超卸载对内水压盾构衬砌结构力学性能的影响分析

王胜利，杜 江，范大鹏

(中国人民解放军32378部队， 北京 100072)

对于深埋盾构隧道，因其埋深较大，在地下空间资源的开发主要以浅层为主时，临近施工对其影响较小。但随着城市地下空间资源的开发走向深层化，深埋隧道受到临近施工影响的可能性逐渐增大。处于软土地层中的盾构隧道，具有衬砌结构自身薄弱环节多、地层约束作用弱等特点，使得盾构隧道施工时衬砌结构与周边临近结构间的相互扰动极为敏感[1-2]。已建的既有盾构隧道，当隧道周边临近施工时，隧道衬砌结构会受到由于临近施工所引起的地层扰动、作用荷载变化所带来的影响，造成隧道承载性能劣化[3-7]。当隧道顶部及顶部附近建造新的结构物或上部卸载开挖时，隧道上部的荷载会发生变化[8]，如图1所示。

图1 模拟工况示意图

近年来，全球气候变化导致暴雨等极端天气频发，暴雨过程中地面径流量快速增加，城市排水管网承受极大压力，导致我国多数城市在雨季发了严重的内涝灾害。借鉴发达国家解决城市内涝问题的经验，上海市提出修建深层隧道排水系统解决日益频发的内涝问题。该深层排水系统的主隧采用盾构隧道型式，最大埋深约为50 m，运营期内隧道内的最高内水压力可达到0.6 MPa[9]。由于已有的研究多针对公路或地铁盾构隧道[10-15]，对于内水压荷载作用下的深埋盾构隧道受临近施工荷载影响的研究较少，未能揭示内水压盾构隧道顶部超载和卸载时衬砌结构的力学响应；基于此，采用三维有限元精细化模型研究超卸载对有内水压盾构隧道力学性能的影响。

1 数值分析模型

1.1 衬砌环

盾构隧道由衬砌环拼装形成。在数值模型中，选取的衬砌环数过多时，会造成模型网格数过多，对计算机的计算能力提出了较高要求。考虑到盾构环与环之间的相互作用，选取1个完整环和两个半环拼装形成衬砌环进行数值分析，在保障计算精度的前提下可以兼顾计算速度[16]。因接头位置构造较为复杂，造成模型的建立及网格的划分较为困难。在模型中管片接头位置忽略了止水条、止水槽等细部构造。数值分析以中间完整环为主要研究对象。数值分析采用的管片结构模型如图2所示。

管片混凝土强度等为C60。管片之间的连接采用环向直螺栓，环向螺栓为10.9级M39型螺栓，屈服强度为940 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。衬砌环与环之间的连接采用纵向斜螺栓，环与环之间还设置剪力销。纵向螺栓为6.8级M36型螺栓，屈服强度为480 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3；剪力销屈服强度为110 MPa，弹性模量为12 GPa。拼装完成后的衬砌环如图3所示。衬砌环内径9 m，厚度0.6 m，幅宽1.5 m，均分为8块管片，采用通缝拼装。

图2 数值分析管片模型示意图

图3 数值分析衬砌环模型示意图

1.2 荷载位移边界条件

隧道顶部埋深为50 m，按全覆土重计算竖向土压力，土体侧压力系数取为0.5。隧道内水压按静水压考虑，拱顶内水压为0.5 MPa，拱底为0.6 MPa。模型中施加的具体荷载见图4所示。地层反力采用局部地基弹簧模型，其中法向弹簧刚度取为10 000 kN/m3，切向弹簧刚度取法向弹簧刚度的1/3。除此之外，在数值分析模型中约束衬砌环一侧纵向位移，并在衬砌环另一侧施加纵向均布压力，以模拟盾构环与环之间的作用力，如图5所示。

