盾構隧道受損管片結構安全評估方法研究

范志高

(中鐵十六局集團有限公司，100020，北京∥正高級工程師)

盾構法地鐵隧道是由環形管片拼接而成，該管片起到承壓、防水的重要作用，是隧道安全的屏障。在盾構隧道施工或運營過程中，常常會因為施工不當、外部擾動、地質條件變化等原因，導致隧道管片發生變形、破損、滲漏水等病害，嚴重危害隧道安全。

隧道管片受損后，需對受損管片結構安全進行評估，為后續加固工作提供依據。但目前國內的評估方法僅僅是對隧道管片的收斂變形、滲漏水、裂縫、破損等進行檢測[1]，而未對隧道管片的承載力是否滿足要求進行計算分析。

1 工程概況

1.1 工程及地質概況

某地鐵盾構隧道區間工程采用土壓平衡盾構施工方法，其隧道埋深為13～19 m。根據勘探結果，本區間70 m深度范圍內的地基土除填土外，均為第四系上更新統至下更新統的沖湖積相、海陸交互相沉積物，巖性主要為黏土、粉質黏土、粉土和粉砂。地面標高為2.90～4.14 m，勘察期間水面標高為1.63 m。

1.2 襯砌結構設計

該區間盾構隧道管片襯砌內直徑為5 500 mm，外直徑為6 200 mm，厚度為350 mm，環寬為1 200 mm。襯砌環由6塊組成，隧道管片設計每環采用“3+2+1”形式，即3塊標準塊(A1、A2、A3)、2塊鄰接塊(B1、B2)和1塊封頂塊K，均采用鋼筋混凝土制作，混凝土強度為C50，抗滲等級為P12級。隧道管片結構斷面設計圖(見圖1)。

圖1 隧道管片結構斷面設計圖

隧道管片環采用錯縫拼裝的形式，通過彎曲螺栓連接。每條環縫共有16根M30縱向螺栓，沿襯砌環環向均勻布置；每環有6條縱縫，共有12根M30環向螺栓，螺栓分布見圖2。

圖2 盾構隧道襯砌管片連接螺栓展開圖

2 受損隧道管片檢測

隧道右線第294環—第295環附近曾發生漏水、漏砂險情。發現險情后，施工單位人員立即采取水泥袋堆積反壓措施，同時在涌水點位開孔進行長管注漿，最后采用注聚氨酯進行封堵。由于水土流失會導致隧道管片嚴重變形、碎裂，發現管片發生變形、碎裂后，相關人員立即采取架設支架、澆筑混凝土墻等措施以抵抗變形，避免造成嚴重的次生災害。

隨后對隧道管片進行檢測，發現右線第293環—第297環均發生了嚴重的橢圓度變形(見圖3)，隧道管片最大錯臺量為102 mm，并在第294環、第295環分別發現了8條、10條裂縫。

圖3 右線第293環—第297環附近橢圓度變形

3 隧道管片結構安全評估方法及原則

隧道管片結構分為襯砌環和環縫2個部分，安全評估工作應按襯砌環和環縫分別進行。

3.1 襯砌環評估

對襯砌環進行安全評估時，應計算隧道管片截面承載力Rs、隧道管片截面荷載效應Ss、縱縫截面承載力Rj、縱縫截面荷載效應Sj。計算時應符合以下基本要求：

1)對作用力及其組合應考慮結構目標使用期，應符合GB 50068—2018《建筑結構可靠度設計統一標準》有關規定。

2)隧道管片與縱縫的承載力和荷載效應計算應分開進行，并對隧道管片與縱縫的安全分別進行評估。

3)每襯砌環內應至少對頂部、底部、兩腰及所有錯縫截面進行隧道管片承載力和荷載效應計算。

4)每襯砌環內應對所有縱縫進行縱縫承載力和荷載效應計算。

隧道管片截面的鑒定評級應按表1進行。

表1 隧道管片截面鑒定評級標準

縱縫截面的鑒定評級應按表2進行。

表2 縱縫截面鑒定評級標準

襯砌環的鑒定評級應綜合考慮隧道管片和縱縫的鑒定評級結果，按表3進行。

表3 襯砌環鑒定評級標準

3.2 環縫評估

環縫鑒定評級時，首先應計算環縫螺栓群總剪力、環縫面最大摩擦力和螺栓群總抗剪強度，隨后再根據表4進行環縫的鑒定評級。

表4 環縫鑒定評級標準

4 隧道管片承載力計算

4.1 隧道管片截面承載力

隧道管片截面承載力Rs的計算應按照現行國家標準GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中矩形偏心受壓構件的承載能力極限狀態有關規定進行。

