劉學(xué)增, 韓先才, 黃常元, 張曉陽, 王振宇
(1. 同濟大學(xué)土木信息技術(shù)教育部工程研究中心, 上海 200092; 2. 國家電網(wǎng)有限公司, 北京 100031; 3. 中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司, 上海 200063)
隨著建設(shè)技術(shù)日趨成熟以及施工對周邊環(huán)境(特別是城市景觀)影響小等特點,盾構(gòu)隧道正逐步成為跨海越江工程的首選方案,如上海長江隧道、南京長江隧道、廈門第二西通道等工程。受工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的影響,越江隧道的地質(zhì)環(huán)境一般較為復(fù)雜,除面臨高水壓侵蝕外,還存在覆土厚度差異大、軟弱不均明顯、周邊環(huán)境多變及河床周期沖淤等問題,使結(jié)構(gòu)受力較為不利,不僅給施工安全帶來較大隱患,而且運營階段隧道受差異沉降、變形過大、螺栓疲勞損傷及管片裂損等結(jié)構(gòu)病害威脅較大,長期運營安全標準及控制指標要求高。
針對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力分析及安全評價,國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究,并取得了豐富的研究成果。文獻[1]運用彈性理論分析盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能,受力工況相對簡單; 文獻[2-3]采用修正慣用法和梁-彈簧模型分析城市地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)力變形,其中彎矩傳遞系數(shù)和接頭彈簧剛度的設(shè)定對分析結(jié)果影響大; 文獻[4]采用三維實體單元和梁單元模擬跨海隧道的管片、螺栓接頭和鋼筋的受力變形,以荷載結(jié)構(gòu)法建立了多環(huán)錯縫拼裝精細化模型,取得了合理的工況數(shù)據(jù)。隧道結(jié)構(gòu)安全評價作為保障結(jié)構(gòu)安全運營的重要方法,已經(jīng)得到越來越多的重視。文獻[5]運用單一指標法對隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形制定安全評價標準; 文獻[6-8]針對隧道結(jié)構(gòu)直徑變形比及接縫等指標,制定結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)等級; 文獻[9-12]通過計算和試驗等方法量化分析安全指標控制值; 文獻[13]研究了施工期瘦西湖水下隧道受力損傷影響因素; 文獻[14]以橢圓率為指標研究了南京越江大直徑盾構(gòu)隧道失穩(wěn)模式; 文獻[15]基于單一指標數(shù)據(jù),采用層次分析法及模糊綜合評價法對各指標數(shù)據(jù)綜合分析,其權(quán)重系數(shù)需參考主觀經(jīng)驗,人為因素影響較大。以上分析多集中于隧道整體變形與承載性能,對粉土地層水下隧道受力演化過程分析以及建立相應(yīng)的健康評價方法方面的研究相對較少,研究成果對蘇通GIL管廊越江隧道工程適用性不高。
本文依托蘇通GIL管廊越江隧道工程,針對岸坡段穿越粉土地層的錯縫拼裝管片結(jié)構(gòu),在提出接頭斜螺栓模擬方法的基礎(chǔ)上,采用荷載-結(jié)構(gòu)法分析隧道結(jié)構(gòu)損傷過程。通過對比淤積和淤灘作用下結(jié)構(gòu)受力性能演化規(guī)律,提出最不利原則確定指標控制值。采用單一指標法評價結(jié)構(gòu)安全狀態(tài),根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)、設(shè)計要求及規(guī)范控制值,制定4級評價標準。
蘇通GIL綜合管廊為“淮南—南京—上海1 000 kV高壓交流輸變電工程”關(guān)鍵節(jié)點,是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、技術(shù)水平最強的超長距離GIL創(chuàng)新工程。隧道結(jié)構(gòu)外徑為11.6 m,管片厚度為0.55 m,環(huán)寬為2 m,混凝土等級為C60,主筋為HRB400級鋼筋。采用“7+1”分塊模式錯縫拼裝,整環(huán)由1個封頂塊、2個鄰接塊和5個標準塊組成。接頭斜螺栓機械性能為10.9級。
本文研究區(qū)段為水陸交界處,隧道埋深為20.61 m,最高水位為20.6 m,最低水位為14.26 m,主要土層分布有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉細砂。隧道穿越粉土層,滲透系數(shù)為5.6×10-5cm/s,屬于弱透水性。相比水土分算,水土合算的荷載最不利,地層彈性抗力系數(shù)為19.9 MPa/m。
隧道錯縫拼裝三維有限元模型如圖1所示。采用ABAQUS數(shù)值計算軟件,基于荷載-結(jié)構(gòu)法建立三維數(shù)值模型,管片襯砌為6面體實體單元,鋼筋和接頭螺栓為梁單元。為消除邊界效應(yīng),建立5環(huán)管片模型,取第3環(huán)管片進行數(shù)據(jù)分析。
管片錯縫拼裝,環(huán)向和縱向管片間設(shè)置法向硬接觸和切向摩擦接觸。參考相關(guān)文獻,混凝土摩擦因數(shù)取為0.4,管片結(jié)構(gòu)與地層之間設(shè)置環(huán)向和徑向地層彈簧以約束整環(huán)運動。
隧道接頭螺栓性能主要考慮彎曲剛度、軸向拉伸剛度和剪切剛度,梁單元可反映彎曲、拉伸和剪切性能。在三維精細化模型中,采用梁單元嵌入(embedded region)管片實體單元模擬斜螺栓。
梁單元嵌入實體單元模擬斜螺栓如圖2所示。梁單元節(jié)點位移由所在實體單元節(jié)點位移線性插值獲得,由此可計算梁單元的應(yīng)力應(yīng)變。斜螺栓梁劃分為2個單元(梁單元1-2和梁單元2-3),擁有3個節(jié)點(節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3),節(jié)點均被嵌入對應(yīng)的實體單元(單元1、單元2和單元3); 梁單元1-2模擬斜螺栓固定端,單元2-3模擬斜螺栓的螺帽和螺身。

