粉土层越江盾构隧道结构受力演化分析和安全评价方法
——以苏通GIL综合管廊为例
2018-11-01刘学增韩先才黄常元张晓阳王振宇
刘学增， 韩先才， 黄常元， 张晓阳， 王振宇
(1. 同济大学土木信息技术教育部工程研究中心， 上海 200092； 2. 国家电网有限公司, 北京 100031； 3. 中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司， 上海 200063)
0 引言
随着建设技术日趋成熟以及施工对周边环境(特别是城市景观)影响小等特点，盾构隧道正逐步成为跨海越江工程的首选方案，如上海长江隧道、南京长江隧道、厦门第二西通道等工程。受工程地质与水文地质的影响，越江隧道的地质环境一般较为复杂，除面临高水压侵蚀外，还存在覆土厚度差异大、软弱不均明显、周边环境多变及河床周期冲淤等问题，使结构受力较为不利，不仅给施工安全带来较大隐患，而且运营阶段隧道受差异沉降、变形过大、螺栓疲劳损伤及管片裂损等结构病害威胁较大，长期运营安全标准及控制指标要求高。
针对盾构隧道结构受力分析及安全评价，国内外学者已开展了大量的研究，并取得了丰富的研究成果。文献[1]运用弹性理论分析盾构隧道结构整体力学性能，受力工况相对简单； 文献[2-3]采用修正惯用法和梁-弹簧模型分析城市地铁盾构隧道内力变形，其中弯矩传递系数和接头弹簧刚度的设定对分析结果影响大； 文献[4]采用三维实体单元和梁单元模拟跨海隧道的管片、螺栓接头和钢筋的受力变形，以荷载结构法建立了多环错缝拼装精细化模型，取得了合理的工况数据。隧道结构安全评价作为保障结构安全运营的重要方法，已经得到越来越多的重视。文献[5]运用单一指标法对隧道结构内力变形制定安全评价标准； 文献[6-8]针对隧道结构直径变形比及接缝等指标，制定结构安全状态等级； 文献[9-12]通过计算和试验等方法量化分析安全指标控制值； 文献[13]研究了施工期瘦西湖水下隧道受力损伤影响因素； 文献[14]以椭圆率为指标研究了南京越江大直径盾构隧道失稳模式； 文献[15]基于单一指标数据，采用层次分析法及模糊综合评价法对各指标数据综合分析，其权重系数需参考主观经验，人为因素影响较大。以上分析多集中于隧道整体变形与承载性能，对粉土地层水下隧道受力演化过程分析以及建立相应的健康评价方法方面的研究相对较少，研究成果对苏通GIL管廊越江隧道工程适用性不高。
本文依托苏通GIL管廊越江隧道工程，针对岸坡段穿越粉土地层的错缝拼装管片结构，在提出接头斜螺栓模拟方法的基础上，采用荷载-结构法分析隧道结构损伤过程。通过对比淤积和淤滩作用下结构受力性能演化规律，提出最不利原则确定指标控制值。采用单一指标法评价结构安全状态，根据结构损伤状态、设计要求及规范控制值，制定4级评价标准。
1 工程概况与研究方法
1.1 工程概况
苏通GIL综合管廊为“淮南—南京—上海1 000 kV高压交流输变电工程”关键节点，是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、技术水平最强的超长距离GIL创新工程。隧道结构外径为11.6 m，管片厚度为0.55 m，环宽为2 m，混凝土等级为C60，主筋为HRB400级钢筋。采用“7+1”分块模式错缝拼装，整环由1个封顶块、2个邻接块和5个标准块组成。接头斜螺栓机械性能为10.9级。
本文研究区段为水陆交界处，隧道埋深为20.61 m，最高水位为20.6 m，最低水位为14.26 m，主要土层分布有淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土和粉细砂。隧道穿越粉土层，渗透系数为5.6×10-5cm/s，属于弱透水性。相比水土分算，水土合算的荷载最不利，地层弹性抗力系数为19.9 MPa/m。
