砂土液化對越江盾構隧道上浮行為的影響研究*

吳 悅 霍永鵬 巫志農 孔令威 李河山 張益瑄

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 成都 610031; 2.中鐵隆工程集團有限公司 成都 610045)

我國經濟體量日益發展壯大，對交通能力提出了更高的要求，大斷面越江隧道應運而生。在越江隧道修建過程中，部分區段不可避免地穿越可液化地層。一旦遇到地震、爆炸等突發荷載，隧道可能會由于周圍土體液化而發生結構破壞[1-3]。

砂土液化引起的地下結構上浮問題引起了眾多學者的關注和研究?？讘椌4]在二維“結構-地層”模型中使用了雙線性本構關系，研究了管線直徑、埋深、地下水位、地基土相對密度等因素對地下管線上浮位移的影響。陳艷華[5]建立了液化場地下埋地管道上浮反應的管土接觸-土彈簧分析模型，探討了管徑、液化土密度、壁厚對埋地管道上浮反應的影響。彭加強[6]通過振動臺試驗，分析了盾構隧道抗浮能力的影響因素，提出了從消除液化地基和增加隧道重力2個方面入手，提高砂土液化區盾構隧道的抗浮能力。

綜上，在既有相關砂土液化對地下結構上浮行為的影響性研究中，主要考慮影響因素可分為兩類：一是包括工程地質、水文地質等周圍地質環境情況，二是例如管徑、壁厚等地下結構自身構造條件。但上述研究均很少以考慮接頭的盾構隧道為研究對象。因此，考慮到襯砌參數對液化區隧道上浮效應的影響具有重要的工程意義，本文以某穿越液化土層的越江通道為工程背景，通過數值模擬分別建立等效襯砌模型和接頭襯砌模型，具體研究襯砌外徑、襯砌厚度和襯砌接頭對盾構隧道上浮力學特性的影響。

1 工程概況

某越江通道工程設有雙層四車道隧道，設計速度80 km/h，達到高速公路標準。隧道內徑13.3 m、外徑14.5 m，采用直徑14.87 mm泥水平衡盾構機進行施工，管片分塊形式為“7+2+1”，混凝土強度等級為C55，厚度0.6 m，幅寬2 m。隧道穿越液化場地土層分布均勻，場地類別為II類。為確保越江通道在運營期的安全，對隧道周圍砂土液化現象進行研究。

2 模型建立

2.1 等效襯砌模型

采用有限元軟件ANSYS建立模型見圖1。液化區采用“荷載-結構”模式，土體與隧道的相互作用由僅受壓的彈簧單元COMBIN39單元來模擬，剛度取值為正常土體的1/2 000[7]。襯砌采用等效襯砌模型，忽略襯砌接頭影響，其中環向等效剛度有效率為0.72，縱向等效剛度有效率取0.245。襯砌采用C50混凝土，容重為25 kN/m3，彈性模量取35.5 GPa，泊松比為0.2。

圖1 模型的建立(單位：m)

非液化區采用“地層-結構”模式，土體和隧道之間的相互作用由接觸單元Contact173和Target170實現，摩擦系數取0.4。土體由實體單元SOLID45模擬，材料為粉質黏土, 容重為19 kN/m3，彈性模量取3 MPa，泊松比為0.36，摩擦角為24°,黏聚力為23 kPa。

2.2 接頭襯砌模型

在實際工程中，隧道襯砌結構并非連續性結構，襯砌之間靠螺栓接頭進行連接。為了研究襯砌接頭對隧道上浮力學特性的影響，在相鄰管片環之間設置圖2所示的接頭單元來模擬環間接頭作用，接頭單元由拉壓彈簧、抗剪彈簧和抗彎彈簧耦合而成。

圖2 接頭模型示意圖

抗壓彈簧的剛度可根據式(1)進行計算。

(1)

式中：E為混凝土的彈性模量，Pa；A為混凝土截面面積，m2；L為彈簧長度，m。取彈簧長度0.2 m；取混凝土的彈性模量為35.5 GPa，截面面積為24.86 m2。計算得到抗壓彈簧的彈性模量為3 915.45 MPa?？估瓘椈蓞等≈捣椒愃朴诳箟簭椈?，其彈性模量為65.27 MPa。

