湛江灣跨海盾構隧道管片變形與受力分析

林偉波， 楊小平， 嚴振瑞， 李　孟， 劉庭金,3,*

(1. 華南理工大學土木與交通學院， 廣東 廣州　510640； 2. 廣東省水利電力勘測設計研究院，

廣東 廣州　510635； 3. 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州　510640)

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湛江灣跨海盾構隧道管片變形與受力分析

林偉波1， 楊小平1， 嚴振瑞2， 李孟1， 劉庭金1,3,*

(1. 華南理工大學土木與交通學院， 廣東 廣州510640； 2. 廣東省水利電力勘測設計研究院，

廣東 廣州510635； 3. 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州510640)

摘要：以湛江灣跨海盾構隧道工程為背景，應用數值分析方法，建立了單環襯砌結構的三維有限元精細模型，研究了在不同水頭作用下單環管片結構以及接縫部位的變形情況。采用修正慣用法得出在最大水頭作用下管片結構的內力分布，由此推算出管片內、外側的環向鋼筋應力，并與現場的應力監測數據進行對比。研究表明： 1)高水壓作用下，單環管片襯砌的變形呈現“橫鴨蛋形”，且管片結構變形和接縫張開量均與外水壓力變化呈線性關系； 2)作用水頭每增加10 m，襯砌結構中各接縫張開量絕對值約增加0.5 mm； 3)采用修正慣用法計算得到的鋼筋應力與實測結果較為吻合，較好地反映了隧道管片的實際受力狀態。

關鍵詞：跨海盾構隧道； 高水壓； 管片變形； 管片受力； 三維有限元精細模型； 修正慣用法

0引言

在解決越江跨海工程問題上，隧道相較于橋梁有著許多優勢，主要為： 1)不會制約航運發展，有利于船舶通行，且不受氣象條件影響； 2)具有很強的承載能力，一般無通行車輛載重限制； 3)具有很強的抵抗戰爭破壞、自然災害和突發事件能力等[1]。

我國在跨江越海水下盾構隧道建設上雖起步較晚，但發展迅猛，在過去二三十年間先后建成了一大批跨江越海水下盾構隧道。表1為近年來國內大型水下盾構隧道主要情況。由表1可以看出，盾構法已經成為目前穿越江海大型隧道的主要施工方法，大斷面、高水壓、大埋深和高速化施工是未來越江、跨海水下盾構隧道的發展方向[2]。

表1　近年來國內大型水下盾構隧道的主要情況

隨著國內大型水下盾構隧道的迅猛發展，高水壓下隧道管片的受力特性也越來越受到研究者的重視。目前，對于越江跨海盾構隧道管片的受力變形主要基于管片加載試驗和有限元數值計算進行研究。封坤等[3]以南京長江隧道管片原型試驗為基礎，研究了大型水下盾構隧道結構在通縫和錯縫拼裝方式下，不同破壞特征以及隧道管片結構彎曲剛度有效率和彎矩提高率隨荷載條件變化的規律。何川等[4]采用了相似模型試驗研究了武漢長江隧道管片在高水壓條件下的力學特征，表明在高水壓下管片軸向應力水平較高，彎矩水平偏小。G. Galli等[5]對隧道進行了三維實體模擬分析，分析結果與二維計算結果比較后，認為三維模擬變形更符合隧道實際情況。周濟民等[6]以獅子洋水下盾構隧道為背景，采用三維殼-彈簧計算模型研究了管片結構在水壓力作用下的內力分布，并與實測數據進行了對比。鄭俊[7]以臺山核電站水下盾構隧道為工程背景，運用FLAC3D軟件分析了管片在施工過程中的受力規律，并運用ANSYS軟件對管片進行三環荷載-結構計算，得到在不同接頭剛度、地基系數和水深下管片的內力變形規律。李圍等[8]采用梁-彈簧模型及有限元數值模擬方法對超大斷面越江盾構隧道在不同拼裝方式下的管片變形和受力進行了分析。黃清飛等[9]針對國內4種典型盾構隧道，利用修正慣用法分析了不同覆土條件下水位變化對管片內力的影響規律。

