盾構(gòu)隧道雙層襯砌橫向結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

姚 軍，張 志

（1.合肥學(xué)院 建筑工程系；2.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政工程系，安徽 合肥 230000）

盾構(gòu)隧道雙層襯砌橫向結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

姚 軍1，張 志2

（1.合肥學(xué)院 建筑工程系；2.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政工程系，安徽 合肥 230000）

本文首先探討了當今盾構(gòu)隧道工程中單層襯砌結(jié)構(gòu)所暴露出的缺陷并分析原因.其次總結(jié)現(xiàn)有工程中雙層襯砌結(jié)構(gòu)形式，并對雙層襯砌結(jié)構(gòu)的兩種形式，疊合式襯砌結(jié)構(gòu)、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析，推導(dǎo)出襯砌結(jié)構(gòu)層間壓縮剛度，以及雙層襯砌結(jié)構(gòu)層間剪應(yīng)力和相對滑動位移的關(guān)系式，掌握其力學(xué)性能.

盾構(gòu)隧道；雙層襯砌；壓縮剛度；相對滑移；力學(xué)分析

進入21世紀以來，在我國經(jīng)濟快速增長的情況下，城市化規(guī)模不斷加大，基礎(chǔ)設(shè)施蓬勃發(fā)展.在城市化過程中為解決城市擁堵問題，大力發(fā)展城市軌道交通工程.盾構(gòu)施工因為不受河流、季節(jié)等因素影響，以及其施工時對周圍建筑物影響較小，在城市隧道工程中被廣泛使用.襯砌結(jié)構(gòu)作為盾構(gòu)隧道工程的主體結(jié)構(gòu)，其襯砌形式、力學(xué)特性直接關(guān)系到隧道工程的穩(wěn)定性和安全性，影響重大.本文將從理論分析的角度出發(fā)，分析當今隧道工程中襯砌結(jié)構(gòu)使用的力學(xué)性能.

1 單層管片襯砌使用性能

目前單層管片襯砌結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外地鐵盾構(gòu)隧道和公路隧道的主要結(jié)構(gòu)形式，也稱為一次襯砌.它的主要形式是采用高強螺栓在管片接縫處連接而成，在使用年限內(nèi)承受地層土壓力、水壓力以及其他特殊荷載.除此之外，管片在施工過程中還要承擔(dān)千斤頂推力和注漿壓力等施工荷載.單層管片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工技術(shù)成熟，管片襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對整個隧道的安全性、正常運營有重要影響.

盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)在使用過程中也存在一些常見問題，隧道在運營過程中會發(fā)生襯砌錯臺、管片開裂，隧道局部滲水、地震災(zāi)害等問題.單層管片目前暴露出來的主要問題主要如下：

（1）管片錯臺 單層管片結(jié)構(gòu)在使用過程中由于結(jié)構(gòu)受力不均與，局部受力較大超過設(shè)計荷載，將造成管片之間相互滑動，致使內(nèi)弧面不平整.若管片錯臺嚴重，則造成管片拼裝接縫處防水失效.隧道滲水將對整個隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成很大影響，滲水量較大會造成隧道上方地表面建筑物不均勻沉降，隧道內(nèi)電器設(shè)備損壞等不良后果.

（2）管片開裂 因為管片都是由高強混凝土預(yù)制而成，混凝土本身是容易產(chǎn)生裂縫的.這些裂縫在管片施工和運營過程中，遭受較大外力作用導(dǎo)致裂縫進一步擴大.比如在一些隧道中，管片周圍土壓力和水壓力較大，在長期外力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)中裂縫被水力劈裂，裂縫寬度急劇增大，導(dǎo)致管片開裂.管片開裂對管片的耐久性造成極大影響.

（3）管片混凝土碳化、鋼筋銹蝕

前文中提到管片在使用中產(chǎn)生的錯臺、開裂，并且結(jié)合管片工作的復(fù)雜環(huán)境，腐蝕介質(zhì)導(dǎo)致混凝土碳化、鋼筋銹蝕，這將嚴重影響管片的力學(xué)性能.我國軌道交通設(shè)計規(guī)定：鐵道工程中主體結(jié)構(gòu)的使用年限為100年.由于管片混凝土碳化、鋼筋銹蝕的存在，混凝土本身的耐久性將大打折扣，減少結(jié)構(gòu)壽命.

