湛江灣跨海盾構(gòu)隧道管片變形與受力分析

林偉波， 楊小平， 嚴(yán)振瑞， 李　孟， 劉庭金,3,*

(1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州　510640； 2. 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，

廣東 廣州　510635； 3. 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州　510640)

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湛江灣跨海盾構(gòu)隧道管片變形與受力分析

林偉波1， 楊小平1， 嚴(yán)振瑞2， 李孟1， 劉庭金1,3,*

(1. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州510640； 2. 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，

廣東 廣州510635； 3. 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州510640)

摘要：以湛江灣跨海盾構(gòu)隧道工程為背景，應(yīng)用數(shù)值分析方法，建立了單環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)的三維有限元精細(xì)模型，研究了在不同水頭作用下單環(huán)管片結(jié)構(gòu)以及接縫部位的變形情況。采用修正慣用法得出在最大水頭作用下管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，由此推算出管片內(nèi)、外側(cè)的環(huán)向鋼筋應(yīng)力，并與現(xiàn)場的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。研究表明： 1)高水壓作用下，單環(huán)管片襯砌的變形呈現(xiàn)“橫鴨蛋形”，且管片結(jié)構(gòu)變形和接縫張開量均與外水壓力變化呈線性關(guān)系； 2)作用水頭每增加10 m，襯砌結(jié)構(gòu)中各接縫張開量絕對(duì)值約增加0.5 mm； 3)采用修正慣用法計(jì)算得到的鋼筋應(yīng)力與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，較好地反映了隧道管片的實(shí)際受力狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：跨海盾構(gòu)隧道； 高水壓； 管片變形； 管片受力； 三維有限元精細(xì)模型； 修正慣用法

0引言

在解決越江跨海工程問題上，隧道相較于橋梁有著許多優(yōu)勢(shì)，主要為： 1)不會(huì)制約航運(yùn)發(fā)展，有利于船舶通行，且不受氣象條件影響； 2)具有很強(qiáng)的承載能力，一般無通行車輛載重限制； 3)具有很強(qiáng)的抵抗戰(zhàn)爭破壞、自然災(zāi)害和突發(fā)事件能力等[1]。

我國在跨江越海水下盾構(gòu)隧道建設(shè)上雖起步較晚，但發(fā)展迅猛，在過去二三十年間先后建成了一大批跨江越海水下盾構(gòu)隧道。表1為近年來國內(nèi)大型水下盾構(gòu)隧道主要情況。由表1可以看出，盾構(gòu)法已經(jīng)成為目前穿越江海大型隧道的主要施工方法，大斷面、高水壓、大埋深和高速化施工是未來越江、跨海水下盾構(gòu)隧道的發(fā)展方向[2]。

表1　近年來國內(nèi)大型水下盾構(gòu)隧道的主要情況

隨著國內(nèi)大型水下盾構(gòu)隧道的迅猛發(fā)展，高水壓下隧道管片的受力特性也越來越受到研究者的重視。目前，對(duì)于越江跨海盾構(gòu)隧道管片的受力變形主要基于管片加載試驗(yàn)和有限元數(shù)值計(jì)算進(jìn)行研究。封坤等[3]以南京長江隧道管片原型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了大型水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在通縫和錯(cuò)縫拼裝方式下，不同破壞特征以及隧道管片結(jié)構(gòu)彎曲剛度有效率和彎矩提高率隨荷載條件變化的規(guī)律。何川等[4]采用了相似模型試驗(yàn)研究了武漢長江隧道管片在高水壓條件下的力學(xué)特征，表明在高水壓下管片軸向應(yīng)力水平較高，彎矩水平偏小。G. Galli等[5]對(duì)隧道進(jìn)行了三維實(shí)體模擬分析，分析結(jié)果與二維計(jì)算結(jié)果比較后，認(rèn)為三維模擬變形更符合隧道實(shí)際情況。周濟(jì)民等[6]以獅子洋水下盾構(gòu)隧道為背景，采用三維殼-彈簧計(jì)算模型研究了管片結(jié)構(gòu)在水壓力作用下的內(nèi)力分布，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。鄭俊[7]以臺(tái)山核電站水下盾構(gòu)隧道為工程背景，運(yùn)用FLAC3D軟件分析了管片在施工過程中的受力規(guī)律，并運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)管片進(jìn)行三環(huán)荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算，得到在不同接頭剛度、地基系數(shù)和水深下管片的內(nèi)力變形規(guī)律。李圍等[8]采用梁-彈簧模型及有限元數(shù)值模擬方法對(duì)超大斷面越江盾構(gòu)隧道在不同拼裝方式下的管片變形和受力進(jìn)行了分析。黃清飛等[9]針對(duì)國內(nèi)4種典型盾構(gòu)隧道，利用修正慣用法分析了不同覆土條件下水位變化對(duì)管片內(nèi)力的影響規(guī)律。

