基于監(jiān)測與計算的海底風(fēng)化槽地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力性能分析

許黎明

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000)

1 引言

近年來，中國城市軌道交通進(jìn)入快速發(fā)展階段，隧道穿越的地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜，尤其是水下隧道，逐漸由常規(guī)巖土向特殊巖土和不良地質(zhì)發(fā)展，如海底風(fēng)化槽、斷層破碎帶等。海底風(fēng)化槽以全、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)巖為主，大多為Ⅳ/Ⅴ級圍巖,軟弱破碎，裂隙水發(fā)育，圍巖具有非線性和流變性，對隧道結(jié)構(gòu)長期受力不利；上覆一般為深厚淤泥層，滲透性較差，考慮到為海底隧道，長期受海水補(bǔ)給、地下水侵蝕、潮汐等周邊環(huán)境作用，實際地層中水的狀態(tài)很難把握，海水、地下水、裂隙水的連通關(guān)系亦不清楚。針對海底風(fēng)化槽圍巖不良力學(xué)特性和復(fù)雜荷載環(huán)境，探明結(jié)構(gòu)外荷載分布模式是進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的前提。

為反映隧道結(jié)構(gòu)實際外荷載分布情況，大量學(xué)者通過現(xiàn)場監(jiān)測方法，得到了圍巖壓力隨時間的變化規(guī)律，進(jìn)而結(jié)合理論分析、數(shù)值計算等修正荷載計算方法，為隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提供指導(dǎo)。以上研究已在工程中得到了大量的實踐，得到了一些對隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工有益的結(jié)論。針對廈門地鐵2號線跨海區(qū)間盾構(gòu)隧道，穿越風(fēng)化槽、斷層破碎帶等不良地質(zhì)，從工程設(shè)計、施工、長期運(yùn)維安全上都具有代表性和研究價值，因此有必要研究隧道結(jié)構(gòu)外荷載分布模式，為結(jié)構(gòu)力學(xué)計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

隧道結(jié)構(gòu)安全評價方面，已有學(xué)者、專家針對不同工程地質(zhì)條件、荷載環(huán)境及結(jié)構(gòu)形式等開展了眾多基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，提出了結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)和控制標(biāo)準(zhǔn)，理論體系和技術(shù)手段已相當(dāng)成熟，此處不再贅述。

該文依托廈門地鐵2號線跨海區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越海底風(fēng)化槽段，開展現(xiàn)場監(jiān)測試驗，探明結(jié)構(gòu)荷載分布狀況，結(jié)合水土壓力計算理論，探討海底風(fēng)化槽地層水土壓力應(yīng)采用分算還是合算計算模式，采用數(shù)值計算，分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征?；诖?，研究“橫鴨蛋”(隧道變形后的形態(tài))變形發(fā)展時結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)演化規(guī)律，提煉結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)，以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)安全評價。

2 工程概況

廈門軌道交通2號線為跨海地鐵隧道，跨海段為海滄大道站～東渡路站，起訖里程為右DK18+531.484～DK21+267.569，全長2 736.085 m。采用泥水平衡盾構(gòu)施工，錯縫拼裝形式。管片外徑為6.7 m，內(nèi)徑為6.0 m，厚度為0.35 m，環(huán)寬為1.5 m，由6塊管片組成(1+2+3)。管片采用C55混凝土，主筋為HRB400級鋼筋。管片通過機(jī)械性能為8.8級的M30彎螺栓連接，包括16個縱向螺栓和12個環(huán)向螺栓，螺栓長度為545 mm，環(huán)縫設(shè)置16個分布式凹凸榫。

針對海底風(fēng)化槽段圍巖整體性差、裂隙水發(fā)育、水土壓力復(fù)雜等問題，結(jié)合隧道勘查、設(shè)計資料，在左線海底風(fēng)化槽段選取研究斷面，開展結(jié)構(gòu)力學(xué)監(jiān)測與計算分析，里程樁號為DK19+310，穿越全/強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，圍巖承載力一般，風(fēng)化厚度差異大，土層分布情況如圖1所示。

