蘇通GIL綜合管廊工程盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估

蘇 昂， 封 坤， 王寧華， 張曉陽(yáng)， 涂新斌， 何 川， 錢玉華， 梁 坤

(1. 江蘇省交通工程建設(shè)局， 江蘇 南京 210000； 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031； 3. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司， 北京 100031)

0 引言

現(xiàn)代化都市人口密集，城市用電量需求大，同時(shí)土地資源匱乏，環(huán)境保護(hù)限制嚴(yán)格，城市輸變電線無(wú)法采用傳統(tǒng)架空線路的形式，實(shí)施地下化勢(shì)在必行[1-3]。對(duì)于輸送大功率的電力隧道，目前國(guó)外大多采用盾構(gòu)隧道形式，然而大直徑超高壓越江電力隧道在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段面臨一系列技術(shù)難題[4-6]，亟需開展高水壓狀態(tài)下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估研究。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管片結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估進(jìn)行了一系列研究。蘇輝[7]確定了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用屬性識(shí)別綜合評(píng)判方法，對(duì)上海軟土地區(qū)運(yùn)營(yíng)期間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行快速評(píng)估。魏綱等[8]闡述了運(yùn)營(yíng)階段地鐵盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，總結(jié)出地鐵安全評(píng)價(jià)等級(jí)并確定了各個(gè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。李軍等[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、跟蹤監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)盾構(gòu)管片裂損的成因以及裂損后管片結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了具體分析。魯志鵬[10]提出了考慮環(huán)縫影響的縱向等效連續(xù)剛度修正模型，確立隧道縱向安全評(píng)估的體系標(biāo)準(zhǔn)，并合理評(píng)估運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道的縱向安全性。孫鵬[11]建立了考慮管片開裂狀態(tài)的三維數(shù)值模型，研究環(huán)境因素與隧道運(yùn)營(yíng)安全性和穩(wěn)定性之間的規(guī)律關(guān)系。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道開展足尺試驗(yàn)，采用結(jié)構(gòu)的荷載儲(chǔ)備比作為安全指標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全度進(jìn)行分析討論。文獻(xiàn)[14]提出了動(dòng)應(yīng)力分析法，對(duì)不同埋置位置液化礦床盾構(gòu)隧道安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[15-16]將隧道的安全性、耐久性與適用性3個(gè)方面指標(biāo)進(jìn)行整合，對(duì)隧道安全及使用性能實(shí)現(xiàn)分級(jí)評(píng)估。以上文獻(xiàn)研究對(duì)象多為運(yùn)營(yíng)期的城市地鐵盾構(gòu)隧道，針對(duì)施工期的大直徑高水壓電力盾構(gòu)隧道的研究較少，與城市地鐵盾構(gòu)隧道相比，大直徑高水壓盾構(gòu)隧道的斷面更大，承受的水壓更高，管片結(jié)構(gòu)在形變、力學(xué)性能、安全性等方面更加復(fù)雜。

鑒于此，本文依托蘇通GIL綜合管廊工程盾構(gòu)隧道項(xiàng)目，采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體加載裝置”對(duì)施工期5個(gè)控制斷面管片結(jié)構(gòu)開展原型加載試驗(yàn)?；诨炷疗氖軌簶O限承載力理論，推導(dǎo)出管片結(jié)構(gòu)的M-N承載力曲線，并提出管片結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，驗(yàn)證管片結(jié)構(gòu)的安全性。

1 工程介紹

1.1 工程概況

蘇通GIL綜合管廊工程是國(guó)務(wù)院環(huán)境污染整治行動(dòng)計(jì)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目——“淮南—南京—上?！? 000 kV特高壓輸變電項(xiàng)目的關(guān)鍵工程，是華東特高壓輸變電網(wǎng)的咽喉要道。蘇通GIL綜合管廊工程穿越長(zhǎng)江，起于南通引接站，止于蘇州引接站，已于2019年建成投運(yùn)。

