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      列車動(dòng)荷載作用下海域段盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性研究

      2022-09-02 10:15:24朱斌忠郭佳奇錢源徐沖
      關(guān)鍵詞:管片主應(yīng)力拱頂

      朱斌忠,郭佳奇,錢源,徐沖

      (1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

      0 引 言

      隨著我國大多數(shù)城市交通壓力不斷增加,城市軌道交通特別是地鐵交通迅速發(fā)展,中國許多城市正在修建、擴(kuò)建或計(jì)劃修建地鐵項(xiàng)目。截至2019年底,我國大陸開通運(yùn)營的軌道交通線路共計(jì)208條,遍布40個(gè)城市,運(yùn)營線路長達(dá)6 736.2 km,其中地鐵線路長5 180.6 km,占比75.9%[1]。城市地鐵在緩解城市交通擁擠的同時(shí),運(yùn)營期間其病害問題也日益凸顯。20世紀(jì)90年代香港地鐵部分隧道區(qū)間因內(nèi)側(cè)鋼筋銹蝕,導(dǎo)致外側(cè)混凝土保護(hù)層脫落[2];廣州地鐵運(yùn)營十余年后也出現(xiàn)了鋼筋腐蝕、混凝土碳化、電弧損傷和雜散電流腐蝕問題[3]。研究影響地鐵隧道襯砌耐久性的因素及其致劣機(jī)制,對(duì)我國地鐵建設(shè)意義重大。

      隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大,部分沿海城市正在嘗試修建跨海地鐵隧道。相對(duì)陸地水土環(huán)境,海底水土荷載環(huán)境復(fù)雜、粒子侵蝕環(huán)境多變[4-5],因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高要求。早在20世紀(jì)60年代,歐美學(xué)者就提高地下管線和地下油罐等混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行了一系列研究[6-7]。M L Post等[8]發(fā)現(xiàn)海域環(huán)境中干 燥混凝土?xí)饾u向海水飽和狀態(tài)過度,且期間混凝土強(qiáng)度逐漸降低。隨著國內(nèi)水域段隧道的大規(guī)模建設(shè)和投入運(yùn)營,國內(nèi)學(xué)者開展了一系列研究。王振信[9]分析了混凝土的腐蝕機(jī)理,提出了提高盾構(gòu)管片耐久性及管片耐久性檢測的方法;何川等[10]對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)材料、環(huán)境、施工和事故等主要因素會(huì)引起結(jié)構(gòu)耐久性問題,從而導(dǎo)致滲漏水、襯砌混凝土開裂、鋼筋銹蝕等隧道病害。在前人基礎(chǔ)上,劉四進(jìn)等[11]考慮鋼筋混凝土劣化過程的特點(diǎn),研究了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受腐蝕后的力學(xué)性能,提出了腐蝕劣化管片的抗彎剛度衰減模型。在引起隧道襯砌結(jié)構(gòu)劣化的眾多原因中,Cl—是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的主要因素[12-14],鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最主要原因[15-17],而海域環(huán)境中富存Cl—,因此有必要將Cl-作為影響海域隧道襯砌耐久性的重要因素。

      地鐵運(yùn)營期間,動(dòng)荷載對(duì)隧道的影響很早就引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,自20世紀(jì)70年代以來,相關(guān)研究相繼開展。G.Degrande等[18]通過現(xiàn)場試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)測量得到了峰值點(diǎn)速度和頻率組成的速度函數(shù)隨列車到隧道距離的變化;白冰等[19]通過數(shù)值計(jì)算得到了交疊隧道在列車動(dòng)載下的動(dòng)力響應(yīng)特征,計(jì)算結(jié)果表明隧道中部斷面的拱底位移峰值小于開始段;吳聰[20]設(shè)計(jì)并建造用于列車振動(dòng)試驗(yàn)的相似模型試驗(yàn)裝置,利用激振器對(duì)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)隧道中不同位置單點(diǎn)激振,初步研究了交叉盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)和周圍生體中的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)理。