圖1 海底風(fēng)化槽處土層分布特征(單位：m)

針對管片荷載狀況和結(jié)構(gòu)內(nèi)力開展監(jiān)測，測點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 管片結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)布置圖

(1) 水土壓力監(jiān)測

管片預(yù)制過程中在管片外側(cè)埋設(shè)振弦式柔壓計，用于測量管片外壁承受的總壓力(水壓力、土壓力)。在拱頂、邊墻位置共布設(shè)4個測點(diǎn)，每測點(diǎn)管片外側(cè)埋設(shè)1支柔壓計。

(2) 結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測

管片內(nèi)、外側(cè)各布設(shè)1支振弦式鋼筋計，測量混凝土內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力。結(jié)合管片內(nèi)部鋼筋焊接方法，沿管片環(huán)向共布設(shè)4個測點(diǎn)，每測點(diǎn)內(nèi)、外側(cè)鋼筋各布置1支鋼筋計。

3 水土壓力分布特征與計算方法

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)通過土倉壓力(一般為地層壓力的1.0～1.3倍)平衡前方開挖面應(yīng)力，千斤頂推動刀盤穩(wěn)定切割土體，盾構(gòu)機(jī)殼體內(nèi)由千斤頂伸縮完成管片拼裝，當(dāng)盾尾脫離管片時，同步壁后注漿進(jìn)行圍巖與管片孔隙初次填充加固(注漿壓力一般為0.2～0.4 MPa)，當(dāng)盾尾距管片3～5環(huán)時，進(jìn)行二次注漿密實加固。因此，管片拼裝初期，受土倉壓力、同步注漿及二次注漿壓力等施工荷載影響，短期內(nèi)作用于管片的荷載明顯增大，隨盾構(gòu)推進(jìn)，施工荷載影響減弱，管片水土壓力趨于穩(wěn)定。

水土壓力監(jiān)測時程曲線(圖3)較好地反映了施工擾動對管片荷載作用規(guī)律。由圖3可得：拼裝初期(2017年1—3月)為擾動劇烈階段，荷載波動范圍大，為100～150 kPa；2017年3—8月，隨著盾構(gòu)推進(jìn)，荷載擾動減弱，為20～50 kPa小幅波動；2017年8月至今，施工擾動基本消失，荷載趨于穩(wěn)定?；谝阎獪y點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過軌線插值得到受力穩(wěn)定階段管片環(huán)向水土壓力分布，如圖4所示。由圖4可知：各測點(diǎn)水土壓力分布范圍為300～350 kPa，受海底風(fēng)化槽地層差異大、圍巖風(fēng)化破碎、地下水等影響，荷載沿管片環(huán)向呈非對稱分布，土壓力整體呈右大左小、下大上小形態(tài)，拱頂水土壓力最小，為303 kPa，右邊墻水土壓力最大，為339 kPa。

圖3 水土壓力時程曲線

圖4 穩(wěn)定階段水土壓力分布(單位：kPa)

3.2 理論計算及對比

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對海底風(fēng)化槽水文地質(zhì)條件，分別采用水土分算、合算方法分析水土壓力分布特征，明確海底風(fēng)化槽段水土壓力計算方法。

荷載主要考慮永久荷載，包括豎向和水平向水土壓力、管片自重和地層抗力。

(1) 管片頂部土壓力P1

地表至隧道頂?shù)木嚯xhs≥2D(D為管片外徑)，但上覆土層以軟弱-中等程度的黏性土和松散砂質(zhì)土為主，根據(jù)《盾構(gòu)隧道管片設(shè)計》規(guī)定，頂部豎向土壓力P1按土柱法計算：

P1=∑γihi

(1)

式中：hi為第i層土的高度(m)；γi為第i層土的重度(kN/m3)，水土合算采用飽和重度，將上部海水層作用考慮為上部堆載，P1=∑γihi+γw(hw-hs)，γw為水的重度(kN/m3)，hw為水位線至隧道頂?shù)木嚯x(m)，水土分算采用浮重度。