本工程位于長(zhǎng)江下游三角洲前緣地帶，隧道總長(zhǎng)度為5 530.5 m，其中盾構(gòu)段總長(zhǎng)度約為5 466.5 m，主要穿越第四紀(jì)淤泥質(zhì)黏土、粉土、砂層等軟弱覆蓋層，具有高透水性、高密實(shí)度、高石英含量等特點(diǎn)。隧道底面最低點(diǎn)標(biāo)高-74.83 m，水土壓力超過(guò)0.9 MPa，隧道頂板埋深20.4～47.8 m，含水層較厚，滲透性強(qiáng)，是目前國(guó)內(nèi)埋深最大、水壓最高的隧道，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道縱斷面示意圖

1.2 研究對(duì)象

隧道主體結(jié)構(gòu)采用C60單層裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，采用“1+2+5”分塊方式，即1個(gè)封頂塊(F塊)、2個(gè)鄰接塊(L1塊、L2塊)和5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊(B1—B5塊)。管片襯砌外直徑為11.6 m，內(nèi)直徑為10.5 m，幅寬2 m，厚度0.55 m。其中，封頂塊圓心角為16.37°，鄰接塊圓心角為49.09°，標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角為49.09°。管片結(jié)構(gòu)環(huán)向螺栓M36共24根、環(huán)與環(huán)之間縱向螺栓M40共22根，縱向螺栓之間角度為16.37°。管片結(jié)構(gòu)分塊如圖2所示。

圖2 管片結(jié)構(gòu)分塊示意圖

1.3 控制斷面選擇

蘇通GIL綜合管廊盾構(gòu)隧道沿線經(jīng)過(guò)的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，在岸邊段主要位于淤泥質(zhì)黏土或粉土中，江中段盾構(gòu)隧道主要穿越軟弱地層、巖層及軟硬不均地層等不同的地質(zhì)條件，且具有高水壓的影響。為了能夠較為全面地分析盾構(gòu)管片的受力特性，結(jié)合地質(zhì)情況，選取5個(gè)計(jì)算斷面進(jìn)行加載試驗(yàn)。各控制斷面地層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

(a) 1號(hào)斷面 (b) 2號(hào)斷面 (c) 3號(hào)斷面

(d) 4號(hào)斷面 (e) 5號(hào)斷面

1)1號(hào)斷面里程CK0+267，左岸覆土最深，上覆土層分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂，埋深21.2 m，最高水頭25.2 m，最低水頭6.3 m。

2)2號(hào)斷面里程CK1+324，隧道覆土最深，上覆土層分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土混粉土、粉土、粉細(xì)砂，埋深42.2 m，最高水頭55.4 m，最低水頭36.5 m。

3)3號(hào)斷面里程CK2+158，水位最高，上覆土層分別為粉質(zhì)黏土混粉土、粉細(xì)砂、細(xì)砂，埋深22 m，最高水頭71 m，最低水頭52.1 m。

4)4號(hào)斷面里程CK4+009，地層變化最顯著，上覆土層分別為粉細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)黏土混粉土，埋深32.6 m，最高水頭46.9 m，最低水頭28 m。

5)5號(hào)斷面里程CK5+198，右岸覆土最深，上覆土層分別為粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土混粉土、粉砂，埋深26.8 m，最高水頭33.3 m，最低水頭14.4 m。

2 試驗(yàn)裝置及加載方案

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體加載裝置”對(duì)管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行原型加載試驗(yàn)，加載裝置包括超高強(qiáng)度加載梁、超高壓千斤頂、錨具、無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線、高精度液壓穩(wěn)壓器和液壓源等。超高強(qiáng)度加載梁，由4根對(duì)拉梁(5 150 mm×800 mm×550 mm)和4根環(huán)箍梁(2 000 mm×620 mm×440 mm)組成，為試驗(yàn)提供內(nèi)力自平衡體系而不依賴外界提供反力。試驗(yàn)利用超高強(qiáng)度加載梁施加荷載模擬隧道結(jié)構(gòu)所受的土壓荷載和水荷載，其中對(duì)拉梁用于對(duì)管片結(jié)構(gòu)施加對(duì)拉力，從而使管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩，以此模擬管片結(jié)構(gòu)所受到的土壓荷載；環(huán)箍梁用于對(duì)管片結(jié)構(gòu)施加環(huán)箍力，從而使管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸力，以此模擬管片結(jié)構(gòu)所受到的水壓荷載。管片結(jié)構(gòu)原型加載試驗(yàn)如圖4所示。

