地表突发堆载作用下地铁盾构...机制三维精细化数值模拟研究_阮恒丰.pdf

评价方法中国安全科学学报，（）：引用格式：阮恒丰，梁荣柱，康成，等 地表突发堆载作用下地铁盾构隧道变形机制三维精细化数值模拟研究 安全与环境工程，（）：，（）：地表突发堆载作用下地铁盾构隧道变形机制三维精细化数值模拟研究阮恒丰，梁荣柱，康成，李忠超，柯宅邦，（中国地质大学（武汉）地质调查研究院，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 ；广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 ；武汉市市政建设集团有限公司，湖北 武汉 ；安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 ；绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 ）摘要：随着临近地铁盾构隧道施工项目的不断增多，地铁盾构隧道上方地表突发堆载事件日益频发，易诱发不均匀沉降、管片破损、渗漏水等一系列病害，严重威胁着地铁的运营安全。目前提出的地表突发堆载作用下地铁盾构隧道有限元模型大多基于连续结构分析，忽视了管片间接头的影响。通过构建管片间接头受力模型，建立了地铁盾构隧道结构三维精细化数值计算模型，研究了地表突发堆载作用下地铁盾构隧道的受力变形机制。结果表明：地铁盾构隧道整体在纵向上出现高斯分布的不均匀沉降，管片环在横向上被压扁成“横鸭蛋”形；管片环内接头张开和错台均集中于堆载宽度范围内，管片环间接头张开和错台分别集中于堆载中心和堆载宽度边缘；地铁盾构隧道沿纵向的沉降大部分由管片环间错台累积贡献，最大累加错台量占最大沉降量的；管片环在横向上呈现非协同变形，拱顶沉降量是拱底沉降量的 倍，管片环间接头的剪切力由拱顶向拱底逐渐递减；管片环收敛率在堆载中心正下方最大达，收敛变形导致拱顶处和拱腰处管片环内接头分别向管片环内部、外部张开，以及拱顶处、拱腰处管片应力集中；堆载中心正下方管片环间截面上的应力分布以 的中性轴为界，中性轴以上管片受压，中性轴以下管片与螺栓同时受拉。本文所提出的地铁盾构隧道结构变形三维精细化数值模拟方法能够高效、准确地模拟地铁盾构隧道结构和管片间接头部位的受力和变形特点，具有一定的工程应用价值。关键词：地表堆载；地铁盾构隧道；管片间接头；精细化建模；数值模拟中图分类号：；文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家自然科学基金项目（）；中国博士后基金面上项目（）；住房和城乡建设部科学技术计划项目（）；安徽省建筑科学研究设计院科研项目（、）；武汉市政集团科研项目（）作者简介：阮恒丰（），男，硕士研究生，主要研究方向为水文地质与工程地质。：通讯作者：梁荣柱（），男，博士，副研究员，主要从事盾构隧道结构保护方面的研究。：，（，（），；，（），；，；，；，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ，；，）：，：；近年来我国临近地铁盾构隧道施工项目的不断增多，地铁盾构隧道上方突发地表堆载事件日益频发，严重威胁着地铁的运营安全。仅 年一年，上海地铁就遭遇了 次突发堆载事故。年上海地铁号线某盾构隧道区间上方突发堆载事故，导致管片压损和螺栓断裂，严重危害盾构隧道结构安全。据刘庭金等的报道，某地铁盾构隧道区间年间先后遭遇两次基坑弃土堆载，均使盾构隧道产生超过 的沉降，导致衬砌开裂及管片间接头渗水等病害。地表大面积堆载会对地铁盾构隧道造成一系列不利的影响，如隧道纵向不均匀沉降、管片间接头错位和渗水以及管片混凝土损伤等，严重影响了隧道的服役性能和地铁的运营安全。因此，如何有效地评估地表突发堆载作用下地铁盾构隧道结构的力学响应，成为目前急需解决的问题。为了快速评估地表堆载对地铁盾构隧道结构变形的影响，一些学者提出了众多简化解析理论预测方法。