1.2 计算模型
隧道错缝拼装三维有限元模型如图1所示。采用ABAQUS数值计算软件，基于荷载-结构法建立三维数值模型，管片衬砌为6面体实体单元，钢筋和接头螺栓为梁单元。为消除边界效应，建立5环管片模型，取第3环管片进行数据分析。
管片错缝拼装，环向和纵向管片间设置法向硬接触和切向摩擦接触。参考相关文献，混凝土摩擦因数取为0.4，管片结构与地层之间设置环向和径向地层弹簧以约束整环运动。
1.3 斜螺栓接头模拟方法
隧道接头螺栓性能主要考虑弯曲刚度、轴向拉伸刚度和剪切刚度，梁单元可反映弯曲、拉伸和剪切性能。在三维精细化模型中，采用梁单元嵌入(embedded region)管片实体单元模拟斜螺栓。
梁单元嵌入实体单元模拟斜螺栓如图2所示。梁单元节点位移由所在实体单元节点位移线性插值获得，由此可计算梁单元的应力应变。斜螺栓梁划分为2个单元(梁单元1-2和梁单元2-3)，拥有3个节点(节点1、节点2和节点3)，节点均被嵌入对应的实体单元(单元1、单元2和单元3)； 梁单元1-2模拟斜螺栓固定端，单元2-3模拟斜螺栓的螺帽和螺身。
(a) 整体模型
(b) 螺栓接头(局部放大)
Fig. 1 Three-dimensional finite element model of staggered jointed shield tunnel lining
图2 梁单元与实体单元嵌入关系
Fig. 2 Embedding relationship between beam elements and solid elements
梁单元中发挥连接作用的区段为单元2-3，长度为L23。由等效刚度原则，确定梁单元弹性模量E23计算公式为
式中：Es为螺栓弹性模量；E23为梁单元弹性模量。
1.4 参数选取与计算工况
钢筋及螺栓为理想弹塑性模型，管片为混凝土损伤塑性本构模型。参考GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，材料参数如表1所示，混凝土塑性损伤本构模型参数如表2所示。
表1 材料参数表
表2 混凝土塑性损伤本构模型参数
水陆交界区段隧道结构运营过程中容易出现泥砂淤积(大范围堆土)、淤滩或船只搁浅(局部堆土)等现象，引起结构外部荷载增加，如图3所示。淤积加载(大范围堆土)： 隧道顶底荷载Q及侧向荷载p同步增大，直至结构破坏。淤滩加载(局部堆土)： 隧道仅顶底荷载Q增大，侧向荷载p保持不变，直至结构破坏。
(a) 淤积
(b) 淤滩
Q1为顶部土压力；Qw1为顶部水压力；Qv为垂直地基反力；p1+pw1为顶部侧向水土压力；p2+pw2为底部侧向水土压力；K为地基弹簧；G为管片自重。
图3淤积和淤滩加载模式(单位： kPa)
Fig. 3 Loading modes of deposition and beaching (unit： kPa)
1.5 结构极限承载状态判据
如表3所示。
表3 结构极限状态判据
2 隧道结构受力损伤规律分析
2.1 设计荷载下结构受力特性
设计荷载为隧道的自然受荷状态，淤积和淤滩的设计荷载模式相同，粉土层侧压力系数为0.48。设计荷载下结构应力分布如图4所示。可以看出： 1)隧道水平外扩20.1 mm、顶部下沉6.7 mm、底部隆起15.1 mm； 隧道竖向收敛21.8 mm，直径变形比远小于3‰D，结构处于安全状态。2)隧道底部混凝土达到抗拉强度。混凝土最大拉应力为 2.9 MPa，最大压应力为-16.72 MPa，位于左腰内侧。3)钢筋最大拉应力为17.05 MPa，位于顶部内侧； 钢筋最大压应力为-81.97 MPa，位于左腰内侧。4)螺栓最大拉应力为29.92 MPa，位于底部接缝处。