(a) 整體模型

(b) 螺栓接頭(局部放大)
Fig. 1 Three-dimensional finite element model of staggered jointed shield tunnel lining

圖2 梁單元與實體單元嵌入關(guān)系
Fig. 2 Embedding relationship between beam elements and solid elements
梁單元中發(fā)揮連接作用的區(qū)段為單元2-3,長度為L23。由等效剛度原則,確定梁單元彈性模量E23計算公式為
式中:Es為螺栓彈性模量;E23為梁單元彈性模量。
鋼筋及螺栓為理想彈塑性模型,管片為混凝土損傷塑性本構(gòu)模型。參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,材料參數(shù)如表1所示,混凝土塑性損傷本構(gòu)模型參數(shù)如表2所示。

表1 材料參數(shù)表

表2 混凝土塑性損傷本構(gòu)模型參數(shù)
水陸交界區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)運營過程中容易出現(xiàn)泥砂淤積(大范圍堆土)、淤灘或船只擱淺(局部堆土)等現(xiàn)象,引起結(jié)構(gòu)外部荷載增加,如圖3所示。淤積加載(大范圍堆土): 隧道頂?shù)缀奢dQ及側(cè)向荷載p同步增大,直至結(jié)構(gòu)破壞。淤灘加載(局部堆土): 隧道僅頂?shù)缀奢dQ增大,側(cè)向荷載p保持不變,直至結(jié)構(gòu)破壞。