图4 衬砌环荷载示意图

图5 衬砌环环间作用力施加示意图

2 超/卸载对高内压深埋隧道力学性能的影响

2.1 超载影响

隧道顶部超载时，衬砌环整体下沉，且接头张开量最大的位置位于拱腰上部的接头，如图6所示。

图6 顶部超载数值分析示意图

隧道顶部超载过程中，衬砌环收敛变形、接头张开量及螺栓拉力最大值的变化规律见表1和表2所示。

表1 顶部超载时衬砌环收敛变形

表2 顶部超载时接头张开及螺栓拉力最大值

由表1和表2可知，内水压荷载作用下，深埋盾构隧道衬砌环的收敛变形、接头张开量及螺栓拉力最大值均随超载值增加而增大。已有研究表明，盾构隧道的破坏源于管片接头的破坏，而管片接头的破坏由接头螺栓屈服引起；当螺栓屈服后，会发生较大的塑性变形，无法有效地限制接头张开，因而造成接头破坏[17-18]。对于10.9级M39环向螺栓，屈服应力为940 MPa，有效断面面积为976 mm2，因此其屈服时的拉力约为917 kN[8，16]。当超载值到达180 kPa时，张开量最大的接头位置(拱腰上部)螺栓最先屈服，拉力达到922.5 kN。根据图6(a)和表2中的数据，接头张开及螺栓拉力最大值的接头均为拱腰上部位置的接头；当隧道顶部超载时，该接头为内水压盾构隧道的薄弱点。

2.2 卸载影响

隧道顶部卸载时，衬砌环整体上浮，且接头张开量最大的位置位于拱腰下部的接头，如图7所示。

图7 顶部卸载数值分析示意图

隧道顶部卸载过程中，衬砌环收敛变形、接头张开量及螺栓拉力最大值的变化规律见表3和表4所示。

表3 顶部卸载时衬砌环收敛变形

表4 顶部卸载时接头张开及螺栓拉力最大值

由表3和表4可知，内水压荷载作用下，深埋盾构隧道衬砌环的收敛变形、接头张开量及螺栓拉力最大值均随卸载值增加而增大。当卸载值到达180 kPa时，张开量最大的接头位置(拱腰下部)螺栓最先屈服，拉力达到1029.0 kN。根据图7(a)和表4中的数据，接头张开及螺栓拉力最大值的接头均为拱腰下部位置的接头；当隧道顶部卸载时，该接头为内水压盾构隧道的薄弱点。

当隧道顶部超/卸载达到180 kPa时，接头螺栓均已屈服，但超载180 kPa接头最大张开量及最大螺栓拉力分别为3.98 mm和922.5 kN，而卸载180 kPa接头最大张开量及最大螺栓拉力分别为4.15 mm和1 029.0 kN。造成这一现象的原因是，超载过程中，衬砌环截面弯矩和轴力同时增大，而卸载过程中，衬砌环截面弯矩增大的同时截面轴力减小；轴力的消散对衬砌环抵抗变形不利，因而造成深埋隧道衬砌环抵抗顶部卸载的能力小于抵抗顶部超载时的能力。

3 结论

1) 内水压荷载作用下，顶部超载时衬砌环下沉，且收敛变形、接头张开量及螺栓拉力均随超载值增加而增大。超载值增大过程中，最先出现螺栓屈服现象的接头位于拱腰上部，该位置为盾构隧道顶部超载时的薄弱点。

2) 内水压荷载作用下，顶部卸载时衬砌环上浮，且收敛变形、接头张开量及螺栓拉力均随卸载值增加而增大。卸载值增大过程中，最先出现螺栓屈服现象的接头位于拱腰下部，该位置为盾构隧道顶部卸载时的薄弱点。

3) 内水压盾构隧道衬砌结构抵抗顶部卸载的能力小于抵抗顶部超载时的能力。主要原因为超载过程中，衬砌环截面弯矩和轴力同时增大，而卸载过程中，衬砌环截面弯矩增大的同时截面轴力减小；轴力的消散对衬砌环抵抗变形不利。