不均勻變形對(duì)聯(lián)絡(luò)通道喇叭口應(yīng)力的數(shù)值分析

胡心舟

(同濟(jì)大學(xué),上海 200092)

0 前 言

在國內(nèi)的沿江沿海地區(qū)，江底海底隧道建設(shè)都在籌建中，這些大型工程也帶來了許多前所未有的科學(xué)難題，其中最讓我們關(guān)注的是由于隧道和聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形導(dǎo)致接口處應(yīng)力分布的變化。影響隧道與聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形的因素主要有隧道下臥土層固結(jié)特性不同，潮汐變化，隧道臨近的荷載變化，地鐵列車振動(dòng)荷載，地震作用等[1-2]。目前針對(duì)不均勻變形對(duì)隧道與聯(lián)絡(luò)通道以及接口處影響的研究，多集中在對(duì)主隧道變形的影響[3]，以及開挖支護(hù)與土體加固方法上的創(chuàng)新[4]。對(duì)于連接區(qū)域喇叭口處的應(yīng)力影響的研究很少，學(xué)者們多從凍結(jié)加固的角度出發(fā)[5]。事實(shí)上，喇叭口處因隧道變形而產(chǎn)生的滲水問題一直是工程上的難題，由于該問題偏向于運(yùn)營階段而不會(huì)引起設(shè)計(jì)階段研究人員的注意，所以這方面的研究偏少。本文結(jié)合沿江通道越江隧道聯(lián)絡(luò)通道工程，采用有限元分析方法，對(duì)連接處喇叭口應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)不均勻變形對(duì)聯(lián)絡(luò)通道和主隧道應(yīng)力、變形的影響程度，得到的相關(guān)論斷可為類似工程提供參考。

1 工程概況與模型建立

上海市沿江通道越江隧道(浦西牡丹江路-浦東外環(huán)線)新建工程浦西側(cè)起點(diǎn)為寶山區(qū)牡丹江路與富錦路交叉口，在浦東側(cè)接入外環(huán)高速公路，全長約8.7 km，其中越江隧道長約6.49 km。越江通道段共設(shè)置了6條聯(lián)絡(luò)通道。盾構(gòu)隧道外徑15 m，管片厚度650 mm，凈直徑13.7 m。1#聯(lián)絡(luò)通道左線隧道里程為LK5+352.140、右線隧道里程為RK5+340.000，左線隧道中心標(biāo)高-33.720 m，右線隧道中心標(biāo)高-33.213 m,盾構(gòu)隧道中心距30.626 m，通道長15.642 m(隧道腰線處管片外側(cè)間距)，通道為圓筒形結(jié)構(gòu)，通道凈直徑2 740 mm，喇叭口處凈直徑3 340 mm。

根據(jù)沿江通道越江隧道工程以及相關(guān)聯(lián)絡(luò)通道工程設(shè)計(jì)資料，隧道結(jié)構(gòu)及聯(lián)絡(luò)通道均采用殼單元，模型具體尺寸參數(shù)如表1所示。采用彈性模型，材料參數(shù)如表2所示。隧道外圍建立全周彈簧，彈簧參數(shù)如表3所示。

表1 有限元模型幾何參數(shù) 單位：m

表2 材料參數(shù)

表3 非線性彈簧參數(shù)

為了研究隧道、聯(lián)絡(luò)通道在不均勻變形下的應(yīng)力和變形分布規(guī)律，建立作用范圍和變形強(qiáng)度值分級(jí)的模型進(jìn)行分析。計(jì)算工況包括：主隧道peck變形的作用范圍分別為1/8L、1/4L、1/2L、3/4L和1L，聯(lián)絡(luò)通道變形的作用范圍為1/5L、1/4L、1/2L和L，地基變形強(qiáng)度值分別為2、4、6、8、10 cm，如圖1所示。上述研究內(nèi)容均包括在同一作用范圍條件下地基變形強(qiáng)度值逐漸增大引起的響應(yīng)和同一地基變形強(qiáng)度條件下作用范圍逐漸增大兩種情況。

在設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道后，開孔環(huán)成為主隧道結(jié)構(gòu)體系最薄弱的部位，開孔腰部出現(xiàn)了壓應(yīng)力，開孔頂部出現(xiàn)了拉應(yīng)力，如圖2所示，說明聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置使隧道結(jié)構(gòu)由受力較均勻、合理的圓環(huán)變?yōu)榫哂虚_孔、存在較大應(yīng)力集中的復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)體系。

圖1 主隧道與聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形

圖2 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置前后主隧道的應(yīng)力變化

2 隧道不均勻沉降對(duì)喇叭口處受力的影響分析

采用復(fù)合peck變形模式模擬隧道的不均勻變形，結(jié)果顯示隧道的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別在接口處的腰部和頂部出現(xiàn)，而聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形引起最大拉應(yīng)力則出現(xiàn)在接口處的底部。當(dāng)?shù)鼗冃螐?qiáng)度值較小時(shí)，受隧道本體剛度的影響，主隧道承受的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力變化較小，即主隧道能夠有效抵抗地層變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力的影響，但當(dāng)作用范圍增大時(shí)，隧道承受的最大拉應(yīng)力有增加趨勢。