(a) 淤積

(b) 淤灘
Q1為頂部土壓力;Qw1為頂部水壓力;Qv為垂直地基反力;p1+pw1為頂部側(cè)向水土壓力;p2+pw2為底部側(cè)向水土壓力;K為地基彈簧;G為管片自重。
圖3淤積和淤灘加載模式(單位: kPa)
Fig. 3 Loading modes of deposition and beaching (unit: kPa)
如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)判據(jù)
設(shè)計荷載為隧道的自然受荷狀態(tài),淤積和淤灘的設(shè)計荷載模式相同,粉土層側(cè)壓力系數(shù)為0.48。設(shè)計荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖4所示。可以看出: 1)隧道水平外擴20.1 mm、頂部下沉6.7 mm、底部隆起15.1 mm; 隧道豎向收斂21.8 mm,直徑變形比遠小于3‰D,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。2)隧道底部混凝土達到抗拉強度。混凝土最大拉應(yīng)力為 2.9 MPa,最大壓應(yīng)力為-16.72 MPa,位于左腰內(nèi)側(cè)。3)鋼筋最大拉應(yīng)力為17.05 MPa,位于頂部內(nèi)側(cè); 鋼筋最大壓應(yīng)力為-81.97 MPa,位于左腰內(nèi)側(cè)。4)螺栓最大拉應(yīng)力為29.92 MPa,位于底部接縫處。
蘇通GIL綜合管廊布設(shè)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)正在動態(tài)監(jiān)測過程中,目前數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定,鋼筋壓應(yīng)力與螺栓軸力分布如圖5所示。可以看出: 1)腰部鋼筋計最大壓應(yīng)力為-34.22 kN(約-34.22×103/(12.52×π)=-69.72 MPa),整環(huán)鋼筋應(yīng)力為-24.76~-69.72 MPa; 2)螺栓軸力計最大值為32.86 kN(約32.86×103/(182×π)=32.29 MPa),整環(huán)螺栓軸力值為0~32.29 MPa。現(xiàn)場實測隧道整體受力分布狀態(tài)和計算結(jié)果基本一致,鋼筋最大壓應(yīng)力與數(shù)值計算值相差14.9%,螺栓最大拉應(yīng)力與數(shù)值計算值相差8%,整體計算結(jié)果吻合較好,一定程度上驗證了計算模型的合理性。
隧道混凝土率先達到抗拉強度,混凝土三軸抗壓強度應(yīng)力分布及變形如圖6所示。可以看出: 1)底部達抗拉強度時,直徑變形比為1.88‰D,接縫張開0.17 mm,均符合設(shè)計和規(guī)范要求; 2)隧道右腰混凝土達單軸抗壓強度-38.5 MPa時,直徑變形比為5.22‰D,超過3‰D的設(shè)計要求,接縫張開0.52 mm,符合規(guī)范要求; 3)隧道右腰混凝土達三軸抗壓強度值-46.2 MPa時,直徑變形比為6.98‰D,接縫張開0.67 mm,符合規(guī)范要求; 4)繼續(xù)加載,直至鋼筋和螺栓屈服。

(a) 混凝土應(yīng)力

(b) 鋼筋應(yīng)力

(c) 螺栓拉應(yīng)力
Fig. 4 Structural stress distribution under design load (unit: Pa)
由上分析可知: 大直徑盾構(gòu)隧道在淤積荷載下,接頭斜螺栓表現(xiàn)良好,螺栓應(yīng)力和接縫張開均偏小,滿足安全要求。粉土層側(cè)向壓力約束下,隧道豎向變形大于水平變形,主要損傷表現(xiàn)為混凝土抗力強度損傷和鋼筋屈服損傷。鋼筋和混凝土應(yīng)力變化規(guī)律如圖7所示。可以看出: 1)腰部鋼筋壓應(yīng)力大于頂?shù)撞繅簯?yīng)力,且增長速率快于頂?shù)撞夸摻顗簯?yīng)力; 2)腰部混凝土壓應(yīng)力大于頂?shù)撞繅簯?yīng)力,增長速率趨于相同。

