考虑环间强度折减的顶管上穿对既有隧道结构变形影响分析*

孟庆军,徐 飞,孙飞祥,刘松地,徐文平,王凤弟

(1.南宁轨道交通集团有限责任公司,广西 南宁 530029;2.盾构及掘进技术国家重点实验室,河南 郑州 450001;3.中铁隧道局集团有限公司,广东 广州 511458)

0 引言

受限于有限的地表空间,城市地下空间开发需要向更为复杂的立体方向发展,多条隧道叠交的复杂工况愈加常见,这为城市空间开发打开新天地的同时,也带来了新的挑战。新建隧道的开挖卸荷作用会打破周边地层应力场平衡而产生应力场重分布,导致周边隧道发生隆起、错台、渗漏甚至断裂等事故［1］。为此,众多学者针对叠交隧道结构力学行为特征开展了广泛研究。相关研究方法包括理论解析、数值分析、模型试验和实测数据分析等［2-8］。在理论解析法方面,隧道结构多被假设为弹性梁［6-7］,为了考虑管片结构间的剪切变形又在环间引入了弹簧模型［9-10］;在数值分析法方面,通过建立三维模型开展不同工况下叠交隧道结构力学行为特征分析［5,11］;在室内模型试验方面,多借助离心机开展试验［4］;在实测数据分析方面,众多学者结合具体工程分析了上穿隧道施工引起的已建隧道结构变形特征［2-3］。然而,已建地铁隧道环与环之间通过螺栓连接,且接触面设置有密封垫,将地铁隧道考虑为一均质弹性体必然与实际不符,朱伟东［12］分析了连接方式和连接刚度、接头刚度对装配式管片内部结构内力及管片的影响;齐永洁［13］采用综合考虑管片环间错台和转动变形效应的协同变形模型,推导计算了堆载引起的隧道附加荷载;汪亦显等［14］采用局部刚度折减法并结合接头张合状态的力学模型进行盾构管片力学性能的数值模拟分析。此外,在长期列车动荷载和地下水侵蚀等作用下,螺栓产生应力松弛,密封垫不同程度老化,如何评估管片结构环与环之间连接关系显得尤为关键［15-16］。因此,本文从折减管片环与环连接位置强度的角度出发,探究隧道上穿对不同强度折减条件下隧道结构的力学行为特征的影响。本研究内容对指导施工和优化理论具有很强的指导意义和理论意义。

1 工程概况

某长度为42m的顶管上穿既有2条地铁隧道,地铁隧道分别位于顶管下方垂直距离1.3m和1.6m。该处地质由上到下分别为：素填土、黏土、粉土、圆砾、泥岩(粉砂质泥岩),其中,顶管上穿黏土和粉土地层;已建地铁隧道穿越粉土和圆砾地层,地铁隧道埋深10.6m;地下水水位埋深8.5m。各地层物理力学参数取值如表1所示。

表1 地层参数取值Table 1 Properties of soil layers

矩形顶管断面外轮廓尺寸为6 900mm×4 900mm,管片厚度500mm,管节长度1 500mm。管节材料为CF50,P10防水混凝土。已建地铁隧道管片内径为5.4m,外径为6m,环宽为1.5m,管片材料为C50混凝土。

2 管片强度折减数值计算

2.1 管片参数折减系数的确定

实际工程中,单环管片为多个分片通过螺栓连接拼接成环,管片环与环之间同样以螺栓连接而成盾构隧道衬砌结构,隧道结构取混凝土力学参数与实际不符。考虑到地铁管片环与环之间的连接方式为螺栓连接,而非刚性连接;且已运营隧道内部铺设有地铁运行的轨道等设置,很难精细建模模拟已运营隧道。本文提出利用折减系数将管片环间折减区域的弹性模量进行折减,研究不同折减系数对应地铁隧道变形特征。数值计算中假定隧道管片为线弹性材料,其体积模量和剪切模量按管片结构混凝土等级取值;管片环间折减区域以对应混凝土强度等级取值为基准进行折减,折减系数分别取表2中所列数值。C50混凝土弹性模量取34.5GPa,泊松比取0.2,不同折减系数对应的体积模量和剪切模量如表2所示。

表2 不同折减系数对应的体积模量和剪切模量取值Table 2 Values of volume modulus and shear modulus corresponding to different reduction coefficients

2.2 数值模型建立

根据顶管和地铁隧道的尺寸及相对位置建立数值计算模型,如图1所示。模型沿竖向(z)共包括5个地层,深度30m;沿顶管轴向(x)长度45m;沿地铁隧道轴向(y)长度60m。模型上表面无约束,作为自有面;侧面施加水平约束;模型底面施加三向约束。地表施加20kPa均布荷载。