(2) 管片底部土壓力P2

考慮管片重力，管片底部土壓力為頂部土壓力與管片自重引起的地基反力之和。

P2=P1+2G/A

(2)

式中：G為管片自重(kN)，G=γh·δ，其中，γh為鋼筋混凝土重度(kN/m2)，δ為管片厚度；A為管片表面積(m2)。

管片側(cè)向土壓力按照梯形線性分布，計算式如下：

Q1=λP1

(3)

Q2=λ(P1+γD)

(4)

式中：Q1、Q2分別為頂部、底部側(cè)向壓力(kPa)；λ為隧道穿越土層的側(cè)壓系數(shù)；γ為隧道穿越土層的重度(kN/m3)。

(4) 管片水壓力

分算時考慮靜水壓力，即：

Qw=γwh

(5)

式中：h為計算點(diǎn)水頭高度。

最后，循環(huán)以上步驟直至不再出現(xiàn)新的定位點(diǎn)，通過循環(huán)更新替換過程，定位點(diǎn)從曲面的外沿往內(nèi)延伸，最終由原始定位點(diǎn)及更新后的定位點(diǎn)采樣得到完整的待修復(fù)曲面模型數(shù)據(jù)。

地層抗力按非線性地層彈簧考慮，法向受壓彈簧剛度系數(shù)K0按隧道穿越地層(全風(fēng)化變質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖)水平基床系數(shù)的加權(quán)平均進(jìn)行計算，受拉彈簧系數(shù)為0。

K0=∑kihi/D

(6)

采用同濟(jì)曙光-盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)計算軟件，基于梁-彈簧力學(xué)模型，計算參數(shù)取值見表1，荷載計算結(jié)果見圖5，計算荷載下管片變形情況如圖6所示。

由圖6可知：地層抗力作用下，管片橫向擴(kuò)張受到限制，較豎向位移稍小，呈“橫鴨蛋”變形模式。相對水土合算，分算時管片變形整體偏?。缓纤銜r管片垂直位移最大為4.2 mm，位于拱頂，分算時為2.0 mm，位于拱底；合算時管片水平位移最大為3.1 mm，分算為2.0 mm，位于邊墻。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

圖5 荷載計算結(jié)果(單位：kPa)

圖6 計算荷載下管片位移矢量圖(單位：mm)

荷載作用下管片兩側(cè)橫向擠壓圍巖，圍巖產(chǎn)生被動抵抗管片變形的力即地層抗力，地層抗力大小與管片變形成正比。因此，管片承受的荷載為水土荷載與地層抗力之和，即管片背后柔壓計感知到的荷載實際上是水壓力、土壓力和地層抗力之和。

表2為隧道拱頂、拱底和左右邊墻4個參考點(diǎn)的理論值與監(jiān)測值對比結(jié)果。由表2可知：總體上理論值略大于監(jiān)測值，水土合算時理論值與監(jiān)測值比值為1.04～1.15，分算時為1.04～1.28，由此證明水土合算更適合該工程海底風(fēng)化槽段水土壓力的計算。

表2 計算荷載與監(jiān)測荷載對比

4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

4.1 穩(wěn)定荷載下結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

4.1.1 三維有限元模型

采用荷載-結(jié)構(gòu)法計算，六面體實體單元模擬混凝土管片，桿單元模擬鋼筋與接頭螺栓，桿單元模擬彎螺栓時，桿單元中心點(diǎn)與彎螺栓一致，長度取彎螺栓在桿單元方向上的投影，為保證簡化前后螺栓應(yīng)力、變形一致，采用等效剛度法對彈性模量進(jìn)行折減，鋼筋、螺栓桿單元設(shè)置嵌入管片。管片分塊、環(huán)間由縱向螺栓連接，切向設(shè)置摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.4，法向為硬接觸。管片結(jié)構(gòu)與地層之間設(shè)置地層彈簧，同時設(shè)置剪切彈簧以約束整環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。計算模型見圖7。