苏通GIL综合管廊布设的结构健康监测系统正在动态监测过程中，目前数据基本趋于稳定，钢筋压应力与螺栓轴力分布如图5所示。可以看出： 1)腰部钢筋计最大压应力为-34.22 kN(约-34.22×103/(12.52×π)=-69.72 MPa)，整环钢筋应力为-24.76～-69.72 MPa； 2)螺栓轴力计最大值为32.86 kN(约32.86×103/(182×π)=32.29 MPa)，整环螺栓轴力值为0～32.29 MPa。现场实测隧道整体受力分布状态和计算结果基本一致，钢筋最大压应力与数值计算值相差14.9%，螺栓最大拉应力与数值计算值相差8%，整体计算结果吻合较好，一定程度上验证了计算模型的合理性。
2.2 淤积荷载下结构损伤规律
隧道混凝土率先达到抗拉强度，混凝土三轴抗压强度应力分布及变形如图6所示。可以看出： 1)底部达抗拉强度时，直径变形比为1.88‰D，接缝张开0.17 mm，均符合设计和规范要求； 2)隧道右腰混凝土达单轴抗压强度-38.5 MPa时，直径变形比为5.22‰D，超过3‰D的设计要求，接缝张开0.52 mm，符合规范要求； 3)隧道右腰混凝土达三轴抗压强度值-46.2 MPa时，直径变形比为6.98‰D，接缝张开0.67 mm，符合规范要求； 4)继续加载，直至钢筋和螺栓屈服。
(a) 混凝土应力
(b) 钢筋应力
(c) 螺栓拉应力
Fig. 4 Structural stress distribution under design load (unit： Pa)
由上分析可知： 大直径盾构隧道在淤积荷载下，接头斜螺栓表现良好，螺栓应力和接缝张开均偏小，满足安全要求。粉土层侧向压力约束下，隧道竖向变形大于水平变形，主要损伤表现为混凝土抗力强度损伤和钢筋屈服损伤。钢筋和混凝土应力变化规律如图7所示。可以看出： 1)腰部钢筋压应力大于顶底部压应力，且增长速率快于顶底部钢筋压应力； 2)腰部混凝土压应力大于顶底部压应力，增长速率趋于相同。
(a) 钢筋压应力
(b) 螺栓轴力
Fig. 5 Distribution of compression stress of rebar and axial force of bolt (unit： MPa)
隧道结构损伤变形规律如表4所示。损伤分5种状态： 1为设计荷载，隧道顶底部混凝土达抗拉强度，直径变形比和裂缝均满足设计要求； 2为直径变形比达3‰D，接缝张开和裂缝均满足规范要求； 3为混凝土达单轴抗压强度，接缝张开和裂缝均满足规范要求，直径变形比超过3‰D； 4为混凝土达三轴抗压强度，接缝张开和裂缝均满足规范要求，直径变形比超过2倍的设计要求； 5为钢筋屈服，左腰钢筋受压屈服，接缝张开和裂缝均满足规范要求，直径变形比超过3倍的设计要求。
2.3 淤滩荷载下结构损伤规律
随着加载增大，隧道混凝土率先达到抗压强度，混凝土三轴抗压强度应力分布及变形如图8所示。结构损伤过程如下： 底部混凝土达抗拉强度，直径变形比为1.88‰D，接缝张开0.17 mm，均符合设计和规范要求；隧道右腰混凝土达单轴抗压强度-38.5 MPa，直径变形比为7.41‰D，超过设计要求，接缝张开2.34 mm，超过规范要求； 隧道右腰混凝土达三轴抗压强度值-46.2 MPa时，直径变形比为10.1‰D，接缝张开3.58 mm，超过规范要求。继续加载，直至钢筋和螺栓屈服。
(a) 竖向位移(单位： m)
(b) 混凝土应力(单位： Pa)
Fig. 6 Stress distribution and deformation of concrete triaxial compressive strength under deposition
(a) 钢筋应力强度变化规律
(b) 混凝土应力强度变化规律