图1 数值模型Fig.1 Numerical model

2.3 管片强度折减数值计算过程实现

顶管隧道施工前,完成模型初始应力化,其次完成地铁隧道开挖,并将该过程计算产生的变形做归零处理。对于新建顶管隧道,考虑其管片厚度较大(500mm),隧道长度较小,连接螺栓应力松弛现象不明显;此外,顶管管节预制生产时,对管节增设预应力孔,顶管通道完成后,穿预应力筋进行后张法张拉,加强管节的整体性,减小隧道上浮的风险,故将其考虑为连续的弹性材料。

对于地铁隧道结构,假定管片环向为连续的均质弹性材料。管片结构仅考虑在环与环之间一定区域进行强度折减。一般认为折减区域不应过大,但从数值建模网格划分及计算机算力考虑,该区域不应过小,管片环间两侧各取50mm作为强度折减区域。

3 数值分析结果

3.1 环间强度折减对隧道结构的影响

1)隧道结构变形

已建隧道左、右线隧道拱顶位移接近,选左线拱顶位移开展分析,隧道结构左、右线位移云图如图2所示。不同折减系数对应的沿隧道轴向的左线隧道拱顶位移分布曲线如图3所示。由图可知：①顶管开挖卸荷引起的地铁隧道上浮位移近似呈“正态分布”,上浮位移由顶管正下方沿隧道轴线向两侧逐步减小,顶管正下方对应的隧道拱顶上浮位移最大。②折减系数越小,隧道结构上浮区段越小,隧道结构最大上浮位移则越大,对应的上浮位移分布曲线越“高瘦”;折减系数越大,隧道结构上浮区段越大,隧道结构最大上浮位移则越小,折减系数越大对应的上浮位移分布曲线越“矮胖”。③折减系数不小于10-1以及折减系数不大于10-4时,隧道结构上浮位移变化不再显著,分别趋于收敛。由此可知,加强隧道结构整体性,提高连接位置强度可以有效控制管片上浮位移,但上浮区域会显著增加,不利于已建隧道结构抗浮整体控制;较弱的管片连接强度,可以控制隧道结构上浮区域,便于采取辅助工法开展小区域的隧道结构上浮控制。

图2 隧道结构z向位移云图(折减系数取0.01)Fig.2 z-direction displacement cloud diagram of tunnel structure (Reduction factor=0.01)

图3 左线隧道结构拱顶位移曲线Fig.3 Vault displacement carve of left line tunnel structure

2)隧道结构应力

管片环间强度进行不同折减情况下对应的隧道结构最大拉应力、压应力如图4所示。由图4可知,当折减系数大于10-1时,隧道结构最大拉应力、压应力受折减系数影响明显;当折减系数小于10-1时,隧道结构最大拉应力、压应力受折减系数影响则不明显。

图4 环间强度折减后最大拉应力、压应力曲线Fig.4 Maximum tensile and compressive stress curves after interring strength reduction

3)管片环间错台

选取顶管正下方三环连续地铁隧道管片进行分析,图5为折减系数为10-5时拱顶、拱腰和拱底位移分布曲线。由图5可知,管片环间均发生了不同程度的错台现象。图6为不同折减系数条件下隧道拱顶位移分布曲线,由图6可知,当折减系数不小于10-2,隧道结构的错台现象不明显或无错台现象;当折减系数不大于10-3,隧道结构存在环间错台现象,且在一定范围内,错台位移随折减系数的降低而增大,当折减系数小于10-5时,环间错台位移趋于收敛。

图5 拱顶、拱腰和拱底位移分布曲线(折减系数为10-5)Fig.5 Displacement distribution curves of vault,arch waist and arch bottom (reduction coefficient=10-5)

图6 不同折减系数条件下隧道拱顶位移分布曲线Fig.6 Displacement distribution curves of tunnel vault under different reduction coefficients

4 结语

1)上部新建隧道开挖卸荷将使已建隧道结构发生上浮现象,上浮位移在新建隧道正下方最大,向两侧逐渐减小。

2)折减系数大小影响已建隧道结构上浮位移分布特征。在一定范围内,随着折减系数的减小,隧道结构最大上浮位移逐步增大,但上浮区域逐渐减小,呈现隧道结构上浮位移分布曲线由“矮胖”向“高瘦”变化的特征,可以通过适当调整折减系数降低管片结构上浮位移和上浮区域。

3)随着折减系数减小,管片环间出现不同程度的错台现象。折减系数不小于10-2时,隧道结构的错台现象不明显;当折减系数不大于10-3时,管片结构环间错台位移随折减系数的降低而增大,当折减系数小于10-5时,环间错台位移趋于收敛。加强环间连接强度有利于控制隧道结构错台现象。

4)折减系数大小影响管片结构内力。当折减系数大于10-1时,隧道结构最大拉应力、压应力受折减系数影响明显;当折减系数小于10-1时,隧道结构最大拉、压应力受折减系数影响则不明显。