管片錯(cuò)臺(tái)模式下的隧道縱向變形安全評(píng)估研究

管片錯(cuò)臺(tái)模式下的隧道縱向變形安全評(píng)估研究

隨著國(guó)內(nèi)外地鐵結(jié)構(gòu)隧道的大規(guī)模建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，坍塌隧道的垂直變形問題逐漸突出，嚴(yán)重影響了隧道結(jié)構(gòu)的安全[1.3]。在上海軟土地區(qū),地鐵隧道的結(jié)構(gòu)形式多為通縫拼裝的有凹凸榫襯砌結(jié)構(gòu),隧道結(jié)構(gòu)縱向變形形式可分為隧道彎曲和管片錯(cuò)臺(tái)兩種模式。經(jīng)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明,地鐵縱向變形一般以錯(cuò)臺(tái)變形為主,以剛體轉(zhuǎn)動(dòng)變形為輔。隧道彎曲模式下,林永國(guó)在盾構(gòu)法隧道縱向等效連續(xù)模型的基礎(chǔ)上,充分考慮了隧道襯砌環(huán)縫的性質(zhì)、連接螺栓的彈塑性性能、螺栓預(yù)緊力等特點(diǎn),研究了上海地鐵隧道處于界限狀態(tài)時(shí)的受力變形值;魯志鵬通過引入環(huán)縫影響系數(shù)和螺栓影響系數(shù),對(duì)隧道縱向等效連續(xù)化模型的縱向剛度進(jìn)行修正,并分析了地鐵隧道的受力變形界限值。但對(duì)于管片錯(cuò)臺(tái)模式下隧道的界限值目前研究還較少,本文以上海地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道為研究背景,研究了管片沿凹凸榫產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)滑動(dòng)的相關(guān)理論,得出了管片錯(cuò)臺(tái)量、螺栓應(yīng)力,以及混凝土拉應(yīng)力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了一套隧道縱向變形的安全評(píng)估體系。1環(huán)間錯(cuò)臺(tái)變形發(fā)展規(guī)律盾構(gòu)隧道環(huán)縫接頭處凹凸榫的詳細(xì)構(gòu)造如圖1所示。在管片環(huán)面中部設(shè)了較大的凹凸榫槽,凸榫頂?shù)膹较蚝穸确謩e為BC=127mm、AD=157mm,與其相對(duì)應(yīng)的凹槽底分別為B’C’=135mm、A’D’=165mm。由于環(huán)面裝配部位的凹槽比凸榫稍大,存在約8mm的極限裝配余量。因此,可允許凸榫在凹槽內(nèi)沿著徑向作微量移動(dòng)或滑動(dòng),這種環(huán)面間的相對(duì)移動(dòng)表現(xiàn)在隧道壁上就是錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。隧道的縱向沉降可以視作為由一系列環(huán)與環(huán)之間的不同錯(cuò)臺(tái)變形量疊加而構(gòu)成的。該縱向變形曲線以最大沉降位置為中心,近似成高斯曲線,且在縱向變形曲線不同階段受力形式各異(圖2),可分為以下三個(gè)階段:Ⅰ階段,向下彎曲段(沉降加速段);Ⅱ階段,直線變形段(沉降均速段);Ⅲ階段,向上彎曲段(沉降減速段)。圖3為隧道縱向產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)變形時(shí),在凹凸榫接觸面上的發(fā)展過程。根據(jù)受力及變形發(fā)展情況的不同,主要可以分為以下四個(gè)階段。(1)完全正對(duì)中的情況(錯(cuò)臺(tái)量為δ=0mm,圖3a)。在此階段為一理想狀態(tài),各襯砌環(huán)面緊貼,凹榫和凸榫正對(duì)中,隧道產(chǎn)生均勻沉降,即使存在沿隧道縱向的非均勻外力,此外力也小于環(huán)縫間的摩擦力。(2)縱向產(chǎn)生小錯(cuò)臺(tái)量,凹凸榫尚未咬合(錯(cuò)臺(tái)量為0mm<δ≤4mm,圖3b)。隨著非均勻附加外力的增大,其值開始大于環(huán)面的靜摩擦力,環(huán)間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng),凹凸榫之間存在一定的空隙,環(huán)縫處的結(jié)構(gòu)內(nèi)力主要為環(huán)面動(dòng)摩擦力。隨著環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量的繼續(xù)增加,凹榫和凸榫之間的空隙閉合,凹榫和凸榫接觸面開始產(chǎn)生剪切壓力,但非均勻附加外力小于環(huán)面動(dòng)摩擦力與凹凸榫接觸面的剪切抗力之和。