軟土地區市域快速軌道交通大直徑盾構隧道的橫斷面變形特征及其控制限值

顧 鋒

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥高級工程師)

地鐵隧道橫斷面變形過大會引起隧道管片接縫張開、滲漏水、螺栓拉流和管片開裂等病害，極端情況下甚至會造成隧道結構整體垮塌。目前，對于隧道橫斷面變形發展規律和控制標準的認識相對滯后。文獻[1-2]提出隧道橫斷面變形安全控制指標及限值，但研究對象為車輛最高運行速度80 km/h的常規盾構隧道。文獻[3-4]利用足尺試驗研究隧道結構的承載性能和變形規律，但主要側重于設計和施工階段隧道結構的力學性能，尚缺少針對錯縫拼裝盾構隧道運營階段破壞機制和橫斷面變形規律的試驗硏究。

已運營的廣州地鐵18號線(以下簡為“18號線”)為全地下市域快速軌道交通線路(以下簡為“市域快線”)，列車設計速度為160 km/h，區間為8.5 m外徑的大直徑盾構施工錯縫拼裝隧道。本文以該線路南沙地區深厚軟土區段大直徑盾構隧道(以下簡為“盾構隧道”)為研究對象，模擬分析加、卸載條件下隧道結構的受力狀態和變形規律，并以管片接頭允許張開量和螺栓屈服強度為控制指標，確定隧道橫斷面變形的控制限值和分級標準。

1 工程概況

1.1 地質情況

18號線某區間隧道位于南沙地區深厚軟土區段，其主要穿越土層為淤泥層、淤泥質土層、粉質黏土層。該區間軟土地層厚度較大，最大軟土層厚度約為33 m，平均厚度大于10 m，主要土層參數見表1。

表1 廣州地鐵18號線某區間主要土層參數

1.2 管片設計

盾構隧道采用外徑為8.5 m、內徑為7.7 m、環寬為1.6 m的大管片。襯砌環由4塊標準塊(B1—B4)、2塊連接塊(L1、L2)、1塊封頂塊(F)組成。襯砌環型式為通用襯砌環，采用錯縫拼裝施工技術。襯砌環的接縫連接包括19個環縫連接螺栓(型號為M30)和14個縱縫連接螺栓(型號為M30)。混凝土管片強度等級≥C50，抗滲等級≥P12，鋼筋采用HPB300級、HRB400/HRB400E級鋼，環縱向螺栓強度等級不低于6.8級。

2 隧道橫斷面變形與結構形態關系

運營期盾構隧道橫斷面變形的發展，受到隧道自身結構特征、周圍土體特性及荷載條件變化等眾多因素的共同影響[5]。盾構隧道在運營期，常受到上部堆載和鄰近基坑工程的影響而發生“橫鴨蛋”形或“豎鴨蛋”形變形，會嚴重降低隧道結構的服役性能。本文采用Abaqus數值軟件，基于荷載-結構法計算，研究加載及卸載引起的隧道橫斷面變形與結構性態的發展規律。

2.1 數值計算模型

建立包含三環管片的錯縫拼裝盾構隧道結構三維數值模型，管片采用實體單元，接頭螺栓采用梁單元，鋼筋采用桁架單元，如圖1所示。通過設置管片-管片、管片-鋼筋、管片-接頭螺栓等接觸面，實現應力和位移的連續，其中法向接觸行為采用硬接觸，切向接觸采用庫倫摩擦接觸，摩擦系數取0.5。混凝土本構采用塑性損傷本構模型，螺栓和鋼筋采用三折線彈塑性本構模型，計算參數見表2和表3。

2.2 計算工況

數值分析時選取典型斷面作為研究對象，隧道頂部埋深約為12.5 m，隧道底部存在較厚的淤泥層，土重度取17 kN/m3，側土壓力系數取0.75。側向土體抗力假定為等腰三角形，與水平直徑上下呈45°，土體抗力系數取6 000 kPa/m[1]。數值模擬中采用控制荷載條件的方式使模型發生不同程度的橫向收斂變形直至結構破壞，以研究管片結構的承載性能及抗變形能力。由于隧道發生橫斷面變形的本質為隧道上覆豎向荷載和水平荷載的比值發生變化[1]，因此，本文通過固定水平荷載，增大或減小豎向荷載，使隧道發生橫斷面變形。

a) 三環管片模型

表2 混凝土塑性損傷本構模型參數

表3 鋼筋、螺栓材料本構參數

施加豎向及水平荷載至設計荷載水平，設計荷載分布如圖2所示。對于加載工況，加載至設計荷載水平后保持水平荷載不變，繼續以同一幅度施加豎向荷載至430 kPa；對于卸載工況，加載至設計荷載水平后保持水平荷載不變，將豎向荷載逐漸減小至0。數值模型荷載曲線如圖3所示。

