地鐵盾構(gòu)施工過程中變形與結(jié)構(gòu)失效機(jī)制研究①

林珍偉, 董桔燦, 歐建良, 肖勇杰

(1.陽光學(xué)院土木工程學(xué)院,福建 福州350015;2.深圳市高速工程顧問有限公司,廣東 深圳518029)

1 地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)

1.1 管片結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)結(jié)構(gòu)中,盾構(gòu)管片作為地鐵盾構(gòu)施工中的最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)件,與工程的安全性息息相關(guān)[1]。盾構(gòu)管片在施工過程中會(huì)受到來自土層的壓力、地下水帶來的壓力以及施工過程受到的部分特殊作用力和載荷的影響。不同管片由于材料的不同,其生產(chǎn)工藝質(zhì)量要求以及成型后的物理性質(zhì)都差異極大。從生產(chǎn)工藝方面來說,金屬材料即鋼材和鑄鐵材料在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝標(biāo)準(zhǔn)及工藝紀(jì)律,來保證焊接的變形量符合標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 接頭構(gòu)造

無論是通縫拼接還是錯(cuò)縫拼接,通常為了提升結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,會(huì)在節(jié)段的環(huán)形表面的中間設(shè)置一個(gè)凸榫,它不僅極大地提高了環(huán)形表面抗彎曲抗剪切的能力,而且使整個(gè)環(huán)形的平面度更以保證,也便于施工。在管片之間接觸的外弧面加工出槽,便于彈性密封墊的安裝;在管片之間接觸的內(nèi)弧面也加工出嵌縫槽,保證連接的緊密[2]。此外,在環(huán)向管片連接處用螺栓連接,來增強(qiáng)連接的強(qiáng)度,在管片縱向連接處,除了強(qiáng)度足夠的螺栓連接,還應(yīng)在管片端接觸的肋縱縫中加工出相對(duì)窄的凹凸榫槽;在管片的連接處,設(shè)置環(huán)向的螺栓連接,除了能保證環(huán)向連接的可靠外,環(huán)向螺栓連接的大大減少管片之間縱向的變形與縫隙[3]。

2 地鐵盾構(gòu)隧道施工引起的變形模式與特點(diǎn)

2.1 縱向變形

2.1.1 整體變形

隧道整體縱向變形主要表現(xiàn)為整體下沉和傾斜兩部分,可表示為式(1)。

式(1)中:ω0為隧道的整體下沉變形量,△ω為隧道的傾斜引起的縱向變形量。

當(dāng)隧道的產(chǎn)生整體變形時(shí),隧道的壓扁效應(yīng)與縱向剪切傳遞效應(yīng)無法對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加效用。然而,當(dāng)隧道的邊界約束或地基的條件沿隧道的縱向方向變化時(shí),隧道也將在整體變形的條件下承受額外的載荷。

2.1.2 隧道推進(jìn)時(shí)的指數(shù)型變形模式

在盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中,隨著下臥土層的變化,襯環(huán)也會(huì)產(chǎn)生下沉。由于土層及其他情況的差異,盾構(gòu)尾部后不同位置的襯砌沉降也會(huì)不同,這就導(dǎo)致了縱向變形的產(chǎn)生。結(jié)合某地區(qū)盾構(gòu)施工實(shí)例,盾構(gòu)在順利推進(jìn)過程中隧道曲線模式表現(xiàn)為雙曲線或指數(shù)型曲線,這兩種形式類似,故文章以指數(shù)型曲線為例進(jìn)行介紹,如式(2)所示。

式(2)中:引入的參數(shù)β取值范圍在0.005～0.02之間,其大小與隧道施工過程中的施工參數(shù)等相關(guān);Smax表示隧道沉降變形量的最大值,其取值范圍為10～130mm;x1表示變形處距盾尾的距離。

