地下水位下降對運營盾構隧道襯砌力學性能的影響

吳鋒,翟天立

(大連交通大學 土木工程學院,遼寧 大連 116028)

調查研究表明,襯砌開裂是影響隧道結構性能的主要原因。隧道投入運營以后,地下水水位的變化影響隧道襯砌裂縫的產生與發展。濱海地區地層構成多為復合地層,結構受力復雜,因此運營期復合地層地下水位變化條件下的襯砌裂縫擴展研究尤為重要。針對層狀復合地層,何川等[1]在不同水土壓力場作用下對層狀復合地層和單一地層兩種不同地層的管片襯砌結構力學特征進行相似模型試驗,分析復合地層對管片襯砌結構的影響。曹鵬飛等[2]建立有限元模型,分析富水砂層地下水位升降速率對區間盾構隧道襯砌內力的影響。針對地下水影響,張明飛[3]研究地下水位變動誘發地鐵隧道變形以及地鐵對地下水滲透阻擋作用。田俊豐等[4]考慮不同含水量土層對黃土隧道圍巖變形規律的影響。宋文杰[5]研究運營期間地下水位變化與列車荷載共同作用對車站結構力學性能的影響。李建民[6]通過有限元三維數值模擬,分析地下水位下降對隧道的影響。張夏冉等[7]以三峽庫區萬州區下坪滑坡為模型,分析在4種不同數量級的滲透系數條件下的滲流場特征,研究在不同滲透系數下的滑坡穩定性變化規律。劉德華[8]應用Flac3D 對地下水作用下隧道結構的受力和變形進行數值模擬和分析。黃宏偉等[9]設置不同滲流程度及水位邊界條件,分析長期滲流條件下隧道周圍土體的孔壓分布規律、地表沉降規律和管片內力變化規律。Arjnoi等[10]采用密封、零水壓、恒定總水頭完全排水、僅排水等邊界條件探討排水條件對隧道孔隙水壓力分布和襯砌應力的影響。針對隧道襯砌裂縫擴展研究,黃宏偉等[11]研究了襯砌在主要影響因素作用下的裂縫分布規律、裂縫擴展過程、裂縫外觀表現形式及發生機制。余天堂[12]通過理論推導模擬了單一裂紋擴展和多裂紋擴展。Xu等[13]針對沙土和花崗巖復合地層隧道開裂進行數值與試驗結合的模擬方法,研究影響管片裂縫開裂原因以及開裂過程。

綜上所述,近年來國內對于盾構隧道的力學性能研究主要集中在地下水、襯砌裂縫、車輛荷載等單一因素上,而有關水位下降的模式及地下水、襯砌裂縫、車輛荷載等多因素耦合的研究相對較少。基于此,本文以大連地鐵4號線營城子站—銀杏大道站區間為研究背景,采用Abaqus軟件建立道床-隧道-土層有限元模型,通過設置排水邊界實現水位變化,模擬運營隧道在地下水位下降時不同降水模式及襯砌裂縫等參數對盾構隧道性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1 模型參數

本文使用有限元模擬軟件Abaqus建立二維道床-隧道-土層耦合有限元模型,土層模型建立尺寸為50 m(垂直深度)×100 m(水平寬度),土層分為5層,土層參數見表1。根據所提供的管片系列構造設計圖可得,隧道外徑為3.6 m,內徑為3.4 m,混凝土型號為C50。道床為C30混凝土,厚度取0.5 m。道床與襯砌間的約束采取綁定(Tie)約束。

表1 土層參數

1.2 網格劃分

采用有限元軟件Abaqus對孔隙壓力作用下的盾構隧道襯砌進行模擬分析。為減少計算分析時間,假設土體以及襯砌為理想彈塑性體。盾構隧道土體采用Drucker-Prager模型的本構關系,假定為各向同性材料。

