側(cè)向卸載對大直徑盾構(gòu)管片力學(xué)性能影響分析

尹燕征

（中建八局第四建設(shè)有限公司，山東青島 266100）

城市軌道交通主要由地鐵盾構(gòu)隧道組成。隨著周邊環(huán)境變化與運(yùn)營時(shí)間的增加，隧道側(cè)方卸載的工況也越來越多[1]。盾構(gòu)隧道由于側(cè)向卸載作用會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力[2]，引起圍土壓力重分布，使盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]發(fā)生變化，從而產(chǎn)生橫向變形與縱向不均勻沉降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂、接頭張開和螺栓屈服等病害[4]，嚴(yán)重侵害隧道的安全運(yùn)營[5]。因此，研究側(cè)向卸載對大直徑盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義。

為了探究側(cè)向卸載對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力與變形的影響規(guī)律，陳仁朋等[6]研究了盾構(gòu)管片側(cè)面和上方卸載情況下變形和內(nèi)力變化規(guī)律，并提出了具體的變形控制措施，歸納總結(jié)了側(cè)向卸載過程中結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的監(jiān)測手段。梁東等[7]將精細(xì)化有限元模擬與相似模型試驗(yàn)相結(jié)合，研究了盾構(gòu)管片處于彈性與塑性階段時(shí)期，側(cè)向卸載對結(jié)構(gòu)的受力及變形影響規(guī)律。黃大維等[8]開展了地層與隧道相互作用的縮尺模型試驗(yàn)，測量了在地表超載影響下結(jié)構(gòu)變形、土壓力及土體沉降，明確了周圍土體豎向壓縮量與豎直方向收斂變形之間的關(guān)系。姚愛軍等[9]基于北京某典型地鐵隧道及基坑工程，將數(shù)值計(jì)算與縮尺模型試驗(yàn)相結(jié)合，研究了上方基坑開挖卸荷-加載作用下管片結(jié)構(gòu)的圍土壓力分布規(guī)律與變形特征，并分析了管片結(jié)構(gòu)頂部與基坑底部距離產(chǎn)生的影響。

上述側(cè)方卸載對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)影響的研究已取得一些成果，但在計(jì)算分析過程中未考慮混凝土與連接螺栓的非線性，難以準(zhǔn)確分析側(cè)方卸載作用下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的真實(shí)力學(xué)性能。文章在混凝土塑性損傷模型的基礎(chǔ)上，建立了大直徑盾構(gòu)管片的三維實(shí)體非線性模型。該模型考慮管片材料的非線性、管片與管片間接觸的非連續(xù)性。本研究對不同側(cè)壓力系數(shù)下側(cè)向卸載對盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的受力、變形規(guī)律展開分析，基于所得規(guī)律對側(cè)向卸載影響下的盾構(gòu)隧道工程建設(shè)提供參考。

1 大直徑管片三維非線性模型

1.1 管片材料本構(gòu)模型

連接螺栓采用彈塑性本構(gòu)模型，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

基于文獻(xiàn)[1]中混凝土塑性損傷本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，混凝土壓縮和拉伸特性如表2所示。其中，流動(dòng)勢偏移量為0.1，剪脹角為38°，雙軸與單軸抗壓強(qiáng)度比為1.16，屈服常數(shù)為0.666 7，黏滯系數(shù)為0.000 01。

表2 混凝土壓縮拉伸特性［1］

1.2 管片與土體間相互作用關(guān)系

文章計(jì)算基于荷載-結(jié)構(gòu)法，地層變形抗力通過地基土彈簧形式施加于管片上，接地彈簧為只受壓不受拉的三向非線性，法向彈簧系數(shù)kn為1×107N/m2，切向彈簧取法向彈簧的1/3。土體與管片相互作用關(guān)系如圖1所示。

圖1 土體與管片相互作用關(guān)系

1.3 模型建立與接觸關(guān)系

管片襯砌為大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑11.9 m、外徑13 m、管片厚0.55 m、環(huán)寬2 m，每環(huán)襯砌為“10+1”分塊形式，由1個(gè)封頂塊（F）、2塊鄰接塊（L1、L2）及7塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B1～B7）組成。接縫連接包括20顆環(huán)向連接螺栓，管片襯砌與連接螺栓采用三維實(shí)體單元（C3D8R）模擬。盾構(gòu)管片分塊形式如圖2所示。