上述研究中，在計(jì)算分析管片內(nèi)力變形特點(diǎn)時(shí)，應(yīng)用了多種數(shù)值分析方法，然而這些數(shù)值模擬分析均未能細(xì)致考慮管片接頭的細(xì)部構(gòu)造對(duì)管片受力變形特性的影響。

本文以湛江灣跨海盾構(gòu)隧道為例，采用三維數(shù)值模擬方法建立了包括接縫細(xì)部構(gòu)造在內(nèi)的整環(huán)管片精細(xì)模型，分析了管片在不同水頭下的變形規(guī)律； 采用修正慣用法，計(jì)算了管片在承受高水壓下的內(nèi)力分布，推算得出管片環(huán)向鋼筋應(yīng)力，并與現(xiàn)場實(shí)測(cè)應(yīng)力值進(jìn)行了對(duì)比。

1工程概況

湛江灣跨海盾構(gòu)隧道是湛江鋼鐵基地以及東海島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)輸水工程的一部分，輸水工程全長26.4 km，其中跨海段長2.75 km，是目前我國最深的跨海隧道之一。隧道位于湛江港出海的咽喉要道，北接南三島，南接?xùn)|海島，地理位置十分敏感，是目前穿越亞洲最深人工航道且航道等級(jí)最高的跨海管道工程。隧道采用泥水平衡式盾構(gòu)施工，施工及運(yùn)營期間管片結(jié)構(gòu)承受最大為0.6 MPa的水頭壓力，是鑒江—東海島供水樞紐的控制性工程。鑒江供水樞紐布置見圖1。

圖1　鑒江供水樞紐平面布置圖[10]

1.1工程地質(zhì)

圖2　盾構(gòu)隧道沿線地質(zhì)剖面圖

土層重度/(kN/m3)黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角/(°)側(cè)向土壓力系數(shù)λ地基抗力系數(shù)k/(MN/m3)③-2層底部中粗砂(中密)19.528.00.3922.0⑥-1層細(xì)砂(中密)19.728.40.4021.7⑥-2層黏土(可塑)18.022.615.30.5121.8⑥-3層粗砂(密實(shí))20.130.20.3235.0

1.2襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道管片混凝土等級(jí)為C55，抗?jié)B等級(jí)為S12； 管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.1 m，厚450 mm，管片寬為1.5 m。管片環(huán)由6塊管片拼裝而成： 1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)和3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3)。標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角72°，相鄰接塊圓心角64.5°，封頂塊圓心角15°。管片縱、環(huán)向手孔均采用M30不銹鋼高強(qiáng)斜螺栓(機(jī)械等級(jí)A2-70)連接，長度為561 mm，其中同環(huán)橫向螺栓12個(gè)，垂直于隧道縱向連接各管片成環(huán)； 縱向螺栓共10處，以36°的夾角在管片環(huán)上均勻布置連接前后管片環(huán)。管片襯砌環(huán)構(gòu)造見圖3。

