地面超载软土大直径地铁盾构隧道结构变形预测

2018-01-21徐秀峰黄爱军王春凯袁

城市轨道交通研究 2018年1期

徐秀峰黄爱军王春凯袁勇

（1.同济大学地下建筑与工程系，200092，上海；2.上海城市建设设计研究总院，200125，上海∥第一作者，硕士）

目前，国内正在运营的地铁盾构隧道基本都是小直径隧道，且上下行线之间设置联络通道，以便灾害发生时乘客能及时逃生与等待救援。上海轨道交通16号线工程在国内首次采用单管双线大直径地铁盾构隧道，相对于小直径盾构隧道，可节省更多的地下空间资源，减小施工影响范围，并且不需要设置联络通道，能更好地保证突发情形下乘客的安全。文献［1］分析了刚性连接的中隔墙对隧道结构产生的不利影响，文献［2］为中隔墙顶部与衬砌管片之间预留间隙值的确定以及连接部位的结构设计提供了理论依据。

本文以上海轨道交通16号线野生动物园站—惠南站区间盾构隧道为例，在地面超载作用下，对该隧道结构的收敛变形、纵缝张开、石岩棉变形以及中隔墙压应力等进行了模拟分析。

1 工程背景及计算模型

1.1 工程背景

上海轨道交通16号线野生动物园站—惠南站区间位于上海市浦东新区惠南镇，沿拱极路地下敷设，全长约2.07 km。盾构隧道外径为11.36 m，内径为10.4 m，衬砌管片环宽为1.5 m。盾构衬砌管片环由1块封顶块（F）、2块邻接块（L）和 5块标准块（B）组成，各管片块对应的圆心角均为45°。纵缝布置3根5.8级M36型螺栓，每环总计24根螺栓；环缝布置32根5.8级M30型螺栓。采用2环1组的错缝拼装方式，相邻环错开角度为11.25°。

盾构衬砌管片内部结构由石岩棉、中隔墙、后浇结构、T形现浇台、口字件及其它现浇结构等组成，如图1所示。

根据文献［3］中关于控制断面的规定，本文选取隧道埋深最大（即覆土厚度为13.9 m、地下水位高度为1.5 m）的断面进行计算。

1.2 物理力学参数

地铁隧道衬砌管片与内部结构选用实体单元，连接螺栓采用桁架单元。文献［4］给出了石岩棉的物理力学计算参数，如表1所示。衬砌管片和内部结构混凝土采用塑性损伤本构［5］，结合规范［6］得到衬砌管片和内部结构混凝土塑性损伤模型计算参数，如表2所示。螺栓采用双折线弹塑性本构关系［6］，其计算参数如表3所示。

1.3 接触与约束条件

图1 地铁隧道衬砌管片内部结构图

表1 岩棉物理力学计算参数

表2 衬砌管片和内部结构混凝土塑性损伤模型计算

表3 螺栓的物理力学计算参数

将地铁隧道衬砌管片纵、环缝接触面定义为面与面接触，即法向行为定义为“硬接触”，切向行为采用“罚函数”算法（模拟小滑移以及由法向接触压力引起的摩擦力，摩擦系数设为0.3）。

因衬砌管片手孔部位加大了配筋量，故假定手孔及螺栓孔与管片等刚度，将螺栓两端分别嵌入到相邻的两块管片中。

现浇结构与口字件的水平向接触面搭接在一起，故定义为面与面接触。内部结构其余位置的接触面通过钢筋或植筋的方式连接，故定义为绑定，且假定绑定的两个面在分析过程中不发生相对位移。内部结构各接触面的分布位置示意图如图2所示。

