盾構(gòu)隧道受損管片結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法研究

范志高

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，100020，北京∥正高級(jí)工程師)

盾構(gòu)法地鐵隧道是由環(huán)形管片拼接而成，該管片起到承壓、防水的重要作用，是隧道安全的屏障。在盾構(gòu)隧道施工或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，常常會(huì)因?yàn)槭┕げ划?dāng)、外部擾動(dòng)、地質(zhì)條件變化等原因，導(dǎo)致隧道管片發(fā)生變形、破損、滲漏水等病害，嚴(yán)重危害隧道安全。

隧道管片受損后，需對(duì)受損管片結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評(píng)估，為后續(xù)加固工作提供依據(jù)。但目前國(guó)內(nèi)的評(píng)估方法僅僅是對(duì)隧道管片的收斂變形、滲漏水、裂縫、破損等進(jìn)行檢測(cè)[1]，而未對(duì)隧道管片的承載力是否滿(mǎn)足要求進(jìn)行計(jì)算分析。

1 工程概況

1.1 工程及地質(zhì)概況

某地鐵盾構(gòu)隧道區(qū)間工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工方法，其隧道埋深為13～19 m。根據(jù)勘探結(jié)果，本區(qū)間70 m深度范圍內(nèi)的地基土除填土外，均為第四系上更新統(tǒng)至下更新統(tǒng)的沖湖積相、海陸交互相沉積物，巖性主要為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂。地面標(biāo)高為2.90～4.14 m，勘察期間水面標(biāo)高為1.63 m。

1.2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該區(qū)間盾構(gòu)隧道管片襯砌內(nèi)直徑為5 500 mm，外直徑為6 200 mm，厚度為350 mm，環(huán)寬為1 200 mm。襯砌環(huán)由6塊組成，隧道管片設(shè)計(jì)每環(huán)采用“3+2+1”形式，即3塊標(biāo)準(zhǔn)塊(A1、A2、A3)、2塊鄰接塊(B1、B2)和1塊封頂塊K，均采用鋼筋混凝土制作，混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12級(jí)。隧道管片結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)圖(見(jiàn)圖1)。

圖1 隧道管片結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)圖

隧道管片環(huán)采用錯(cuò)縫拼裝的形式，通過(guò)彎曲螺栓連接。每條環(huán)縫共有16根M30縱向螺栓，沿襯砌環(huán)環(huán)向均勻布置；每環(huán)有6條縱縫，共有12根M30環(huán)向螺栓，螺栓分布見(jiàn)圖2。

圖2 盾構(gòu)隧道襯砌管片連接螺栓展開(kāi)圖

2 受損隧道管片檢測(cè)

隧道右線(xiàn)第294環(huán)—第295環(huán)附近曾發(fā)生漏水、漏砂險(xiǎn)情。發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情后，施工單位人員立即采取水泥袋堆積反壓措施，同時(shí)在涌水點(diǎn)位開(kāi)孔進(jìn)行長(zhǎng)管注漿，最后采用注聚氨酯進(jìn)行封堵。由于水土流失會(huì)導(dǎo)致隧道管片嚴(yán)重變形、碎裂，發(fā)現(xiàn)管片發(fā)生變形、碎裂后，相關(guān)人員立即采取架設(shè)支架、澆筑混凝土墻等措施以抵抗變形，避免造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害。

隨后對(duì)隧道管片進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)右線(xiàn)第293環(huán)—第297環(huán)均發(fā)生了嚴(yán)重的橢圓度變形(見(jiàn)圖3)，隧道管片最大錯(cuò)臺(tái)量為102 mm，并在第294環(huán)、第295環(huán)分別發(fā)現(xiàn)了8條、10條裂縫。

圖3 右線(xiàn)第293環(huán)—第297環(huán)附近橢圓度變形

3 隧道管片結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法及原則

隧道管片結(jié)構(gòu)分為襯砌環(huán)和環(huán)縫2個(gè)部分，安全評(píng)估工作應(yīng)按襯砌環(huán)和環(huán)縫分別進(jìn)行。