      上述研究或分析了運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)致劣機(jī)制,或考慮了列車動(dòng)荷載下襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng),為隧道的維護(hù)保養(yǎng)提供了一些參考,但由于沒有同時(shí)考慮海水與列車動(dòng)荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性的影響,對(duì)運(yùn)營中的海域地鐵隧道不全適用。本文綜合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究列車動(dòng)荷載作為支護(hù)結(jié)構(gòu)上一種荷載時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性的影響,得到服役期間海域隧道襯砌結(jié)構(gòu)在海水侵蝕和列車動(dòng)荷載共同作用下的劣化特征。研究成果對(duì)海域地鐵隧道運(yùn)營期間的維修與保養(yǎng)具有重要意義。

      1 工程概況

      廈門地鐵6號(hào)線的馬鑾中心站至集美島站區(qū)間中部下穿馬鑾灣,為海底隧道,地面現(xiàn)狀為魚塘區(qū),結(jié)構(gòu)深度8~20 m,其中YDK5+550~YDK6+400和YDK7+700~YDK6+400段兩次下穿馬鑾灣,灣底規(guī)劃高程為-4.24 m。隧道所處地層上部為第四系全新統(tǒng)人工填土、海積淤泥、沖洪積粉質(zhì)黏土、砂土、上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、砂土為主,底部為殘積土及全、微風(fēng)化基巖。其中隧道穿越風(fēng)化凝灰熔巖殘積土和風(fēng)化凝灰熔巖,巖體基本質(zhì)量分類等級(jí)為Ⅴ級(jí),強(qiáng)度較低,節(jié)理裂隙發(fā)育且富含海水。本項(xiàng)目段盾構(gòu)隧道運(yùn)營期間易受海水侵蝕,易造成管片耐久性劣化,對(duì)隧道運(yùn)營安全構(gòu)成威脅。工程段土層參數(shù)如表1所示。

      表1 工程段土層參數(shù)Tab.1 Soil layer parameters of engineering section

      研究段斷面地質(zhì)情況如圖1所示。隧道管片采用C50防水混凝土,內(nèi)部鋼筋采用HRB400,外徑3 100 mm,內(nèi)徑2 750 mm,襯砌厚度350 mm,服役年限設(shè)計(jì)為100年。

      圖1 工程段地質(zhì)斷面圖Fig.1 Geologic profile of engineering section

      2 室內(nèi)管片試驗(yàn)

      為模擬海域段隧道襯砌結(jié)構(gòu)受海水侵蝕的情況,進(jìn)行混凝土加速侵蝕室內(nèi)試驗(yàn),研究Cl-侵蝕對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕作用?;炷猎噳K為廈門地鐵施工混凝土管片供貨商提供的C50混凝土試塊,尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,加工得到Φ50 mm×100 mm的圓柱形試件,使用高壓鍋將試樣在鹽水中加熱24 h,得到受到Cl-侵蝕的試件,試驗(yàn)過程如圖2所示。

      圖2 試件加速侵蝕試驗(yàn)過程Fig.2 Test process of specimen erosion

      分別將干燥狀態(tài)下的普通試件(記為A組)與用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%Nacl浸泡過并在電壓力鍋中加熱24 h的試件(記為B組)進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。試塊力學(xué)性能試驗(yàn)選用武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150B三軸儀。試驗(yàn)中對(duì)每組5個(gè)試塊施加分別為2,4,6,8,10 MPa的圍壓,加載速率為0.5 MPa/s。試塊處理完成后,待試塊自然冷卻為室溫,用三軸儀對(duì)試塊進(jìn)行加壓試驗(yàn),每組試塊應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖3。整理A、B兩組試件測量結(jié)果,如表2~3所示。

      表2 A組試件試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of group A

      圖3 試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of samples

      變化趨勢相同,曲線峰前斜率接近,因此A組試件在不同圍壓下表現(xiàn)出的彈性模量大致相等,隨著圍壓增加,試件峰值應(yīng)力增大,可見隨著圍壓增加,A組試件抗壓強(qiáng)度明顯增加;隨著圍壓增加,B組試件不僅應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力增加,曲線峰前斜率也表現(xiàn)出增大趨勢,可見受到Cl-侵蝕的混凝土,隨著圍壓提高,抗壓強(qiáng)度和彈性模量會(huì)逐漸增加。

