張志 彭沉彬 龐康

1.北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司 100166

2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展，隧道的修建也越來(lái)越多，對(duì)隧道安全的重視程度也在逐漸提高。雙線(xiàn)隧道間的聯(lián)絡(luò)通道是具有極其重要的消防救援和逃生疏散的工程，在我國(guó)的隧道規(guī)范中也對(duì)其布置需求做出了規(guī)定［1］。目前雙線(xiàn)隧道間橫通道的修建常用手段為：先對(duì)地層進(jìn)行加固，使其具有自立性和阻水性，而后采用人工開(kāi)挖的方式構(gòu)筑隧道。而凍結(jié)法加固地層由于其適用性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，在盾構(gòu)隧道間聯(lián)絡(luò)通道的修建中應(yīng)用最為廣泛［2-4］。

本文依托北京某環(huán)路改造工程盾構(gòu)隧道，采用ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，探究超大直徑盾構(gòu)隧道凍結(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道主體結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征。

1 工程概況

本文所依托工程為北京某環(huán)路改造工程盾構(gòu)隧道外徑達(dá)15.4m，設(shè)有6 條人行橫通道，計(jì)劃采用凍結(jié)加固＋人工礦山法開(kāi)挖的方式修建。

以7＃聯(lián)絡(luò)通道為研究對(duì)象，主體隧道埋深29.7m，聯(lián)絡(luò)通道處土體主要為⑤細(xì)砂層，聯(lián)絡(luò)通道處主體結(jié)構(gòu)開(kāi)口形狀為矩形，尺寸為2m（寬）×2.5m（高）凍結(jié)壁厚取3m，凍結(jié)加固范圍取8m ×8.5m。加固后土體材料參數(shù)參考《城市軌道交通工程凍結(jié)法施工技術(shù)規(guī)范》（DB11／T 1972—2022）中的凍土參數(shù)，彈性模量取350MPa，泊松比0.42。

2 數(shù)值建模方案

2.1 盾構(gòu)隧道模型

本文主要探究聯(lián)絡(luò)通道的施工對(duì)主體盾構(gòu)隧道的影響，因此需要重視對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的還原。盾構(gòu)隧道屬于拼裝式結(jié)構(gòu)，管片之間通過(guò)螺栓連接，因此在模擬中需要對(duì)其拼裝特征進(jìn)行充分的模擬。

在本文中盾構(gòu)隧道數(shù)值模型尺寸為按照實(shí)際選取，即外徑15.4m，厚度0.65m，環(huán)寬2.0m，每環(huán)10 片。在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口部位的盾構(gòu)管片為鋼板-混凝土復(fù)合管片，其余盾構(gòu)隧道管片為C60鋼筋混凝土管片，管片單位為實(shí)體單元，各材料參數(shù)如表1 所示。

表1 管片參數(shù)Tab.1 Segment parameters

盾構(gòu)隧道管片之間的接觸為硬接觸，摩擦系數(shù)取為0.4，螺栓采用彈簧Spring 單元模擬，拉伸剛度k1＝2.84×108N／m。環(huán)間接頭的抗剪主要由分布式凹凸榫承擔(dān)，環(huán)間接頭的等效彈簧剛度為3.0 ×109N／m。接頭按照實(shí)際位置布置，環(huán)內(nèi)彈簧每環(huán)沿縱向布置3個(gè)，環(huán)間彈簧沿環(huán)向布置28個(gè)。

2.2 地層參數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程，隧道埋深29.7m，土體范圍取為100m×30m×63.7m（寬×縱×高）。地層參數(shù)選用ABAQUS內(nèi)設(shè)的擴(kuò)展DP模型，土體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 土體參數(shù)Tab.2 Soil parameters

