側向卸載對大直徑盾構管片力學性能影響分析

尹燕征

（中建八局第四建設有限公司，山東青島 266100）

城市軌道交通主要由地鐵盾構隧道組成。隨著周邊環境變化與運營時間的增加，隧道側方卸載的工況也越來越多[1]。盾構隧道由于側向卸載作用會產生附加應力[2]，引起圍土壓力重分布，使盾構結構的穩定性[3]發生變化，從而產生橫向變形與縱向不均勻沉降，導致結構開裂、接頭張開和螺栓屈服等病害[4]，嚴重侵害隧道的安全運營[5]。因此，研究側向卸載對大直徑盾構管片結構的影響具有重要意義。

為了探究側向卸載對盾構隧道結構受力與變形的影響規律，陳仁朋等[6]研究了盾構管片側面和上方卸載情況下變形和內力變化規律，并提出了具體的變形控制措施，歸納總結了側向卸載過程中結構變形和內力的監測手段。梁東等[7]將精細化有限元模擬與相似模型試驗相結合，研究了盾構管片處于彈性與塑性階段時期，側向卸載對結構的受力及變形影響規律。黃大維等[8]開展了地層與隧道相互作用的縮尺模型試驗，測量了在地表超載影響下結構變形、土壓力及土體沉降，明確了周圍土體豎向壓縮量與豎直方向收斂變形之間的關系。姚愛軍等[9]基于北京某典型地鐵隧道及基坑工程，將數值計算與縮尺模型試驗相結合，研究了上方基坑開挖卸荷-加載作用下管片結構的圍土壓力分布規律與變形特征，并分析了管片結構頂部與基坑底部距離產生的影響。

上述側方卸載對盾構隧道結構影響的研究已取得一些成果，但在計算分析過程中未考慮混凝土與連接螺栓的非線性，難以準確分析側方卸載作用下盾構隧道管片結構的真實力學性能。文章在混凝土塑性損傷模型的基礎上，建立了大直徑盾構管片的三維實體非線性模型。該模型考慮管片材料的非線性、管片與管片間接觸的非連續性。本研究對不同側壓力系數下側向卸載對盾構管片結構的受力、變形規律展開分析，基于所得規律對側向卸載影響下的盾構隧道工程建設提供參考。

1 大直徑管片三維非線性模型

1.1 管片材料本構模型

連接螺栓采用彈塑性本構模型，材料參數如表1所示。

表1 材料參數

基于文獻[1]中混凝土塑性損傷本構模型進行數值模擬，混凝土壓縮和拉伸特性如表2所示。其中，流動勢偏移量為0.1，剪脹角為38°，雙軸與單軸抗壓強度比為1.16，屈服常數為0.666 7，黏滯系數為0.000 01。

表2 混凝土壓縮拉伸特性［1］

1.2 管片與土體間相互作用關系

文章計算基于荷載-結構法，地層變形抗力通過地基土彈簧形式施加于管片上，接地彈簧為只受壓不受拉的三向非線性，法向彈簧系數kn為1×107N/m2，切向彈簧取法向彈簧的1/3。土體與管片相互作用關系如圖1所示。

圖1 土體與管片相互作用關系

1.3 模型建立與接觸關系

管片襯砌為大直徑盾構隧道結構，內徑11.9 m、外徑13 m、管片厚0.55 m、環寬2 m，每環襯砌為“10+1”分塊形式，由1個封頂塊（F）、2塊鄰接塊（L1、L2）及7塊標準塊（B1～B7）組成。接縫連接包括20顆環向連接螺栓，管片襯砌與連接螺栓采用三維實體單元（C3D8R）模擬。盾構管片分塊形式如圖2所示。

圖2 大直徑盾構管片分塊形式

管片間接觸基于“面與面”的接觸方式，切向為基于罰函數法的庫倫摩擦接觸，摩擦系數取0.4，法向設置硬接觸。

1.4 計算工況

隧道埋深選取20 m，隧道結構整體受力分為垂直土壓力pv1、地基反力py1、px1與px2表示側向土壓力隨著深度的增加呈線性增加，計算得垂直土壓力pv1=326.6 kPa，地基反力py1=355.2 kPa，側向土壓力采用垂直土壓力乘以側壓力系數0.65進行計算，結果分別為px1=197.6 kPa、px2=266.1 kPa。

文章分別對土體側向壓力系數K0取0.35、0.45、0.55、0.65和0.75進行參數研究分析，對5個側向卸載工況進行算例分析。側向卸載表示隧道側方承受著基坑開挖卸載的作用，因此其側向土壓力發生改變。文章側向卸載的大小折減原土壓力的30%，分為兩步進行卸載工況：（1）對管片結構施加荷載模擬其土中的初始狀態；（2）將卸載后的側向土壓力施加在管片側向，模擬基坑開挖卸載。

2 數值模擬結果分析

2.1 管片結構受力過程分析

側向卸載的作用下，大直徑盾構管片結構的變形模式為典型的“橫鴨蛋形變形”，土體側向壓力系數為0.35的管片混凝土應力與橫向位移云圖如圖3、圖4所示。

圖3 側向卸載時管片應力云圖

圖4 側向卸載時管片橫向位移云圖

2.2 側向土壓力系數對管片結構的影響分析

側向卸載對管片結構變形和受力的影響如圖5所示。

圖5 側向卸載對管片結構變形和受力的影響

橢圓度與接頭張開量最大值隨豎向荷載增加呈線性增加，側壓力系數越大，豎向荷載增加時橢圓度與接頭張開量最大值增量越小。

側壓力系數K0為0.35與0.45時，螺栓應力先線性增加而后達到屈服應力。其中，K0=0.35時螺栓屈服應力對應的豎向荷載值為320 kPa；在K0=0.45時螺栓屈服應力對應的豎向荷載值為384 kPa，螺栓應力曲線轉折程度明顯。當豎向荷載增長到某一定值時，螺栓應力達到其屈服強度400 MPa，結構已經產生塑性變形，其應力發展趨勢保持不變。結果表明側壓力系數K0較小時，土體對隧道的約束作用較弱，整體結構易發生大變形。在K0為0.55、0.65、0.75時，螺栓豎向荷載呈線性增加，側壓力系數越大，豎向荷載增加時螺栓應力增量越小，螺栓應力曲線轉折角度相對變小，提高側壓力系數可以顯著降低螺栓應力的增加，提高結構的承載能力。

土體側壓力系數越大，管片結構的承載性能越好，抵抗變形能力越強。因此隧道發生側方卸載情況時，可以通過提高土體側壓力系數保證結構的穩定性，維護隧道營運的安全。

3 結語

文章基于荷載-結構計算方法，利用Abaqus有限元軟件，對受側向卸載影響下的大直徑盾構隧道結構進行了力學性能分析，同時考慮混凝土與連接螺栓的非線性，研究了側壓力系數對盾構管片結構受力與變形的影響規律，得出以下結論：

（1）側向卸載作用下，盾構隧道呈現上浮特征，管片結構水平位移均呈對稱分布，最大水平位移差出現在側向卸載結束階段。

（2）側向壓力系數較大時，盾構隧道結構處于彈性階段；側向壓力系數減小時，盾構隧道結構進入塑性階段。

（3）隧道側方卸載量值較低時，其橢圓度、接頭張開量最大值與豎向荷載呈線性增加趨勢，隨著側方卸載量的增加，發展趨勢轉變為非線性；盾構隧道結構的橢圓度、接頭張開量、螺栓、鋼筋應力與土體側向壓力系數呈負相關關系。