      表3 B組試件試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of group B

      由表2~3可知,B組試件的彈性模量較A組試件有所降低,下降了約46.13%;4~10 MPa圍壓下B組試件的抗壓強(qiáng)度較A組分別下降46.4%,38.5%,41.9%和37.5%。

      3 數(shù)值模擬分析

      3.1 數(shù)值模型

      3.1.1 數(shù)值模型及邊界約束條件

      有限元分析軟件MIDAS GTS擁有幾乎所有巖土工程及隧道領(lǐng)域的分析功能,在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。本文使用該軟件,依據(jù)圣維南原理建立尺寸40 m×12 m×40 m的模型;襯砌為完全剛度均質(zhì)圓環(huán),外徑3 100 mm、內(nèi)徑2 750 mm,管片厚度350 mm,忽略接頭影響;為方便計(jì)算,模型中地層單元尺寸為0.5~2 m,軌床與管片最小尺寸為0.5 m,如圖4所示。動(dòng)力計(jì)算時(shí),體系阻尼比取0.05,大地阻尼比取0.05,隧道最大、最小固有頻率分別為0.82 Hz和0.627 Hz;上邊界自由,前后、左右及下邊界設(shè)置“黏性邊界”;此外,土層荷載通過土層荷載法施加,海水荷載通過設(shè)置水位施加。

      圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

      假設(shè)襯砌受海水侵蝕后,各個(gè)方向Cl-侵入深度一致,則受侵蝕與未受侵蝕管片關(guān)系如圖5所示,依圖5建模,對(duì)管片進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分,未受侵蝕和已受侵蝕部分分別賦彈性模量34.50,20.97 GPa,泊松比均為0.2。引用文獻(xiàn)[21]中Cl-侵入管片深度與時(shí)間的關(guān)系,即假設(shè)運(yùn)營0,50,100 a時(shí),Cl-侵入管片深度分別為0,165.57,216.45 mm。

      圖5 侵蝕管片模型圖Fig.5 Erosion sheet model diagram

      3.1.2 動(dòng)荷載施加

      使用MIDAS GTS動(dòng)力分析模塊,按照中車唐山機(jī)車車輛有限公司制造的6B型列車參數(shù)(見表4)施加列車動(dòng)荷載,見圖6。

      表4 6B型地鐵列車主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of type 6B subway train

      圖6 列車動(dòng)荷載示意圖Fig.6 Train dynamic load diagram

      3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

      3.2.1 初始靜力場分析

      不同服役年限下,隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向位移變化不大,縱向位移變化趨勢相同,其中拱頂位移較為明顯,隨著運(yùn)營時(shí)間增加,拱頂位移增加約1 mm。與一般盾構(gòu)隧道相同,隨著使用年限增加,混凝土強(qiáng)度降低,會(huì)出現(xiàn)隧道拱頂下沉、拱底隆起、兩腰分別向外位移的現(xiàn)象。

      圖7~8顯示了初始應(yīng)力場下隧道襯砌的主應(yīng)力分布。盾構(gòu)隧道襯砌主應(yīng)力的最大值一般對(duì)稱分布在隧道拱頂、底部和兩腰。運(yùn)營年限增加后,海域隧道襯砌強(qiáng)度降低,但是上述趨勢并未改變。隧道襯砌的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力,其中拱頂拉應(yīng)力比其他部位大,未受侵蝕時(shí)最大拉應(yīng)力為6.31 MPa,隧道運(yùn)營100 a后最大拉應(yīng)力增長至6.79 MPa,增幅為6.42%。隧道結(jié)構(gòu)主要承受壓應(yīng)力,未受侵蝕時(shí)最大為10.38 MPa,隧道服役100 a后增長至11.85 MPa,增幅14.16%。綜上,Cl-對(duì)襯砌侵蝕程度不斷增加,襯砌承受的拉壓應(yīng)力也不斷增加,可見Cl-侵蝕對(duì)襯砌強(qiáng)度是不利的。