上述研究中，在計算分析管片內力變形特點時，應用了多種數值分析方法，然而這些數值模擬分析均未能細致考慮管片接頭的細部構造對管片受力變形特性的影響。

本文以湛江灣跨海盾構隧道為例，采用三維數值模擬方法建立了包括接縫細部構造在內的整環管片精細模型，分析了管片在不同水頭下的變形規律； 采用修正慣用法，計算了管片在承受高水壓下的內力分布，推算得出管片環向鋼筋應力，并與現場實測應力值進行了對比。

1工程概況

湛江灣跨海盾構隧道是湛江鋼鐵基地以及東海島經濟技術開發區輸水工程的一部分，輸水工程全長26.4 km，其中跨海段長2.75 km，是目前我國最深的跨海隧道之一。隧道位于湛江港出海的咽喉要道，北接南三島，南接東海島，地理位置十分敏感，是目前穿越亞洲最深人工航道且航道等級最高的跨海管道工程。隧道采用泥水平衡式盾構施工，施工及運營期間管片結構承受最大為0.6 MPa的水頭壓力，是鑒江—東海島供水樞紐的控制性工程。鑒江供水樞紐布置見圖1。

圖1　鑒江供水樞紐平面布置圖[10]

1.1工程地質

圖2　盾構隧道沿線地質剖面圖

土層重度/(kN/m3)黏聚力c/kPa內摩擦角/(°)側向土壓力系數λ地基抗力系數k/(MN/m3)③-2層底部中粗砂(中密)19.528.00.3922.0⑥-1層細砂(中密)19.728.40.4021.7⑥-2層黏土(可塑)18.022.615.30.5121.8⑥-3層粗砂(密實)20.130.20.3235.0

1.2襯砌結構設計

隧道管片混凝土等級為C55，抗滲等級為S12； 管片外徑6.0 m，內徑5.1 m，厚450 mm，管片寬為1.5 m。管片環由6塊管片拼裝而成： 1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)和3塊標準塊(B1、B2、B3)。標準塊圓心角72°，相鄰接塊圓心角64.5°，封頂塊圓心角15°。管片縱、環向手孔均采用M30不銹鋼高強斜螺栓(機械等級A2-70)連接，長度為561 mm，其中同環橫向螺栓12個，垂直于隧道縱向連接各管片成環； 縱向螺栓共10處，以36°的夾角在管片環上均勻布置連接前后管片環。管片襯砌環構造見圖3。

圖3　管片襯砌環構造

管片縱向接縫間設置定位棒，該設計在管片拼裝過程中能夠使管片環形成良好的整環拼裝效果，減小拼裝誤差。由于需要承受0.6 MPa的高水壓，管片接縫處設置了內外雙層止水密封墊，密封墊采用復合型三元乙丙橡膠，能達到在相對壓密后抵御0.7 MPa外水壓的防水要求和保證基準設計期100年的耐久性要求。另外，彈性密封墊外側設有1道聚氨酯膨脹止水條，在密封墊由于長期壓力下產生應力松弛而無法完全止水時，可遇水膨脹達到止水的目的。管片之間靠斜螺栓連接，斜螺栓對混凝土管片結構截面削弱最小，而且拼裝起來相對簡便。圖4為管片結構及接縫部位的現場圖片。

(a)　　　　　　　　　　　　　(b)

2三維數值模擬分析

2.1模型概況

運用Midas/GTS有限元軟件建立整環管片的精細模型，計算分析管片在不同水頭作用下的變形規律和接縫張開量變化情況，模型考慮了管片結構的定位棒、橡膠彈性密封墊、傳力襯墊、手孔和螺栓孔等細部構造，以及螺栓與混凝土、橡膠與混凝土之間的接觸關系。模型中材料均采用彈性本構，接觸單元以Goodman單元模擬。模型中單元數量共420 766個，其中包括35 948個Goodman單元。模型的幾何構造見圖5，有限元模型見圖6。

圖5　幾何構造模型

圖6　有限元模型

2.2計算參數及工況選擇

參考管片設計資料及文獻[11-15]，Goodman接觸單元的力學參數見表3，模型中管片結構選取的主要力學參數見表4。荷載模式采用荷載-結構法，隧道沿線地層主要為砂層和夾砂礫的黏土層，透水性較強，因此土壓力計算采用水土分算原則。