1.2.1 隧道襯砌網格

考慮滲透的影響,襯砌模型網格采用CPE4P網格類型;采用擴展有限元方式計算裂縫,網格形狀為四邊形,網格數量為450個。為減小計算量,對于沒有裂縫襯砌結構網格大小劃分為0.1,帶裂縫襯砌結構位置網格大小為0.05。

1.2.2 隧道土層網格

土層采用二維實體單元(CPE4P),襯砌模型同樣采取CPE4P,網格形狀為四邊形,數量為4 316個。為精確計算結果,對隧道周圍土體進行網格加密劃分,最終土層與襯砌二維有限元模型網格劃分效果見圖1。

圖1 隧道襯砌有限元模型

1.3 工況設置

本文分別在隧道結構拱頂、拱腰、拱腳位置設置8個監測點,記為A～G(圖2),隧道埋深為20 m。

圖2 隧道襯砌監測點位置

采用Abaqus建立道床-隧道-土層有限元模型,通過設置排水邊界實現水位變化,模擬運營隧道在地下水位下降時不同降水模式對盾構隧道力學性能的影響。

二維模型共設置3個分析步,順序如下:

(1)初始分析步:模型初始邊界條件、預應力場和自重應力在該步設置。

(2)靜力通用分析步:在該步得出應力,以ODB導入方法平衡地應力。

(3)soil分析步:利用關鍵字方法設置排水邊界,以設置邊界條件的方法設置透水面。

1.3.1 水位下降模式設置

大連地區地層分布復雜,軟弱夾層分布不規律,巖層會對地下水流動起到阻礙作用,影響地下水位下降后的補給以及滲流,從而形成單側水位下降模式。

為了探究雙側水位下降與單側水位下降2種不同水位下降模式對濱海復合地層隧道襯砌的影響,本文利用Abaqus仿真軟件對單雙側下降模式進行仿真模擬分析,不同工況下單雙側降水分布見表2。

表2 單雙側降水分布

1.3.2 列車荷載設置

本文工況為運營地鐵隧道襯砌,應考慮列車荷載影響,將列車速度設置為60 km/h,列車車身質量為44 524 kg,轉向架質量為2 418 kg,輪對質量為2 418 kg,車身長度為19.8 m。

由軌道不平順理論可知,豎向輪軌荷載主要在低頻(0.5～10 Hz)、中頻(30～60 Hz)和高頻(100～400 Hz)3個頻率范圍內,具體可以表示為一個靜荷載和3個隨時間變化的正弦動荷載函數相加:

F(t)=Q0+Q1sinω1t+Q2sinω2t+Q3sinω3t

(1)

式中:Q0是單邊車輪靜載;Q1、Q2、Q3分別為低、中、高頻中某一典型值振動荷載幅值。

令列車簧下質量為M0,則其相應幅值為:

Qi=M0Biωi2

(2)

式中:Bi為低、中、高頻3種情況下的某一典型矢高;ωi為某一車速下低、中、高頻3種情況下的不平順振動波長下的圓頻率,計算公式為:

ωi=2πv/λi

(3)

式中:v為列車的運行速度;λi為對應低、中、高頻3種情況下的典型波長。

根據規范,本文依照最不利情況下取軌道不平順值λ1=10 m、B1=3.5 mm、λ2=2 m、B2=0.4 mm、λ3=0.5 m、B3=0.08 mm,得到60 km/h時列車動荷載函數:

(4)

1.3.3 隧道襯砌裂縫設置

在隧道襯砌管片上不同位置處設置長度為5 cm的初始裂縫,建立單裂縫襯砌結構模型、雙裂縫襯砌結構模型。單裂縫模型初始裂縫分別設置在A、C、G位置; 雙裂縫模型初始裂縫設置在A+G、A+C位置。在上述模型中施加車輛荷載,設置水位下降工況進行仿真分析,分析不同水位變化模式下隧道結構應變以及裂縫擴展的影響。