(a) 鋼筋壓應(yīng)力

(b) 螺栓軸力
Fig. 5 Distribution of compression stress of rebar and axial force of bolt (unit: MPa)
隧道結(jié)構(gòu)損傷變形規(guī)律如表4所示。損傷分5種狀態(tài): 1為設(shè)計荷載,隧道頂?shù)撞炕炷吝_抗拉強度,直徑變形比和裂縫均滿足設(shè)計要求; 2為直徑變形比達3‰D,接縫張開和裂縫均滿足規(guī)范要求; 3為混凝土達單軸抗壓強度,接縫張開和裂縫均滿足規(guī)范要求,直徑變形比超過3‰D; 4為混凝土達三軸抗壓強度,接縫張開和裂縫均滿足規(guī)范要求,直徑變形比超過2倍的設(shè)計要求; 5為鋼筋屈服,左腰鋼筋受壓屈服,接縫張開和裂縫均滿足規(guī)范要求,直徑變形比超過3倍的設(shè)計要求。
隨著加載增大,隧道混凝土率先達到抗壓強度,混凝土三軸抗壓強度應(yīng)力分布及變形如圖8所示。結(jié)構(gòu)損傷過程如下: 底部混凝土達抗拉強度,直徑變形比為1.88‰D,接縫張開0.17 mm,均符合設(shè)計和規(guī)范要求;隧道右腰混凝土達單軸抗壓強度-38.5 MPa,直徑變形比為7.41‰D,超過設(shè)計要求,接縫張開2.34 mm,超過規(guī)范要求; 隧道右腰混凝土達三軸抗壓強度值-46.2 MPa時,直徑變形比為10.1‰D,接縫張開3.58 mm,超過規(guī)范要求。繼續(xù)加載,直至鋼筋和螺栓屈服。

(a) 豎向位移(單位: m)

(b) 混凝土應(yīng)力(單位: Pa)
Fig. 6 Stress distribution and deformation of concrete triaxial compressive strength under deposition

(a) 鋼筋應(yīng)力強度變化規(guī)律

(b) 混凝土應(yīng)力強度變化規(guī)律
Fig. 7 Variation laws of stresses of rebar and concrete under deposition

表4 淤積荷載下隧道損傷變形規(guī)律

(a) 豎向位移(單位: m)

(b) 混凝土應(yīng)力(單位: Pa)
Fig. 8 Stress distribution and deformation of concrete triaxial compressive strength under beaching
淤灘加載過程中,接頭斜螺栓應(yīng)力增加較快,但始終滿足安全要求,主要損傷構(gòu)件為混凝土和鋼筋。鋼筋和混凝土應(yīng)力變化規(guī)律如圖9所示。可以看出: 1)鋼筋壓應(yīng)力值和增長速率關(guān)系為腰部>頂部>底部; 2)混凝土壓應(yīng)力值和增長速率關(guān)系為腰部>頂部≈底部。
隧道結(jié)構(gòu)損傷變形規(guī)律如表5所示。損傷分5種狀態(tài): 1為設(shè)計荷載,隧道頂?shù)撞炕炷吝_抗拉強度,直徑變形比和裂縫均滿足設(shè)計要求; 2為直徑變形比達3‰D,接縫張開和裂縫均符合設(shè)計和規(guī)范要求; 3為加載至混凝土達單軸抗壓強度,裂縫0.2 mm,達到設(shè)計和規(guī)范的控制要求,接縫張開2.34 mm,超出2 mm的規(guī)范要求,直徑變形比超過2倍的設(shè)計要求; 4為加載至混凝土達三軸抗壓強度,接縫張開和裂縫均超出設(shè)計和規(guī)范要求,直徑變形比超過3倍的設(shè)計要求; 5為加載至鋼筋屈服,腰部鋼筋首先受壓屈服,接縫張開和裂縫均超過設(shè)計和規(guī)范要求,直徑變形比超過4倍的設(shè)計要求。