圖7 錯縫拼裝管片三維精細(xì)化有限元模型

4.1.2 本構(gòu)模型與參數(shù)選取

襯砌管片采用混凝土損傷塑性模型，本構(gòu)關(guān)系根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)給定的本構(gòu)模型進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，螺栓、鋼筋采用理想彈塑性模型，混凝土、鋼筋、螺栓物理力學(xué)參數(shù)如表3、4所示。

表3 材料力學(xué)參數(shù)

表4 混凝土損傷塑性模型參數(shù)

4.1.3 計算結(jié)果

施工穩(wěn)定荷載作用下管片與鋼筋協(xié)同變形，受力模式一致(圖8)。

圖8 施工穩(wěn)定荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

由圖8可知：拱頂、拱底承受正彎矩，外側(cè)受壓、內(nèi)側(cè)受拉；邊墻、拱腰承受負(fù)彎矩，外側(cè)受拉、內(nèi)側(cè)受壓。管片最大壓應(yīng)力為-11.5 MPa，位于邊墻內(nèi)側(cè)，為C55混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(35.5 MPa)的32%；鋼筋最大拉應(yīng)力51.4 MPa，位于拱頂內(nèi)側(cè)，鋼筋最大壓應(yīng)力-58.4 MPa，位于邊墻內(nèi)側(cè)，分別為HRB400鋼筋屈服強(qiáng)度的12.8%、14.6%。螺栓整體受拉，環(huán)向螺栓拉應(yīng)力大于縱向螺栓，最大拉應(yīng)力為310 MPa，為拱頂環(huán)向螺栓，其值為機(jī)械性能8.8級普通螺栓屈服強(qiáng)度的48%。

圖9為鋼筋應(yīng)力監(jiān)測時程曲線，管片拼裝初期，受施工擾動，鋼筋應(yīng)力波動較大，隨盾構(gòu)推進(jìn)，鋼筋應(yīng)力趨于穩(wěn)定。由圖9可知：管片內(nèi)、外側(cè)鋼筋整體受壓，內(nèi)側(cè)鋼筋穩(wěn)定值為-9～-30 MPa，外側(cè)鋼筋穩(wěn)定值為-10～-40 MPa。鋼筋最大壓應(yīng)力監(jiān)測值為-40 MPa，為計算值的70%。

4.2 結(jié)構(gòu)承載性能演化

由上節(jié)研究可知施工期穩(wěn)定荷載作用下，管片呈“橫鴨蛋”變形，運(yùn)營期受周邊環(huán)境影響，如沉船、潮汐及臨近建(構(gòu))筑物等影響，豎向土壓力P1增大時，管片“橫鴨蛋”變形加劇，對結(jié)構(gòu)受力不利。數(shù)值計算中，通過增加頂、底荷載P1、P2，研究“橫鴨蛋”變形下結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)演化規(guī)律，提煉結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)，制定分級標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)安全評價。

圖9 鋼筋應(yīng)力監(jiān)測時程曲線

4.2.1 結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)發(fā)展過程

“橫鴨蛋”變形加劇過程中主要承載構(gòu)件受力變形特征如表5所示。結(jié)構(gòu)破壞呈混凝土受壓破壞模式，結(jié)構(gòu)各承載構(gòu)件承載狀態(tài)發(fā)展規(guī)律為：① 施工期穩(wěn)定荷載下初始承載狀態(tài)；② 裂縫寬度達(dá)到0.15 mm；③ 混凝土應(yīng)力達(dá)到35.5 MPa；④ 混凝土應(yīng)力達(dá)到42.6 MPa時，最大接縫張開2.1 mm，最大裂縫寬度0.62 mm，鋼筋、螺栓最大拉應(yīng)力為395.5、631.9 MPa，接近材料屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)/構(gòu)件承載性能降低，從結(jié)構(gòu)安全承載角度認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載狀態(tài)，變形繼續(xù)發(fā)展時，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4.2.2 管片橫向變形控制標(biāo)準(zhǔn)

