軟土地區盾構隧道變形及加固分析

羅躍春，童佳榮，王寧偉，孫海峰

（廣東省珠海工程勘察院 廣東省巖土基礎工程技術研究中心，廣東珠海519000）

1 引言

我國沿海地區分布有大量軟土，這些地區經濟較為發達，已建設或規劃了大量地鐵線路。由于軟土具有承載力低、流變性強等特點[1]，穿越軟土區的地鐵隧道由于其外部約束強度不夠，在土水壓作用下易產生接頭張開及橫向變形，進而威脅地鐵盾構隧道的安全[2]。劉梓圣[3]等就軟土中的盾構隧道采用纖維布加固進行模擬分析，發現當土體抗力系數較大時，隧道橫向變形與等效荷載基本呈線性關系。但隨著土體抗力系數較小時，上述關系呈非線性關系，隧道變形速率顯著增大。同時，指出采用芳綸纖維布對其進行加固具有較好效果。但需注意的是纖維布與盾構隧道采用環氧粘貼，隨時間推移其黏結性能將逐漸退化，從而影響加固效果。柳獻[4]等提出了利用鋼板環對盾構隧道進行加固，由于有鋼板環具有較好剛度，加固后盾構隧道的變形得到了明顯控制，其接頭張開也得到了抑制。鑒于以上，本文以上海某盾構隧道為工程背景，通過有限元分析，探索了隧道變形與上覆軟土深度的發展規律，并在此基礎上對軟土中盾構隧道鋼板環加固效果進行了初探，這的研究可為相關工程提供參考。

2 計算模型

本計算隧道環三維模型如圖1所示，模型中隧道環外徑、內徑和管片厚度均與上海某線路地鐵盾構隧道一致，分別為6.2 m、5.5 m和0.35 m。一般隧道埋藏于地下屬于線狀工程，而本次分析主要考察隧道的橫向變形，固選取一環作為計算單元，其沿盾構隧道長度方向為1.2 m。由圖1可以看到，該隧道環計算單元由6塊管片拼接而成，它們分別是封頂塊（K）、臨接塊（L1和L2）、標準塊（B1和B2）以及封底塊（D）。與實際工程一致，模型中相鄰管片采用2根直螺栓進行連接，該螺栓直徑為30 mm，長度為485 mm，強度等級為5.8級。觀察模型可以發現，隧道環結構及其所受荷載均為左右對稱，其變形也應是左右對稱的。因此，為了提升計算效率，本分析計算時僅對隧道環左側進行計算（見圖1b）。在實際工程中，為便于施工盾構管片上通常設有手孔、安裝孔、螺栓孔等，導致管片幾何形態較為復雜，這給計算模型的網格劃分帶來了困難，同時考慮到這些孔一般設有加強鋼筋，一般均不是薄弱部位，不易出現破壞，因此，本模型中不考慮以上孔位[5]。管片內部鋼筋根據上海某地鐵盾構管片設計圖紙布設，鋼筋與管片混凝土采用“embed”方式處理，即不考慮鋼筋與混凝土之間的相對滑移。相鄰管片的連接螺栓的兩端設有螺帽，也采用“embed”方式與管片混凝土進行連接。相鄰管片接頭設置“hard contact”連接，并設有0.3的摩擦系數，以模擬管片接頭受力行為。

圖1 某盾構隧道環計算模型

對于加固隧道環，加固部件參考上海某地鐵加固工程選取20 mm厚鋼板。加固部件與隧道環的連接通過Cohesive Behavior行為模擬。該Cohesive Behavior本構為線彈性，具體參數如表1所示。值得指出的是，本次加固模擬是一種預加固手段，即在隧道受荷前就進行了加固，這是為了更全面地考察在不同軟土荷載作用鋼板對隧道的加固效果。

