超卸載對內水壓盾構襯砌結構力學性能的影響分析

王勝利，杜 江，范大鵬

(中國人民解放軍32378部隊， 北京 100072)

對于深埋盾構隧道，因其埋深較大，在地下空間資源的開發主要以淺層為主時，臨近施工對其影響較小。但隨著城市地下空間資源的開發走向深層化，深埋隧道受到臨近施工影響的可能性逐漸增大。處于軟土地層中的盾構隧道，具有襯砌結構自身薄弱環節多、地層約束作用弱等特點，使得盾構隧道施工時襯砌結構與周邊臨近結構間的相互擾動極為敏感[1-2]。已建的既有盾構隧道，當隧道周邊臨近施工時，隧道襯砌結構會受到由于臨近施工所引起的地層擾動、作用荷載變化所帶來的影響，造成隧道承載性能劣化[3-7]。當隧道頂部及頂部附近建造新的結構物或上部卸載開挖時，隧道上部的荷載會發生變化[8]，如圖1所示。

圖1 模擬工況示意圖

近年來，全球氣候變化導致暴雨等極端天氣頻發，暴雨過程中地面徑流量快速增加，城市排水管網承受極大壓力，導致我國多數城市在雨季發了嚴重的內澇災害。借鑒發達國家解決城市內澇問題的經驗，上海市提出修建深層隧道排水系統解決日益頻發的內澇問題。該深層排水系統的主隧采用盾構隧道型式，最大埋深約為50 m，運營期內隧道內的最高內水壓力可達到0.6 MPa[9]。由于已有的研究多針對公路或地鐵盾構隧道[10-15]，對于內水壓荷載作用下的深埋盾構隧道受臨近施工荷載影響的研究較少，未能揭示內水壓盾構隧道頂部超載和卸載時襯砌結構的力學響應；基于此，采用三維有限元精細化模型研究超卸載對有內水壓盾構隧道力學性能的影響。

1 數值分析模型

1.1 襯砌環

盾構隧道由襯砌環拼裝形成。在數值模型中，選取的襯砌環數過多時，會造成模型網格數過多，對計算機的計算能力提出了較高要求。考慮到盾構環與環之間的相互作用，選取1個完整環和兩個半環拼裝形成襯砌環進行數值分析，在保障計算精度的前提下可以兼顧計算速度[16]。因接頭位置構造較為復雜，造成模型的建立及網格的劃分較為困難。在模型中管片接頭位置忽略了止水條、止水槽等細部構造。數值分析以中間完整環為主要研究對象。數值分析采用的管片結構模型如圖2所示。

管片混凝土強度等為C60。管片之間的連接采用環向直螺栓，環向螺栓為10.9級M39型螺栓，屈服強度為940 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。襯砌環與環之間的連接采用縱向斜螺栓，環與環之間還設置剪力銷。縱向螺栓為6.8級M36型螺栓，屈服強度為480 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3；剪力銷屈服強度為110 MPa，彈性模量為12 GPa。拼裝完成后的襯砌環如圖3所示。襯砌環內徑9 m，厚度0.6 m，幅寬1.5 m，均分為8塊管片，采用通縫拼裝。

圖2 數值分析管片模型示意圖

圖3 數值分析襯砌環模型示意圖

1.2 荷載位移邊界條件

隧道頂部埋深為50 m，按全覆土重計算豎向土壓力，土體側壓力系數取為0.5。隧道內水壓按靜水壓考慮，拱頂內水壓為0.5 MPa，拱底為0.6 MPa。模型中施加的具體荷載見圖4所示。地層反力采用局部地基彈簧模型，其中法向彈簧剛度取為10 000 kN/m3，切向彈簧剛度取法向彈簧剛度的1/3。除此之外，在數值分析模型中約束襯砌環一側縱向位移，并在襯砌環另一側施加縱向均布壓力，以模擬盾構環與環之間的作用力，如圖5所示。