管片主要承載構(gòu)件承載狀態(tài)發(fā)展與斷面變形橢圓度對應(yīng)關(guān)系如圖10所示，各承載構(gòu)件受力與橢圓度大致呈線性關(guān)系。管片變形橢圓度為7.4‰～17.2‰，管片受拉區(qū)混凝土裂紋寬度為0.15 mm超出設(shè)計允許值；管片變形橢圓度>17.2‰，管片承載構(gòu)件達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度值，甚至開始進(jìn)入塑性階段，結(jié)構(gòu)剛度減小，繼續(xù)加載管片可能產(chǎn)生破壞。

表5 主要構(gòu)件承載狀態(tài)與受力、變形對應(yīng)關(guān)系

圖10 管片主要構(gòu)件承載狀態(tài)與斷面變形橢圓度對應(yīng)關(guān)系

綜上分析，管片變形橢圓度能較好地反映結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)的演化，因此，確定管片變形橢圓度為管片結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)?？紤]安全承載性能，承載構(gòu)件受力不超過設(shè)計承載力，橢圓度控制值為17.2‰。

5 結(jié)論

該文采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析、數(shù)值模擬等方法，研究了海底風(fēng)化槽段結(jié)構(gòu)荷載分布模式，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，探明了“橫鴨蛋”變形下結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)發(fā)展規(guī)律，提煉了結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)，主要結(jié)論如下：

(1) 現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，管片水土壓力變化呈擾動劇烈階段、擾動減弱階段、受力穩(wěn)定階段，穩(wěn)定時水土壓力分布范圍為300～350 kPa，拱頂水土壓力最小為303 kPa，右邊墻水土壓力最大為339 kPa。水土合算時理論值與監(jiān)測值比值為1.04～1.15，分算時為1.04～1.28，表明水土合算更適合該工程海底風(fēng)化槽段水土壓力的計算。

(2) 施工期穩(wěn)定荷載作用下，管片呈“橫鴨蛋”變形模式，管片最大壓應(yīng)力為11.5 MPa，鋼筋、螺栓最大拉應(yīng)力為51.4、310 MPa，鋼筋最大壓應(yīng)力監(jiān)測值為40 MPa，為計算值的70%，管片各受力結(jié)構(gòu)/構(gòu)件均處于安全承載范圍內(nèi)。

(3) “橫鴨蛋”變形加劇時，結(jié)構(gòu)破壞呈混凝土受壓破壞模式，結(jié)構(gòu)各承載構(gòu)件承載狀態(tài)發(fā)展規(guī)律為：① 施工期穩(wěn)定荷載下初始承載狀態(tài)；② 裂縫寬度達(dá)到0.15 mm；③ 混凝土應(yīng)力達(dá)到35.5 MPa；④ 混凝土應(yīng)力達(dá)到42.6 MPa時，鋼筋、螺栓最大拉應(yīng)力基本達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)處于極限承載狀態(tài)。

(4) 各承載結(jié)構(gòu)/構(gòu)件受力與管片橫向變形橢圓度大致呈線性關(guān)系，提煉管片橫向變形橢圓度為結(jié)構(gòu)安全評價指標(biāo)，考慮結(jié)構(gòu)安全承載性能，控制標(biāo)準(zhǔn)為17.2‰。

跨海地鐵隧道受潮汐、淤積、沖刷以及周邊工程活動等影響，結(jié)構(gòu)荷載環(huán)境復(fù)雜多變，結(jié)構(gòu)安全評價涉及多項指標(biāo)，有必要建立不良地質(zhì)、周邊環(huán)境與結(jié)構(gòu)安全的單一指標(biāo)與多指標(biāo)結(jié)合的綜合評價體系，指導(dǎo)隧道養(yǎng)護(hù)決策，預(yù)測結(jié)構(gòu)長期服役性能。