表1 Co h esi v e B e h a v ior本構參數取值

在實際工程中，地鐵隧道環同時受到土壓力和靜水壓力的作用，對其精確反應較為困難，一般可采用荷載結構法進行簡化[6]。其方法為，首先計算隧道外部的荷載，并將其以面荷載形式直接施加于隧道環外壁上，同時土體抗力作用以地基彈簧來進行模擬（見圖1），該地基彈簧一端接地，一端與隧道環外壁連接，當隧道環發生橫向變形時，該地基彈簧將起到抑制其變形的作用。圖1中土的豎向和側向土壓力（P1和P2~P3）按水土合算計算、土層反力（P4）按隧道環豎向受力平衡計算，隧道環外土體則以全周布置的受壓地基彈簧進行模擬。

根據相關文獻，上海軟土地區其土的重度一般為17.2~20.1 kN/m3，本計算模型中土的重度選取為19 kN/m3，并假設隧道環整個埋置于軟土中。上海的盾構隧道埋深可逾20 m，在局部地區甚至超過30 m。此外，由于后期城市建設開展，一些區段區將出現地表堆土或上部新建建筑，導致隧道等效埋深可超過40 m。為便于統一分析比較，本分析中土體壓力按等效埋深進行計算。最大埋深按實際工程適當加大，本分析以0~60 m的等效埋深對應的土壓力進行加載，即隧道環上部的豎向土壓力P1為0~1 140 kPa。分析模型中靜止土壓力系數按0.5取用，土層抗力系數取為2 500 kPa/m。

3 材料參數

計算中管片混凝土本構按GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》（2015年版）[7]規定的彈塑性模型計算，其強度為按C55考慮。計算模型中管片內部鋼筋、連接螺栓、鋼板均按理想彈塑性考慮，其屈服強度分別取為410 MPa、515 MPa和305 MPa，所有鋼材屈服前的彈性模量均取為200 GPa。

4 結果分析

圖2為隧道環接頭張開量隨豎向荷載P1（P1大小反映的是上覆土深度）關系曲線圖，可以看到無論加固與否，隨隧道上部的荷載加大，其頂部和腰部的接頭張開量均隨荷載P1增大而增大。同時可以看到，其腰部處接頭張開速度比頂部接頭張開速度要快，因此，軟土中盾構隧道變形應重點關注腰部處變形。同時可以看到，采用鋼板對隧道環進行加固后，其接頭張開良得到了明顯控制，尤其當荷載小于600 kPa時，其發展趨勢遠低于未加固隧道環，表明當荷載不大時鋼板具有較好的加固效果。通過對比可以發現，在隧道上部荷載小于600 kPa以前，加固后的隧道接頭張開量約為未加固的40%。

圖2 接頭張開與豎向荷載關系曲線圖

圖3 為隧道環變形與豎向荷載關系曲線圖，其中隧道豎向變形和橫向變形分別是指隧道環頂底、左右相對位移，本分析中隨荷載增大，隧道頂底逐漸靠攏，而隧道左右側逐漸遠離，整個隧道呈“橫鴨蛋”變形。在相同荷載作用下隧道豎向變形略小于橫向變形。鋼板加固在荷載不大時對隧道變形控制較好，但后期隨著加固部件與隧道環連接破壞，其加固效果逐漸降低。通過對比可以發現，在隧道上部荷載小于600 kPa以前，加固后的隧道變形約為未加固的50%。

圖3 隧道變形與豎向荷載關系曲線圖

5 結論

1）軟土中的盾構隧道，其接頭張開量與上覆軟土厚度近似呈線性關系，上覆土越大（上部荷載越大）接頭張開越大，且隧道腰部處的接頭張開速度明顯快于頂部接頭。

2）軟土中的盾構隧道，在土壓力作用下其變形呈“橫鴨蛋”形，且豎向變形量略小于腰部變形。

3）加固后隧道環接頭張開量和橫向變形均得到明顯控制，在荷載較小時該現象尤為明顯，如當上部荷載≤600 kPa時，加固后隧道接頭張開量可降低約60%，隧道變形可降低約50%。但隨荷載增大，其加固效果逐漸降低。