吳鋒,翟天立

(大連交通大學 土木工程學院,遼寧 大連 116028)

調(diào)查研究表明,襯砌開裂是影響隧道結(jié)構(gòu)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(chǎn)生與發(fā)展。濱海地區(qū)地層構(gòu)成多為復(fù)合地層,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,因此運營期復(fù)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(fù)合地層,何川等[1]在不同水土壓力場作用下對層狀復(fù)合地層和單一地層兩種不同地層的管片襯砌結(jié)構(gòu)力學特征進行相似模型試驗,分析復(fù)合地層對管片襯砌結(jié)構(gòu)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(qū)間盾構(gòu)隧道襯砌內(nèi)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(fā)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(guī)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(jié)構(gòu)力學性能的影響。李建民[6]通過有限元三維數(shù)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(qū)萬州區(qū)下坪滑坡為模型,分析在4種不同數(shù)量級的滲透系數(shù)條件下的滲流場特征,研究在不同滲透系數(shù)下的滑坡穩(wěn)定性變化規(guī)律。劉德華[8]應(yīng)用Flac3D 對地下水作用下隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形進行數(shù)值模擬和分析。黃宏偉等[9]設(shè)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(guī)律、地表沉降規(guī)律和管片內(nèi)力變化規(guī)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(yīng)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(guī)律、裂縫擴展過程、裂縫外觀表現(xiàn)形式及發(fā)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(fù)合地層隧道開裂進行數(shù)值與試驗結(jié)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(nèi)對于盾構(gòu)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(guān)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?；诖?本文以大連地鐵4號線營城子站—銀杏大道站區(qū)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(shè)置排水邊界實現(xiàn)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(shù)對盾構(gòu)隧道性能的影響。

1 有限元模型建立

1.1 模型參數(shù)

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(shù)見表1。根據(jù)所提供的管片系列構(gòu)造設(shè)計圖可得,隧道外徑為3.6 m,內(nèi)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(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分

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

1.2.1 隧道襯砌網(wǎng)格

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

1.2.2 隧道土層網(wǎng)格

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

圖1 隧道襯砌有限元模型

1.3 工況設(shè)置

本文分別在隧道結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰、拱腳位置設(shè)置8個監(jiān)測點,記為A～G(圖2),隧道埋深為20 m。

圖2 隧道襯砌監(jiān)測點位置

采用Abaqus建立道床-隧道-土層有限元模型,通過設(shè)置排水邊界實現(xiàn)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(gòu)隧道力學性能的影響。

二維模型共設(shè)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(yù)應(yīng)力場和自重應(yīng)力在該步設(shè)置。

(2)靜力通用分析步:在該步得出應(yīng)力,以O(shè)DB導入方法平衡地應(yīng)力。

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

1.3.1 水位下降模式設(shè)置

大連地區(qū)地層分布復(fù)雜,軟弱夾層分布不規(guī)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(cè)水位下降模式。

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

表2 單雙側(cè)降水分布

1.3.2 列車荷載設(shè)置

本文工況為運營地鐵隧道襯砌,應(yīng)考慮列車荷載影響,將列車速度設(shè)置為60 km/h,列車車身質(zhì)量為44 524 kg,轉(zhuǎn)向架質(zhì)量為2 418 kg,輪對質(zhì)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(nèi),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(shù)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(zhì)量為M0,則其相應(yīng)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(yīng)低、中、高頻3種情況下的典型波長。

根據(jù)規(guī)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(shù):

(4)

1.3.3 隧道襯砌裂縫設(shè)置

在隧道襯砌管片上不同位置處設(shè)置長度為5 cm的初始裂縫,建立單裂縫襯砌結(jié)構(gòu)模型、雙裂縫襯砌結(jié)構(gòu)模型。單裂縫模型初始裂縫分別設(shè)置在A、C、G位置; 雙裂縫模型初始裂縫設(shè)置在A+G、A+C位置。在上述模型中施加車輛荷載,設(shè)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(jié)構(gòu)應(yīng)變以及裂縫擴展的影響。

2 計算結(jié)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(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變,從而分析不同水位變化對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

2.1 應(yīng)變分析

2.1.1 豎向應(yīng)變分析

分析地下水水位變化對隧道襯砌產(chǎn)生的影響時,襯砌豎向應(yīng)變是觀測的重要指標,過大的豎向應(yīng)變能夠?qū)е滤淼澜Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,最終影響隧道結(jié)構(gòu)的使用壽命。

根據(jù)圖3襯砌結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變結(jié)果可知,隨著地下水位的下降,結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點豎向應(yīng)變增大。工況4～6襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點的豎向應(yīng)變最大增加幅度為0.001 8,工況1～3襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點的豎向應(yīng)變最大增加幅度為0.000 41。工況4～6地下水對襯砌結(jié)構(gòu)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(cè)排水,單側(cè)排水各工況下襯砌結(jié)構(gòu)各個監(jiān)測點豎向應(yīng)變相對較小,說明此時未排水一側(cè)地下水對襯砌結(jié)構(gòu)浮力作用仍然不可忽略。