3.1 襯砌環(huán)評(píng)估

對(duì)襯砌環(huán)進(jìn)行安全評(píng)估時(shí)，應(yīng)計(jì)算隧道管片截面承載力Rs、隧道管片截面荷載效應(yīng)Ss、縱縫截面承載力Rj、縱縫截面荷載效應(yīng)Sj。計(jì)算時(shí)應(yīng)符合以下基本要求：

1)對(duì)作用力及其組合應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)目標(biāo)使用期，應(yīng)符合GB 50068—2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定。

2)隧道管片與縱縫的承載力和荷載效應(yīng)計(jì)算應(yīng)分開(kāi)進(jìn)行，并對(duì)隧道管片與縱縫的安全分別進(jìn)行評(píng)估。

3)每襯砌環(huán)內(nèi)應(yīng)至少對(duì)頂部、底部、兩腰及所有錯(cuò)縫截面進(jìn)行隧道管片承載力和荷載效應(yīng)計(jì)算。

4)每襯砌環(huán)內(nèi)應(yīng)對(duì)所有縱縫進(jìn)行縱縫承載力和荷載效應(yīng)計(jì)算。

隧道管片截面的鑒定評(píng)級(jí)應(yīng)按表1進(jìn)行。

表1 隧道管片截面鑒定評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

縱縫截面的鑒定評(píng)級(jí)應(yīng)按表2進(jìn)行。

表2 縱縫截面鑒定評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

襯砌環(huán)的鑒定評(píng)級(jí)應(yīng)綜合考慮隧道管片和縱縫的鑒定評(píng)級(jí)結(jié)果，按表3進(jìn)行。

表3 襯砌環(huán)鑒定評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 環(huán)縫評(píng)估

環(huán)縫鑒定評(píng)級(jí)時(shí)，首先應(yīng)計(jì)算環(huán)縫螺栓群總剪力、環(huán)縫面最大摩擦力和螺栓群總抗剪強(qiáng)度，隨后再根據(jù)表4進(jìn)行環(huán)縫的鑒定評(píng)級(jí)。

表4 環(huán)縫鑒定評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4 隧道管片承載力計(jì)算

4.1 隧道管片截面承載力

隧道管片截面承載力Rs的計(jì)算應(yīng)按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中矩形偏心受壓構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

對(duì)于大偏心受壓的隧道管片矩形截面，Rs(即Ncu)的計(jì)算如式(1)—式(2)所示。

Ncu=α1fcbxh+fy0As0-fyAs

(1)

fy0As0(h0-as0)

(2)

式中：

Ncu——截面極限軸力；

α1——系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)不超過(guò)C50時(shí)，α1取1；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，α1取0.94，其間按線(xiàn)性?xún)?nèi)插法確定；

xh——混凝土受壓區(qū)高度；

b——矩形截面寬度；

h——矩形截面高度；

h0——截面有效高度；

as——受拉鋼筋中心至截面受拉邊緣的距離；

as0——受壓鋼筋中心至截面受壓邊緣的距離；

ηs——考慮P-Δ效應(yīng)的彎矩增大系數(shù)；

ei——初始偏心距；

fy、fy0——分別為鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

As、As0——分別為受拉鋼筋和受壓鋼筋的截面面積；

fc——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

對(duì)于小偏心受壓的隧道管片截面，Rs(即Ncu)的計(jì)算如式(3)—式(5)所示。

Ncu=α1fcbxh+fy0As0-σsAs

(3)

(4)

(5)

式中：

ξ——相對(duì)受壓區(qū)高度；

ξb——界限相對(duì)受壓區(qū)高度；

σs——小偏心受壓時(shí)受拉鋼筋應(yīng)力。

4.2 縱縫截面承載力

縱縫截面承載力Rj采用式(6)—式(8)進(jìn)行計(jì)算。

(6)

(7)

lirεir=θ(d-Zc)

(8)