(a) 鋼筋應(yīng)力強度變化規(guī)律

(b) 混凝土應(yīng)力強度變化規(guī)律

損傷狀態(tài)頂部荷載/kPa水平擴張/mm豎向收斂/mm直徑變形比/‰裂縫/mm接縫/mm1(設(shè)計荷載)388.1120.121.81.88D0.0080.172(3‰D)479.0432.034.72.99D0.0240.623(單軸抗壓)788.3478.186.07.41D0.192.344(三軸抗壓)965.65105.7117.210.10D0.443.585(鋼筋屈服)1 134.90132.2147.912.75D0.644.70
2種工況下,隧道結(jié)構(gòu)損傷差異主要表現(xiàn)為荷載、內(nèi)力、變形和損傷部位等方面。淤積和淤灘下隧道損傷差異分析如表6所示。

表6 淤積和淤灘下隧道損傷差異分析
由表6可知: 1)淤灘導(dǎo)致的隧道內(nèi)力、直徑變形比、裂縫、接縫的數(shù)值量和增加速率大于淤積; 2)淤積鋼筋壓應(yīng)力的數(shù)量值和增加速率略大于淤灘。因此,不同工況下,隧道結(jié)構(gòu)受荷損傷導(dǎo)致的內(nèi)力及變形分界點差異明顯,安全控制指標應(yīng)綜合考慮多種工況的損傷分界點。
淤積和淤灘作用下,隧道結(jié)構(gòu)承載損傷依次為混凝土達抗拉強度、混凝土達單軸抗壓強度、混凝土達三軸抗壓強度和鋼筋屈服。淤積下隧道結(jié)構(gòu)承載損傷分界點如圖10所示。淤灘下隧道結(jié)構(gòu)承載損傷分界點如圖11所示。隧道結(jié)構(gòu)損傷可劃分為4個分界階段:初始狀態(tài)至設(shè)計荷載①,淤積和淤灘的受荷相同,結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài);設(shè)計荷載①至混凝土單軸抗壓強度②,直徑變形比達3‰D時,混凝土達抗拉強度,鋼筋保護層受損;混凝土單軸抗壓強度②至三軸抗壓強度③,淤積工況的裂縫和接縫張開均滿足設(shè)計和規(guī)范要求,淤灘工況的裂縫和接縫張開分別為0.2 mm和2.23 mm,超過設(shè)計和規(guī)范要求;混凝土三軸抗壓強度③至鋼筋屈服④,隧道結(jié)構(gòu)強度遠超設(shè)計和規(guī)范要求。

圖10 淤積下隧道結(jié)構(gòu)承載損傷分界點
Fig. 10 Damage boundary points of tunnel structure under deposition

圖11 淤灘下隧道結(jié)構(gòu)承載損傷分界點
Fig. 11 Damage boundary points of tunnel structure under beaching
淤積和淤灘的安全評價應(yīng)滿足: 結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)S<抗力設(shè)計值R、裂縫<0.2 mm、接縫張開<2 mm。淤積和淤灘的分級標準如表7所示。
表7粉土層隧道結(jié)構(gòu)安全等級劃分標準
Table 7 Standards for safety evaluation of tunnel structure in silt stratum

評價等級淤積淤灘Ⅰ<直徑變形比3‰D<設(shè)計荷載①Ⅱ≤混凝土單軸抗壓強度②≤直徑變形比3‰DⅢ<混凝土三軸抗壓強度③<混凝土單軸抗壓強度②Ⅳ≥混凝土三軸抗壓強度③≥混凝土單軸抗壓強度②
以結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)、設(shè)計使用要求和規(guī)范控制值作為安全等級劃分標準,可提取各標準下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形作為安全分級控制值,包括鋼筋應(yīng)力、接縫張開、螺栓軸力、裂縫和直徑變形比等。蘇通GIL管廊隧道為2層箱板結(jié)構(gòu),電力設(shè)備多,狹窄視野嚴重影響直徑變形比觀測,取鋼筋應(yīng)力、接縫張開和螺栓軸力為安全分級控制值。淤積和淤灘下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形值如表8所示。