2.2 量測(cè)系統(tǒng)

加載試驗(yàn)主要測(cè)量管片結(jié)構(gòu)目標(biāo)環(huán)的彎矩和軸力，試驗(yàn)中通過(guò)量測(cè)管片內(nèi)外側(cè)的應(yīng)變值計(jì)算得到彎矩和軸力，應(yīng)變片布置如圖5所示。

2.3 加載方案

試驗(yàn)采用環(huán)箍力來(lái)模擬水壓，對(duì)拉力來(lái)模擬土壓，為了方便表達(dá)，將環(huán)箍力記為p1，主對(duì)拉力記為p2，副對(duì)拉力記為p3，具體加載方法為：

1)施加水壓。環(huán)箍力p1由零開始逐級(jí)加載至最大設(shè)計(jì)荷載，主對(duì)拉力p2、副對(duì)拉力p3保持為0，加載過(guò)程中每級(jí)荷載之間的間隔時(shí)間為10 min。

2)施加土壓。保持環(huán)箍力最大設(shè)計(jì)荷載不變，p2和p3同時(shí)從零逐級(jí)增大至最大設(shè)計(jì)荷載，該過(guò)程始終保持p3=p2×0.55，每級(jí)荷載之間間隔10 min，加載工況如圖6所示，表2為控制斷面的最大設(shè)計(jì)荷載。

(a) 加載示意圖

(b) 加載現(xiàn)場(chǎng)圖

(a) B3管片內(nèi)弧面

(b) B3管片外弧面

圖5 中間目標(biāo)環(huán)B3管片應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

Fig. 5 Schematic diagrams of strain measurement points of middle target segment B3

(a) 1號(hào)斷面 (b) 2號(hào)斷面

(c) 3號(hào)斷面 (d) 4號(hào)斷面

(e) 5號(hào)斷面

圖6 加載工況圖

Fig. 6 Schematic diagrams of loading schemes

表2 最大設(shè)計(jì)荷載

3 混凝土管片結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)方法

3.1 混凝土管片結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力

混凝土管片結(jié)構(gòu)在水土壓力作用下出現(xiàn)偏心受壓破壞，可以分為大偏心受壓破壞和小偏心受壓破壞，大偏心受壓破壞或者小偏心受壓破壞臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的內(nèi)力值為混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力[17-18]。

3.1.1 大偏心受壓破壞極限承載力

大偏心破壞極限承載力計(jì)算示意圖如圖7所示。

(1)

(2)

式中：Nu為軸力設(shè)計(jì)值；Mu為彎矩設(shè)計(jì)值；α1為混凝土強(qiáng)度調(diào)整系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為混凝土構(gòu)件寬度；x為混凝土受壓區(qū)計(jì)算高度；fy′為鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As′為受壓區(qū)鋼筋面積之和；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為受拉區(qū)鋼筋面積之和；e為軸向力作用點(diǎn)至受拉鋼筋A(yù)s合力點(diǎn)之間的距離；h0為受拉鋼筋至受壓區(qū)混凝土構(gòu)件邊界的距離；as′為受壓區(qū)鋼筋到受壓區(qū)混凝土構(gòu)件邊界的距離。

以上公式的使用條件：

1)ξ≤ξb，確認(rèn)為大偏心受壓構(gòu)件。

2)x≥2as′，截面破壞時(shí)，在保證正確配筋前提下，受壓鋼筋應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

無(wú)論是對(duì)于國(guó)家性非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承人的立法還是地方性有關(guān)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承人的管理?xiàng)l例都只對(duì)具有代表性的傳承主體進(jìn)行了規(guī)定，并未對(duì)傳承人作出詳細(xì)的分類和界定，故筆者認(rèn)為應(yīng)該有一般性傳承人與之相對(duì)應(yīng)，傳承人還可就此分為代表性傳承人與一般性傳承人。