（4）列車行駛過程中軌道結(jié)構(gòu)變形

列車在行駛過程中產(chǎn)生強大的沖擊荷載導(dǎo)致軌道變形，軌道變形后表面產(chǎn)生凹凸不平引起列車行駛中更大的顛簸，如此形成不良循環(huán)，進一步加劇軌道損傷程度.在如此往復(fù)的沖擊荷載下，隧道周邊圍巖提發(fā)生強度軟化，周圍巖土結(jié)構(gòu)承載力降低，會導(dǎo)包括致隧道縱向不均勻沉降一系列的破壞現(xiàn)象.

2 雙層管片襯砌使用性能

在較多盾構(gòu)隧道工程中，單層管片已經(jīng)難以滿足隧道工程的使用要求，所以目前很多隧道工程中使用雙層管片襯砌結(jié)構(gòu).雙層管片襯砌結(jié)構(gòu)是在單程管片結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上再施加一層混凝土來改善單層襯砌結(jié)構(gòu)的不足，也稱之為二次襯砌.二次襯砌一般不作為隧道結(jié)構(gòu)本身的承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算在設(shè)計中常常被忽略.目前國內(nèi)還沒有針對隧道二次襯砌的相應(yīng)設(shè)計規(guī)范.但隨著隧道工程的快速發(fā)展，尤其是許多大型水工隧道和交通隧道的修建，單層襯砌結(jié)構(gòu)的缺陷不斷暴露，雙層襯砌將會被更多的工程所采用的.本文將對于雙層襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性進行分析，以揭示雙層襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.

根據(jù)目前雙層襯砌結(jié)構(gòu)使用目的不同，雙層襯砌結(jié)構(gòu)主要可以分為三大類：

（1）不作為主體承重結(jié)構(gòu)：在此種結(jié)構(gòu)中隧道單層管片襯砌結(jié)構(gòu)作為主要荷載結(jié)構(gòu)，二次襯砌只起到防蝕、防滲、校正中心偏離、使隧道內(nèi)表面光潔等輔助維護作用.此種設(shè)計理念主要針對軟土地基中，單層管片施工完成后，所有荷載全部作用于單層管片上，當單層管片受力穩(wěn)定后再施加二次襯砌，其僅承受自身結(jié)構(gòu)自重.

（2）部分稱重結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)是單層管片結(jié)構(gòu)和二次襯砌共同承載，此種結(jié)構(gòu)主要適合以下結(jié)構(gòu)：①二次襯砌結(jié)構(gòu)尚未施工前，作用在管片結(jié)構(gòu)上的荷載尚未達到極限值，二次襯砌施工好以后二者聯(lián)合承載；②二次襯砌結(jié)構(gòu)施工后，由于隧道某些其他結(jié)構(gòu)施工引起荷載變化，此時二者聯(lián)合承載；③隧道縱向方向在長期運營中的不均勻沉降引起受力改變.隧道縱向結(jié)構(gòu)在長期使用過程中，由于地基情況不同以及管片平整度問題，會產(chǎn)生不均勻沉降，此時二次襯砌和管片需要共同承擔(dān)由于不均勻沉降產(chǎn)生的荷載.

(3)單獨作為承重結(jié)構(gòu)主體：此種設(shè)計理念主要來自于礦山法隧道思想.主要是利用管片承載前期施工荷載，二次襯砌結(jié)構(gòu)承載土壓力、水壓力等永久荷載.由于施工環(huán)境和施工方法的問題，此種結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)施工中尚未使用，其設(shè)計理念尚需進一步完善.