圖3　管片襯砌環(huán)構(gòu)造

管片縱向接縫間設(shè)置定位棒，該設(shè)計(jì)在管片拼裝過程中能夠使管片環(huán)形成良好的整環(huán)拼裝效果，減小拼裝誤差。由于需要承受0.6 MPa的高水壓，管片接縫處設(shè)置了內(nèi)外雙層止水密封墊，密封墊采用復(fù)合型三元乙丙橡膠，能達(dá)到在相對(duì)壓密后抵御0.7 MPa外水壓的防水要求和保證基準(zhǔn)設(shè)計(jì)期100年的耐久性要求。另外，彈性密封墊外側(cè)設(shè)有1道聚氨酯膨脹止水條，在密封墊由于長期壓力下產(chǎn)生應(yīng)力松弛而無法完全止水時(shí)，可遇水膨脹達(dá)到止水的目的。管片之間靠斜螺栓連接，斜螺栓對(duì)混凝土管片結(jié)構(gòu)截面削弱最小，而且拼裝起來相對(duì)簡便。圖4為管片結(jié)構(gòu)及接縫部位的現(xiàn)場圖片。

(a)　　　　　　　　　　　　　(b)

2三維數(shù)值模擬分析

2.1模型概況

運(yùn)用Midas/GTS有限元軟件建立整環(huán)管片的精細(xì)模型，計(jì)算分析管片在不同水頭作用下的變形規(guī)律和接縫張開量變化情況，模型考慮了管片結(jié)構(gòu)的定位棒、橡膠彈性密封墊、傳力襯墊、手孔和螺栓孔等細(xì)部構(gòu)造，以及螺栓與混凝土、橡膠與混凝土之間的接觸關(guān)系。模型中材料均采用彈性本構(gòu)，接觸單元以Goodman單元模擬。模型中單元數(shù)量共420 766個(gè)，其中包括35 948個(gè)Goodman單元。模型的幾何構(gòu)造見圖5，有限元模型見圖6。

圖5　幾何構(gòu)造模型

圖6　有限元模型

2.2計(jì)算參數(shù)及工況選擇

參考管片設(shè)計(jì)資料及文獻(xiàn)[11-15]，Goodman接觸單元的力學(xué)參數(shù)見表3，模型中管片結(jié)構(gòu)選取的主要力學(xué)參數(shù)見表4。荷載模式采用荷載-結(jié)構(gòu)法，隧道沿線地層主要為砂層和夾砂礫的黏土層，透水性較強(qiáng)，因此土壓力計(jì)算采用水土分算原則。

表3　接觸面單元的力學(xué)參數(shù)

表4　管片結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)參數(shù)

2.3計(jì)算結(jié)果及分析

考慮南三島側(cè)下坡區(qū)間和東海島側(cè)上坡區(qū)間地層的差異(見圖2)，分別研究了盾構(gòu)隧道在地層③-2和地層⑥-3中不同的水下埋深，管片的變形規(guī)律和接縫張開量的變化情況。圖7為隧道水頭和上覆土厚度沿隧道縱向變化示意圖。

圖7　水頭和上覆土厚度沿隧道縱向變化示意

圖8為管片的變形圖，管片在受高水壓作用下發(fā)生對(duì)稱橫向變形，豎向變形大于水平變形?？梢?，封頂塊自身剛度較小，抵抗變形的能力較弱，部分內(nèi)力需由鄰近襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)，從而導(dǎo)致管片變形呈“橫鴨蛋形”。圖9為管片環(huán)結(jié)構(gòu)變形與水頭的關(guān)系曲線。圖10為管片環(huán)結(jié)構(gòu)接縫張開量與水頭的關(guān)系曲線(接縫張開量為負(fù)值表示接縫處相鄰管片相互靠近)。

