软土地区市域快速轨道交通大直径盾构隧道的横断面变形特征及其控制限值

顾 锋

(广州地铁设计研究院股份有限公司， 510010， 广州∥高级工程师)

地铁隧道横断面变形过大会引起隧道管片接缝张开、渗漏水、螺栓拉流和管片开裂等病害，极端情况下甚至会造成隧道结构整体垮塌。目前，对于隧道横断面变形发展规律和控制标准的认识相对滞后。文献[1-2]提出隧道横断面变形安全控制指标及限值，但研究对象为车辆最高运行速度80 km/h的常规盾构隧道。文献[3-4]利用足尺试验研究隧道结构的承载性能和变形规律，但主要侧重于设计和施工阶段隧道结构的力学性能，尚缺少针对错缝拼装盾构隧道运营阶段破坏机制和横断面变形规律的试验硏究。

已运营的广州地铁18号线(以下简为“18号线”)为全地下市域快速轨道交通线路(以下简为“市域快线”)，列车设计速度为160 km/h，区间为8.5 m外径的大直径盾构施工错缝拼装隧道。本文以该线路南沙地区深厚软土区段大直径盾构隧道(以下简为“盾构隧道”)为研究对象，模拟分析加、卸载条件下隧道结构的受力状态和变形规律，并以管片接头允许张开量和螺栓屈服强度为控制指标，确定隧道横断面变形的控制限值和分级标准。

1 工程概况

1.1 地质情况

18号线某区间隧道位于南沙地区深厚软土区段，其主要穿越土层为淤泥层、淤泥质土层、粉质黏土层。该区间软土地层厚度较大，最大软土层厚度约为33 m，平均厚度大于10 m，主要土层参数见表1。

表1 广州地铁18号线某区间主要土层参数

1.2 管片设计

盾构隧道采用外径为8.5 m、内径为7.7 m、环宽为1.6 m的大管片。衬砌环由4块标准块(B1—B4)、2块连接块(L1、L2)、1块封顶块(F)组成。衬砌环型式为通用衬砌环，采用错缝拼装施工技术。衬砌环的接缝连接包括19个环缝连接螺栓(型号为M30)和14个纵缝连接螺栓(型号为M30)。混凝土管片强度等级≥C50，抗渗等级≥P12，钢筋采用HPB300级、HRB400/HRB400E级钢，环纵向螺栓强度等级不低于6.8级。

2 隧道横断面变形与结构形态关系

运营期盾构隧道横断面变形的发展，受到隧道自身结构特征、周围土体特性及荷载条件变化等众多因素的共同影响[5]。盾构隧道在运营期，常受到上部堆载和邻近基坑工程的影响而发生“横鸭蛋”形或“竖鸭蛋”形变形，会严重降低隧道结构的服役性能。本文采用Abaqus数值软件，基于荷载-结构法计算，研究加载及卸载引起的隧道横断面变形与结构性态的发展规律。

2.1 数值计算模型

建立包含三环管片的错缝拼装盾构隧道结构三维数值模型，管片采用实体单元，接头螺栓采用梁单元，钢筋采用桁架单元，如图1所示。通过设置管片-管片、管片-钢筋、管片-接头螺栓等接触面，实现应力和位移的连续，其中法向接触行为采用硬接触，切向接触采用库伦摩擦接触，摩擦系数取0.5。混凝土本构采用塑性损伤本构模型，螺栓和钢筋采用三折线弹塑性本构模型，计算参数见表2和表3。

2.2 计算工况

数值分析时选取典型断面作为研究对象，隧道顶部埋深约为12.5 m，隧道底部存在较厚的淤泥层，土重度取17 kN/m3，侧土压力系数取0.75。侧向土体抗力假定为等腰三角形，与水平直径上下呈45°，土体抗力系数取6 000 kPa/m[1]。数值模拟中采用控制荷载条件的方式使模型发生不同程度的横向收敛变形直至结构破坏，以研究管片结构的承载性能及抗变形能力。由于隧道发生横断面变形的本质为隧道上覆竖向荷载和水平荷载的比值发生变化[1]，因此，本文通过固定水平荷载，增大或减小竖向荷载，使隧道发生横断面变形。

a) 三环管片模型

表2 混凝土塑性损伤本构模型参数

表3 钢筋、螺栓材料本构参数

施加竖向及水平荷载至设计荷载水平，设计荷载分布如图2所示。对于加载工况，加载至设计荷载水平后保持水平荷载不变，继续以同一幅度施加竖向荷载至430 kPa；对于卸载工况，加载至设计荷载水平后保持水平荷载不变，将竖向荷载逐渐减小至0。数值模型荷载曲线如图3所示。