Fig. 7 Variation laws of stresses of rebar and concrete under deposition
表4 淤积荷载下隧道损伤变形规律
(a) 竖向位移(单位： m)
(b) 混凝土应力(单位： Pa)
Fig. 8 Stress distribution and deformation of concrete triaxial compressive strength under beaching
淤滩加载过程中，接头斜螺栓应力增加较快，但始终满足安全要求，主要损伤构件为混凝土和钢筋。钢筋和混凝土应力变化规律如图9所示。可以看出： 1)钢筋压应力值和增长速率关系为腰部>顶部>底部； 2)混凝土压应力值和增长速率关系为腰部>顶部≈底部。
隧道结构损伤变形规律如表5所示。损伤分5种状态： 1为设计荷载，隧道顶底部混凝土达抗拉强度，直径变形比和裂缝均满足设计要求； 2为直径变形比达3‰D，接缝张开和裂缝均符合设计和规范要求； 3为加载至混凝土达单轴抗压强度，裂缝0.2 mm，达到设计和规范的控制要求，接缝张开2.34 mm，超出2 mm的规范要求，直径变形比超过2倍的设计要求； 4为加载至混凝土达三轴抗压强度，接缝张开和裂缝均超出设计和规范要求，直径变形比超过3倍的设计要求； 5为加载至钢筋屈服，腰部钢筋首先受压屈服，接缝张开和裂缝均超过设计和规范要求，直径变形比超过4倍的设计要求。
(a) 钢筋应力强度变化规律
(b) 混凝土应力强度变化规律
损伤状态顶部荷载/kPa水平扩张/mm竖向收敛/mm直径变形比/‰裂缝/mm接缝/mm1(设计荷载)388.1120.121.81.88D0.0080.172(3‰D)479.0432.034.72.99D0.0240.623(单轴抗压)788.3478.186.07.41D0.192.344(三轴抗压)965.65105.7117.210.10D0.443.585(钢筋屈服)1 134.90132.2147.912.75D0.644.70
2.4 淤积和淤滩下结构损伤差异分析
2种工况下，隧道结构损伤差异主要表现为荷载、内力、变形和损伤部位等方面。淤积和淤滩下隧道损伤差异分析如表6所示。
表6 淤积和淤滩下隧道损伤差异分析
由表6可知： 1)淤滩导致的隧道内力、直径变形比、裂缝、接缝的数值量和增加速率大于淤积； 2)淤积钢筋压应力的数量值和增加速率略大于淤滩。因此，不同工况下，隧道结构受荷损伤导致的内力及变形分界点差异明显，安全控制指标应综合考虑多种工况的损伤分界点。
3 结构安全控制值与评价方法
淤积和淤滩作用下，隧道结构承载损伤依次为混凝土达抗拉强度、混凝土达单轴抗压强度、混凝土达三轴抗压强度和钢筋屈服。淤积下隧道结构承载损伤分界点如图10所示。淤滩下隧道结构承载损伤分界点如图11所示。隧道结构损伤可划分为4个分界阶段：初始状态至设计荷载①，淤积和淤滩的受荷相同，结构处于安全状态；设计荷载①至混凝土单轴抗压强度②，直径变形比达3‰D时，混凝土达抗拉强度，钢筋保护层受损；混凝土单轴抗压强度②至三轴抗压强度③，淤积工况的裂缝和接缝张开均满足设计和规范要求，淤滩工况的裂缝和接缝张开分别为0.2 mm和2.23 mm，超过设计和规范要求；混凝土三轴抗压强度③至钢筋屈服④，隧道结构强度远超设计和规范要求。
图10 淤积下隧道结构承载损伤分界点
Fig. 10 Damage boundary points of tunnel structure under deposition
图11 淤滩下隧道结构承载损伤分界点
Fig. 11 Damage boundary points of tunnel structure under beaching