2.3 施工工況模擬

實(shí)際工程中凍結(jié)法＋礦山法聯(lián)絡(luò)通道施工步驟為：①修建兩條主線(xiàn)盾構(gòu)隧道，待主線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)通過(guò)一定距離，主體盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，準(zhǔn)備施工聯(lián)絡(luò)通道；②鉆設(shè)凍結(jié)孔，安裝凍結(jié)設(shè)備；③安裝臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，凍結(jié)加固地層；④確定凍結(jié)體達(dá)到要求后，切割主體結(jié)構(gòu)管片開(kāi)洞，開(kāi)挖地層構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道。

本研究力求對(duì)真實(shí)施工過(guò)程的模擬，也采取了一定的簡(jiǎn)化，模型的分析步驟如下：①地層初始地應(yīng)力平衡；②修建兩條主體隧道；③改變加固區(qū)域地層參數(shù)并在主體結(jié)構(gòu)上施加凍脹荷載；④破除聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口處主體結(jié)構(gòu)管片。

凍結(jié)體作用在主體結(jié)構(gòu)上的凍脹力荷載取值和作用效果均不明確，本文參考已有工程監(jiān)測(cè)到的凍脹力荷載［5］，對(duì)比凍脹力分別為0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa 四種工況下，主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形特征。數(shù)值模型如圖1 所示。

圖1 三維數(shù)值模型Fig.1 Three-dimensional numerical model

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)變形分析

1.豎向位移

不同工況下主體結(jié)構(gòu)在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口前后的豎向變形的云圖比較相似，沿隧道縱向上的變形比較均勻，限于篇幅只列出凍脹力0.3MPa 情況下，加固完成破洞前及破洞后兩個(gè)時(shí)刻的豎向變形云圖，如圖2 所示。提取并繪制各個(gè)工況下主體結(jié)構(gòu)沿隧道縱向的豎向位移情況如圖3 所示。

圖2 0.3MPa 凍脹力下主隧道豎向位移云圖（單位： Pa）Fig.2 Vertical displacement contours of main tunnel under 0.3MPa frost heaving force（unit：Pa）

圖3 盾構(gòu)隧道豎向變形沿縱向變化情況Fig.3 Variation of vertical displacement of the shield tunnel along longitudinal direction

由圖3a可知，在地層加固之前結(jié)構(gòu)的豎向位移沿隧道縱向上較為均勻。在對(duì)聯(lián)絡(luò)通道附近地層進(jìn)行加固后，盾構(gòu)隧道在加固范圍內(nèi)的豎向位移明顯降低，隧道豎向位移值隨縱向距離的變化曲線(xiàn)呈“V”形。聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口后結(jié)構(gòu)的豎向位移有少量增大，如0.3MPa 情況下開(kāi)口后結(jié)構(gòu)的豎向位移相比于開(kāi)口前增大了0.24mm（0.87%）。對(duì)比4 種不同凍脹力荷載對(duì)結(jié)構(gòu)豎向位移的影響情況可知，凍脹力越大結(jié)構(gòu)的豎向位移值越小。凍脹力為0.3MPa 情況下，聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口后主體結(jié)構(gòu)豎向變形相比于無(wú)凍脹力情況，減小了1.00mm（3.4%）。

2.橫向位移

不同凍脹力條件下，主體結(jié)構(gòu)在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口前及開(kāi)口后水平位移云圖如圖4 所示。由圖可知，在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口側(cè)，主體結(jié)構(gòu)的水平位移存在較為明顯的不均勻分布。統(tǒng)計(jì)主體結(jié)構(gòu)的橫向變形，繪制隨隧道縱向變化的曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖4 不同凍脹力條件下主隧道橫向位移云圖（單位： m）Fig.4 Horizontal displacement contours of main tunnel under different frost heaving forces（unit：m）

圖5 盾構(gòu)隧道橫向變形沿縱向變化情況Fig.5 Variation of horizontal displacement of the shield tunnel along longitudinal direction

聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口將引起結(jié)構(gòu)的橫向變形增大，0.3MPa凍脹力條件下，開(kāi)口后的橫向變形相比于開(kāi)口前增大了1.51mm（7.8%）。隨凍脹力的增大，主體結(jié)構(gòu)的橫向變形量減小，相對(duì)而言不均勻變形也越明顯。凍脹力為0.3MPa 情況下，聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口后主體結(jié)構(gòu)橫向變形相比于無(wú)凍脹力情況，減小了1.27mm（6.1%）。可知凍脹力對(duì)結(jié)構(gòu)橫向變形的影響大于對(duì)結(jié)構(gòu)縱向收斂的影響，這是由于凍脹力是直接作用在結(jié)構(gòu)側(cè)面，合力為水平方向。

3.2 最大主應(yīng)力分析

聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口部位的管片為四塊鋼板復(fù)合管片，其在不同凍脹力條件下，破洞前和破洞后的應(yīng)力云圖如圖6 所示。由圖6a 可知，在地層加固之前，由于開(kāi)口外部為鋼板復(fù)合材料，剛度更大，存在一定的壓應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力達(dá)22.05MPa。

圖6 不同凍脹力作用下結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖（單位： Pa）Fig.6 Maximum principal stress contours of main tunnel under different frost heaving forces（unit：Pa）

對(duì)于未開(kāi)口工況，如圖6b ～圖6e 所示，不同凍脹力條件下，襯砌結(jié)構(gòu)都是內(nèi)弧面受壓，外弧面受拉，并且隨著凍脹力的增大，結(jié)構(gòu)的拉壓應(yīng)力均增大。凍脹力為0.3MPa 條件下結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力相比于無(wú)凍脹力條件下的拉應(yīng)力增大了1.04MPa，壓應(yīng)力增大了0.35MPa，但也均在鋼板復(fù)合管片的承載極限范圍內(nèi)。并且由于凍脹力引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化遠(yuǎn)小于由于地層加固帶來(lái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化。

對(duì)破洞工況，如圖6f ～圖6i所示，由于開(kāi)口引起了結(jié)構(gòu)型式的變化，開(kāi)口部位的上下邊框產(chǎn)生了拉應(yīng)力，左右腰部出現(xiàn)了壓應(yīng)力的集中。并且隨著凍脹力的增大，開(kāi)口部位腰部的壓應(yīng)力逐漸增大。凍脹力為0.3MPa 條件下結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力相比于無(wú)凍脹力條件下的壓應(yīng)力增大了2.25MPa（11.3%），但相比于0.3MPa 未開(kāi)口情況增大了34.5%。說(shuō)明由于開(kāi)口導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)型式的變化對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響相比于凍脹力的影響更大。

4 結(jié)論

本文建立了三維數(shù)值模型，探究了超大直徑盾構(gòu)隧道采用凍結(jié)-礦山法修建聯(lián)絡(luò)通道，不同凍脹力荷載條件下，主體結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力情況，主要結(jié)論如下：

1.隨著凍脹力的增大，主體結(jié)構(gòu)的豎向變形和橫向變形均減小，即凍脹荷載降低了盾構(gòu)管片“臥式”襯砌變形的趨勢(shì)。并且由于凍脹力作用直接作用在襯砌的側(cè)面，且合力為水平力，所以對(duì)橫向變形的影響更大。

2.由于開(kāi)口部位管片為鋼板復(fù)合管片，剛度較大，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中主要發(fā)生在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)口部位。襯砌開(kāi)口后，由于結(jié)構(gòu)型式的改變，其應(yīng)力分布情況也發(fā)生顯著改變，開(kāi)口部位頂部和底部受拉，兩側(cè)腰部受壓，開(kāi)口前后的襯砌最大壓應(yīng)力增大30%以上。

3.凍脹力越大襯砌的應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，

凍脹力為0.3MPa條件下結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力相比于無(wú)凍脹力條件下的壓應(yīng)力增大了2.25MPa（11.3%），說(shuō)明凍脹力將加劇結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)的受力安全會(huì)帶來(lái)一定的不利影響，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)凍脹力保持監(jiān)測(cè)，并布置合適的泄壓管，避免由于凍脹力過(guò)大影響結(jié)構(gòu)的安全。