图2 18号线某区间盾构隧道设计荷载分布示意图Fig.2 Design load distribution of shield tunnel in Line 18certain interval

a) 加载工况

b) 卸载工况图3 18号线某区间盾构隧道数值模型荷载曲线

2.3 典型断面模拟计算结果与分析

2.3.1 盾构隧道横断面变形与竖向荷载的关系

选取中间环进行分析，由于盾构隧道拱腰处直径变化量较大，文中所提及的横断面变形均为盾构隧道拱腰处收敛变形。隧道横断面变形与竖向荷载的关系见图4。由图4可知，在加载至设计荷载水平前，盾构隧道横断面变形与外部荷载近似呈线性正相关。对于加载工况，当竖向荷载超出设计荷载后，隧道结构收敛变形发展进入非线性阶段，这是由材料的非线性本构关系所致；当竖向荷载达到333.25 kPa时，竖向荷载-横向收敛变形曲线平缓，盾构隧道结构出现屈服。对于卸载工况，在竖向荷载减小至161.25 kPa的过程中，竖向荷载与横向收敛变形仍是线性变化关系；当竖向荷载小于161.25 kPa后，盾构隧道结构收敛变形发展进入非线性阶段；当竖向荷载为119.41 kPa时，盾构隧道结构发生破坏。

a) 加载工况

b) 卸载工况图4 盾构隧道横断面变形与竖向荷载的关系

2.3.2 盾构隧道横断面变形与接缝最大张开量的关系

由于B2与B3标准块之间的纵缝(即D缝)位于右侧拱腰处，在加载及卸载两种工况下，接缝张开量均较大，且加载时发生外部张开，卸载时发生内部张开。选取该接缝进行分析，由图5可知，两种工况下接缝张开量与横断面变形呈现出较好的线性相关性。文献[6]指出，当纵缝张开量大于6 mm时，盾构隧道存在较大的渗漏风险。对于加载工况：D缝张开量达6 mm、12 mm、18 mm时，其横向收敛变形分别为98 mm、166 mm、228 mm。对于卸载工况：D缝张开量达6 mm时，其横向收敛变形为90 mm；结构破坏时，D缝张开量未达12 mm。

a) 加载工况

b) 卸载工况图5 盾构隧道横断面变形与接缝最大张开量的关系

2.3.3 盾构隧道横断面变形与纵缝螺栓应力的关系

盾构隧道横断面变形与纵缝螺栓应力的关系见图6。由图6可知，当管片结构逐渐加载至设计荷载水平时，位于左侧拱腰的封顶块F与连接块L1间纵缝(G缝)的螺栓应力较大。对于加载工况，竖向荷载逐渐增加后出现结构内力的重分布，G缝螺栓应力相对减小，A缝、D缝螺栓应力急剧增大；首个纵缝螺栓(D缝)应力达到屈服强度480 MPa时，横向收敛变形约为84 mm；当横向收敛变形为151 mm时，超过半数纵缝(A、B、D、F缝)螺栓屈服。对于卸载工况，螺栓应力呈现出先减小后增大的趋势；当横向收敛变形为88 mm时，C、D、G缝螺栓同时进入屈服；当横向收敛变形为141.8 mm时，D、G螺栓屈服，A、F螺栓接近屈服。此外，可知两种工况下纵缝螺栓应力最大值均发生在盾构隧道拱腰位置。

a) 加载工况

b) 卸载工况图6 盾构隧道横断面变形与纵缝螺栓应力的关系

2.3.4 盾构隧道横断面变形与环缝螺栓应力的关系

选取中环与上环(Z轴前进方向)间10个环缝螺栓应力发展进行分析，见图7。对于加载工况，横断面收敛变形为103 mm时，6号环缝螺栓应力达到屈服强度480 MPa；横断面收敛变形为310.2 mm时，结构发生破坏，3、5、7、8号螺栓接近屈服。对于卸载工况，横断面收敛变形为88 mm时，1、5号环缝螺栓应力达到屈服强度；横断面收敛变形为141.8 mm时，结构发生破坏，3号、4号、8号及10号环缝螺栓应力达到屈服强度，7号螺栓接近屈服。由此可知，环缝螺栓应力最大值多发生在右侧拱腰处。

