劉登新

（長(zhǎng)江水利水電開發(fā)集團(tuán)（湖北）有限公司,湖北 武漢 430010）

0 引言

目前,我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展伴隨產(chǎn)生了人口劇增、城市交通擁堵等問題,地鐵交通建設(shè)由此運(yùn)營(yíng)而生并得到了大力推廣。由于地鐵建設(shè)條件復(fù)雜,在開挖過程中盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成了學(xué)者重要的研究課題之一?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)：Lee[1]等人結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,通過數(shù)值模擬方法,研究分析滲流力對(duì)水下隧道的襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。胡志平[2]等人通過分析管片襯砌間、管片與土體間相互作用關(guān)系,建立模型,探究隧道開挖過程中襯砌隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化規(guī)律。孫文昊[3]等人通過假設(shè)推導(dǎo)了隧道管片剛度的計(jì)算公式,考慮管片接頭的構(gòu)造,研究分析不同工況下各個(gè)因素對(duì)襯砌管片剛度的影響。王建宇[4]采用模型試驗(yàn)方法,研究分析不同圍巖滲透性對(duì)隧道襯砌施工過程中外水壓力的影響。陳俊生[5]等人以某地鐵工程項(xiàng)目為依托,采用有限元數(shù)值方法建立模型,以襯砌管片為主要研究對(duì)象,研究分析不同偏心距荷載作用下襯砌隧道管片接頭的剛度變化規(guī)律。張冬梅[6]等人考慮了襯砌隧道管片接頭的細(xì)部特征,建立力學(xué)模型,將管片間的作用力離散為近似的彈簧作用力,研究分析襯砌管片接頭剛度的變化規(guī)律。王彪[7]對(duì)上海某襯砌隧道進(jìn)行原型加載試驗(yàn),以整環(huán)管片作為研究對(duì)象,研究不同荷載作用下襯砌隧道管片的力學(xué)特征。

綜合上述研究,本研究以實(shí)際隧道工程項(xiàng)目為依托,利用Abaqus有限元軟件建立襯砌隧道模型,考慮襯砌管片間相互作用,研究分析不同接縫傾斜角度對(duì)水工隧道襯砌管片受力的影響。

1 工程概況

襯砌管片的接縫平面與隧道軸線存在夾角形成錯(cuò)縫,當(dāng)接縫傾角發(fā)生變化時(shí),襯砌管片的結(jié)構(gòu)受力特性隨之改變,為了進(jìn)一步研究分析接縫傾角對(duì)襯砌管片的影響。因此,本研究以浙江某地引水隧道建設(shè)工程項(xiàng)目為依托,隧道全長(zhǎng)40 km,采用TBM施工方法,隧道開挖后需回填豆礫石,進(jìn)行襯砌管片安裝作業(yè),襯砌外圍巖和其他材料參數(shù)見表1、表2。

表1 圍巖材料參數(shù)

表2 襯砌材料參數(shù)

2 模型建立

本研究利用Abaqus有限元軟件,建立隧道模型,CQ-1～9指的是各環(huán)襯砌管片,見圖1。以CQ-1、CQ-2和CQ-3為例,其中A-F為管片,J1-J6為接縫處（如圖2所示）。模型中襯砌和豆礫石采用線彈性材料,螺栓采用理想線彈性材料,圍巖采用彈塑性材料,螺栓用桿單元模擬,其余材料使用八節(jié)點(diǎn)等參單元?？紤]總推力為29.80 kN的千斤頂推力作用,在原有管片接縫傾角15°的基礎(chǔ)上分別增加0°、9°和18°作為三個(gè)工況,全面分析接縫傾斜角度對(duì)水工隧道襯砌管片受力的影響。

圖1 模型管片襯砌示意圖

圖2 模型CQ-1、CQ-2和CQ-3示意圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 管片變形與應(yīng)力分析

由圖3襯砌管片縱應(yīng)力與軸向位移云圖可知,當(dāng)接縫傾角為0°時(shí),即未改變傾角時(shí),在軸向上管片位移變化分布均勻,且各個(gè)管片間變形獨(dú)立；當(dāng)接縫傾角為9°時(shí),在軸向上管片位移變化開始出現(xiàn)分布不均,在CQ-9環(huán)上尤為明顯,究其原因是由于千斤頂推理直接作用于CQ-9環(huán)上使得管片端部變形銳角處大于鈍角處；當(dāng)接縫傾角為18°時(shí),可以明顯發(fā)現(xiàn)管片的軸向位移分布不均勻性逐漸擴(kuò)大。另外,當(dāng)接縫傾角為0°時(shí),襯砌管片接頭處位移在縱向和軸向上均保持一致,當(dāng)管片接縫間存在傾角時(shí),管片同時(shí)也獲得了一定的變形協(xié)調(diào)能力。通過觀察圖3 中（a）、（c）、（e）,發(fā)現(xiàn)其縱軸向位移最大值分別為-2.33 mm、-2.55 mm和-2.78 mm,隨著接角的增大管片位移最大值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。結(jié)合圖3（b）、（d）、（f）,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾角為0°時(shí),縱軸向上襯砌管片的壓應(yīng)力大約在-7.0 MPa～-4.9 MPa,未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)傾角為9°時(shí),應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯發(fā)生在管片環(huán)縱向接頭相交的部位,并且其壓應(yīng)力最值大約為-12.7 MPa,然而此時(shí)管片壓應(yīng)力主要分布區(qū)域與0°傾角的差異較小,其值約為-7.7 MPa～-4.6 MPa；當(dāng)傾角為18°時(shí),應(yīng)力集中現(xiàn)象愈發(fā)明顯,其壓應(yīng)力最值也隨之增大并達(dá)到-18.8 MPa,壓應(yīng)力主要分布區(qū)域也處于-9.4 MPa～-4.6 MPa。因此,襯砌管片接縫傾角的增大會(huì)造成接頭受力不均,不利于整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖3 襯砌管片縱應(yīng)力與軸向位移云圖