抗剪彈簧的參數可根據式(2)進行計算。

(2)

式中：E為襯砌彈性模量，Pa；I為截面慣性矩，m4；L與l分別為襯砌與螺栓長度，m；Gluo為螺栓最大剪切模量，Pa；Aluo為螺栓界面面積，m2；a為截面系數；n為截面處的剪切彈簧數量。根據計算，可以得到剪切彈簧的彈性模量為324 MPa。

抗彎剛度參考趙青等[8-9]建立的數值模型計算結果，采用COMBIN49單元進行模擬。不同軸力N下的正、負彎矩轉角曲線變化見圖3。為了適應不同軸力下的彎曲剛度，根據表1對COMBIN39單元的實常數單元的8個實常數進行賦值。

圖3 不同軸力下接頭轉角-彎矩關系圖

表1 COMBIN39單元實常數賦值

在建立接頭襯砌模型時，每處環縫設置12組對應點，每2個對應點之間連接3個彈簧，將抗壓彈簧、抗剪彈簧和抗彎彈簧耦合在一起。需要注意的是，本文未考慮襯砌的通縫與錯縫拼裝以及環向接頭的影響。

3 上浮反應的影響因素分析

3.1 襯砌外徑對隧道上浮的影響分析

為研究隧道外徑對液化區隧道上浮的影響，選取常用的盾構隧道外徑(6，8，12，15 m)進行研究。襯砌的厚度統一取60 cm，液化區長度統一取60 m。繪制不同隧道外徑下的力學響應曲線見圖4。

圖4 不同隧道外徑下的力學響應

圖4a)為不同隧道外徑的襯砌上浮位移圖，模型在隧道縱向共120 m，中間的液化區60 m，兩端的非液化區各30 m，由于模型左右荷載對稱、結構對稱，取模型左半部進行分析，即圖中0～30 m為左端非液化區，30 m處為液化區與非液化區的交界面，30～60 m為液化區左半部分，60 m處為液化區中部。由圖4a)可知，襯砌外徑為6 m時有最大上浮位移值，為0.002 m。隧道襯砌的上浮位移隨隧道外徑的增大而減小，且外徑越大，減小趨勢越明顯。這是因為隧道襯砌外徑越大，縱向抗彎剛度越大，且抵抗變形能力的增幅超過了浮力增幅。

由圖4b)可見，不同隧道外徑下的拱頂軸向應力外徑為15 m時應力值最大，襯砌拱頂拉應力最大值(0.076 MPa)出現在液化區中部，壓應力最大值(0.097 MPa)出現在液化土與非液化土交界處，可見土體交界處為破壞危險點。液化區內隧道襯砌的軸向應力隨著襯砌外徑的增加而增加，但襯砌軸向應力變化較小，這是因為襯砌外徑的增大使得隧道浮力與重力同時增大。

3.2 襯砌厚度對隧道上浮的影響分析

為研究不同襯砌厚度下盾構隧道的上浮效應，選取襯砌厚度為30，35，60，70 cm進行計算，襯砌外徑統一取14.5 m，液化區長度統一取60 m。繪制不同襯砌厚度下的力學響應曲線見圖5。

圖5 不同襯砌厚度下的力學響應

由圖5a)可見，隧道豎向位移沿縱向長度的變化，隧道的上浮位移隨襯砌厚度的增大而減小。

由圖5b)可見，不同襯砌厚度下的拱頂軸向應力，隧道拱頂在液化土與非液化土的交界處(即30 m處)及液化區中部(60 m處)，隧道襯砌厚度越大，襯砌拱頂的軸向應力越小。這是因為隧道縱向抗彎剛度隨襯砌厚度的增加而增加，同時結構自重也在增加，從而抵消了一部分浮力。由浮力的計算公式可知，浮力僅與隧道外徑和液化土容重有關，僅改變襯砌厚度不會改變浮力大小。因此適當增大襯砌厚度可以增強盾構隧道的抗浮性能。