      圖7 初始應(yīng)力場下管片最大主應(yīng)力分布Fig.7 Max principal stress distribution under the initial stress field

      3.2.2 不同服役年限運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)劣化

      不同服役年限列車動(dòng)荷載作用下隧道管片的橫向位移與縱向位移云圖如圖9~10所示。由圖9可知,動(dòng)荷載作用下管片左右拱腰出現(xiàn)較大收斂位移,且隨著運(yùn)營年限增加,收斂位移有不同程度增加,最大位移4.3 mm左右;由圖10可知,服役隧道運(yùn)營0,50,100 a后,在列車動(dòng)荷載影響下的縱向位移分布趨勢大致相同,隧道洞口處容易出現(xiàn)較大位移,最大在60.3 mm左右。此外隨著服役年限增加,縱向位移較大部分分布區(qū)域逐漸減小,動(dòng)荷載對(duì)隧道整體性的影響有一定下降。

      圖9 動(dòng)荷載下橫向位移云圖Fig.9 Longitudinal displacement cloud map under dynamic load

      圖10 動(dòng)荷載下縱向位移云圖Fig.10 Lateral displacement cloud map under dynamic load

      動(dòng)荷載下隧道主應(yīng)力分布如圖11~12所示,隧道兩端軌床與襯砌接觸位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,針對(duì)這一現(xiàn)象,實(shí)際中在隧道的這些位置采取加固措施,如噴射混凝土等。隧道內(nèi)側(cè)易受拉,外側(cè)易受壓,如圖12所示,應(yīng)力較大區(qū)域都出現(xiàn)在隧道拱頂、底部兩腰位置。隧道兩端壓應(yīng)力較大,且隨著服役年限增加,較大壓應(yīng)力分布區(qū)域減小。

      圖8 初始應(yīng)力場下管片最小主應(yīng)力分布Fig.8 Min principal stress distribution under initial stress field

      圖11 動(dòng)荷載作用下隧道管片最大主應(yīng)力分布Fig.11 Max principal stress distribution under dynamic load

      圖12 動(dòng)荷載作用下隧道管片最小主應(yīng)力分布Fig.12 Min principal stress distribution under dynamic load

      3.2.3 不同位置管片在動(dòng)荷載下響應(yīng)情況

      列車振動(dòng)會(huì)周期性向隧道管片加載,為了分析列車經(jīng)過該段隧道時(shí)動(dòng)荷載在不同時(shí)間對(duì)隧道的影響,以服役50 a的隧道為例,提取不同位置位移、應(yīng)力變化進(jìn)行對(duì)比分析。

      由于動(dòng)荷載作用下隧道管片的橫向位移較小,本節(jié)只考慮隧道拱頂管片的縱向位移。沿著列車行駛方向,自隧道起始處依次記為1~11,整理提取點(diǎn)的縱向位移,其變化趨勢如圖13所示。

      圖13 拱頂位移變化曲線Fig.13 Displacement change curves of vault

      由圖13可知:(1)在周期性的列車動(dòng)荷載作用下,襯砌上的位移沿軸向大致對(duì)稱分布,荷載對(duì)隧道中部影響最大。隨著荷載作用時(shí)間增加,位移變化量逐漸增大。(2)隨著動(dòng)荷載作用時(shí)間增加,管片整體向下移動(dòng),位移量不斷加大,相同位置最大位移差可達(dá)4.52 mm,增加了近1.6倍。(3)由于列車長120 m,本文建模隧道長10 m,列車在隧道中通行10 s,這10 s中動(dòng)荷載周期性施加于管片上,使隧道不斷產(chǎn)生位移,位移量不斷疊加,位移曲線見圖13。實(shí)際上,列車通過隧道后,位移不會(huì)隨著列車離開而恢復(fù),列車不斷通過時(shí),位移仍然會(huì)不斷疊加,導(dǎo)致隧道襯砌出現(xiàn)喪失耐久性的可能。

      沿著列車行駛方向,提取管片拱頂、底部、兩腰的一排單元分析不同時(shí)刻隧道整體的應(yīng)力變化情況,每排單元格沿列車前進(jìn)方向依次標(biāo)號(hào)1~10,如圖14~17所示。