通過觀察表3 可知,襯砌管片的徑向變形隨著接縫傾角的增大,徑向向外變形和向內(nèi)變形最值逐漸增大,分別出現(xiàn)在底部管片和頂部管片的中央。結(jié)合襯砌管片主應(yīng)力最值表,如表4 所示,可以發(fā)現(xiàn),襯砌管片接縫傾角的增大會(huì)導(dǎo)致其主應(yīng)力最值增大,并且使應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置發(fā)生改變,由環(huán)間接縫處逐漸向環(huán)縱向接頭相交處轉(zhuǎn)移；當(dāng)傾角為18°時(shí),管片第一主應(yīng)力最值達(dá)到3.94 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度（1.89 MPa）,發(fā)生局部拉裂破壞的可能性較大。

表3 襯砌管片徑向位移及位置

表4 襯砌管片徑向位移及位置

3.2 環(huán)間推力的傳遞規(guī)律

通過觀察環(huán)間接縫縱向力傳遞曲線圖,可以發(fā)現(xiàn)管片環(huán)間接縫面縱向力隨著與千斤頂距離的縮短而逐漸增大,而隨著接縫傾角的增大,縱向力的衰減逐漸加快,其中當(dāng)接縫傾角為0°時(shí)縱向力減小最慢,接縫傾角為18°時(shí)縱向力減小最快。結(jié)合管片變形與應(yīng)力的變化規(guī)律,可知接縫傾角的增大會(huì)導(dǎo)致管片襯砌向外變形,直接增加管片與豆礫石的摩擦力,進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)間縱向力下降較快。

圖4 環(huán)間接縫縱向力傳遞曲線圖

3.3 接縫合力變化規(guī)律

襯砌隧道掘進(jìn)過程中,對(duì)于豆礫石已回填部分,隨著傾角的增大接縫面法向合力逐漸增大,以J4、J5、J6為例,當(dāng)接縫傾角為0°時(shí),其法向合力達(dá)到0.2 MN～0.3 MN；當(dāng)接縫傾角為9°時(shí),其法向合力達(dá)到0.25 MN～0.35 MN；當(dāng)接縫傾角為18°時(shí),其法向合力達(dá)到0.35 MN～0.45 MN。而對(duì)于未完成回填豆礫石作業(yè)的襯砌管片,接縫面法向合力變化規(guī)律同上,但其法向合力數(shù)值相對(duì)較小。對(duì)比同一環(huán)上各個(gè)法向合力,可以發(fā)現(xiàn)管片底部接縫法向合力最大,腰部次之,頂部接縫最小,見圖5～圖7。

圖5 環(huán)間接縫縱向力傳遞曲線圖

圖7 環(huán)間接縫縱向力傳遞曲線圖

圖6 環(huán)間接縫縱向力傳遞曲線圖

由圖5～圖7 中（b）也可以發(fā)現(xiàn),尚未進(jìn)行回填豆礫石的襯砌管片,對(duì)應(yīng)的接縫切向合力浮動(dòng)略大,而完成回填豆礫石作業(yè)的管片其接縫面切向合力與接縫傾角呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)接縫傾角增大時(shí)對(duì)應(yīng)的接縫面切向合力逐漸增大,且隨著與千斤頂距離的增大而減小。當(dāng)接縫傾角為0°時(shí),管片的底部接縫面切向合力最小,而管片頂部和腰部接縫處的切向合力相對(duì)較大；當(dāng)接縫傾角為9°和18°時(shí),管片腰部接縫切向合力最小,而管片頂部和底部接縫處的切向合力相對(duì)較大。

4 結(jié)論

通過Abaqus有限元數(shù)值模擬軟件建立盾構(gòu)隧道模型,研究分析接縫傾斜角度對(duì)水工隧道襯砌管片受力的影響,主要得到以下幾條結(jié)論：

（1）當(dāng)接縫傾角為0°時(shí),管片軸向位移變化均勻,當(dāng)接縫傾角為9°和18°時(shí),管片軸向位移變化開始不均勻,且接縫傾角越大,不均勻性尤為明顯；

（2）隨著接角的增大管片位移最大值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),傾角較小時(shí)未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,當(dāng)傾角為9°和18°時(shí),應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在管片環(huán)縱向接頭相交的部位,不利于整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；

（3）襯砌管片的徑向變形隨著接縫傾角的增大,徑向向外變形和向內(nèi)變形最值逐漸增大,當(dāng)傾角為18°時(shí),管片第一主應(yīng)力最值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度,發(fā)生局部拉裂破壞的可能性較大；

（4）管片環(huán)間接縫面縱向力隨著與千斤頂距離的縮短而逐漸增大,而隨著接縫傾角的增大,縱向力的衰減逐漸加快,其中當(dāng)接縫傾角為0°時(shí)縱向力減小最慢,接縫傾角為18°時(shí)縱向力減小最快；

（5）接縫面的法向合力和切向合力與接縫傾角均呈正相關(guān),當(dāng)接縫傾角增大時(shí)對(duì)應(yīng)的合力逐漸增大,且隨著與千斤頂距離的增大而減小。