對于大偏心受壓的隧道管片矩形截面，Rs(即Ncu)的計算如式(1)—式(2)所示。

Ncu=α1fcbxh+fy0As0-fyAs

(1)

fy0As0(h0-as0)

(2)

式中：

Ncu——截面極限軸力；

α1——系數，當混凝土強度等級不超過C50時，α1取1；當混凝土強度等級為C80時，α1取0.94，其間按線性內插法確定；

xh——混凝土受壓區高度；

b——矩形截面寬度；

h——矩形截面高度；

h0——截面有效高度；

as——受拉鋼筋中心至截面受拉邊緣的距離；

as0——受壓鋼筋中心至截面受壓邊緣的距離；

ηs——考慮P-Δ效應的彎矩增大系數；

ei——初始偏心距；

fy、fy0——分別為鋼筋的抗拉、抗壓強度設計值；

As、As0——分別為受拉鋼筋和受壓鋼筋的截面面積；

fc——混凝土抗壓強度設計值。

對于小偏心受壓的隧道管片截面，Rs(即Ncu)的計算如式(3)—式(5)所示。

Ncu=α1fcbxh+fy0As0-σsAs

(3)

(4)

(5)

式中：

ξ——相對受壓區高度；

ξb——界限相對受壓區高度；

σs——小偏心受壓時受拉鋼筋應力。

4.2 縱縫截面承載力

縱縫截面承載力Rj采用式(6)—式(8)進行計算。

(6)

(7)

lirεir=θ(d-Zc)

(8)

式中：

Mcu——截面極限彎矩；

x——以形心為原點，以隧道管片厚度方向為橫軸X的坐標；

b(x)——坐標為x處的截面寬度；

ε(x)——坐標為x處的混凝土應變；

σ(x)——坐標為x處的混凝土應力；

A——連接件的面積；

d——連接件中心距外(內)弧面的長度；

θ——截面轉角，按θ=lcεcu/Zc計算；

lc——混凝土壓縮影響深度；

εcu——混凝土極限應變；

lir——螺栓長度；

εir——螺栓應變；

Zc——受壓區混凝土沿截面高度方向上的長度。

4.3 環縫承載力

通過有限元軟件計算，可求出對應于圓心角φi位置的螺栓切向剪力Fτi和法向剪力Fni。假設水平剪力以向右為正，豎向剪力以向上為正，則環縫螺栓群總水平剪力FX與總豎向剪力FY可采用式(9)—式(10)進行計算：

(9)

(10)

則螺栓群的總剪力F為：

(11)

環縫斷面每0.75°的最大靜摩擦力為12 kN。其合計最大靜摩擦力為5 760 kN。

建立環縫螺栓的三維模型，如圖4和圖5所示。

圖4 環縫螺栓計算模型

圖5 環縫螺栓應力分布情況

通過三維模型計算，可得到單根螺栓的錯臺-荷載曲線如圖6所示。

圖6 單根螺栓的錯臺-荷載曲線

依據圖6曲線，取單根螺栓的抗剪強度為150 kN。考慮到環面上共有16根螺栓，螺栓群總抗剪強度為2 400 kN。

5 隧道管片荷載效應計算

5.1 受力情況分析

受力分析理論采用均質圓環法。將由n塊隧道管片構成的圓形隧道襯砌結構看作剛度均勻的均質圓環體，考慮隧道管片接頭的存在，在隧道管片抗彎剛度的基礎上乘以剛度折減系數η，以此作為整環的抗彎剛度。在荷載和地層抗力的共同作用下得到該圓環上的內力分布。考慮錯縫拼裝效應時，在共同變形下隧道管片上的彎矩相對于接頭來說要有所提高，故將上述勻質環的彎矩乘以一個彎矩提高系數(1+β)，作為隧道管片上各截面的彎矩，而接頭上的彎矩要乘以彎矩降低系數(1-β)，從而得到修正后的彎矩分布。隧道管片受力分析計算簡圖如圖7所示。