2 計算結果分析

本文采用滲流模擬的方法,按照表2的不同工況,建立二維隧道模型,監測隧道結構的應力和應變,從而分析不同水位變化對隧道結構的影響。

2.1 應變分析

2.1.1 豎向應變分析

分析地下水水位變化對隧道襯砌產生的影響時,襯砌豎向應變是觀測的重要指標,過大的豎向應變能夠導致隧道結構產生裂縫,最終影響隧道結構的使用壽命。

根據圖3襯砌結構豎向應變結果可知,隨著地下水位的下降,結構各監測點豎向應變增大。工況4～6襯砌結構監測點的豎向應變最大增加幅度為0.001 8,工況1～3襯砌結構監測點的豎向應變最大增加幅度為0.000 41。工況4～6地下水對襯砌結構上浮作用明顯大于工況1～3,并且隨著地下水位下降,相比于雙側排水,單側排水各工況下襯砌結構各個監測點豎向應變相對較小,說明此時未排水一側地下水對襯砌結構浮力作用仍然不可忽略。

(a) 單側降水襯砌

襯砌結構監測點C、E、G(靠近排水側監測點)單側排水各工況情況下的豎向應變分別為0.18、0.21、0.17;襯砌結構監測點B、D、F(靠近排水側監測點)單側降水各工況情況下的豎向應變分別為0.07、0.03、0.06。C、E、G單側降水各工況情況下的豎向應變約為對稱點B、D、F豎向應變的2.6～7倍。隨著水位下降,土體孔隙水壓變小,進而導致土體有效應力增大,襯砌的豎向應力增大,單側降水情況下,排水側相對未排水側的豎向應變變化較大。

2.1.2 橫向應變分析

單雙側降水襯砌橫向應變見圖4。從圖中對比結果可知,隨著地下水位下降,隧道襯砌結構各個監測點橫向應變均有所增加,排水造成失水圍巖孔隙壓力減小,在上覆土層及結構自重條件下,橫向應變增加。在雙側降水模式工況下,襯砌結構各監測點橫向應變最大值為0.03,豎向應變最大值為0.26,橫向應變遠小于豎向應變,說明結構承受的豎向應力遠大于橫向應力。因此在施工以及運營期間,襯砌結構豎向應變為關鍵因素,但是由于本文考慮到單雙側降水工況,單側降水會導致結構偏壓,從而影響襯砌結構各個位置橫向應力分布,因此本文以研究隧道襯砌結構橫向應變為主。

(a) 單側降水襯砌

雙側降水模式下,工況1～3襯砌結構各監測點橫向應變最大增加幅度為0.000 36,工況4～6橫向應變最大增加幅度為0.001,工況1～3襯砌結構各監測點橫向應變增加幅度遠小于工況4～6,主要原因是地下水下降時襯砌結構浮力作用減弱,從而導致土體豎向有效應力增加,土體對襯砌結構豎向應力增加,橫向應變增加,并且工況4～6地下水對結構上浮作用明顯。襯砌結構監測點D、E分別為橫向應變最大點,橫向應變隨著地下水位下降而迅速增加。

2.2 裂縫擴展分析

2.2.1 單裂縫分析

為了模擬單裂縫在地下水下降過程中的裂縫擴展情況,在拱頂、上拱腰、下拱腳處分別布置一條初始裂縫。單雙側降水襯砌單裂縫擴展情況見圖5。可以看出襯砌拱腰處裂縫擴展平緩, 裂縫位于拱頂及拱腳處時損傷破壞發展較快,即管片裂縫擴展呈現突發性、劇烈性的特征。由于雙側降水,襯砌結構受力分布沿豎向軸線呈對稱分布,同時為了對比單雙側降水對監測點裂縫擴展的影響,因此對監測點A、C、G進行進一步深入研究。