圖2 18號線某區間盾構隧道設計荷載分布示意圖Fig.2 Design load distribution of shield tunnel in Line 18certain interval

a) 加載工況

b) 卸載工況圖3 18號線某區間盾構隧道數值模型荷載曲線

2.3 典型斷面模擬計算結果與分析

2.3.1 盾構隧道橫斷面變形與豎向荷載的關系

選取中間環進行分析，由于盾構隧道拱腰處直徑變化量較大，文中所提及的橫斷面變形均為盾構隧道拱腰處收斂變形。隧道橫斷面變形與豎向荷載的關系見圖4。由圖4可知，在加載至設計荷載水平前，盾構隧道橫斷面變形與外部荷載近似呈線性正相關。對于加載工況，當豎向荷載超出設計荷載后，隧道結構收斂變形發展進入非線性階段，這是由材料的非線性本構關系所致；當豎向荷載達到333.25 kPa時，豎向荷載-橫向收斂變形曲線平緩，盾構隧道結構出現屈服。對于卸載工況，在豎向荷載減小至161.25 kPa的過程中，豎向荷載與橫向收斂變形仍是線性變化關系；當豎向荷載小于161.25 kPa后，盾構隧道結構收斂變形發展進入非線性階段；當豎向荷載為119.41 kPa時，盾構隧道結構發生破壞。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖4 盾構隧道橫斷面變形與豎向荷載的關系

2.3.2 盾構隧道橫斷面變形與接縫最大張開量的關系

由于B2與B3標準塊之間的縱縫(即D縫)位于右側拱腰處，在加載及卸載兩種工況下，接縫張開量均較大，且加載時發生外部張開，卸載時發生內部張開。選取該接縫進行分析，由圖5可知，兩種工況下接縫張開量與橫斷面變形呈現出較好的線性相關性。文獻[6]指出，當縱縫張開量大于6 mm時，盾構隧道存在較大的滲漏風險。對于加載工況：D縫張開量達6 mm、12 mm、18 mm時，其橫向收斂變形分別為98 mm、166 mm、228 mm。對于卸載工況：D縫張開量達6 mm時，其橫向收斂變形為90 mm；結構破壞時，D縫張開量未達12 mm。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖5 盾構隧道橫斷面變形與接縫最大張開量的關系

2.3.3 盾構隧道橫斷面變形與縱縫螺栓應力的關系

盾構隧道橫斷面變形與縱縫螺栓應力的關系見圖6。由圖6可知，當管片結構逐漸加載至設計荷載水平時，位于左側拱腰的封頂塊F與連接塊L1間縱縫(G縫)的螺栓應力較大。對于加載工況，豎向荷載逐漸增加后出現結構內力的重分布，G縫螺栓應力相對減小，A縫、D縫螺栓應力急劇增大；首個縱縫螺栓(D縫)應力達到屈服強度480 MPa時，橫向收斂變形約為84 mm；當橫向收斂變形為151 mm時，超過半數縱縫(A、B、D、F縫)螺栓屈服。對于卸載工況，螺栓應力呈現出先減小后增大的趨勢；當橫向收斂變形為88 mm時，C、D、G縫螺栓同時進入屈服；當橫向收斂變形為141.8 mm時，D、G螺栓屈服，A、F螺栓接近屈服。此外，可知兩種工況下縱縫螺栓應力最大值均發生在盾構隧道拱腰位置。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖6 盾構隧道橫斷面變形與縱縫螺栓應力的關系

