盾構(gòu)隧道雙層襯砌應(yīng)用現(xiàn)狀與受力性能分析*

陳俊偉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隧道工程施工方法主要包括盾構(gòu)法、沉管法、礦山法，其中，礦山法造價(jià)較低，但應(yīng)對(duì)突涌水風(fēng)險(xiǎn)的能力差，且對(duì)隧道圍巖擾動(dòng)大，常需多種施工技術(shù)相互配合；沉管法由于設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中存在較多問(wèn)題，應(yīng)用受限；隨著封閉式盾構(gòu)的成功研制，盾構(gòu)法可兼顧施工安全、掘進(jìn)速度、復(fù)雜地層適應(yīng)性和地表沉降控制要求，已成為城市和水下隧道工程主要施工方法。

目前，單層裝配式管片襯砌為盾構(gòu)隧道主要結(jié)構(gòu)形式，在侵蝕環(huán)境、極端條件、災(zāi)害、碰撞等因素作用下，襯砌結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全性受到影響。加之施工荷載常造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、破損，簡(jiǎn)單修復(fù)無(wú)法保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加了隧道運(yùn)營(yíng)階段安全風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，可采用由盾構(gòu)隧道管片與二次襯砌構(gòu)成的雙層襯砌增加安全系數(shù)。已有學(xué)者對(duì)雙層襯砌類型、受力等展開(kāi)了研究，在數(shù)值模擬分析方面，張厚美等根據(jù)雙層襯砌結(jié)合面處理方式，建立層間壓縮、剪壓、局部抗彎模型；姚超凡等提出了改進(jìn)的梁-彈簧-層間壓桿彈簧組合模型；晏啟祥等對(duì)比分析了層間梁、層間彈簧、層間壓桿等多種雙層襯砌計(jì)算模型；梁敏飛等采用層間壓桿彈簧組合模型模擬雙層襯砌結(jié)合面剛度不連續(xù)的特點(diǎn)，建立了考慮盾構(gòu)隧道環(huán)、縱向接縫的三維殼-彈簧模型。在模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面，何川等以獅子洋隧道為背景，采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，基于縱向等效剛度模型對(duì)軟硬交界地層單、雙層襯砌隧道縱向受力與變形進(jìn)行了研究；于清洋通過(guò)開(kāi)展模型試驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)隧道雙層襯砌荷載分配狀態(tài)進(jìn)行了研究；王士民等采用接觸摩擦單元模擬了雙層襯砌結(jié)合面，建立了復(fù)合式與疊合式雙層襯砌三維實(shí)體非連續(xù)接觸模型，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性。

相比單層管片襯砌，封閉式二次襯砌在結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、耐久性提升等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在隧道工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但封閉式二次襯砌在施工過(guò)程中存在以下問(wèn)題：①為滿足隧道安全施工與運(yùn)營(yíng)要求，需保證隧道實(shí)際使用空間。因此，按環(huán)狀布置二次襯砌時(shí)，隨著襯砌總厚度的增加，斷面直徑需相應(yīng)增大。②二次襯砌施工往往較滯后，管片襯砌需在一定時(shí)間內(nèi)承擔(dān)由斷面增大導(dǎo)致的額外荷載，使其受力不利，且需調(diào)整管片襯砌厚度與配筋，以適應(yīng)施工荷載的變化。此外，隨著隧道直徑的增大，盾構(gòu)直徑需增大，增加了施工成本與工期。③施工質(zhì)量不易控制，二次襯砌一般在管片襯砌拼裝完成后現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成，隧道拱部澆筑密實(shí)度往往達(dá)不到要求，從而對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力產(chǎn)生影響。上述問(wèn)題為雙層襯砌施工帶來(lái)了困難，鑒于此，本文在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)雙層襯砌應(yīng)用現(xiàn)狀與受力性能進(jìn)行分析，并對(duì)比單層管片襯砌、非封閉式二次襯砌、封閉式二次襯砌受力情況，以期為不同類型襯砌結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究提供參考。

1 雙層襯砌應(yīng)用

日本率先在高速鐵路、城市干道、城市地鐵及水工隧道工程中應(yīng)用雙層襯砌。由于水工隧道反復(fù)受內(nèi)部水壓作用，雙層襯砌得到廣泛應(yīng)用(見(jiàn)表1)，且多為全段鋪設(shè)。

表1 采用雙層襯砌的日本水工隧道

隨著技術(shù)的進(jìn)步和交通需求的變化，目前，雙層襯砌主要在水工隧道和大直徑盾構(gòu)隧道工程中應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外部分大直徑盾構(gòu)隧道工程及雙層襯砌施作情況如表2所示。由表2可知，全段施作的封閉式二次襯砌應(yīng)用最多；對(duì)于局部地段存在軟弱、不均勻地層的隧道，基于降低成本的角度，僅在局部區(qū)段施作雙層襯砌；對(duì)于部分含強(qiáng)透水層的隧道，由于對(duì)隧道縱向剛度和整體性的要求較低，基于降低成本、縮短工期的角度，施作非封閉式二次襯砌，以提高防水性；考慮水工隧道特殊的工程性質(zhì)，須全段施作封閉式二次襯砌，以提高防水性；鐵路/地鐵、公路和公軌合建隧道襯砌形式選擇較靈活，可根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行合理選擇。