圖2 大直徑盾構(gòu)管片分塊形式

管片間接觸基于“面與面”的接觸方式，切向?yàn)榛诹P函數(shù)法的庫倫摩擦接觸，摩擦系數(shù)取0.4，法向設(shè)置硬接觸。

1.4 計(jì)算工況

隧道埋深選取20 m，隧道結(jié)構(gòu)整體受力分為垂直土壓力pv1、地基反力py1、px1與px2表示側(cè)向土壓力隨著深度的增加呈線性增加，計(jì)算得垂直土壓力pv1=326.6 kPa，地基反力py1=355.2 kPa，側(cè)向土壓力采用垂直土壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)0.65進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別為px1=197.6 kPa、px2=266.1 kPa。

文章分別對土體側(cè)向壓力系數(shù)K0取0.35、0.45、0.55、0.65和0.75進(jìn)行參數(shù)研究分析，對5個(gè)側(cè)向卸載工況進(jìn)行算例分析。側(cè)向卸載表示隧道側(cè)方承受著基坑開挖卸載的作用，因此其側(cè)向土壓力發(fā)生改變。文章側(cè)向卸載的大小折減原土壓力的30%，分為兩步進(jìn)行卸載工況：（1）對管片結(jié)構(gòu)施加荷載模擬其土中的初始狀態(tài)；（2）將卸載后的側(cè)向土壓力施加在管片側(cè)向，模擬基坑開挖卸載。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 管片結(jié)構(gòu)受力過程分析

側(cè)向卸載的作用下，大直徑盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的變形模式為典型的“橫鴨蛋形變形”，土體側(cè)向壓力系數(shù)為0.35的管片混凝土應(yīng)力與橫向位移云圖如圖3、圖4所示。

圖3 側(cè)向卸載時(shí)管片應(yīng)力云圖

圖4 側(cè)向卸載時(shí)管片橫向位移云圖

2.2 側(cè)向土壓力系數(shù)對管片結(jié)構(gòu)的影響分析

側(cè)向卸載對管片結(jié)構(gòu)變形和受力的影響如圖5所示。

圖5 側(cè)向卸載對管片結(jié)構(gòu)變形和受力的影響

橢圓度與接頭張開量最大值隨豎向荷載增加呈線性增加，側(cè)壓力系數(shù)越大，豎向荷載增加時(shí)橢圓度與接頭張開量最大值增量越小。

側(cè)壓力系數(shù)K0為0.35與0.45時(shí)，螺栓應(yīng)力先線性增加而后達(dá)到屈服應(yīng)力。其中，K0=0.35時(shí)螺栓屈服應(yīng)力對應(yīng)的豎向荷載值為320 kPa；在K0=0.45時(shí)螺栓屈服應(yīng)力對應(yīng)的豎向荷載值為384 kPa，螺栓應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)折程度明顯。當(dāng)豎向荷載增長到某一定值時(shí)，螺栓應(yīng)力達(dá)到其屈服強(qiáng)度400 MPa，結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生塑性變形，其應(yīng)力發(fā)展趨勢保持不變。結(jié)果表明側(cè)壓力系數(shù)K0較小時(shí)，土體對隧道的約束作用較弱，整體結(jié)構(gòu)易發(fā)生大變形。在K0為0.55、0.65、0.75時(shí)，螺栓豎向荷載呈線性增加，側(cè)壓力系數(shù)越大，豎向荷載增加時(shí)螺栓應(yīng)力增量越小，螺栓應(yīng)力曲線轉(zhuǎn)折角度相對變小，提高側(cè)壓力系數(shù)可以顯著降低螺栓應(yīng)力的增加，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

土體側(cè)壓力系數(shù)越大，管片結(jié)構(gòu)的承載性能越好，抵抗變形能力越強(qiáng)。因此隧道發(fā)生側(cè)方卸載情況時(shí)，可以通過提高土體側(cè)壓力系數(shù)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，維護(hù)隧道營運(yùn)的安全。

3 結(jié)語

文章基于荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，利用Abaqus有限元軟件，對受側(cè)向卸載影響下的大直徑盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)性能分析，同時(shí)考慮混凝土與連接螺栓的非線性，研究了側(cè)壓力系數(shù)對盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力與變形的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

（1）側(cè)向卸載作用下，盾構(gòu)隧道呈現(xiàn)上浮特征，管片結(jié)構(gòu)水平位移均呈對稱分布，最大水平位移差出現(xiàn)在側(cè)向卸載結(jié)束階段。

（2）側(cè)向壓力系數(shù)較大時(shí)，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)處于彈性階段；側(cè)向壓力系數(shù)減小時(shí)，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段。

（3）隧道側(cè)方卸載量值較低時(shí)，其橢圓度、接頭張開量最大值與豎向荷載呈線性增加趨勢，隨著側(cè)方卸載量的增加，發(fā)展趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性；盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的橢圓度、接頭張開量、螺栓、鋼筋應(yīng)力與土體側(cè)向壓力系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。