(a) 截面應(yīng)變分布和應(yīng)力分布

(b) 等效計(jì)算圖形

3.1.2 小偏心受壓破壞極限承載力

小偏心破壞極限承載力計(jì)算示意圖如圖8所示。

(3)

(4)

(5)

式中：σs為距軸向力較遠(yuǎn)一側(cè)的鋼筋應(yīng)力；β1為系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)，取0.8,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，取0.74，其間按線性內(nèi)插法確定；ξ為相對(duì)受壓區(qū)高度；ξb為相對(duì)界限受壓區(qū)高度；h/h0為混凝土構(gòu)件高度與受拉鋼筋至受壓區(qū)混凝土構(gòu)件邊界距離之比。

(a) 截面應(yīng)變分布和應(yīng)力分布

(b) 等效計(jì)算圖形

根據(jù)混凝土管片結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力理論，利用管片結(jié)構(gòu)截面極限承載力曲線判斷管片結(jié)構(gòu)的狀態(tài)[18]，如圖9所示。當(dāng)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力(Mi，Ni)在包絡(luò)曲線的內(nèi)部區(qū)域，可認(rèn)為管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力未超過(guò)極限承載力，管片結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。當(dāng)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力(Mi，Ni)在包絡(luò)曲線外部區(qū)域，則認(rèn)為管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過(guò)極限承載力，管片結(jié)構(gòu)處于破壞狀態(tài)。

3.2 混凝土管片結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)加載方法為先施加環(huán)箍力再施加對(duì)拉力，即在加載過(guò)程中管片結(jié)構(gòu)的環(huán)箍力保持不變，對(duì)拉力持續(xù)增加。當(dāng)截面尺寸和配筋情況一定時(shí)，管片結(jié)構(gòu)正截面承載力函數(shù)是一條關(guān)于軸力和彎矩的曲線f(M,N)=0，如圖9所示，某軸力作用下，某一截面的內(nèi)力組合為(M1,N1)，該軸力下，截面內(nèi)力組合的極限為(Mu,N1)，即當(dāng)截面內(nèi)力組合達(dá)到或超過(guò)該極限之后，構(gòu)件將完全喪失承載能力。

圖9 混凝土管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

超載工況下截面的安全系數(shù)定義為在一定軸力條件下截面的極限彎矩與實(shí)際彎矩之比，即

R=Mu/M1。

(6)

4 GIL綜合管廊工程安全性評(píng)估

4.1 蘇通GIL綜合管廊工程M-N承載力曲線

管片結(jié)構(gòu)截面極限承載力曲線按照混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓公式計(jì)算得到，在計(jì)算過(guò)程中假設(shè)如下：

1)管片結(jié)構(gòu)變形后符合平截面假定；

2)混凝土不承受拉應(yīng)力；

3)使用對(duì)稱配筋的方式；

4)受壓區(qū)混凝土采用等效矩形應(yīng)力圖。

相關(guān)參數(shù)均按照混凝土相關(guān)計(jì)算規(guī)范選取，得到管片結(jié)構(gòu)偏心受壓破壞極限承載力計(jì)算公式，繪制出管片結(jié)構(gòu)的M-N承載力曲線，如圖11所示。

當(dāng)e≥0.221，大偏心受壓破壞極限承載力

(7)

當(dāng)e<0.221，小偏心受壓破壞極限承載力

(8)

圖10 管片截面尺寸圖(單位： mm)

圖11 管片結(jié)構(gòu)的正截面承載力曲線

4.2 蘇通GIL綜合管廊工程控制斷面安全系數(shù)