式中：

Mcu——截面極限彎矩；

x——以形心為原點(diǎn)，以隧道管片厚度方向?yàn)闄M軸X的坐標(biāo)；

b(x)——坐標(biāo)為x處的截面寬度；

ε(x)——坐標(biāo)為x處的混凝土應(yīng)變；

σ(x)——坐標(biāo)為x處的混凝土應(yīng)力；

A——連接件的面積；

d——連接件中心距外(內(nèi))弧面的長(zhǎng)度；

θ——截面轉(zhuǎn)角，按θ=lcεcu/Zc計(jì)算；

lc——混凝土壓縮影響深度；

εcu——混凝土極限應(yīng)變；

lir——螺栓長(zhǎng)度；

εir——螺栓應(yīng)變；

Zc——受壓區(qū)混凝土沿截面高度方向上的長(zhǎng)度。

4.3 環(huán)縫承載力

通過(guò)有限元軟件計(jì)算，可求出對(duì)應(yīng)于圓心角φi位置的螺栓切向剪力Fτi和法向剪力Fni。假設(shè)水平剪力以向右為正，豎向剪力以向上為正，則環(huán)縫螺栓群總水平剪力FX與總豎向剪力FY可采用式(9)—式(10)進(jìn)行計(jì)算：

(9)

(10)

則螺栓群的總剪力F為：

(11)

環(huán)縫斷面每0.75°的最大靜摩擦力為12 kN。其合計(jì)最大靜摩擦力為5 760 kN。

建立環(huán)縫螺栓的三維模型，如圖4和圖5所示。

圖4 環(huán)縫螺栓計(jì)算模型

圖5 環(huán)縫螺栓應(yīng)力分布情況

通過(guò)三維模型計(jì)算，可得到單根螺栓的錯(cuò)臺(tái)-荷載曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 單根螺栓的錯(cuò)臺(tái)-荷載曲線(xiàn)

依據(jù)圖6曲線(xiàn)，取單根螺栓的抗剪強(qiáng)度為150 kN?？紤]到環(huán)面上共有16根螺栓，螺栓群總抗剪強(qiáng)度為2 400 kN。

5 隧道管片荷載效應(yīng)計(jì)算

5.1 受力情況分析

受力分析理論采用均質(zhì)圓環(huán)法。將由n塊隧道管片構(gòu)成的圓形隧道襯砌結(jié)構(gòu)看作剛度均勻的均質(zhì)圓環(huán)體，考慮隧道管片接頭的存在，在隧道管片抗彎剛度的基礎(chǔ)上乘以剛度折減系數(shù)η，以此作為整環(huán)的抗彎剛度。在荷載和地層抗力的共同作用下得到該圓環(huán)上的內(nèi)力分布?？紤]錯(cuò)縫拼裝效應(yīng)時(shí)，在共同變形下隧道管片上的彎矩相對(duì)于接頭來(lái)說(shuō)要有所提高，故將上述勻質(zhì)環(huán)的彎矩乘以一個(gè)彎矩提高系數(shù)(1+β)，作為隧道管片上各截面的彎矩，而接頭上的彎矩要乘以彎矩降低系數(shù)(1-β)，從而得到修正后的彎矩分布。隧道管片受力分析計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 原設(shè)計(jì)正常運(yùn)營(yíng)工況計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2010，分別將水、土壓力采用水土分算，其計(jì)算荷載如下：

1)地面超載Q按20 kPa計(jì)。

2)結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力G=8.75 kPa。

3)頂部豎向土壓應(yīng)力Ph=∑γihi=189.00 kPa(γi、hi分別為第i層土的重度、高度)。

5)頂部側(cè)向土壓應(yīng)力P1=PhK0= 113.40 kPa(K0為系數(shù))。其中參數(shù)均取襯砌圓環(huán)側(cè)向各土層的加權(quán)平均值。

6)底部側(cè)向土壓應(yīng)力P2=P1+2RHγK0= 142.90 kPa。其中參數(shù)均取襯砌圓環(huán)側(cè)向各土層的加權(quán)平均值。

7)地層反壓應(yīng)力Pr=195.70 kPa。

8)頂部水壓應(yīng)力P1=γwh1= 152.34 kPa(γw為水的重度，h1為頂部水頭高度)。

9)底部水壓應(yīng)力P2=γwh2= 210.84 kPa(h2為底部水頭高度)。

5.2 有限元計(jì)算

5.2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件對(duì)襯砌模型進(jìn)行有限元計(jì)算，其模型示意圖如圖8所示。該模型襯砌結(jié)構(gòu)參考實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸建立，環(huán)寬為1.200 m，隧道管片厚度為0.350 m，半徑為2.925 m；分塊和拼裝角度均與實(shí)際相同，即封頂塊K的角度為22.5°、鄰接塊B1、B2的角度均為67.5°、標(biāo)準(zhǔn)塊A1、A2、A3的角度均為67.5°。采用殼-彈簧模型[2]對(duì)隧道管片采用非線(xiàn)性殼單元模擬。考慮接縫位置處混凝土壓縮、徑向和縱向剪切作用，以及非線(xiàn)性螺栓作用，縱縫與環(huán)縫接頭采用彈簧模擬。