3.3 襯砌接頭對隧道上浮的影響分析

為研究接頭對盾構隧道上浮效應的影響，控制其他條件一致(襯砌外徑統一為14.5 m，襯砌厚度統一為60 cm)，設置2類模型：等效襯砌模型和接頭襯砌模型，其中接頭襯砌模型又分為考慮2個環縫和考慮4個環縫2種情況。

接頭襯砌模型的上浮變形云圖見圖6。由圖6可見，其上浮變形呈現一定的不連續性，隧道在接頭環縫處發生了錯動。隧道液化區中部達到最大上浮位移量，兩環縫模型的最大位移值為0.017 1 m，四環縫模型的最大位移值為0.029 2 m，相同條件下等效襯砌模型的最大位移值為0.016 2 m，可見襯砌接頭的出現使得隧道的最大上浮位移量增大。

圖6 接頭襯砌模型變形云圖(單位：m)

2類襯砌模型的拱頂Mises應力監測曲線見圖7a)，在非液化土階段，等效襯砌模型拱頂處Mises應力與兩環縫接頭襯砌模型變化一致。在非液化土與液化土的交界處，2種模型的拱頂Mises應力均達到最大值，其中兩環縫接頭襯砌模型最大Mises應力為0.132 MPa。由于接頭襯砌模型在液化區考慮了環縫，2種模型的應力變化模式存在差異，接頭襯砌模型在50 m處的Mises應力存在突變現象，此處是設置有環間接頭的環縫，而等效襯砌模型則沒有明顯的應力集中現象。

圖7 2類模型的力學響應

2種襯砌模型的軸向應力監測曲線見圖7b)，等效襯砌模型與兩環縫接頭襯砌模型的軸向應力在液化區與非液化區的交界處均達到了最大值，且接頭襯砌模型最大軸向應力略小于等效襯砌模型。接頭襯砌模型在50 m位置處發生應力突變，這是因為此處是設置有環間接頭的環縫，而等效襯砌模型在此處的軸向應力變化平緩。襯砌接頭使得盾構隧道結構具有更大的柔性，相比于等效襯砌模型，接頭襯砌模型的拱頂拉應力最大值由液化區中部轉移到了接頭位置，環縫附近襯砌結構最大拉應力為0.051 MPa。此時環縫接頭產生較大變形，襯砌可能會由于接頭轉角過大而發生破壞。

為了進一步研究接頭襯砌模型在上浮力作用下的接頭轉角變形行為，將上浮力分為20個荷載步逐步施加，并監測四環縫接頭襯砌模型的接頭轉角。監測結果見圖8，由于4處接頭的變形情況以隧道中間斷面為中心面兩兩對稱，圖8繪制出第一、第二接頭轉角值，省略第三、第四接頭轉角值。由圖8可知，2處接頭轉角的變化趨勢相同，隨著液化浮力增大，接頭轉角在前期迅速增大，靠近非液化區接頭的轉角略大于靠近液化區接頭的轉角。由此推斷，在液化上浮作用下，液化土與非液化土的交界面處是接頭襯砌模型最危險的位置，靠近此處的接頭容易因轉角過大而發生破壞。在實際工程中，需要對易液化土與其它土交界處的襯砌接頭部位進行加固，防止因襯砌接頭轉角過大引發滲漏水破壞。

圖8 接頭襯砌模型的轉角

4 結語

可液化地層中的隧道在地震荷載作用下易遭受破壞，本文依托某越江通道工程對襯砌外徑、襯砌厚度和襯砌接頭作了單變量分析，得到以下結論。

1) 襯砌外徑越大，隧道的上浮位移越小，但是襯砌結構的軸向應力會增大。因此襯砌外徑需進行合理設計，不宜過大或過小。

2) 隨著襯砌厚度增加，襯砌的上浮位移和軸向應力均減小，因此合理地增大襯砌厚度有利于提高液化區隧道的抗浮安全性。

3) 接頭襯砌模型在液化上浮作用下，液化土與非液化土的交界面處是最危險的位置。在實際工程中，需要對易液化土與其它土交界處襯砌的接頭部位進行加固，防止襯砌上浮導致襯砌環間間隙過大而發生滲漏。