      由圖14~17可知:(1)在周期性列車動(dòng)荷載作用下,襯砌上的主應(yīng)力沿軸向線大致對(duì)稱分布,隧道中部與隧道兩端主應(yīng)力相差較大。列車動(dòng)荷載作用時(shí)間越長,隧道拱頂最大主應(yīng)力、底部最小主應(yīng)力增加越明顯;隧道拱頂最小主應(yīng)力、底部最大主應(yīng)力及隧道左右兩側(cè)主應(yīng)力隨列車動(dòng)荷載作用時(shí)間增加而小幅增加。(2)除隧道底部外,較高的主應(yīng)力值一般出現(xiàn)在隧道兩端,如隧道拱頂最小主應(yīng)力最大9.5 MPa,隧道左右兩側(cè)最大主應(yīng)力最大5.5 MPa,均出現(xiàn)在隧道兩端。

      圖14 拱頂應(yīng)力變化曲線Fig.14 Stress change curves at vault

      在列車動(dòng)荷載作用下,隧道位移與應(yīng)力均隨服役時(shí)間增加而增大。由于隧道襯砌始終有較大的位移與應(yīng)力,拱頂位移均維持在60 mm以上,拉、壓應(yīng)力最大值分別為2.72,19.3 MPa,軌床與管片接觸處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,特別是隧道兩端應(yīng)力相對(duì)于中間會(huì)偏大;初始位移、應(yīng)力清零后,動(dòng)荷載作用下縱向位移較大值出現(xiàn)在隧道中部,應(yīng)力沿隧道軸線大致對(duì)稱分布,應(yīng)力關(guān)于中點(diǎn)位置對(duì)稱,橫斷面上應(yīng)力關(guān)于豎向線左右對(duì)稱;相同服役年限下,動(dòng)荷載作用時(shí)間越長,隧道襯砌產(chǎn)生的位移越大,最大值7.43 mm,隨著時(shí)間增加而疊加。

      圖15 下側(cè)應(yīng)力變化曲線Fig.15 Stress variation curves at the lower side

      圖16 左側(cè)應(yīng)力變化曲線Fig.16 Stress change curve at the left

      圖17 右側(cè)應(yīng)力變化曲線Fig.17 Stress change curves at the right

      4 結(jié) 論

      (1)海水侵蝕會(huì)使試件內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng),試件內(nèi)部裂縫中產(chǎn)生一系列侵蝕產(chǎn)物使裂縫延伸,從而使管片混凝土性能劣化。三軸壓縮試驗(yàn)中,受到Cl-侵蝕的混凝土試件抗壓強(qiáng)度降低,通過計(jì)算得出結(jié)論Cl-侵蝕下C50混凝土試樣強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降,彈性模量下降了46.13%。

      (2)受到侵蝕后,隧道襯砌強(qiáng)度降低,管片受到的應(yīng)力不斷增加,其中壓應(yīng)力增加最多,增幅達(dá)14.6%。服役海域隧道在海水作用下耐久性不斷下降,運(yùn)營時(shí)間較長且未進(jìn)行加固處理可能會(huì)出現(xiàn)安全問題。

      (3)列車動(dòng)荷載作用下,隧道的縱向位移進(jìn)一步增加,且隧道中間段位移更大,周期性動(dòng)荷載作用時(shí)間越長,位移越大,位移有疊加效果,列車動(dòng)荷載單獨(dú)作用于隧道一次,產(chǎn)生的最大縱向位移為7.43 mm。

      (4)列車動(dòng)荷載作用下,服役年限越久的隧道襯砌上應(yīng)力也會(huì)越大,隧道上應(yīng)力沿縱向中軸線左右對(duì)稱、沿隧道中間截面前后對(duì)稱分布;動(dòng)荷載作用于隧道襯砌上時(shí),對(duì)隧道拱頂和兩腰偏上部位的應(yīng)力影響較大,最大值為5.5 MPa,周期性動(dòng)荷載持續(xù)作用于隧道襯砌上時(shí),拱頂應(yīng)力不斷增加,隧道耐久性降低。

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