圖7 原設計正常運營工況計算簡圖

根據國家標準GB 50010—2010，分別將水、土壓力采用水土分算，其計算荷載如下：

1)地面超載Q按20 kPa計。

2)結構自重應力G=8.75 kPa。

3)頂部豎向土壓應力Ph=∑γihi=189.00 kPa(γi、hi分別為第i層土的重度、高度)。

5)頂部側向土壓應力P1=PhK0= 113.40 kPa(K0為系數)。其中參數均取襯砌圓環側向各土層的加權平均值。

6)底部側向土壓應力P2=P1+2RHγK0= 142.90 kPa。其中參數均取襯砌圓環側向各土層的加權平均值。

7)地層反壓應力Pr=195.70 kPa。

8)頂部水壓應力P1=γwh1= 152.34 kPa(γw為水的重度，h1為頂部水頭高度)。

9)底部水壓應力P2=γwh2= 210.84 kPa(h2為底部水頭高度)。

5.2 有限元計算

5.2.1 有限元模型

采用ANSYS軟件對襯砌模型進行有限元計算，其模型示意圖如圖8所示。該模型襯砌結構參考實際設計尺寸建立，環寬為1.200 m，隧道管片厚度為0.350 m，半徑為2.925 m；分塊和拼裝角度均與實際相同，即封頂塊K的角度為22.5°、鄰接塊B1、B2的角度均為67.5°、標準塊A1、A2、A3的角度均為67.5°。采用殼-彈簧模型[2]對隧道管片采用非線性殼單元模擬。考慮接縫位置處混凝土壓縮、徑向和縱向剪切作用，以及非線性螺栓作用，縱縫與環縫接頭采用彈簧模擬。

圖8 襯砌模型示意圖

5.2.2 模型參數

現狀工況下，根據實測數據對襯砌結構內力進行位移-結構法反算。根據現場實測收斂變形反算，得出襯砌結構在現狀變形下的襯砌結構環內隧道管片和接縫位置處彎矩和軸力值。根據環間實測錯臺，以強迫位移法作用于模型環縫處，反算襯砌環縫處剪力。根據襯砌環內和環間內力進行現狀工況下襯砌結構安全性評定。在建立多環模型的同時，對環縫和襯砌環內力進行計算(見圖9)。

圖9 多環分析模型圖

現狀工況下，在襯砌環安全性與環縫安全性的計算中材料強度選用標準值。混凝土抗壓強度標準值fc為32.4 MPa，抗拉強度標準值ft為2.64 MPa，彈性模量為3.45×104MPa。鋼筋抗拉、抗壓強度設計值fy=fy0=400 MPa，彈性模量為2.0×105MPa。

5.3 安全評估結果

以右線第294環為例，在現狀工況下，采用ANSYS軟件計算分別對襯砌環和環縫進行計算和安全評估。裂縫驗算采用準永久組合計算。(ANSYS軟件計算中未計入分項系數及結構重要性系數，軟件中按照每延米計算，校核中考慮1.2 m環寬)。

1)襯砌環。右線第294環在現狀工況下隧道管片控制截面的內力及校核結果見圖10和表5。

表5 右線第294環隧道管片控制截面的內力校核結果

注：內力均為每環內力；彎矩為正表示內弧面受拉；軸力為正表示受壓。

2)縱縫。右線第294環在現狀工況下縱縫控制截面的內力及校核結果見表6。

表6 右線第294環縱縫控制截面的內力校核結果

3)環縫。在現狀工況下，計算可得：第293環—第294環環縫R/S=0.898，評級為D級；第294環—第295環環縫R/S=0.892，評級為D級。

根據校核，在原設計正常運營工況下，第294環隧道管片承載力無法滿足規范要求。

6 結語

本文以某地鐵盾構隧道區間受損隧道管片安全評估工作為依托，介紹了盾構隧道受損管片結構安全評估的方法和原則。

1)根據計算結果，右線第294環安全評估結果為D級，第293環—第294環環縫、第294環—第295環環縫安全評估結果為D級，應立即采取鋼環加固等補強措施。

2)采用承載力/荷載效應的核驗方式可準確判斷受損隧道管片目前的受力狀態，可供類似工程參考。