表2 國(guó)內(nèi)外部分大直徑盾構(gòu)隧道工程概況

1)東京灣海底公路隧道

東京灣海底公路隧道是在水下60m深度處開(kāi)挖的總長(zhǎng)>10km隧道，隧道外徑14.14m，襯砌內(nèi)徑11.9m，內(nèi)層鋼筋混凝土襯砌厚35cm，外層襯砌為鋼筋混凝土預(yù)制管片，長(zhǎng)4m，寬1.5m，厚65cm，內(nèi)、外襯砌間設(shè)置防水薄膜，斷面形式如圖1所示。

圖1 東京灣海底公路隧道斷面形式

2)臺(tái)山核電越海盾構(gòu)隧道

臺(tái)山核電越海盾構(gòu)隧道是我國(guó)建設(shè)的第1條越海盾構(gòu)隧道，其所處地質(zhì)條件特殊，施工環(huán)境復(fù)雜，存在較多安全風(fēng)險(xiǎn)。該隧道采用封閉式二次襯砌，其中，盾構(gòu)管片厚0.4m，作為隧道主體結(jié)構(gòu)，二次襯砌厚0.3m，斷面形式如圖2所示。

圖2 臺(tái)山核電越海盾構(gòu)隧道斷面形式

3)廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道

廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道主體結(jié)構(gòu)采用單層裝配式鋼筋混凝土平板型襯砌，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，隧道外徑10.8m，內(nèi)徑9.8m，管片厚0.5m，平均幅寬2m，采用“7+1”分塊方式的通用雙面楔形環(huán)，封頂塊圓心角16.36°，2塊鄰接塊和5塊標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角均為49.09°，環(huán)與環(huán)之間采用錯(cuò)縫拼裝方式。每環(huán)管片內(nèi)縱向螺栓為22個(gè)，按16.36°等角度布置。獅子洋隧道進(jìn)、出洞口段為淺埋段，穿越淤泥質(zhì)土、細(xì)砂、含砂黏土及礫砂等軟弱地層和軟硬不均地層，易出現(xiàn)蛇形拼裝誤差，如果發(fā)生列車脫軌撞擊或火災(zāi)時(shí)，可能造成隧道整體垮塌。結(jié)合東京灣海底公路隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)、出口洞口段均采用雙層襯砌施工，即在管片襯砌內(nèi)側(cè)澆筑混凝土二次襯砌(見(jiàn)圖3)，其余巖層段仍采用單層裝配式鋼筋混凝土平板型襯砌。

圖3 獅子洋隧道進(jìn)、出口洞口段斷面形式

4)武漢地鐵8號(hào)線越江隧道

武漢地鐵8號(hào)線越江隧道工程是國(guó)內(nèi)直徑最大的單洞雙線地鐵盾構(gòu)越江隧道工程，也是國(guó)內(nèi)首條全線設(shè)置二次襯砌的地鐵盾構(gòu)隧道工程，隧道外徑12.1m，內(nèi)徑10.5m，管片厚0.5m，環(huán)寬2m，采用C50混凝土澆筑，每環(huán)襯砌為“5+2+1”分塊形式，斷面形式如圖4所示。隧道下部設(shè)置口字形預(yù)制箱涵，箱涵兩側(cè)現(xiàn)澆素混凝土回填，箱涵以上設(shè)置鋼筋混凝土二次襯砌，厚0.3m，采用C40混凝土澆筑。洞內(nèi)設(shè)有中隔墻、疏散平臺(tái)、排煙道等現(xiàn)澆構(gòu)造物。

圖4 武漢地鐵8號(hào)線越江隧道斷面形式

5)武漢長(zhǎng)江隧道

非封閉式二次襯砌兼具單層管片襯砌與封閉式二次襯砌的優(yōu)點(diǎn)，已在多座越江隧道(武漢長(zhǎng)江隧道、武漢三陽(yáng)路隧道等)及大直徑水下盾構(gòu)隧道(濟(jì)南濟(jì)濼路穿黃隧道)中得到應(yīng)用。以武漢長(zhǎng)江隧道為例，對(duì)非封閉式二次襯砌進(jìn)行介紹。武漢長(zhǎng)江隧道全長(zhǎng)3.6km，設(shè)置雙線4車道，盾構(gòu)隧道段由2孔圓形隧道組成，每孔隧道外徑11.0m，內(nèi)徑10.0m，斷面形式如圖5所示。該隧道采用管片襯砌+非封閉式二次襯砌的施工方案，提高了結(jié)構(gòu)防水性能與穩(wěn)定性，且當(dāng)河床沖淤變化時(shí)，結(jié)構(gòu)橫向變形小，利于內(nèi)部敷貼設(shè)施穩(wěn)定。