2.3.4 盾構隧道橫斷面變形與環縫螺栓應力的關系

選取中環與上環(Z軸前進方向)間10個環縫螺栓應力發展進行分析，見圖7。對于加載工況，橫斷面收斂變形為103 mm時，6號環縫螺栓應力達到屈服強度480 MPa；橫斷面收斂變形為310.2 mm時，結構發生破壞，3、5、7、8號螺栓接近屈服。對于卸載工況，橫斷面收斂變形為88 mm時，1、5號環縫螺栓應力達到屈服強度；橫斷面收斂變形為141.8 mm時，結構發生破壞，3號、4號、8號及10號環縫螺栓應力達到屈服強度，7號螺栓接近屈服。由此可知，環縫螺栓應力最大值多發生在右側拱腰處。

2.3.5 盾構隧道結構損傷開裂過程

加載及卸載工況下盾構隧道結構損傷云圖見圖8。由圖8可知，盾構隧道結構裂縫均主要分布在拱頂、拱底及拱腰附近，封頂塊所在區域受拉損傷發展不明顯。當加載/卸載量達到53.75 kPa時，管片開始出現裂縫，對應的橫斷面收斂變形分別為19.8 mm(加載)、15 mm(卸載)；當加載/卸載量達到64.50 kPa時，管片拱頂處受拉損傷區域沿縱向貫通，對應的橫斷面收斂變形分別為30.5 mm(加載)、27.1 mm(卸載)；隨著加載/卸載量進一步增大，混凝土損傷區域沿環向擴大、損傷程度加深，當兩種工況下結構發生極限破壞狀態時，加載量及卸載量分別為123.37 kPa、95.59 kPa，對應的橫斷面收斂變形分別為310.2 mm、141.8 mm。由此可見：2種工況下管片結構受拉損傷發展規律一致，但卸載工況下損傷開裂情況更嚴重，結構發生受拉破壞時對應的卸載量和橫向收斂變形更小。

a) 加載工況

b) 卸載工況圖7 盾構隧道橫斷面變形與環縫螺栓應力的關系

a) 加載53.75 kPa

c) 加載123.37 kPa

e) 卸載64.50 kPa

3 盾構隧道橫斷面變形安全等級

上述模擬計算研究表明，深厚軟土地區大直徑盾構隧道的橫斷面變形與接縫張開量、最大螺栓應力以及混凝土結構損傷之間具有較好的相關性。因此，盾構隧道橫斷面變形在一定程度上可以反映盾構隧道結構的性態發展。匯總加載及卸載工況下盾構隧道結構性能隨拱腰處收斂變形的發展狀態，如表4所示。可知，兩種工況下縱縫張開量與拱腰收斂變形的發展規律基本一致，且螺栓發生屈服時對應的盾構隧道收斂變形量值相近。為便于實際操作，本文確立了統一的大直徑盾構隧道橫斷面變形安全等級劃分方法，見表5。

表4 盾構隧道結構性能隨拱腰處收斂變形的發展

4 結語

1) 在加載至設計荷載水平之前，盾構隧道橫斷面變形與外部荷載近似呈線性正相關；對于加載工況，當豎向荷載超出設計荷載后，盾構隧道結構收斂變形發展進入非線性階段；對于卸載工況，當豎向荷載小于161.25 kPa后，盾構隧道結構收斂變形發展進入非線性階段。

表5 盾構隧道橫斷面變形安全等級評定

2) 盾構隧道橫斷面變形與接縫最大張開量、接頭螺栓應力、混凝土結構損傷存在一定的內在聯系：①最大接縫張開量位于右側拱腰處縱縫，且接縫張開量與盾構隧道橫斷面變形呈現出較好的線性關系；②縱縫和環縫螺栓應力最大值均位于盾構隧道拱腰處；③管片結構裂縫主要分布在拱頂、拱底以及拱腰附近，加載及卸載引起的結構受拉損傷發展規律一致，但卸載工況下損傷開裂情況更為嚴重。

3) 以盾構隧道拱腰處收斂變形為控制指標，建立了大直徑盾構隧道橫斷面變形安全等級，分為Ⅰ(正常)、Ⅱ(退化)、Ⅲ(劣化)、Ⅳ(惡化)、Ⅴ(危險)共5個等級，針對不同的安全等級應及時采取相應的保護措施。當盾構隧道拱腰直徑變化量超過80 mm時，應密切關注盾構隧道結構狀態變化，并加強對拱頂、拱腰接頭的監測。