3 雙層襯砌結(jié)構(gòu)橫向力學(xué)性能分析

為了充分研究管片和二次襯砌結(jié)構(gòu)的相互作用機理以及管片和內(nèi)襯在分擔(dān)外部荷載和襯砌本身強度的實際情況.本文從盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系出發(fā)，建立管片和二次襯砌的力學(xué)模型，通過計算分析二者的承載機理，并提出二者結(jié)構(gòu)接觸面之間的相對滑移變形的理論解析法.力學(xué)分析主要針對疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)和復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu).

3.1 疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)是在單層管片施工結(jié)束以后，直接在管片內(nèi)層澆筑一定厚度的混凝土，中間沒有布置任何防水材料，其力學(xué)模型如圖1所示.圖1中D1、D2分別表示一次襯砌、二次襯砌的外徑，B為管片的幅寬.假定二者結(jié)構(gòu)層間壓縮剛度為管片、二次襯砌一半厚度內(nèi)混凝土的壓縮剛度.

圖1 疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)

經(jīng)推導(dǎo)管片和二次襯砌壓縮剛度如下所示：

式中：

KY1，KY2—分別表示管片與二次襯砌壓縮區(qū)單元的壓縮剛度，KN/m；

E1，E2—分別代表管片與二次襯砌混凝土的彈性模量，KN/m2；

t1，t2一分別代表管片與二次襯砌的厚度，m；

t'1，t'2—分別代表管片與二次襯砌壓縮區(qū)的混凝土厚度，m；

A—結(jié)構(gòu)壓縮區(qū)域內(nèi)的截面面積，m2.

將公式3-1，3-2進行組合得出雙層襯砌壓縮總剛度：

式中：KY一雙層襯砌壓縮總剛度，KN/m.

3.2 復(fù)合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

復(fù)合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)是指在管片和二次襯砌之間加入相關(guān)填充材料，以滿足隧道工程的相關(guān)要求，其力學(xué)模型如圖2所示.填充材料的壓縮剛度不受內(nèi)外結(jié)構(gòu)影響.但此時壓縮區(qū)域的壓縮剛度不僅和管片和二次襯砌材料相關(guān)，還和中間層的填充材料相關(guān)，壓縮剛度計算要比疊合式襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)雜.

圖2 復(fù)合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)

式中：

KY3—符合襯砌中間夾層材料壓縮剛度，KN/m；

E3—內(nèi)外襯砌的彈性模量，KN/m2；

t3—符合襯砌中間夾層材料的厚度，m.

聯(lián)合上式得出復(fù)合式雙層襯砌壓縮去總壓縮剛度為：

經(jīng)計算，中間填充材料壓縮剛度為：

從式樣3-5可以看出，當中間層填充材料剛度無限大或者無限小的情況下，復(fù)合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)和疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)壓縮剛度是一致的.

3.3 雙層襯砌結(jié)合面滑移及變形的理論解析

雙層襯砌結(jié)構(gòu)能夠正常工作是建立在管片和二次襯砌在接觸面上存在相互接觸剪切應(yīng)力，但二者接觸面正常工作中在縱向方向上不可避免會產(chǎn)生相對滑移，相對滑移量的大小對隧道襯砌結(jié)構(gòu)有著至關(guān)重要的影響.只有掌握二者相對滑移相對關(guān)系，才能充分了解雙層襯砌結(jié)構(gòu)正常工作情況.

雙層襯砌結(jié)構(gòu)接觸面之間的剪切力大小受到接觸面的接觸方式以及管片和二次襯砌的層間正應(yīng)力的影響.除此之外，雙層襯砌結(jié)構(gòu)還需要考慮結(jié)合面的剪切滑移.層間剪切應(yīng)力的存在使得雙層結(jié)構(gòu)變形增大，壓縮剛度降低，整體結(jié)構(gòu)所承受彎矩減小，但如果管片襯砌和二次襯砌相對滑移過大，將會導(dǎo)致兩種結(jié)構(gòu)相互分離，承載結(jié)構(gòu)破壞，雙層襯砌結(jié)構(gòu)喪失意義.所以研究雙層襯砌間二種結(jié)構(gòu)的相對滑移關(guān)系具有重要意義.為了方便計算我們把襯砌結(jié)構(gòu)中的管片和襯砌作為彈性體，并做如下假定：

1 管片和二次襯砌均為各向同性；

2 襯砌結(jié)構(gòu)受力前后，管片和二次襯砌變形符合截面假定；

3 管片螺栓孔處與板連接連續(xù)，即水平剪力和層間滑移量成正比.