圖8　管片的變形圖

(a)管片水平變形與水頭關(guān)系

(b)管片豎向變形與水頭關(guān)系

(c)管片總變形與水頭關(guān)系

(a)地層③-2管片接縫張開量與水頭關(guān)系

(b)地層⑥-3管片接縫張開量與水頭關(guān)系

從圖9和圖10可以看出，管片環(huán)結(jié)構(gòu)變形和接縫張開量絕對(duì)值與外水壓力均呈線性關(guān)系，外水壓力越大，管片變形和接縫張開量絕對(duì)值越大； 管片的接頭張開量均為負(fù)值，即在高水壓下整環(huán)管片均處于受壓狀態(tài)，管片與管片間接縫間距減小，管片整環(huán)徑向收縮。根據(jù)該隧道工程的監(jiān)測(cè)報(bào)告，管片間接觸應(yīng)力均為壓應(yīng)力，與模擬管片變形結(jié)果有較好的吻合。在最大外水壓力作用下，管片的最大水平變形、上浮變形、下沉變形和總變形量分別為4.4、4.5、5.7、6.9 mm； 隧道作用水頭每增加10 m，各接縫張開量絕對(duì)值約增加0.5 mm。在相同的外水壓力下，管片處于地層③-2的變形大于處于地層⑥-3的變形，說明地層抗力對(duì)控制管片變形有利，管片所處地層抗力系數(shù)越大，管片變形越小。

3管片結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

3.1管片內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

為得到隧道管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，基于修正慣用法，運(yùn)用同濟(jì)曙光軟件盾構(gòu)隧道模塊計(jì)算管片在最大水下埋深、注漿荷載100 kPa的內(nèi)力分布。

修正慣用法是將管片環(huán)作為剛度均勻的環(huán)，并考慮管片接頭部分的彎曲剛度下降和環(huán)向螺栓處的彎矩提高，即引入彎曲剛度有效率η和彎矩提高率ξ，取圓環(huán)的抗彎剛度為ηEI，計(jì)算出圓環(huán)水平直徑處的變形δ和兩側(cè)抗力kδ，然后考慮錯(cuò)縫拼裝后整體補(bǔ)強(qiáng)效果，進(jìn)行彎矩重新分配。文章取彎曲剛度有效率η=0.8，彎矩提高率ξ=0.3。

管片內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見圖11。管片在受高水壓力作用下，管片軸力分布較均勻，且均為壓應(yīng)力，軸力最大值為4 501 kN，管片軸向應(yīng)力水平較高，與文獻(xiàn)[9]得到的結(jié)果相一致；管片頂部和底部受正彎矩作用，左右部位受負(fù)彎矩作用，與管片變形特點(diǎn)相一致，彎矩最大值為332 kN·m。

3.2計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

根據(jù)文獻(xiàn)[10]監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，管片外壁總壓力在管片拼裝后20 d基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，管片內(nèi)環(huán)向鋼筋應(yīng)力在管片拼裝后20 d局部穩(wěn)定，之后有些波動(dòng)。當(dāng)管片外壁總壓力處于穩(wěn)定時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的管片鋼筋應(yīng)力處于正常荷載下的穩(wěn)定狀態(tài)，因此選取管片拼裝后20 d的鋼筋應(yīng)力實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

選取計(jì)算結(jié)果中與鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)應(yīng)位置的軸力與彎矩，采用截面換算的方法，利用鋼筋與混凝土的彈性模量比將截面縱向鋼筋的截面面積換算成混凝土截面面積，計(jì)算出截面邊緣應(yīng)力，最后根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系算出管片內(nèi)外側(cè)鋼筋應(yīng)力。圖12為現(xiàn)場監(jiān)測(cè)時(shí)鋼筋應(yīng)力計(jì)的布置圖，圖13為管片內(nèi)、外側(cè)鋼筋應(yīng)力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比曲線圖。

(a) 軸力(單位： kN)

(b) 彎矩(單位： kN·m)

圖12　鋼筋應(yīng)力計(jì)平面布置圖

根據(jù)曲線吻合度可知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差不大，該模型能較準(zhǔn)確地反映管片的實(shí)際受力狀態(tài)。若將管片環(huán)按時(shí)鐘圓盤劃分，管片12:00和06:00位置處外側(cè)鋼筋應(yīng)力比內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力大，03:00位置處內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力比外側(cè)鋼筋應(yīng)力大，10:30位置處內(nèi)外側(cè)鋼筋應(yīng)力相差不大。表明管片在頂部和底部外側(cè)受壓程度比內(nèi)側(cè)受壓程度大，左右部位內(nèi)側(cè)受壓程度比外側(cè)受壓程度大，與有限元模型分析得到的管片變形呈“橫鴨蛋形”相吻合，且管片鋼筋應(yīng)力均為壓應(yīng)力，與前面得到的管片接縫張開量均為負(fù)值(即管片整體徑向內(nèi)縮)、整環(huán)受壓相吻合。

