)逐步減小,頂管正下方對(duì)應(yīng)的隧道拱頂上浮位移最大。②折減系數(shù)越小,隧道結(jié)構(gòu)上浮區(qū)段越小,隧道結(jié)構(gòu)最大上浮位移則越大,對(duì)應(yīng)的上浮位移分布曲線越“高瘦”;折減系數(shù)越大,隧道結(jié)構(gòu)上浮區(qū)段越大,隧道結(jié)構(gòu)最大上浮位移則越小,折減系數(shù)越大對(duì)應(yīng)的上浮位移分布曲線越“矮胖”。③折減系數(shù)不小于10-1以及折減系數(shù)不大于10-4時(shí),隧道結(jié)構(gòu)上浮位移變化不再顯著,分別趨于收斂。由此可知,加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)整體性,提高連接位置強(qiáng)度可以有效控制管片上浮位移,但上浮區(qū)域會(huì)顯著增加,不利于已建隧道結(jié)構(gòu)抗浮整體控制;較弱的管片連接強(qiáng)度,可以控制隧道結(jié)構(gòu)上浮區(qū)域,便于采取輔助工法開(kāi)展小區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)上浮控制。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)z向位移云圖(折減系數(shù)取0.01)Fig.2 z-direction displacement cloud diagram of tunnel structure (Reduction factor=0.01)

圖3 左線隧道結(jié)構(gòu)拱頂位移曲線Fig.3 Vault displacement carve of left line tunnel structure

2)隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

管片環(huán)間強(qiáng)度進(jìn)行不同折減情況下對(duì)應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力如圖4所示。由圖4可知,當(dāng)折減系數(shù)大于10-1時(shí),隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力受折減系數(shù)影響明顯;當(dāng)折減系數(shù)小于10-1時(shí),隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力受折減系數(shù)影響則不明顯。

圖4 環(huán)間強(qiáng)度折減后最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力曲線Fig.4 Maximum tensile and compressive stress curves after interring strength reduction

3)管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)

選取頂管正下方三環(huán)連續(xù)地鐵隧道管片進(jìn)行分析,圖5為折減系數(shù)為10-5時(shí)拱頂、拱腰和拱底位移分布曲線。由圖5可知,管片環(huán)間均發(fā)生了不同程度的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。圖6為不同折減系數(shù)條件下隧道拱頂位移分布曲線,由圖6可知,當(dāng)折減系數(shù)不小于10-2,隧道結(jié)構(gòu)的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象不明顯或無(wú)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象;當(dāng)折減系數(shù)不大于10-3,隧道結(jié)構(gòu)存在環(huán)間錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象,且在一定范圍內(nèi),錯(cuò)臺(tái)位移隨折減系數(shù)的降低而增大,當(dāng)折減系數(shù)小于10-5時(shí),環(huán)間錯(cuò)臺(tái)位移趨于收斂。

圖5 拱頂、拱腰和拱底位移分布曲線(折減系數(shù)為10-5)Fig.5 Displacement distribution curves of vault,arch waist and arch bottom (reduction coefficient=10-5)

圖6 不同折減系數(shù)條件下隧道拱頂位移分布曲線Fig.6 Displacement distribution curves of tunnel vault under different reduction coefficients

4 結(jié)語(yǔ)

1)上部新建隧道開(kāi)挖卸荷將使已建隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生上浮現(xiàn)象,上浮位移在新建隧道正下方最大,向兩側(cè)逐漸減小。

2)折減系數(shù)大小影響已建隧道結(jié)構(gòu)上浮位移分布特征。在一定范圍內(nèi),隨著折減系數(shù)的減小,隧道結(jié)構(gòu)最大上浮位移逐步增大,但上浮區(qū)域逐漸減小,呈現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)上浮位移分布曲線由“矮胖”向“高瘦”變化的特征,可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)整折減系數(shù)降低管片結(jié)構(gòu)上浮位移和上浮區(qū)域。

3)隨著折減系數(shù)減小,管片環(huán)間出現(xiàn)不同程度的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。折減系數(shù)不小于10-2時(shí),隧道結(jié)構(gòu)的錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象不明顯;當(dāng)折減系數(shù)不大于10-3時(shí),管片結(jié)構(gòu)環(huán)間錯(cuò)臺(tái)位移隨折減系數(shù)的降低而增大,當(dāng)折減系數(shù)小于10-5時(shí),環(huán)間錯(cuò)臺(tái)位移趨于收斂。加強(qiáng)環(huán)間連接強(qiáng)度有利于控制隧道結(jié)構(gòu)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

4)折減系數(shù)大小影響管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力。當(dāng)折減系數(shù)大于10-1時(shí),隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力受折減系數(shù)影響明顯;當(dāng)折減系數(shù)小于10-1時(shí),隧道結(jié)構(gòu)最大拉、壓應(yīng)力受折減系數(shù)影響則不明顯。