(a) 單側(cè)降水襯砌

襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點C、E、G(靠近排水側(cè)監(jiān)測點)單側(cè)排水各工況情況下的豎向應(yīng)變分別為0.18、0.21、0.17;襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點B、D、F(靠近排水側(cè)監(jiān)測點)單側(cè)降水各工況情況下的豎向應(yīng)變分別為0.07、0.03、0.06。C、E、G單側(cè)降水各工況情況下的豎向應(yīng)變約為對稱點B、D、F豎向應(yīng)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(yīng)力增大,襯砌的豎向應(yīng)力增大,單側(cè)降水情況下,排水側(cè)相對未排水側(cè)的豎向應(yīng)變變化較大。

2.1.2 橫向應(yīng)變分析

單雙側(cè)降水襯砌橫向應(yīng)變見圖4。從圖中對比結(jié)果可知,隨著地下水位下降,隧道襯砌結(jié)構(gòu)各個監(jiān)測點橫向應(yīng)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(jié)構(gòu)自重條件下,橫向應(yīng)變增加。在雙側(cè)降水模式工況下,襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點橫向應(yīng)變最大值為0.03,豎向應(yīng)變最大值為0.26,橫向應(yīng)變遠小于豎向應(yīng)變,說明結(jié)構(gòu)承受的豎向應(yīng)力遠大于橫向應(yīng)力。因此在施工以及運營期間,襯砌結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變?yōu)殛P(guān)鍵因素,但是由于本文考慮到單雙側(cè)降水工況,單側(cè)降水會導致結(jié)構(gòu)偏壓,從而影響襯砌結(jié)構(gòu)各個位置橫向應(yīng)力分布,因此本文以研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

(a) 單側(cè)降水襯砌

雙側(cè)降水模式下,工況1～3襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點橫向應(yīng)變最大增加幅度為0.000 36,工況4～6橫向應(yīng)變最大增加幅度為0.001,工況1～3襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點橫向應(yīng)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(jié)構(gòu)浮力作用減弱,從而導致土體豎向有效應(yīng)力增加,土體對襯砌結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力增加,橫向應(yīng)變增加,并且工況4～6地下水對結(jié)構(gòu)上浮作用明顯。襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測點D、E分別為橫向應(yīng)變最大點,橫向應(yīng)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(cè)降水襯砌單裂縫擴展情況見圖5?？梢钥闯鲆r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(fā)展較快,即管片裂縫擴展呈現(xiàn)突發(fā)性、劇烈性的特征。由于雙側(cè)降水,襯砌結(jié)構(gòu)受力分布沿豎向軸線呈對稱分布,同時為了對比單雙側(cè)降水對監(jiān)測點裂縫擴展的影響,因此對監(jiān)測點A、C、G進行進一步深入研究。

(a) 單側(cè)降水單裂縫擴展

單裂縫雙側(cè)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(jié)構(gòu)破壞更加嚴重。根據(jù)A位置裂縫發(fā)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(nèi)部受拉;拱腰為外部受拉,內(nèi)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(xiàn)開裂。地下水水位下降導致土體有效應(yīng)力增大,土體對襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大,拱頂以及拱底內(nèi)部受拉,因此拱頂以及拱底內(nèi)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(cè)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(cè)降水襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不對稱,排水側(cè)出現(xiàn)較大豎向應(yīng)變,從而襯砌結(jié)構(gòu)拉力增加,導致排水側(cè)襯砌裂縫擴展長度為8.748 cm,比未排水側(cè)裂縫擴展長度8.817 cm略小。

2.2.2 雙裂縫分析

由于單側(cè)降水情況對結(jié)構(gòu)影響較大,因此在單側(cè)降水情況下,考慮雙裂縫擴展情況。雙裂縫布置在監(jiān)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(cè)降水情況下,拱腳裂縫擴展較大,裂縫位置遠離排水側(cè)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(nèi)空隙水壓力的變化,造成大范圍內(nèi)的地面沉降,從而襯砌結(jié)構(gòu)拉力增大,導致未排水側(cè)襯砌裂縫擴展相對于排水側(cè)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(fā)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(yīng)對拱頂位置裂縫進行及時、有效地處理。

3 結(jié)論

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

(2)工況1～3豎向應(yīng)變最大增加幅度為0.000 41,工況4～6豎向應(yīng)變最大增加幅度為0.001 8;工況1～3襯砌結(jié)構(gòu)各監(jiān)測點橫向應(yīng)變最大增加幅度為0.000 36,工況4～6橫向應(yīng)變最大增加幅度為0.001,工況4～6最大橫豎向應(yīng)變增幅明顯,說明水位在拱腰以下變化時對襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作用明顯。隨著地下水水位下降,單雙側(cè)排水情況下,結(jié)構(gòu)所受橫豎向應(yīng)力均有所增大,橫豎向應(yīng)變增大,單側(cè)降水導致襯砌結(jié)構(gòu)偏壓,出現(xiàn)不對稱變形,且單側(cè)排水情況下排水側(cè)橫豎向應(yīng)變均大于未排水側(cè)。因此,在盾構(gòu)隧道的運營與維護階段中應(yīng)注重水位下降的模式以及結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。單側(cè)排水對盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響明顯,值得關(guān)注。

(4)在單雙側(cè)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(cè)排水會導致未排水側(cè)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(fā)生劇烈擴展。