圖8 襯砌模型示意圖

5.2.2 模型參數(shù)

現(xiàn)狀工況下，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行位移-結(jié)構(gòu)法反算。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)收斂變形反算，得出襯砌結(jié)構(gòu)在現(xiàn)狀變形下的襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)內(nèi)隧道管片和接縫位置處彎矩和軸力值。根據(jù)環(huán)間實(shí)測(cè)錯(cuò)臺(tái)，以強(qiáng)迫位移法作用于模型環(huán)縫處，反算襯砌環(huán)縫處剪力。根據(jù)襯砌環(huán)內(nèi)和環(huán)間內(nèi)力進(jìn)行現(xiàn)狀工況下襯砌結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定。在建立多環(huán)模型的同時(shí)，對(duì)環(huán)縫和襯砌環(huán)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖9)。

圖9 多環(huán)分析模型圖

現(xiàn)狀工況下，在襯砌環(huán)安全性與環(huán)縫安全性的計(jì)算中材料強(qiáng)度選用標(biāo)準(zhǔn)值?；炷量箟簭?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fc為32.4 MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ft為2.64 MPa，彈性模量為3.45×104MPa。鋼筋抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=fy0=400 MPa，彈性模量為2.0×105MPa。

5.3 安全評(píng)估結(jié)果

以右線(xiàn)第294環(huán)為例，在現(xiàn)狀工況下，采用ANSYS軟件計(jì)算分別對(duì)襯砌環(huán)和環(huán)縫進(jìn)行計(jì)算和安全評(píng)估。裂縫驗(yàn)算采用準(zhǔn)永久組合計(jì)算。(ANSYS軟件計(jì)算中未計(jì)入分項(xiàng)系數(shù)及結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，軟件中按照每延米計(jì)算，校核中考慮1.2 m環(huán)寬)。

1)襯砌環(huán)。右線(xiàn)第294環(huán)在現(xiàn)狀工況下隧道管片控制截面的內(nèi)力及校核結(jié)果見(jiàn)圖10和表5。

表5 右線(xiàn)第294環(huán)隧道管片控制截面的內(nèi)力校核結(jié)果

注：內(nèi)力均為每環(huán)內(nèi)力；彎矩為正表示內(nèi)弧面受拉；軸力為正表示受壓。

2)縱縫。右線(xiàn)第294環(huán)在現(xiàn)狀工況下縱縫控制截面的內(nèi)力及校核結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 右線(xiàn)第294環(huán)縱縫控制截面的內(nèi)力校核結(jié)果

3)環(huán)縫。在現(xiàn)狀工況下，計(jì)算可得：第293環(huán)—第294環(huán)環(huán)縫R/S=0.898，評(píng)級(jí)為D級(jí)；第294環(huán)—第295環(huán)環(huán)縫R/S=0.892，評(píng)級(jí)為D級(jí)。

根據(jù)校核，在原設(shè)計(jì)正常運(yùn)營(yíng)工況下，第294環(huán)隧道管片承載力無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某地鐵盾構(gòu)隧道區(qū)間受損隧道管片安全評(píng)估工作為依托，介紹了盾構(gòu)隧道受損管片結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的方法和原則。

1)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，右線(xiàn)第294環(huán)安全評(píng)估結(jié)果為D級(jí)，第293環(huán)—第294環(huán)環(huán)縫、第294環(huán)—第295環(huán)環(huán)縫安全評(píng)估結(jié)果為D級(jí)，應(yīng)立即采取鋼環(huán)加固等補(bǔ)強(qiáng)措施。

2)采用承載力/荷載效應(yīng)的核驗(yàn)方式可準(zhǔn)確判斷受損隧道管片目前的受力狀態(tài)，可供類(lèi)似工程參考。