2.1.3 隧道糾偏變形模式

盾構(gòu)曲線推進(jìn)與糾偏推進(jìn)情況下,由于千斤頂?shù)钠暮奢d作用,隧道縱向變形曲線可表示為式(3)。

2.1.4 其它縱向變形模式

在地鐵施工過程中,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)還會(huì)由于地形等多方面因素的影響產(chǎn)生其他方面的縱向變形,如會(huì)受到附近施工工程的影響產(chǎn)生縱向變形,這種情況,通常利用高斯曲線來模擬其變形曲線。此外,地鐵隧道還會(huì)因其長(zhǎng)期沉降而產(chǎn)生縱向變形等。

2.2 橫向收斂變形

為方便橫向變形量公式的推導(dǎo),將盾構(gòu)隧道假設(shè)為質(zhì)量以及截面均勻的梁。通過分析,隧道在施工過程會(huì)受到縱向彎矩M的影響,隧道縱向方向則會(huì)受到縱向的力P的影響(見圖1)。

圖1 彎曲條件下襯砌內(nèi)力分布圖

假設(shè)隧道的厚度為T,作用在其方向上的豎直縱向的等效應(yīng)力為σx,則如式(4)。

如圖1所示,由于隧道彎曲變形的影響,則其縱向內(nèi)力P并不是完全水平,因此,隧道由于力的平衡會(huì)產(chǎn)生力V,其方向如圖所示,其大小與P相關(guān),如式(5)。

式(5)中,θ為隧道的縱向單位所產(chǎn)生的彎曲角度,由于其足夠小,在這里將其視為無窮小,則滿足式(6)。

因此式(5)轉(zhuǎn)變?yōu)槭?7)。

在工程計(jì)算中,由于變形相對(duì)工程結(jié)構(gòu)較小,通常用隧道的變形曲率κ來指代隧道實(shí)際的彎曲變形,而單位長(zhǎng)度上的彎曲變形角度為曲率κ的定義,如式(8)。

同樣,因?yàn)棣茸銐蛐?則式(8)可視為κ≈θ,假設(shè)隧道只產(chǎn)生彎曲變形,則其堆徹等效應(yīng)力為式(9)。

式(9)中,I c為施工隧道計(jì)算點(diǎn)處橫截面慣性矩,由于均質(zhì)假設(shè)I c為固定值,僅與隧道尺寸有關(guān);y為變形分析點(diǎn)距中性軸的長(zhǎng)度,將式(9)代入式(7),求得徑向附加力,得式(10)。

式(10)中:α為變形分析點(diǎn)與豎直方向的夾角,r為施工隧道的半徑。

根據(jù)圖1中受力情況,推導(dǎo)其橫向變形為式(11)。

壓扁載荷下的橫向內(nèi)力為式(12),(13),(14)。

式(12),(13),(14)中:M a為壓扁荷載引起的襯砌彎矩,N a為壓扁荷載引起的襯砌軸力,Q a為壓扁荷載引起的襯砌剪力。

在隧道物理模型建立時(shí)候,將隧道視為形狀質(zhì)量均勻的圓管,由于現(xiàn)實(shí)條件的差異,隧道的接縫并不均勻,其閃縫以及縱向錯(cuò)臺(tái)會(huì)對(duì)隧道的整體剛度降低,因此,引入常數(shù)η,常數(shù)η的大小由經(jīng)驗(yàn)可得,因此,式(11)轉(zhuǎn)化為式(15)。

然而,實(shí)際上的隧道的橫向變形相對(duì)于式(15)的計(jì)算結(jié)果來說,要小一些。這是因?yàn)闆]有考慮到土層的約束作用。根據(jù)winkler地基模型,假設(shè)土體抗力p k的分布形式為三角形,且均勻分布在隧道兩側(cè)水平直徑上下各π/4的范圍內(nèi),則如式(16)。

其中,k為土體抗力,土體抗力會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生變形,由土體抗力產(chǎn)生的水平方向變形為式(17)。