淤积和淤滩的安全评价应满足： 结构应力状态S<抗力设计值R、裂缝<0.2 mm、接缝张开<2 mm。淤积和淤滩的分级标准如表7所示。
表7粉土层隧道结构安全等级划分标准
Table 7 Standards for safety evaluation of tunnel structure in silt stratum
评价等级淤积淤滩Ⅰ<直径变形比3‰D<设计荷载①Ⅱ≤混凝土单轴抗压强度②≤直径变形比3‰DⅢ<混凝土三轴抗压强度③<混凝土单轴抗压强度②Ⅳ≥混凝土三轴抗压强度③≥混凝土单轴抗压强度②
以结构损伤状态、设计使用要求和规范控制值作为安全等级划分标准，可提取各标准下结构内力变形作为安全分级控制值，包括钢筋应力、接缝张开、螺栓轴力、裂缝和直径变形比等。苏通GIL管廊隧道为2层箱板结构，电力设备多，狭窄视野严重影响直径变形比观测，取钢筋应力、接缝张开和螺栓轴力为安全分级控制值。淤积和淤滩下结构内力变形值如表8所示。
表8 淤积和淤滩下结构内力变形值
安全分级控制值的最不利原则： 根据各工况的内力变形计算值，假设淤积和淤滩确定的结构安全分级控制值分别为Sj和St，在Sj内，淤滩的状态等级≤淤积的状态等级，取淤积Sj为分级标准控制值，否则取淤滩St作为分级标准控制值。根据最不利原则，隧道结构安全分级控制值如表9所示。
表9粉土层隧道结构安全分级控制值
Table 9 Control values of safety grading of tunnel structure in silt stratum
评价等级钢筋应力/MPa螺栓轴力/MPa接缝/mmⅠ-80≤SR≤150
注：SR为钢筋应力；SF为螺栓轴力；SJ为接缝。
4 结论与讨论
1)荷载-结构法三维精细化模型的钢筋应力和螺栓轴力计算值与隧道健康监测值基本一致，说明三维精细化模型合理可靠，梁单元嵌入(embedded region)方法模拟斜螺栓正确有效，损伤过程分析中能有效预测隧道结构安全状态。
2)泥砂淤积作用下，隧道损伤次序为混凝土达抗拉强度、混凝土达抗压强度和钢筋屈服，相应直径变形比依次为1.88‰D、6.98‰D和9.81‰D；淤滩作用下，隧道损伤次序为混凝土达抗拉强度、混凝土达抗压强度和钢筋屈服，相应直径变形比依次为1.88‰D、10.1‰D和12.75‰D。淤滩导致的直径变形比1.3～1.5倍于淤积，计算数据基本符合工程经验。
3)淤积作用下，结构的接缝、裂缝和钢筋拉应力演化分别为0.008～0.074 mm、0.17～0.98 mm和8～145 MPa； 淤滩作用下，结构的接缝、裂缝和钢筋拉应力演化分别为0.008～0.64 mm、0.17～4.7 mm和8～400 MPa；淤滩导致结构的接缝、裂缝和钢筋拉应力的数值量和增加速率远大于淤积。淤积和淤滩的钢筋压应力演化分别为-53～-400 MPa和-53～-371 MPa，淤积导致的钢筋压应力的数量值和增加速率略大于淤滩。
4)依据研究结论与工程经验，选取钢筋应力、螺栓轴力和接缝张开为结构安全控制指标，参照最不利原则，构建了粉土层隧道结构安全4级评价标准：Ⅰ级标准为设计荷载状态，结构安全；Ⅱ级标准为直径变形比达3‰D设计要求，混凝土达单轴抗压强度，结构基本满足设计和抗力强度要求，需密切关注；Ⅲ级标准为直径变形比超过设计要求，裂缝接近规范控制值，混凝土达三轴抗抗强度，结构不满足设计使用要求，应检查修复；Ⅳ级标准为超过Ⅲ级安全控制值的状态，隧道存在安全风险，考虑控制现场情况，制定专项加固方案。
5)本文仅针对粉土层特定直径的隧道进行结构受力演化分析及对隧道进行安全评价，后续工作中将分析隧道直径对隧道结构受力与安全控制指标的影响，并结合工程后期的原型试验研究成果，提出苏通GIL综合管廊工程隧道结构安全评价方法。