2.3.5 盾构隧道结构损伤开裂过程

加载及卸载工况下盾构隧道结构损伤云图见图8。由图8可知，盾构隧道结构裂缝均主要分布在拱顶、拱底及拱腰附近，封顶块所在区域受拉损伤发展不明显。当加载/卸载量达到53.75 kPa时，管片开始出现裂缝，对应的横断面收敛变形分别为19.8 mm(加载)、15 mm(卸载)；当加载/卸载量达到64.50 kPa时，管片拱顶处受拉损伤区域沿纵向贯通，对应的横断面收敛变形分别为30.5 mm(加载)、27.1 mm(卸载)；随着加载/卸载量进一步增大，混凝土损伤区域沿环向扩大、损伤程度加深，当两种工况下结构发生极限破坏状态时，加载量及卸载量分别为123.37 kPa、95.59 kPa，对应的横断面收敛变形分别为310.2 mm、141.8 mm。由此可见：2种工况下管片结构受拉损伤发展规律一致，但卸载工况下损伤开裂情况更严重，结构发生受拉破坏时对应的卸载量和横向收敛变形更小。

a) 加载工况

b) 卸载工况图7 盾构隧道横断面变形与环缝螺栓应力的关系

a) 加载53.75 kPa

c) 加载123.37 kPa

e) 卸载64.50 kPa

3 盾构隧道横断面变形安全等级

上述模拟计算研究表明，深厚软土地区大直径盾构隧道的横断面变形与接缝张开量、最大螺栓应力以及混凝土结构损伤之间具有较好的相关性。因此，盾构隧道横断面变形在一定程度上可以反映盾构隧道结构的性态发展。汇总加载及卸载工况下盾构隧道结构性能随拱腰处收敛变形的发展状态，如表4所示。可知，两种工况下纵缝张开量与拱腰收敛变形的发展规律基本一致，且螺栓发生屈服时对应的盾构隧道收敛变形量值相近。为便于实际操作，本文确立了统一的大直径盾构隧道横断面变形安全等级划分方法，见表5。

表4 盾构隧道结构性能随拱腰处收敛变形的发展

4 结语

1) 在加载至设计荷载水平之前，盾构隧道横断面变形与外部荷载近似呈线性正相关；对于加载工况，当竖向荷载超出设计荷载后，盾构隧道结构收敛变形发展进入非线性阶段；对于卸载工况，当竖向荷载小于161.25 kPa后，盾构隧道结构收敛变形发展进入非线性阶段。

表5 盾构隧道横断面变形安全等级评定

2) 盾构隧道横断面变形与接缝最大张开量、接头螺栓应力、混凝土结构损伤存在一定的内在联系：①最大接缝张开量位于右侧拱腰处纵缝，且接缝张开量与盾构隧道横断面变形呈现出较好的线性关系；②纵缝和环缝螺栓应力最大值均位于盾构隧道拱腰处；③管片结构裂缝主要分布在拱顶、拱底以及拱腰附近，加载及卸载引起的结构受拉损伤发展规律一致，但卸载工况下损伤开裂情况更为严重。

3) 以盾构隧道拱腰处收敛变形为控制指标，建立了大直径盾构隧道横断面变形安全等级，分为Ⅰ(正常)、Ⅱ(退化)、Ⅲ(劣化)、Ⅳ(恶化)、Ⅴ(危险)共5个等级，针对不同的安全等级应及时采取相应的保护措施。当盾构隧道拱腰直径变化量超过80 mm时，应密切关注盾构隧道结构状态变化，并加强对拱顶、拱腰接头的监测。