表3　接觸面單元的力學參數

表4　管片結構的主要力學參數

2.3計算結果及分析

考慮南三島側下坡區間和東海島側上坡區間地層的差異(見圖2)，分別研究了盾構隧道在地層③-2和地層⑥-3中不同的水下埋深，管片的變形規律和接縫張開量的變化情況。圖7為隧道水頭和上覆土厚度沿隧道縱向變化示意圖。

圖7　水頭和上覆土厚度沿隧道縱向變化示意

圖8為管片的變形圖，管片在受高水壓作用下發生對稱橫向變形，豎向變形大于水平變形。可見，封頂塊自身剛度較小，抵抗變形的能力較弱，部分內力需由鄰近襯砌結構承擔，從而導致管片變形呈“橫鴨蛋形”。圖9為管片環結構變形與水頭的關系曲線。圖10為管片環結構接縫張開量與水頭的關系曲線(接縫張開量為負值表示接縫處相鄰管片相互靠近)。

圖8　管片的變形圖

(a)管片水平變形與水頭關系

(b)管片豎向變形與水頭關系

(c)管片總變形與水頭關系

(a)地層③-2管片接縫張開量與水頭關系

(b)地層⑥-3管片接縫張開量與水頭關系

從圖9和圖10可以看出，管片環結構變形和接縫張開量絕對值與外水壓力均呈線性關系，外水壓力越大，管片變形和接縫張開量絕對值越大； 管片的接頭張開量均為負值，即在高水壓下整環管片均處于受壓狀態，管片與管片間接縫間距減小，管片整環徑向收縮。根據該隧道工程的監測報告，管片間接觸應力均為壓應力，與模擬管片變形結果有較好的吻合。在最大外水壓力作用下，管片的最大水平變形、上浮變形、下沉變形和總變形量分別為4.4、4.5、5.7、6.9 mm； 隧道作用水頭每增加10 m，各接縫張開量絕對值約增加0.5 mm。在相同的外水壓力下，管片處于地層③-2的變形大于處于地層⑥-3的變形，說明地層抗力對控制管片變形有利，管片所處地層抗力系數越大，管片變形越小。

3管片結構受力計算

3.1管片內力計算結果

為得到隧道管片結構的內力分布，基于修正慣用法，運用同濟曙光軟件盾構隧道模塊計算管片在最大水下埋深、注漿荷載100 kPa的內力分布。

修正慣用法是將管片環作為剛度均勻的環，并考慮管片接頭部分的彎曲剛度下降和環向螺栓處的彎矩提高，即引入彎曲剛度有效率η和彎矩提高率ξ，取圓環的抗彎剛度為ηEI，計算出圓環水平直徑處的變形δ和兩側抗力kδ，然后考慮錯縫拼裝后整體補強效果，進行彎矩重新分配。文章取彎曲剛度有效率η=0.8，彎矩提高率ξ=0.3。

管片內力計算結果見圖11。管片在受高水壓力作用下，管片軸力分布較均勻，且均為壓應力，軸力最大值為4 501 kN，管片軸向應力水平較高，與文獻[9]得到的結果相一致；管片頂部和底部受正彎矩作用，左右部位受負彎矩作用，與管片變形特點相一致，彎矩最大值為332 kN·m。

3.2計算結果與實測對比分析

根據文獻[10]監測數據顯示，管片外壁總壓力在管片拼裝后20 d基本處于穩定狀態，管片內環向鋼筋應力在管片拼裝后20 d局部穩定，之后有些波動。當管片外壁總壓力處于穩定時，認為此時的管片鋼筋應力處于正常荷載下的穩定狀態，因此選取管片拼裝后20 d的鋼筋應力實測值與計算結果進行對比。

選取計算結果中與鋼筋應力計對應位置的軸力與彎矩，采用截面換算的方法，利用鋼筋與混凝土的彈性模量比將截面縱向鋼筋的截面面積換算成混凝土截面面積，計算出截面邊緣應力，最后根據應力-應變關系算出管片內外側鋼筋應力。圖12為現場監測時鋼筋應力計的布置圖，圖13為管片內、外側鋼筋應力實測值和計算值對比曲線圖。

(a) 軸力(單位： kN)

(b) 彎矩(單位： kN·m)