圖5 武漢長(zhǎng)江隧道斷面形式

2 雙層襯砌受力性能分析

為對(duì)不同類型雙層襯砌受力性能進(jìn)行對(duì)比分析，從而進(jìn)一步研究各類襯砌適用工況，采用有限元分析軟件ANSYS計(jì)算不同工況下單層管片襯砌、非封閉式二次襯砌、封閉式二次襯砌受力與位移。

2.1 模型建立

以國(guó)內(nèi)某大直徑水下盾構(gòu)隧道為例，該隧道管片內(nèi)徑12.8m，外徑14m，厚0.6m，幅寬2.0m。部分區(qū)段采用雙層襯砌，二次襯砌厚0.3m。基于梁-彈簧模型，建立三環(huán)管片錯(cuò)縫拼裝模型。管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，內(nèi)部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，采用可承受拉壓、彎曲作用的彈性梁?jiǎn)卧狟eam3模擬管片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？紤]管片接頭對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的削弱作用，采用三維鉸接連接單元進(jìn)行模擬，該單元具有6個(gè)自由度，可分別實(shí)現(xiàn)接頭平動(dòng)、剪切和彎曲效應(yīng)。采用Link10單元模擬地層與結(jié)構(gòu)的相互作用，并設(shè)置單向抗壓特性，通過(guò)彈簧單元Combin14實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的切向約束作用。管片、內(nèi)部結(jié)構(gòu)彈性模量分別取為39，36.5GPa，泊松比均取為0.2，密度均取為2 500kg/m3。隧道模型如圖6所示，所受荷載如圖7所示，選取實(shí)際工程中危險(xiǎn)斷面對(duì)應(yīng)的荷載工況進(jìn)行模擬，如表3所示。

表3 荷載工況 kN

圖6 計(jì)算模型

圖7 荷載示意

2.2 結(jié)果分析

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知：

表4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

①相同荷載工況下，施作二次襯砌可降低管片結(jié)構(gòu)最大軸力，但降幅較??；②相同荷載工況下，對(duì)于管片結(jié)構(gòu)正、負(fù)彎矩，施作封閉式二次襯砌時(shí)基本為最小，施作非封閉式二次襯砌時(shí)居中，施作單層管片襯砌時(shí)最大，表明二次襯砌可提高管片結(jié)構(gòu)抗彎性能，尤其是封閉式二次襯砌；③相同荷載工況下，對(duì)于管片結(jié)構(gòu)拱頂沉降量，施作封閉式二次襯砌時(shí)最小，施作非封閉式二次襯砌時(shí)居中，施作單層管片襯砌時(shí)最大，表明施作二次襯砌可提高管片結(jié)構(gòu)縱向剛度，尤其是封閉式二次襯砌，從而在一定程度上降低拱頂沉降量；④相同荷載工況下，對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)所受最大正、負(fù)彎矩，施作封閉式二次襯砌時(shí)較小，表明封閉式二次襯砌可提高襯砌結(jié)構(gòu)抗彎性能；⑤相同荷載工況下，對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)所受最大壓力，施作非封閉式二次襯砌時(shí)較小，表明非封閉式二次襯砌可提高襯砌結(jié)構(gòu)抗壓性能。

3 結(jié)語(yǔ)

1)單層管片襯砌可基本滿足普通隧道使用需求，雙層襯砌主要應(yīng)用于對(duì)耐久性要求較高的水工隧道及大直徑跨江越海隧道工程中。

2)施作二次襯砌可提高管片結(jié)構(gòu)受力性能，主要是抗彎性能，且對(duì)縱向剛度有一定強(qiáng)化作用。

3)與非封閉式二次襯砌相比，封閉式二次襯砌在管片結(jié)構(gòu)抗彎、變形與襯砌結(jié)構(gòu)抗彎方面具有一定優(yōu)勢(shì)，但在襯砌結(jié)構(gòu)受壓方面具有一定劣勢(shì)。

4)當(dāng)大直徑盾構(gòu)隧道面臨下穿江海、軟弱地層、強(qiáng)透水地層等情況時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性、穩(wěn)定性及縱向剛度的要求大幅提升，須鋪設(shè)二次襯砌。非封閉式二次襯砌兼具單層管片襯砌與封閉式二次襯砌的優(yōu)點(diǎn)，在提高結(jié)構(gòu)耐久性的基礎(chǔ)上，降低了成本，縮短了工期，具有更高的性價(jià)比，值得推廣。

5)隨著大直徑水下盾構(gòu)隧道的不斷建設(shè)，需進(jìn)一步研究不同類型襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍。