考慮環間強度折減的頂管上穿對既有隧道結構變形影響分析*

孟慶軍,徐 飛,孫飛祥,劉松地,徐文平,王鳳弟

(1.南寧軌道交通集團有限責任公司,廣西 南寧 530029;2.盾構及掘進技術國家重點實驗室,河南 鄭州 450001;3.中鐵隧道局集團有限公司,廣東 廣州 511458)

0 引言

受限于有限的地表空間,城市地下空間開發需要向更為復雜的立體方向發展,多條隧道疊交的復雜工況愈加常見,這為城市空間開發打開新天地的同時,也帶來了新的挑戰。新建隧道的開挖卸荷作用會打破周邊地層應力場平衡而產生應力場重分布,導致周邊隧道發生隆起、錯臺、滲漏甚至斷裂等事故［1］。為此,眾多學者針對疊交隧道結構力學行為特征開展了廣泛研究。相關研究方法包括理論解析、數值分析、模型試驗和實測數據分析等［2-8］。在理論解析法方面,隧道結構多被假設為彈性梁［6-7］,為了考慮管片結構間的剪切變形又在環間引入了彈簧模型［9-10］;在數值分析法方面,通過建立三維模型開展不同工況下疊交隧道結構力學行為特征分析［5,11］;在室內模型試驗方面,多借助離心機開展試驗［4］;在實測數據分析方面,眾多學者結合具體工程分析了上穿隧道施工引起的已建隧道結構變形特征［2-3］。然而,已建地鐵隧道環與環之間通過螺栓連接,且接觸面設置有密封墊,將地鐵隧道考慮為一均質彈性體必然與實際不符,朱偉東［12］分析了連接方式和連接剛度、接頭剛度對裝配式管片內部結構內力及管片的影響;齊永潔［13］采用綜合考慮管片環間錯臺和轉動變形效應的協同變形模型,推導計算了堆載引起的隧道附加荷載;汪亦顯等［14］采用局部剛度折減法并結合接頭張合狀態的力學模型進行盾構管片力學性能的數值模擬分析。此外,在長期列車動荷載和地下水侵蝕等作用下,螺栓產生應力松弛,密封墊不同程度老化,如何評估管片結構環與環之間連接關系顯得尤為關鍵［15-16］。因此,本文從折減管片環與環連接位置強度的角度出發,探究隧道上穿對不同強度折減條件下隧道結構的力學行為特征的影響。本研究內容對指導施工和優化理論具有很強的指導意義和理論意義。

1 工程概況

某長度為42m的頂管上穿既有2條地鐵隧道,地鐵隧道分別位于頂管下方垂直距離1.3m和1.6m。該處地質由上到下分別為：素填土、黏土、粉土、圓礫、泥巖(粉砂質泥巖),其中,頂管上穿黏土和粉土地層;已建地鐵隧道穿越粉土和圓礫地層,地鐵隧道埋深10.6m;地下水水位埋深8.5m。各地層物理力學參數取值如表1所示。

表1 地層參數取值Table 1 Properties of soil layers

矩形頂管斷面外輪廓尺寸為6 900mm×4 900mm,管片厚度500mm,管節長度1 500mm。管節材料為CF50,P10防水混凝土。已建地鐵隧道管片內徑為5.4m,外徑為6m,環寬為1.5m,管片材料為C50混凝土。

2 管片強度折減數值計算

2.1 管片參數折減系數的確定

實際工程中,單環管片為多個分片通過螺栓連接拼接成環,管片環與環之間同樣以螺栓連接而成盾構隧道襯砌結構,隧道結構取混凝土力學參數與實際不符。考慮到地鐵管片環與環之間的連接方式為螺栓連接,而非剛性連接;且已運營隧道內部鋪設有地鐵運行的軌道等設置,很難精細建模模擬已運營隧道。本文提出利用折減系數將管片環間折減區域的彈性模量進行折減,研究不同折減系數對應地鐵隧道變形特征。數值計算中假定隧道管片為線彈性材料,其體積模量和剪切模量按管片結構混凝土等級取值;管片環間折減區域以對應混凝土強度等級取值為基準進行折減,折減系數分別取表2中所列數值。C50混凝土彈性模量取34.5GPa,泊松比取0.2,不同折減系數對應的體積模量和剪切模量如表2所示。

表2 不同折減系數對應的體積模量和剪切模量取值Table 2 Values of volume modulus and shear modulus corresponding to different reduction coefficients

2.2 數值模型建立

根據頂管和地鐵隧道的尺寸及相對位置建立數值計算模型,如圖1所示。模型沿豎向(z)共包括5個地層,深度30m;沿頂管軸向(x)長度45m;沿地鐵隧道軸向(y)長度60m。模型上表面無約束,作為自有面;側面施加水平約束;模型底面施加三向約束。地表施加20kPa均布荷載。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model