(3)凹凸榫開始咬合并產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)(錯(cuò)臺(tái)量為4mm<δ≤19mm,圖3c)。當(dāng)非均勻附加外力大于環(huán)面動(dòng)摩擦力與凹凸榫接觸面的剪切抗力之和、同時(shí)襯砌環(huán)間隙允許環(huán)片水平向移動(dòng)時(shí),凸榫沿接觸面開始滑動(dòng),連接螺栓水平拉伸,錯(cuò)臺(tái)量持續(xù)增加,環(huán)縫逐漸張開。當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量為6mm時(shí),手孔空隙閉合,管片與連接螺栓開始接觸;隨著錯(cuò)臺(tái)量的繼續(xù)增大,連接螺栓產(chǎn)生剪切變形,錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到19mm時(shí),凹凸榫將要分離。在環(huán)間錯(cuò)臺(tái)變化過程中,防水結(jié)構(gòu)可能發(fā)生失效,凹凸榫接觸面應(yīng)力集中也可能導(dǎo)致該處管片開裂。(4)凹凸榫脫離(錯(cuò)臺(tái)量δ>19mm,圖3d)。隨著非均勻附加外力的繼續(xù)增大,凹凸榫脫離,連接螺栓完全承擔(dān)附加外力,環(huán)縫張開量和連接螺栓水平拉伸變形維持不變,連接螺栓剪切變形和環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量隨之增加。密封墊防水已經(jīng)失效,凹凸榫碎裂,此時(shí)隧道已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。2垂直變形安全評(píng)價(jià)體系2.1螺栓受力分析由于管片錯(cuò)臺(tái)過程中受力較為復(fù)雜,本文對(duì)假定為受拉應(yīng)力作用的管片與螺栓進(jìn)行分析。管片受拉力條件下,螺栓變形量與管片環(huán)變形量的比較:式中δb、δc———螺栓和管片環(huán)的變形量;Eb、Ec———螺栓和管片環(huán)的彈性模量;Ab———縱向接頭連接螺栓橫截面面積總和;Ac———管片環(huán)的橫截面面積;lb、l———螺栓和管片環(huán)的長(zhǎng)度。根據(jù)上海地鐵一號(hào)線管片環(huán)的主要參數(shù)(表1)代入式(1)中,可計(jì)算得出在軸向受拉條件下,螺栓的變形量約為管片變形量的30倍。因此在計(jì)算管片受拉時(shí),可以忽略管片本身的拉伸變形。假設(shè)管片受到均布拉伸,螺栓拉力由混凝土均勻承擔(dān)(忽略螺栓孔附近的應(yīng)力集中情況),則可以求得螺栓屈服和破壞時(shí)混凝土管片的拉應(yīng)力分別為:1.2MPa和1.49MPa,尚未達(dá)到抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此,相比于混凝土管片整體性,接頭處的螺栓受拉是比較薄弱的環(huán)節(jié)。盾構(gòu)隧道的連接螺栓通常采用彈簧來模擬,力學(xué)性能可理想化為受壓為完全剛性,受拉為雙線性材料,當(dāng)螺栓受拉達(dá)到屈服強(qiáng)度后,彈性模量變?yōu)榍暗?%,如圖4所示。管片沿凹凸榫的剪切滑動(dòng)如圖5所示。根據(jù)管片螺栓的力學(xué)參數(shù)計(jì)算得出,當(dāng)螺栓屈服時(shí)的應(yīng)變?yōu)?.1×10-3,此時(shí)螺栓伸長(zhǎng)量為1.24mm。由于凹凸榫之間存在4mm的空隙,因此螺栓屈服時(shí)相鄰環(huán)片的錯(cuò)臺(tái)量為:根據(jù)螺栓的σ-ε關(guān)系及環(huán)縫接頭處的幾何構(gòu)造,可計(jì)算得到管片錯(cuò)臺(tái)量、螺栓應(yīng)力,以及混凝土拉應(yīng)力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表2)。由表2計(jì)算結(jié)果表明,錯(cuò)臺(tái)量為0~4mm時(shí)引起隧道縱向長(zhǎng)度的增加非常小,環(huán)間縫隙的寬度不變,密封墊一般不會(huì)發(fā)生滲漏水現(xiàn)象,縱向連接螺栓逐步發(fā)揮抗拉作用。當(dāng)環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到4.93mm時(shí),隧道的縱向連接螺栓開始屈服,此時(shí)混凝土管片所受的平均拉應(yīng)力較小,約為1.2MPa。隨著錯(cuò)臺(tái)量的不斷增加,當(dāng)環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到5.5mm時(shí),環(huán)縫間產(chǎn)生2mm張開值,隧道環(huán)縫中可能在設(shè)計(jì)水壓力作用下將有泥、水等滲入,環(huán)縫縫中的止水措施開始發(fā)揮作用。