图2 地铁隧道衬砌管片内部结构接触面分布位置

对地铁隧道施加轴向约束，并于第一环和最后一环衬砌管片的圆心水平轴线位置及底部分别施加竖向与水平向的自由度约束，如图3所示。

图3 地铁隧道有限元模型图

1.4 计算工况

计算采用荷载-结构模型，荷载取值详见有关规范［7］。地面超载工况采用隧道顶部的堆土高度来模拟，从正常运营工况下的0 m增加到6.3 m，每次增加0.9 m，共设7个超载工况。根据地质勘测，堆土重度取16 kN/m3，如表4所示。

表4 不同堆土高度下的竖向土压力表

2 地铁隧道有限元计算结果与分析

选取中间2环衬砌管片（见图3）进行分析，采用文献［8］建立的编码规则，将管片F与L1的纵缝设定为第1条纵缝，衬砌管片环纵缝编号如图4所示。纵缝张开量限值为2～4 mm［7］。

图4 衬砌管片环纵缝编号

在衬砌管片环竖向、横向和45°方向设置4条测线来统计隧道的径向变形，如图5所示。衬砌结构的直径变形量限值为3‰ D［7］，其中D为隧道外径，本文限值取34 mm。

图5 地铁隧道衬砌结构测线示意图

2.1 衬砌管片环整体变形

在正常运营工况下，衬砌管片环整体变形呈“横鸭蛋”状，2环管片的竖向变形量均为6.0 mm、横向变形量均为5.0 mm。在地面超载工况下，衬砌管片环I～II的变形玫瑰图如图6所示。由图6可知，衬砌管片环始终呈“横鸭蛋”状。

图6 地面超载工况下衬砌管片环变形玫瑰图

衬砌管片环Ⅰ与Ⅱ在不同堆土高度下的变形曲线如图7所示。由图7可知，在堆土高度达到2.7 m之前，曲线斜率基本保持不变；堆土高度超过2.7 m之后，曲线斜率逐渐下降；堆土高度达到2.7 m时，衬砌管片环Ⅰ与Ⅱ的最大收敛变形量为28 mm；堆土高度达到3.6 m时，衬砌管片环Ⅰ与Ⅱ的最大收敛变形量为73 mm。由此可知，衬砌管片环变形量达到限值34.0 mm时，堆土高度为2.82 m。

2.2 衬砌管片环张开接缝

衬砌管片环I张开接缝分布图和不同堆土高度下接缝张开量曲线如图8、图9所示。图8中尖角表示接缝张开位置，其中内弧面张开为正，外弧面张开为负。在正常运营工况下，各接缝的张开量均为0.01 mm。在加载过程中，未出现新的接缝张开，已张开接缝的张开量随堆土高度的增加而增加。当堆土高度达到6.3 m时，衬砌管片环I的各接缝张开量如表5所示。

图7 衬砌管片环在不同堆土高度下的变形曲线

图8 衬砌管片环Ⅰ张开接缝分布图

2.3 石岩棉变形曲线及中隔墙应力变化

图9 衬砌管片环Ⅰ各接缝张开量-堆土高度曲线

表5 堆土高度6.3 m时衬砌管片环I各接缝的张开量mm

图10、图11分别为石岩棉在不同堆土高度下的变形量曲线和中隔墙在不同堆土高度下的压应力曲线（衬砌管片环Ⅰ和Ⅱ的曲线基本重合）。由图10～11可知，在正常运营工况下，石岩棉收敛变形量为4 mm，中隔墙压应力为0.2 MPa。加载过程中，衬砌管片环Ⅰ、Ⅱ的石岩棉变形量曲线和中隔墙压应力曲线基本一致。当堆土高度为0～2.7 m时，曲线斜率保持不变；当堆土高度为2.7～5.4 m时，斜率较前一阶段减小；当堆土高度为5.4～6.3 m时，图10的曲线斜率骤增，图11的曲线斜率趋于平缓，即在此加载过程中，石岩棉压缩量变化较小，中隔墙的压应力变化较大；当堆土高度达到6.3 m时，石岩棉压缩量达到114 mm，该数值接近中隔墙顶部与衬砌管片之间的间隙值120 mm。