2.3 管片強度折減數值計算過程實現

頂管隧道施工前,完成模型初始應力化,其次完成地鐵隧道開挖,并將該過程計算產生的變形做歸零處理。對于新建頂管隧道,考慮其管片厚度較大(500mm),隧道長度較小,連接螺栓應力松弛現象不明顯;此外,頂管管節預制生產時,對管節增設預應力孔,頂管通道完成后,穿預應力筋進行后張法張拉,加強管節的整體性,減小隧道上浮的風險,故將其考慮為連續的彈性材料。

對于地鐵隧道結構,假定管片環向為連續的均質彈性材料。管片結構僅考慮在環與環之間一定區域進行強度折減。一般認為折減區域不應過大,但從數值建模網格劃分及計算機算力考慮,該區域不應過小,管片環間兩側各取50mm作為強度折減區域。

3 數值分析結果

3.1 環間強度折減對隧道結構的影響

1)隧道結構變形

已建隧道左、右線隧道拱頂位移接近,選左線拱頂位移開展分析,隧道結構左、右線位移云圖如圖2所示。不同折減系數對應的沿隧道軸向的左線隧道拱頂位移分布曲線如圖3所示。由圖可知：①頂管開挖卸荷引起的地鐵隧道上浮位移近似呈“正態分布”,上浮位移由頂管正下方沿隧道軸線向兩側逐步減小,頂管正下方對應的隧道拱頂上浮位移最大。②折減系數越小,隧道結構上浮區段越小,隧道結構最大上浮位移則越大,對應的上浮位移分布曲線越“高瘦”;折減系數越大,隧道結構上浮區段越大,隧道結構最大上浮位移則越小,折減系數越大對應的上浮位移分布曲線越“矮胖”。③折減系數不小于10-1以及折減系數不大于10-4時,隧道結構上浮位移變化不再顯著,分別趨于收斂。由此可知,加強隧道結構整體性,提高連接位置強度可以有效控制管片上浮位移,但上浮區域會顯著增加,不利于已建隧道結構抗浮整體控制;較弱的管片連接強度,可以控制隧道結構上浮區域,便于采取輔助工法開展小區域的隧道結構上浮控制。

圖2 隧道結構z向位移云圖(折減系數取0.01)Fig.2 z-direction displacement cloud diagram of tunnel structure (Reduction factor=0.01)

圖3 左線隧道結構拱頂位移曲線Fig.3 Vault displacement carve of left line tunnel structure

2)隧道結構應力

管片環間強度進行不同折減情況下對應的隧道結構最大拉應力、壓應力如圖4所示。由圖4可知,當折減系數大于10-1時,隧道結構最大拉應力、壓應力受折減系數影響明顯;當折減系數小于10-1時,隧道結構最大拉應力、壓應力受折減系數影響則不明顯。

圖4 環間強度折減后最大拉應力、壓應力曲線Fig.4 Maximum tensile and compressive stress curves after interring strength reduction

3)管片環間錯臺

選取頂管正下方三環連續地鐵隧道管片進行分析,圖5為折減系數為10-5時拱頂、拱腰和拱底位移分布曲線。由圖5可知,管片環間均發生了不同程度的錯臺現象。圖6為不同折減系數條件下隧道拱頂位移分布曲線,由圖6可知,當折減系數不小于10-2,隧道結構的錯臺現象不明顯或無錯臺現象;當折減系數不大于10-3,隧道結構存在環間錯臺現象,且在一定范圍內,錯臺位移隨折減系數的降低而增大,當折減系數小于10-5時,環間錯臺位移趨于收斂。

圖5 拱頂、拱腰和拱底位移分布曲線(折減系數為10-5)Fig.5 Displacement distribution curves of vault,arch waist and arch bottom (reduction coefficient=10-5)

圖6 不同折減系數條件下隧道拱頂位移分布曲線Fig.6 Displacement distribution curves of tunnel vault under different reduction coefficients

4 結語

1)上部新建隧道開挖卸荷將使已建隧道結構發生上浮現象,上浮位移在新建隧道正下方最大,向兩側逐漸減小。

2)折減系數大小影響已建隧道結構上浮位移分布特征。在一定范圍內,隨著折減系數的減小,隧道結構最大上浮位移逐步增大,但上浮區域逐漸減小,呈現隧道結構上浮位移分布曲線由“矮胖”向“高瘦”變化的特征,可以通過適當調整折減系數降低管片結構上浮位移和上浮區域。

3)隨著折減系數減小,管片環間出現不同程度的錯臺現象。折減系數不小于10-2時,隧道結構的錯臺現象不明顯;當折減系數不大于10-3時,管片結構環間錯臺位移隨折減系數的降低而增大,當折減系數小于10-5時,環間錯臺位移趨于收斂。加強環間連接強度有利于控制隧道結構錯臺現象。

4)折減系數大小影響管片結構內力。當折減系數大于10-1時,隧道結構最大拉應力、壓應力受折減系數影響明顯;當折減系數小于10-1時,隧道結構最大拉、壓應力受折減系數影響則不明顯。