當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量為8.5mm時(shí),環(huán)縫產(chǎn)生了6mm張開值,達(dá)到接縫處密封墊層防水的控制標(biāo)準(zhǔn),螺栓應(yīng)力為664.5MPa。當(dāng)錯(cuò)臺(tái)量超過8.5mm時(shí),由于環(huán)縫張開量超過了彈性密封墊的補(bǔ)償能力,環(huán)間防水體系基本失效,環(huán)縫出現(xiàn)滲漏不可避免。從受力角度來講,盡管螺栓在環(huán)縫間的錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到4.93mm時(shí)已經(jīng)屈服,但此后應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢,即使達(dá)到最大錯(cuò)臺(tái)量19mm(凹凸榫將要分離)時(shí),螺栓應(yīng)力也只達(dá)到730MPa,尚未達(dá)到破壞應(yīng)力(800MPa)。因此,從防水的角度講,管片錯(cuò)臺(tái)量應(yīng)控制在8.5mm以內(nèi)。2.2縱向變形安全評(píng)估基于上節(jié)中對(duì)管片錯(cuò)臺(tái)的理論推導(dǎo)及計(jì)算,并結(jié)合有關(guān)彎曲模式下隧道縱向結(jié)構(gòu)變形特性的研究成果,本文提出了地鐵盾構(gòu)法隧道的縱向變形安全控制等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。根據(jù)表3,如果隧道相鄰管片錯(cuò)臺(tái)量、環(huán)縫張開值或縱向變形曲率半徑低于三級(jí)安全級(jí)別的要求時(shí),可認(rèn)為隧道處于正常工作狀態(tài),是安全的;達(dá)到三級(jí)的要求時(shí),隧道仍然可正常工作,但應(yīng)開始在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)關(guān)注相應(yīng)指標(biāo)的變化;如果安全級(jí)別達(dá)到二級(jí)時(shí),就應(yīng)增加相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)頻率,并應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀察,此時(shí)可作為隧道安全的預(yù)警狀態(tài);嚴(yán)格意義上,隧道結(jié)構(gòu)不允許出現(xiàn)超過安全級(jí)別為一級(jí)的指標(biāo)要求,因此該級(jí)別可作為隧道安全的報(bào)警狀態(tài),必須采取相應(yīng)措施緩解隧道的內(nèi)力和變形增長(zhǎng)。對(duì)于地鐵盾構(gòu)隧道,其縱向變形安全評(píng)估可按照以下流程進(jìn)行:(1)搜集隧道結(jié)構(gòu)信息,主要包括隧道管片、螺栓的幾何特性和材料屬性,以及隧道在管片處的詳細(xì)構(gòu)造等。(2)根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)在接頭處的幾何尺寸,按照本文所述方法計(jì)算得出以管片錯(cuò)臺(tái)模式發(fā)展的隧道縱向結(jié)構(gòu)變形的控制值。(3)對(duì)隧道縱向沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行合理的曲線擬合,并獲得隧道縱向變形曲線的曲率半徑的分布。(4)將隧道縱向沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合求得的曲率半徑和量測(cè)得到的錯(cuò)臺(tái)量,與根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算所得的控制標(biāo)準(zhǔn)(表5)進(jìn)行對(duì)比。(5)根據(jù)對(duì)比結(jié)果評(píng)判隧道的安全等級(jí)和狀態(tài),進(jìn)而采取相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施。3縱向變形安全評(píng)估體系本文通過對(duì)盾構(gòu)隧道縱向機(jī)理的研究,建立了隧道縱向結(jié)構(gòu)變形安全評(píng)估方法,確定了相應(yīng)的控制準(zhǔn)則和評(píng)估流程,形成了一套實(shí)用簡(jiǎn)便的盾構(gòu)隧