(a) 單側降水單裂縫擴展

單裂縫雙側降水情況下,A、C位置裂縫擴展分別為6、4 cm,G位置裂縫擴展程度相對更大,是C位置的2倍,結構破壞更加嚴重。根據A位置裂縫發展趨勢,可知裂縫擴展具有突變性。拱底以及拱頂受力形式主要為外部受壓,內部受拉;拱腰為外部受拉,內部受壓。襯砌裂縫形式主要為張拉裂縫,因此在受拉部分容易出現開裂。地下水水位下降導致土體有效應力增大,土體對襯砌結構應力增大,拱頂以及拱底內部受拉,因此拱頂以及拱底內部位置裂縫擴展比拱腰位置裂縫擴展更大。

同理,單裂縫單側降水情況下,G位置裂縫擴展最大, 裂縫擴展長度為8 cm,A略小,為4.8 cm,C最小,為4.5 cm,因此選擇G位置進行裂縫擴展研究。由于單側降水襯砌結構應力分布不對稱,排水側出現較大豎向應變,從而襯砌結構拉力增加,導致排水側襯砌裂縫擴展長度為8.748 cm,比未排水側裂縫擴展長度8.817 cm略小。

2.2.2 雙裂縫分析

由于單側降水情況對結構影響較大,因此在單側降水情況下,考慮雙裂縫擴展情況。雙裂縫布置在監測點A、G(拱腰以及拱腳)和A、C(拱頂以及拱腰)處裂縫擴展情況見圖6。

(a) A、G裂縫擴展

單側降水情況下,拱腳裂縫擴展較大,裂縫位置遠離排水側時,裂縫擴展較大。由土力學可知,在施加荷載過程中,飽水的土體所承受的附加壓力由水和顆粒骨架共同承擔,地下水水位下降變化引起巖體內空隙水壓力的變化,造成大范圍內的地面沉降,從而襯砌結構拉力增大,導致未排水側襯砌裂縫擴展相對于排水側裂縫擴展較大,相差最大約為2 cm。

將A、G雙裂縫與A單裂縫情況進行對比,研究G位置裂縫對A位置裂縫的影響,可以得到G位置裂縫會導致A位置裂縫提前發生裂縫突變擴展,達到6.6 cm,從而得出拱腳位置裂縫會加劇拱頂裂縫擴展。將AC、AG兩種雙裂縫情況進行對比,研究C和G位置裂縫對A位置裂縫的影響,C和 G位置裂縫會導致A位置裂縫迅速擴展到6.6 cm,其他位置裂縫對拱頂裂縫影響較大。因此在實際工程中,應對拱頂位置裂縫進行及時、有效地處理。

3 結論

(1)地下水位下降、孔隙壓力下降及土體有效應力增大,使得隧道襯砌各個監測點的應變均有所增大。

(2)工況1～3豎向應變最大增加幅度為0.000 41,工況4～6豎向應變最大增加幅度為0.001 8;工況1～3襯砌結構各監測點橫向應變最大增加幅度為0.000 36,工況4～6橫向應變最大增加幅度為0.001,工況4～6最大橫豎向應變增幅明顯,說明水位在拱腰以下變化時對襯砌結構上浮作用明顯。

(3)水位在拱腰以下變化時,地下水上浮對隧道襯砌結構作用明顯。隨著地下水水位下降,單雙側排水情況下,結構所受橫豎向應力均有所增大,橫豎向應變增大,單側降水導致襯砌結構偏壓,出現不對稱變形,且單側排水情況下排水側橫豎向應變均大于未排水側。因此,在盾構隧道的運營與維護階段中應注重水位下降的模式以及結構的薄弱區域。單側排水對盾構隧道襯砌結構的影響明顯,值得關注。

(4)在單雙側排水情況下,拱腳裂縫擴展最為劇烈,拱腰位置裂縫幾乎不擴展;單側排水會導致未排水側裂縫擴展加劇。在雙裂縫情況下,裂縫相互作用,導致裂縫擴展相對于單裂縫擴展提前且長度更長,為6.6 cm。雙裂縫情況下,其他位置裂縫會導致拱頂裂縫在工況4～5時發生劇烈擴展。