因此,由土體抗力引起的隧道的橫向變形量為式(18)。

因此,考慮土體抗力影響的隧道水平方向產(chǎn)生的變形量應(yīng)為式(19)。

由抗力產(chǎn)生的隧道收斂為式(20)。

假設(shè)隧道最初并非水平,而是具有一定的曲率,將這一曲率視為初始曲率κ0,則隧道受到壓扁效應(yīng)影響后,其整體的彎曲變形角度為θ,是θ0與θi之和,θi是隧道的縱向彎曲所引起的變形角度,如式(21),(22)。

式(21),(22)中:κi為由于隧道縱向彎曲而產(chǎn)生的附加曲率,由此得式(23)。

將式(21),(22),(23)結(jié)合起來,得到隧道彎曲引起的橫向變形如式(24)。

綜合考慮以上因素,隧道襯砌內(nèi)力分別為式(25),(26),(27),(28)。

3 地鐵盾構(gòu)隧道施工的結(jié)構(gòu)失效機(jī)制

3.1 隧道環(huán)縫和縱縫張開失效

盾構(gòu)隧道在施工以及養(yǎng)護(hù)過程中,因?yàn)樗淼赖目p隙導(dǎo)致隧道失效的狀況比較普遍。由于盾構(gòu)隧道施工的實(shí)際情況,由于其變形和受力都較為復(fù)雜,在上述分析計(jì)算中,將隧道視為具有等效連續(xù)彎曲變形的基礎(chǔ)梁。因此,隧道拼縫張開量也是評(píng)價(jià)隧道變形是否在安全狀態(tài)的必要標(biāo)準(zhǔn)。隧道盾構(gòu)管片之間接口的螺栓變形對(duì)隧道失效的影響要遠(yuǎn)大于管片本身變形的影響。

3.2 螺栓剪斷失效

盾構(gòu)結(jié)構(gòu)中螺栓的強(qiáng)度與隧道的安全性細(xì)細(xì)相關(guān),螺栓的強(qiáng)度不足除了容易造成螺栓縱向的拉伸導(dǎo)致隧道間縫隙增大外,還有一種情況,其危害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身縱向拉伸變形。這種情況就是接頭處螺栓連接由于其復(fù)雜的受力環(huán)境下,受到較大剪切力的影響,若剪切力足夠大,螺栓就有剪斷的風(fēng)險(xiǎn),這種情況一旦發(fā)生,對(duì)會(huì)大大衰減隧道的安全性以及壽命。

3.3 接縫滲漏水失效

盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的隧道的滲水漏水是最常見的問題之一,造成滲水漏水的原因除了由于隧道縫隙過大外,更多的原因是施工不規(guī)范的原因。

在盾構(gòu)隧道的施工中,如果管片拼裝環(huán)節(jié)未嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定施工。在安裝過程中管片會(huì)造成碰撞,對(duì)止水帶的功能造成影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成止水帶的脫落。由于施工現(xiàn)場(chǎng)眾多因素的影響,盾構(gòu)施工的實(shí)施難以保證快速又準(zhǔn)確,可能施工過程中由于疏忽產(chǎn)生較大的錯(cuò)臺(tái),這可能導(dǎo)致管片開裂,變形,滑動(dòng),進(jìn)而造成漏水滲水現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

在地鐵盾構(gòu)施工中,由于管片間縫隙過大、滲漏造成失效的事例比比皆是。隧道施工過程中,其變形的最大曲率出現(xiàn)在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的尾處,因此壓扁效應(yīng)影響最大的位置也在此處。此外,還結(jié)合人為因素,對(duì)隧道環(huán)縫縱縫張開失效、接頭螺栓剪斷失效、漏水等情況進(jìn)行了分析。防止地鐵盾構(gòu)施工過程中變形與結(jié)構(gòu)失效除了應(yīng)選取合適的管片接頭方式外,還應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮到其縱向變形橫向變形的影響。