圖4 襯砌環荷載示意圖

圖5 襯砌環環間作用力施加示意圖

2 超/卸載對高內壓深埋隧道力學性能的影響

2.1 超載影響

隧道頂部超載時，襯砌環整體下沉，且接頭張開量最大的位置位于拱腰上部的接頭，如圖6所示。

圖6 頂部超載數值分析示意圖

隧道頂部超載過程中，襯砌環收斂變形、接頭張開量及螺栓拉力最大值的變化規律見表1和表2所示。

表1 頂部超載時襯砌環收斂變形

表2 頂部超載時接頭張開及螺栓拉力最大值

由表1和表2可知，內水壓荷載作用下，深埋盾構隧道襯砌環的收斂變形、接頭張開量及螺栓拉力最大值均隨超載值增加而增大。已有研究表明，盾構隧道的破壞源于管片接頭的破壞，而管片接頭的破壞由接頭螺栓屈服引起；當螺栓屈服后，會發生較大的塑性變形，無法有效地限制接頭張開，因而造成接頭破壞[17-18]。對于10.9級M39環向螺栓，屈服應力為940 MPa，有效斷面面積為976 mm2，因此其屈服時的拉力約為917 kN[8，16]。當超載值到達180 kPa時，張開量最大的接頭位置(拱腰上部)螺栓最先屈服，拉力達到922.5 kN。根據圖6(a)和表2中的數據，接頭張開及螺栓拉力最大值的接頭均為拱腰上部位置的接頭；當隧道頂部超載時，該接頭為內水壓盾構隧道的薄弱點。

2.2 卸載影響

隧道頂部卸載時，襯砌環整體上浮，且接頭張開量最大的位置位于拱腰下部的接頭，如圖7所示。

圖7 頂部卸載數值分析示意圖

隧道頂部卸載過程中，襯砌環收斂變形、接頭張開量及螺栓拉力最大值的變化規律見表3和表4所示。

表3 頂部卸載時襯砌環收斂變形

表4 頂部卸載時接頭張開及螺栓拉力最大值

由表3和表4可知，內水壓荷載作用下，深埋盾構隧道襯砌環的收斂變形、接頭張開量及螺栓拉力最大值均隨卸載值增加而增大。當卸載值到達180 kPa時，張開量最大的接頭位置(拱腰下部)螺栓最先屈服，拉力達到1029.0 kN。根據圖7(a)和表4中的數據，接頭張開及螺栓拉力最大值的接頭均為拱腰下部位置的接頭；當隧道頂部卸載時，該接頭為內水壓盾構隧道的薄弱點。

當隧道頂部超/卸載達到180 kPa時，接頭螺栓均已屈服，但超載180 kPa接頭最大張開量及最大螺栓拉力分別為3.98 mm和922.5 kN，而卸載180 kPa接頭最大張開量及最大螺栓拉力分別為4.15 mm和1 029.0 kN。造成這一現象的原因是，超載過程中，襯砌環截面彎矩和軸力同時增大，而卸載過程中，襯砌環截面彎矩增大的同時截面軸力減小；軸力的消散對襯砌環抵抗變形不利，因而造成深埋隧道襯砌環抵抗頂部卸載的能力小于抵抗頂部超載時的能力。

3 結論

1) 內水壓荷載作用下，頂部超載時襯砌環下沉，且收斂變形、接頭張開量及螺栓拉力均隨超載值增加而增大。超載值增大過程中，最先出現螺栓屈服現象的接頭位于拱腰上部，該位置為盾構隧道頂部超載時的薄弱點。

2) 內水壓荷載作用下，頂部卸載時襯砌環上浮，且收斂變形、接頭張開量及螺栓拉力均隨卸載值增加而增大。卸載值增大過程中，最先出現螺栓屈服現象的接頭位于拱腰下部，該位置為盾構隧道頂部卸載時的薄弱點。

3) 內水壓盾構隧道襯砌結構抵抗頂部卸載的能力小于抵抗頂部超載時的能力。主要原因為超載過程中，襯砌環截面彎矩和軸力同時增大，而卸載過程中，襯砌環截面彎矩增大的同時截面軸力減小；軸力的消散對襯砌環抵抗變形不利。