圖12　鋼筋應力計平面布置圖

根據曲線吻合度可知，計算結果與實測值相差不大，該模型能較準確地反映管片的實際受力狀態。若將管片環按時鐘圓盤劃分，管片12:00和06:00位置處外側鋼筋應力比內側鋼筋應力大，03:00位置處內側鋼筋應力比外側鋼筋應力大，10:30位置處內外側鋼筋應力相差不大。表明管片在頂部和底部外側受壓程度比內側受壓程度大，左右部位內側受壓程度比外側受壓程度大，與有限元模型分析得到的管片變形呈“橫鴨蛋形”相吻合，且管片鋼筋應力均為壓應力，與前面得到的管片接縫張開量均為負值(即管片整體徑向內縮)、整環受壓相吻合。

(a) 管片外側鋼筋應力

(b) 管片內側鋼筋應力

Fig. 13Comparison between measured value of circumferential reinforcement stress of segment and calculated value results

4結論與討論

本文介紹了湛江灣跨海盾構隧道工程的概況，運用數值分析方法建立了整環管片的精細模型，計算分析了不同水頭壓力下管片結構及接縫部位的變形規律。采用修正慣用法得到了在最大水頭作用下管片的內力分布，并將計算得到的管片內、外側環向鋼筋應力與實測數據進行對比。主要得到以下結論。

1)管片在高水壓作用下呈對稱變形，且管片豎向變形大于橫向變形； 接縫張開量均為負值，表示整環管片徑向收縮并且呈“橫鴨蛋形”，與現場實測管片間受壓情況相吻合。

2)管片環結構變形量和接縫張開量與外水壓力呈線性關系，外水壓力越大，管片變形量和接縫張開量絕對值越大。管片的最大水平變形、上浮變形、下沉變形和總變形分別為4.4、4.5、5.7、6.9 mm。隧道作用水頭值每增加10 m，各接縫張開量絕對值約增加0.5 mm。

3)采用修正慣用法計算管片內力能較好地反映管片的實際受力情況，計算所得的管片內、外側環向鋼筋應力與實測值較吻合，鋼筋應力水平較低，且都為壓應力，符合盾構隧道管片結構在高外水壓作用下的受力特點。

4)管片12:00和06:00位置處外側鋼筋應力比內側鋼筋應力大，03:00位置處內側鋼筋應力比外側鋼筋應力大，10:30位置處內外側鋼筋應力相差不大，受力特點與有限元模型分析得到的管片變形呈“橫鴨蛋形”相吻合。

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Analysis of Deformation and Stress of Segment of Zhanjiang Bay Sea-crossing Shield Tunnel

LIN Weibo1, YANG Xiaoping1, YAN Zhenrui2, LI Meng1, LIU Tingjin1,3,*

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China; 2.GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou510635,Guangdong,China; 3.StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:A fine three-dimensional finite element model of a segment ring lining structure is established by means of numerical simulation and on the basis of construction of Zhanjiang Bay sea-crossing shield tunnel. The deformation of a segment ring and the segment joint are studied under the effect of different water heads. The modified routine method is adopted to analyze the stress distribution of segment structure under the maximum water head. The circumferential reinforcement stresses of inner and outer segment are calculated and compared with monitoring data. The results show that: 1) Under high water pressure, the single segment ring is deformed into “horizontal ellipse” shape; and the segment structure deformation and joint opening have a linear relation with variations of water-pressure. 2) The absolute joint opening increases by 0.5 mm when the water head increases by 10 m. 3) The reinforcement stress calculated by means of modified routine method is consistent with the monitoring data, so as to reflect the actual force situation of tunnel segment quite well.

Keywords:sea-crossing shield tunnel; high water pressure; segment deformation; stress on segment; fine three-dimensional finite element model; modified routine method

中圖分類號：U 459.5

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0288-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.007

作者簡介：第一 林偉波(1991—)，男，廣東興寧人，華南理工大學巖土工程專業在讀碩士，研究方向為地鐵結構等的靜動力特性分析。E-mail: 465091317@qq.com。*通訊作者： 劉庭金，E-mail: liu_tingjin@163.com。

基金項目：華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主研究課題項目(2016KB16)

收稿日期：2015-09-22; 修回日期： 2015-11-14