4.2.1 原型試驗(yàn)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果

試驗(yàn)得到了各個(gè)控制斷面的管片環(huán)彎矩、軸力，如圖12和圖13所示。

各個(gè)控制斷面管片結(jié)構(gòu)的彎矩呈現(xiàn)出“蝶狀”分布，軸力呈現(xiàn)“圓狀”分布，彎矩分布不均勻，軸力分布較為均勻，管片結(jié)構(gòu)的最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂位置，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在左右拱腳位置，最大軸力出現(xiàn)在拱頂位置，最小軸力出現(xiàn)在左拱腳附近(327°)。

4.2.2 管片結(jié)構(gòu)承載力包絡(luò)曲線

由于截面承載力是彎矩M和軸力N的組合，彎矩和軸力最大的位置不一定是最危險(xiǎn)的位置，選擇管片結(jié)構(gòu)全周的試驗(yàn)內(nèi)力組合(Mi，Ni)，將之繪制到M-N承載力曲線中，得到不同控制斷面的管片結(jié)構(gòu)承載力包絡(luò)圖，如圖14所示。

從圖可以看出，5個(gè)控制斷面的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在承載力曲線包絡(luò)范圍內(nèi)，從截面承載的角度來(lái)看，管片結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖12 管片結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖13 管片結(jié)構(gòu)軸力圖

(a) 1號(hào)斷面

(b) 2號(hào)斷面

(c) 3號(hào)斷面

(d) 4號(hào)斷面

(e) 5號(hào)斷面

4.2.3 管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)包絡(luò)曲線

根據(jù)管片結(jié)構(gòu)承載力包絡(luò)圖，結(jié)合管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)定義，可以得到控制斷面管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)包絡(luò)圖，如圖15所示。由圖可以看出，管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)近似呈軸對(duì)稱分布，不同位置的安全系數(shù)存在較大的差異，拱頂位置安全系數(shù)最小，拱頂位置彎矩和軸力組合為最不利內(nèi)力組合，此處為控制位置。

結(jié)合圖14，可以得出5個(gè)控制斷面拱頂位置的彎矩極限值分別為2 023.53、2 629.41、2 800、2 423.53、2 205.88 kN·m，5個(gè)控制斷面的安全系數(shù)分別為2.91、2.37、2.26、2.12、2.32，如表3所示。其中，4號(hào)斷面的安全系數(shù)最小，為2.12，1號(hào)斷面的安全系數(shù)最大，為2.91，管片結(jié)構(gòu)的安全余量充足，設(shè)計(jì)滿足安全性的要求。

圖15 管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)包絡(luò)圖

表3 控制斷面試驗(yàn)內(nèi)力

5 結(jié)論與建議

本文依托蘇通GIL綜合管廊工程盾構(gòu)隧道，采用“多功能盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體加載裝置”對(duì)5個(gè)控制斷面管片結(jié)構(gòu)開展原型加載試驗(yàn)，提出管片結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)管片結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論：

1) 5個(gè)控制斷面管片結(jié)構(gòu)的彎矩均呈現(xiàn)出“蝶狀”分布，軸力呈現(xiàn)“圓狀”分布，彎矩分布不均勻，軸力分布較為均勻，管片結(jié)構(gòu)的最大正彎矩均出現(xiàn)在拱頂位置，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在左右拱腳位置，最大軸力出現(xiàn)在拱頂位置，最小軸力出現(xiàn)在左拱腳附近(327°)。

2)基于混凝土結(jié)構(gòu)偏心受壓極限承載力，推導(dǎo)出管片結(jié)構(gòu)的M-N承載力曲線，提出管片結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。5個(gè)控制斷面的管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力均在承載力M-N曲線包絡(luò)范圍內(nèi)，從截面承載的角度來(lái)看，管片結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3)管片結(jié)構(gòu)安全系數(shù)沿圓周分布不均，拱頂位置的安全系數(shù)小于其他位置，拱頂為管片結(jié)構(gòu)安全的控制位置，管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為2.12～2.91，設(shè)計(jì)滿足安全性要求。

4)管片結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)除了與內(nèi)力有關(guān)外，與形變、能量等其他因素也相關(guān)，建議以后的研究可以從內(nèi)力、形變和能量角度開展多因素分析，提出綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)管片結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行綜合評(píng)估。