表8 淤積和淤灘下結(jié)構(gòu)內(nèi)力變形值
安全分級控制值的最不利原則: 根據(jù)各工況的內(nèi)力變形計算值,假設(shè)淤積和淤灘確定的結(jié)構(gòu)安全分級控制值分別為Sj和St,在Sj內(nèi),淤灘的狀態(tài)等級≤淤積的狀態(tài)等級,取淤積Sj為分級標準控制值,否則取淤灘St作為分級標準控制值。根據(jù)最不利原則,隧道結(jié)構(gòu)安全分級控制值如表9所示。
表9粉土層隧道結(jié)構(gòu)安全分級控制值
Table 9 Control values of safety grading of tunnel structure in silt stratum

評價等級鋼筋應(yīng)力/MPa螺栓軸力/MPa接縫/mmⅠ-80≤SR≤150
注:SR為鋼筋應(yīng)力;SF為螺栓軸力;SJ為接縫。
1)荷載-結(jié)構(gòu)法三維精細化模型的鋼筋應(yīng)力和螺栓軸力計算值與隧道健康監(jiān)測值基本一致,說明三維精細化模型合理可靠,梁單元嵌入(embedded region)方法模擬斜螺栓正確有效,損傷過程分析中能有效預(yù)測隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。
2)泥砂淤積作用下,隧道損傷次序為混凝土達抗拉強度、混凝土達抗壓強度和鋼筋屈服,相應(yīng)直徑變形比依次為1.88‰D、6.98‰D和9.81‰D;淤灘作用下,隧道損傷次序為混凝土達抗拉強度、混凝土達抗壓強度和鋼筋屈服,相應(yīng)直徑變形比依次為1.88‰D、10.1‰D和12.75‰D。淤灘導(dǎo)致的直徑變形比1.3~1.5倍于淤積,計算數(shù)據(jù)基本符合工程經(jīng)驗。
3)淤積作用下,結(jié)構(gòu)的接縫、裂縫和鋼筋拉應(yīng)力演化分別為0.008~0.074 mm、0.17~0.98 mm和8~145 MPa; 淤灘作用下,結(jié)構(gòu)的接縫、裂縫和鋼筋拉應(yīng)力演化分別為0.008~0.64 mm、0.17~4.7 mm和8~400 MPa;淤灘導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的接縫、裂縫和鋼筋拉應(yīng)力的數(shù)值量和增加速率遠大于淤積。淤積和淤灘的鋼筋壓應(yīng)力演化分別為-53~-400 MPa和-53~-371 MPa,淤積導(dǎo)致的鋼筋壓應(yīng)力的數(shù)量值和增加速率略大于淤灘。
4)依據(jù)研究結(jié)論與工程經(jīng)驗,選取鋼筋應(yīng)力、螺栓軸力和接縫張開為結(jié)構(gòu)安全控制指標,參照最不利原則,構(gòu)建了粉土層隧道結(jié)構(gòu)安全4級評價標準:Ⅰ級標準為設(shè)計荷載狀態(tài),結(jié)構(gòu)安全;Ⅱ級標準為直徑變形比達3‰D設(shè)計要求,混凝土達單軸抗壓強度,結(jié)構(gòu)基本滿足設(shè)計和抗力強度要求,需密切關(guān)注;Ⅲ級標準為直徑變形比超過設(shè)計要求,裂縫接近規(guī)范控制值,混凝土達三軸抗抗強度,結(jié)構(gòu)不滿足設(shè)計使用要求,應(yīng)檢查修復(fù);Ⅳ級標準為超過Ⅲ級安全控制值的狀態(tài),隧道存在安全風(fēng)險,考慮控制現(xiàn)場情況,制定專項加固方案。
5)本文僅針對粉土層特定直徑的隧道進行結(jié)構(gòu)受力演化分析及對隧道進行安全評價,后續(xù)工作中將分析隧道直徑對隧道結(jié)構(gòu)受力與安全控制指標的影響,并結(jié)合工程后期的原型試驗研究成果,提出蘇通GIL綜合管廊工程隧道結(jié)構(gòu)安全評價方法。