(a) 管片外側(cè)鋼筋應(yīng)力

(b) 管片內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力

Fig. 13Comparison between measured value of circumferential reinforcement stress of segment and calculated value results

4結(jié)論與討論

本文介紹了湛江灣跨海盾構(gòu)隧道工程的概況，運(yùn)用數(shù)值分析方法建立了整環(huán)管片的精細(xì)模型，計(jì)算分析了不同水頭壓力下管片結(jié)構(gòu)及接縫部位的變形規(guī)律。采用修正慣用法得到了在最大水頭作用下管片的內(nèi)力分布，并將計(jì)算得到的管片內(nèi)、外側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)力與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。主要得到以下結(jié)論。

1)管片在高水壓作用下呈對(duì)稱變形，且管片豎向變形大于橫向變形； 接縫張開量均為負(fù)值，表示整環(huán)管片徑向收縮并且呈“橫鴨蛋形”，與現(xiàn)場實(shí)測(cè)管片間受壓情況相吻合。

2)管片環(huán)結(jié)構(gòu)變形量和接縫張開量與外水壓力呈線性關(guān)系，外水壓力越大，管片變形量和接縫張開量絕對(duì)值越大。管片的最大水平變形、上浮變形、下沉變形和總變形分別為4.4、4.5、5.7、6.9 mm。隧道作用水頭值每增加10 m，各接縫張開量絕對(duì)值約增加0.5 mm。

3)采用修正慣用法計(jì)算管片內(nèi)力能較好地反映管片的實(shí)際受力情況，計(jì)算所得的管片內(nèi)、外側(cè)環(huán)向鋼筋應(yīng)力與實(shí)測(cè)值較吻合，鋼筋應(yīng)力水平較低，且都為壓應(yīng)力，符合盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)在高外水壓作用下的受力特點(diǎn)。

4)管片12:00和06:00位置處外側(cè)鋼筋應(yīng)力比內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力大，03:00位置處內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力比外側(cè)鋼筋應(yīng)力大，10:30位置處內(nèi)外側(cè)鋼筋應(yīng)力相差不大，受力特點(diǎn)與有限元模型分析得到的管片變形呈“橫鴨蛋形”相吻合。

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Analysis of Deformation and Stress of Segment of Zhanjiang Bay Sea-crossing Shield Tunnel

LIN Weibo1, YANG Xiaoping1, YAN Zhenrui2, LI Meng1, LIU Tingjin1,3,*

(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China; 2.GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou510635,Guangdong,China; 3.StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:A fine three-dimensional finite element model of a segment ring lining structure is established by means of numerical simulation and on the basis of construction of Zhanjiang Bay sea-crossing shield tunnel. The deformation of a segment ring and the segment joint are studied under the effect of different water heads. The modified routine method is adopted to analyze the stress distribution of segment structure under the maximum water head. The circumferential reinforcement stresses of inner and outer segment are calculated and compared with monitoring data. The results show that: 1) Under high water pressure, the single segment ring is deformed into “horizontal ellipse” shape; and the segment structure deformation and joint opening have a linear relation with variations of water-pressure. 2) The absolute joint opening increases by 0.5 mm when the water head increases by 10 m. 3) The reinforcement stress calculated by means of modified routine method is consistent with the monitoring data, so as to reflect the actual force situation of tunnel segment quite well.

Keywords:sea-crossing shield tunnel; high water pressure; segment deformation; stress on segment; fine three-dimensional finite element model; modified routine method

中圖分類號(hào)：U 459.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)03-0288-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.007

作者簡介：第一 林偉波(1991—)，男，廣東興寧人，華南理工大學(xué)巖土工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)榈罔F結(jié)構(gòu)等的靜動(dòng)力特性分析。E-mail: 465091317@qq.com。*通訊作者： 劉庭金，E-mail: liu_tingjin@163.com。

基金項(xiàng)目：華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題項(xiàng)目(2016KB16)

收稿日期：2015-09-22; 修回日期： 2015-11-14