地層不均勻變形作用范圍不同，引起的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大的趨勢存在差異。當(dāng)不均勻變形范圍集中在模型長度的1/8L(開孔范圍的1.5D)時(shí)，不均勻變形對(duì)主隧道最大壓應(yīng)力變化的影響最為明顯。當(dāng)不均勻變形作用范圍超過1/8L時(shí)，最大壓應(yīng)力增長速度變緩。而地層不均勻變形作用范圍引起主隧道承受最大拉應(yīng)力的增長趨勢基本呈線性變化，即呈現(xiàn)出不均勻變形范圍越大，隧道承受的最大拉應(yīng)力越大的趨勢，而與地基不均勻變形的量值關(guān)系不明顯。

隨著地層變形量值的增大，開孔區(qū)域的最大壓應(yīng)力由腰部逐漸向下部轉(zhuǎn)移，如圖3所示。

由圖4～5可見，在變形范圍相同的條件下，隨著地層變形值的增大，主隧道開孔區(qū)域承受的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均增大。說明聯(lián)絡(luò)通道與主隧道連接部位對(duì)不均勻變形程度值較為敏感：當(dāng)變形范圍和變形值都較小(<6 cm)，不均勻變形對(duì)開孔部位的應(yīng)力影響不大；當(dāng)變形范圍和變形值都較大(≥6 cm)時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道與主隧道連接部位將產(chǎn)生開裂，開裂部位位于開孔區(qū)域頂部。其位置如圖6所示。

圖3 地層不均勻變形導(dǎo)致開孔區(qū)域的應(yīng)力變化

圖4 主隧道不均勻上浮條件下主隧道最大壓應(yīng)力變化規(guī)律

圖5 主隧道不均勻上浮條件下主隧道最大拉應(yīng)力變化規(guī)律

圖6 主隧道不均勻上浮時(shí)主隧道重點(diǎn)防護(hù)部位

3 聯(lián)絡(luò)通道不均勻沉降對(duì)喇叭口處受力的影響

當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道發(fā)生不均勻變形時(shí)，連接處開孔區(qū)域最大應(yīng)力分布由腰部向肩部轉(zhuǎn)移，如圖7～9所示。

圖7 聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形引起的主隧道開孔應(yīng)力變化

圖8 聯(lián)絡(luò)通道地層變形區(qū)域不同條件下主隧道最大壓應(yīng)力分布規(guī)律

圖9 聯(lián)絡(luò)通道地層變形區(qū)域不同條件下主隧道最大拉應(yīng)力分布規(guī)律

由圖8～9可見，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形范圍小于聯(lián)絡(luò)通道長度的1/2L時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形對(duì)主隧道開孔部位的應(yīng)力影響較小。隨著變形范圍加大，隧道承受的最大應(yīng)力急劇增大，當(dāng)整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道都發(fā)生變形時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)承受的最大拉應(yīng)力由隧道頂部變?yōu)樗淼赖撞?，最大壓?yīng)力由腰部逐漸過渡到兩肩部位。

聯(lián)絡(luò)通道不均勻上浮變形條件下，主隧道與聯(lián)絡(luò)通道連接部位的下部易出現(xiàn)混凝土開裂，發(fā)生滲漏水現(xiàn)象。其位置如圖10所示。

圖10 聯(lián)絡(luò)通道不均勻上浮時(shí)主隧道重點(diǎn)防護(hù)部位

聯(lián)絡(luò)通道地層變形導(dǎo)致連接區(qū)域開孔處的應(yīng)力變化與聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域地層變形范圍的大小有密切關(guān)系。在結(jié)構(gòu)安全的前提下，如果地層變形范圍沒有覆蓋連接區(qū)域，應(yīng)力分布受影響程度較小，主隧道承受的應(yīng)力基本保持不變；當(dāng)?shù)貙幼冃胃采w整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域時(shí)，開孔區(qū)域的最大拉壓應(yīng)力相當(dāng)，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力的極端情況。當(dāng)?shù)貙幼冃沃递^大時(shí)，主隧道開孔區(qū)域的最大拉應(yīng)力位置將由開孔區(qū)域頂部變?yōu)榈撞??？紤]混凝土抗拉強(qiáng)度較低，聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形范圍較大時(shí)，主隧道開孔區(qū)域的頂部必將發(fā)生受拉破壞。

4 結(jié) 論

1)地層不均勻變形作用范圍引起主隧道承受最大拉應(yīng)力的增長趨勢基本呈線性變化，即呈現(xiàn)出不均勻變形范圍越大，隧道承受的最大拉應(yīng)力越大的趨勢。

2)隧道不均勻變形范圍和程度都較小時(shí)，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道受力狀態(tài)幾乎沒有影響。當(dāng)?shù)貙幼冃畏秶性诼?lián)絡(luò)通道的5倍直徑內(nèi)、變形強(qiáng)度較大時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道承受的最大應(yīng)力大幅增加，且聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)力增長的區(qū)域逐漸沿聯(lián)絡(luò)通道軸線向?qū)?cè)隧道方向擴(kuò)展。

3)當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道不均勻變形范圍小于聯(lián)絡(luò)通道長度的1/2L時(shí)，變形對(duì)隧道開孔部位的應(yīng)力影響較小。當(dāng)變形范圍遍布整個(gè)聯(lián)絡(luò)通道時(shí)，隧道承受的最大應(yīng)力急劇增大。

4)不均勻變形條件下，主隧道與聯(lián)絡(luò)通道連接部位的頂部和底部易出現(xiàn)混凝土開裂，是主隧道抵抗不均勻變形的薄弱部位，而聯(lián)絡(luò)通道中間的頂部、連接部位的頂部與底部，是聯(lián)絡(luò)通道抵抗不均勻變形的薄弱部位。這些部位容易發(fā)生滲水現(xiàn)象，需要重點(diǎn)監(jiān)測與保護(hù)。

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