侧向卸载对大直径盾构管片力学性能影响分析

尹燕征

（中建八局第四建设有限公司，山东青岛 266100）

城市轨道交通主要由地铁盾构隧道组成。随着周边环境变化与运营时间的增加，隧道侧方卸载的工况也越来越多[1]。盾构隧道由于侧向卸载作用会产生附加应力[2]，引起围土压力重分布，使盾构结构的稳定性[3]发生变化，从而产生横向变形与纵向不均匀沉降，导致结构开裂、接头张开和螺栓屈服等病害[4]，严重侵害隧道的安全运营[5]。因此，研究侧向卸载对大直径盾构管片结构的影响具有重要意义。

为了探究侧向卸载对盾构隧道结构受力与变形的影响规律，陈仁朋等[6]研究了盾构管片侧面和上方卸载情况下变形和内力变化规律，并提出了具体的变形控制措施，归纳总结了侧向卸载过程中结构变形和内力的监测手段。梁东等[7]将精细化有限元模拟与相似模型试验相结合，研究了盾构管片处于弹性与塑性阶段时期，侧向卸载对结构的受力及变形影响规律。黄大维等[8]开展了地层与隧道相互作用的缩尺模型试验，测量了在地表超载影响下结构变形、土压力及土体沉降，明确了周围土体竖向压缩量与竖直方向收敛变形之间的关系。姚爱军等[9]基于北京某典型地铁隧道及基坑工程，将数值计算与缩尺模型试验相结合，研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下管片结构的围土压力分布规律与变形特征，并分析了管片结构顶部与基坑底部距离产生的影响。

上述侧方卸载对盾构隧道结构影响的研究已取得一些成果，但在计算分析过程中未考虑混凝土与连接螺栓的非线性，难以准确分析侧方卸载作用下盾构隧道管片结构的真实力学性能。文章在混凝土塑性损伤模型的基础上，建立了大直径盾构管片的三维实体非线性模型。该模型考虑管片材料的非线性、管片与管片间接触的非连续性。本研究对不同侧压力系数下侧向卸载对盾构管片结构的受力、变形规律展开分析，基于所得规律对侧向卸载影响下的盾构隧道工程建设提供参考。

1 大直径管片三维非线性模型

1.1 管片材料本构模型

连接螺栓采用弹塑性本构模型，材料参数如表1所示。

表1 材料参数

基于文献[1]中混凝土塑性损伤本构模型进行数值模拟，混凝土压缩和拉伸特性如表2所示。其中，流动势偏移量为0.1，剪胀角为38°，双轴与单轴抗压强度比为1.16，屈服常数为0.666 7，黏滞系数为0.000 01。

表2 混凝土压缩拉伸特性［1］

1.2 管片与土体间相互作用关系

文章计算基于荷载-结构法，地层变形抗力通过地基土弹簧形式施加于管片上，接地弹簧为只受压不受拉的三向非线性，法向弹簧系数kn为1×107N/m2，切向弹簧取法向弹簧的1/3。土体与管片相互作用关系如图1所示。

图1 土体与管片相互作用关系

1.3 模型建立与接触关系

管片衬砌为大直径盾构隧道结构，内径11.9 m、外径13 m、管片厚0.55 m、环宽2 m，每环衬砌为“10+1”分块形式，由1个封顶块（F）、2块邻接块（L1、L2）及7块标准块（B1～B7）组成。接缝连接包括20颗环向连接螺栓，管片衬砌与连接螺栓采用三维实体单元（C3D8R）模拟。盾构管片分块形式如图2所示。

图2 大直径盾构管片分块形式

管片间接触基于“面与面”的接触方式，切向为基于罚函数法的库伦摩擦接触，摩擦系数取0.4，法向设置硬接触。

1.4 计算工况

隧道埋深选取20 m，隧道结构整体受力分为垂直土压力pv1、地基反力py1、px1与px2表示侧向土压力随着深度的增加呈线性增加，计算得垂直土压力pv1=326.6 kPa，地基反力py1=355.2 kPa，侧向土压力采用垂直土压力乘以侧压力系数0.65进行计算，结果分别为px1=197.6 kPa、px2=266.1 kPa。

文章分别对土体侧向压力系数K0取0.35、0.45、0.55、0.65和0.75进行参数研究分析，对5个侧向卸载工况进行算例分析。侧向卸载表示隧道侧方承受着基坑开挖卸载的作用，因此其侧向土压力发生改变。文章侧向卸载的大小折减原土压力的30%，分为两步进行卸载工况：（1）对管片结构施加荷载模拟其土中的初始状态；（2）将卸载后的侧向土压力施加在管片侧向，模拟基坑开挖卸载。

2 数值模拟结果分析

2.1 管片结构受力过程分析

侧向卸载的作用下，大直径盾构管片结构的变形模式为典型的“横鸭蛋形变形”，土体侧向压力系数为0.35的管片混凝土应力与横向位移云图如图3、图4所示。

图3 侧向卸载时管片应力云图

图4 侧向卸载时管片横向位移云图

2.2 侧向土压力系数对管片结构的影响分析

侧向卸载对管片结构变形和受力的影响如图5所示。

图5 侧向卸载对管片结构变形和受力的影响

椭圆度与接头张开量最大值随竖向荷载增加呈线性增加，侧压力系数越大，竖向荷载增加时椭圆度与接头张开量最大值增量越小。

侧压力系数K0为0.35与0.45时，螺栓应力先线性增加而后达到屈服应力。其中，K0=0.35时螺栓屈服应力对应的竖向荷载值为320 kPa；在K0=0.45时螺栓屈服应力对应的竖向荷载值为384 kPa，螺栓应力曲线转折程度明显。当竖向荷载增长到某一定值时，螺栓应力达到其屈服强度400 MPa，结构已经产生塑性变形，其应力发展趋势保持不变。结果表明侧压力系数K0较小时，土体对隧道的约束作用较弱，整体结构易发生大变形。在K0为0.55、0.65、0.75时，螺栓竖向荷载呈线性增加，侧压力系数越大，竖向荷载增加时螺栓应力增量越小，螺栓应力曲线转折角度相对变小，提高侧压力系数可以显著降低螺栓应力的增加，提高结构的承载能力。

土体侧压力系数越大，管片结构的承载性能越好，抵抗变形能力越强。因此隧道发生侧方卸载情况时，可以通过提高土体侧压力系数保证结构的稳定性，维护隧道营运的安全。

3 结语

文章基于荷载-结构计算方法，利用Abaqus有限元软件，对受侧向卸载影响下的大直径盾构隧道结构进行了力学性能分析，同时考虑混凝土与连接螺栓的非线性，研究了侧压力系数对盾构管片结构受力与变形的影响规律，得出以下结论：

（1）侧向卸载作用下，盾构隧道呈现上浮特征，管片结构水平位移均呈对称分布，最大水平位移差出现在侧向卸载结束阶段。

（2）侧向压力系数较大时，盾构隧道结构处于弹性阶段；侧向压力系数减小时，盾构隧道结构进入塑性阶段。

（3）隧道侧方卸载量值较低时，其椭圆度、接头张开量最大值与竖向荷载呈线性增加趋势，随着侧方卸载量的增加，发展趋势转变为非线性；盾构隧道结构的椭圆度、接头张开量、螺栓、钢筋应力与土体侧向压力系数呈负相关关系。