通過以上假定，經(jīng)過計算得出襯砌結(jié)構(gòu)縱向單位長度水平剪應(yīng)力為：

式中：

U1，U2—分別表示管片與二次襯砌在水平方向的撓度，m；

y1，y2—分別表示管片與二次襯砌在縱向的撓度,m；

KU—表示雙層襯砌結(jié)合面等效彈性夾層的水平滑移剛度,m;

Hd1，Hd2—分別表示雙層襯砌的中性軸到管片頂部與二襯底部的距離m.

建立雙層襯砌結(jié)構(gòu)在均布荷載作用下的力學(xué)模型如圖3所示.此組合結(jié)構(gòu)可作為梁結(jié)構(gòu)來考慮其受力特性.在梁中取一段，來分析其應(yīng)力和應(yīng)變的相互關(guān)系.圖3中字符表示意義如下：

q—表示作用在雙層襯砌結(jié)構(gòu)上單位長度均布荷載；

x、y—表示力學(xué)模型中坐標情況.

圖3 雙層荷載作用下雙層襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

通過微分方程分別建立管片襯砌和二次襯砌的受力方程、平衡方程，應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，得出二者相互關(guān)系計算式：

式中：E1、I1—分別表示管片襯砌彈性模型和截面慣性矩；

E2、I1—分別表示二次襯砌彈性模型和截面慣性矩；

y—表示雙層襯砌結(jié)構(gòu)撓度；

S—表示接觸面上管片襯砌和二次襯砌的相對滑移量.

再根據(jù)邊界條件：1、假定雙層襯砌結(jié)構(gòu)在均布荷載作用下，縱向無線長度兩邊撓度為零.2、假定雙層襯砌中點處滑移值為零.3、雙層襯砌跨中轉(zhuǎn)角為零.最終計算出雙層襯砌結(jié)構(gòu)接觸面滑移量理論計算公式：

通過此公式我們可以直觀的計算雙層襯砌結(jié)構(gòu)之間的相對滑移量，并把公式引入到盾構(gòu)隧道設(shè)計中，以此確定管片襯砌和二次襯砌相應(yīng)的設(shè)計參數(shù).以及通過測定盾構(gòu)隧道雙層襯砌接觸面的滑移值與設(shè)計值進行比較，已確定盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性能，并為后期繼續(xù)改善提供準確參數(shù).由此可見，雙層襯砌結(jié)構(gòu)接觸面相對剪切力和滑移量是整個結(jié)構(gòu)尤為重要的兩個參數(shù)，為隧道的設(shè)計以及后期檢測維護提供了重要的理論參數(shù).

4 結(jié)論

在隧道工程中，常采用原位實驗法、實驗室實驗法、理論分析法、有限元分析法等去分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性.但原位實驗法、實驗室實驗法相對實施難度大、成本高、時間長，所以理論分析法是一種較為便捷的方法.本文章重點介紹了單層襯砌結(jié)構(gòu)的主要缺陷，雙層襯砌結(jié)構(gòu)的主要形式.并采用力學(xué)分析法，分別建立力學(xué)模型并推倒了疊合式襯砌結(jié)構(gòu)、復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的壓縮剛度計算公式.為了充分了解雙層襯砌結(jié)構(gòu)聯(lián)合工程性能，還分析了在外荷載作用下雙層襯砌結(jié)構(gòu)的層間剪切應(yīng)力并采用微分方程法推到相對滑移量的計算公式，以便在盾構(gòu)隧道工程設(shè)計和施工中作為參考，更好服務(wù)于工程實踐.

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TU311；O342

A

1673-260X（2017）08-0132-03

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安徽省住建廳軟科學(xué)項目，2014年度，課題：基于安徽市場的綠色建筑施工評價體系研究（2014YF-03）