如 等建立了地表大面积荷载下地铁盾构隧道结构横向受力和变形简化的解析解；等将地铁盾构隧道简化为等效连续的 梁，通过 地基考虑地层与隧道的相互作用，推导出地表堆载作用下地铁盾构隧道纵向变形的解析解；康成等和 等采用两阶段分析法，将地铁盾构隧道简化为置于 地基和 地基上的 梁，分别推导出地表大面积荷载下地铁盾构隧道纵向位移的解析解；柯宅邦等考虑隧道与地层的相互作用，进一步构建了非线性地基模型，将地铁盾构隧道简化为 长梁，推导出大面积地表堆载作用下地铁盾构隧道纵向非线性变形的解析解。虽然这些解析方法能够较好地预测地表堆载作用下地铁盾构隧道的纵向位移，但是为了方便数学处理，往往将地铁盾构隧道简化为 或 连续梁，难以进一步得到管片和接头细部的受力变形规律。针对解析理论的不足，一些学者采用数值模拟方法探究了地表堆载作用下地铁盾构隧道受力变形的机制。如魏纲等通过 有限元软件构建了单个管片环的三维精细化数值模型，研究在偏心堆载作用下地铁盾构隧道管片环的横向变形演化规律，指出管片接缝处因应力集中，导致混凝土先于螺栓发生破安全与环境工程 ：第 卷坏；孙廉威等 将地铁盾构隧道视为纵向上用管片环间接头连接而成的圆环，采用 软件研究了地表堆载作用下地铁盾构隧道管片与环缝接头变形破坏的规律；等 利用连续均质壳体单元模拟地铁盾构隧道，采用 软件研究了不同堆载模式下浅埋地铁盾构隧道变形的机制；桑运龙等 将地铁盾构隧道在纵向上分解成管片环和接头弹簧，建立了管片环间张开与错台模式下的三维精细化有限元模型，探究了地铁盾构隧道在地表堆载作用下的沉降分布与管片环缝变形的规律。然而，上述研究大多将地铁盾构隧道视为完全连续体或者部分连续体，忽略了管片间接头的全面影响，不完全符合地铁盾构隧道结构的真实变形情况。而在实际情况下，地铁盾构隧道是一种由螺栓和管片连接而成的拼装结构，管片间接头是地铁盾构隧道的薄弱环节，在受极端外部荷载的情况下，地铁盾构隧道结构的破坏往往出现在管片间接头部位。因此，评估地表堆载作用下地铁盾构隧道结构的服役性能应重点关注管片间接头部位的受力变形特性。等、等 和 等 建立了含有螺栓、榫槽的地铁盾构隧道三维精细化有限元模型，分别研究了千斤顶推力、基坑开挖、顶升作用下地铁盾构隧道结构的受力变形机制。对地铁盾构隧道的螺栓、榫槽等结构进行精细化建模的方法无疑能复原管片间接头的受力特点，但由于实体部件之间存在大量的接触面，导致计算速度慢、收敛性差，不利于工程应用与推广。因此，寻求一种高效且能考虑管片间接头弱化效应的三维精细化建模方法具有重要的工程应用价值。本文基于所构建的管片间接头受力模型，建立了地铁盾构隧道结构三维精细化数值计算模型，探究了地表堆载作用下地铁盾构隧道管片结构的受力演化机制，着重分析了管片环间错台、管片张开以及管片受力等地铁盾构隧道细部结构的变形和受力特点。该建模方法极大地简化了地铁盾构隧道结构三维精细化建模过程，大幅提高了计算效率，模拟结果的正确性由解析理论得到验证，相关研究可进一步为明确地铁盾构隧道结构在遭受临时突发地表堆载作用下的力学响应特征提供支撑。管片间接头受力模型构建管片间接头作为地铁盾构隧道结构中力学性质最特殊的区域，对地铁盾构隧道的承载性能起着决定性作用，因此在数值模型中其构建方法非常重要。当对地铁盾构隧道建立含有螺栓、榫槽的实体精细化结构模型时，往往会产生大量且复杂的接触计算，这极大地限制了有限元计算模型在实际工程中的应用。为了克服实体精细化建模的复杂性，每个传递力的螺栓榫槽组合体可被视为一个整体接头单元，这些单元存在重复性和规律性，并可以用拉压、径向剪切和切向剪切这三个分量来定义管片间接头单元的受力和位移方向，如图所示。基于此，桑运龙等 采用非线性弹簧来模拟管片间接头。本研究在其对管片间接头单元定义的基础上，用一个管片间接头刚度矩阵来近似代表管片间接头单元，不仅增强了管片间接头刚度方程的非线性，也在刚度矩阵中增加了额外的非对角线项，进而对管片间接头力学行为的描述更加详细且全面，从而提高了管片间接头受力模型的真实性和准确性。图管片间接头分量的定义 为了建立管片间接头刚度矩阵，以管片间接头错位向量（张开量、径向错台量、切向错台量）为基本未知量，并将这三个基本未知量连同其他参数组装为一个的刚度矩阵（，；，），管片间接头内力向量（拉伸力、径向剪切力、切向剪切力）由管片间接头的错位向量与刚度矩阵 相乘而得，即：熿燀燄燅（）（）（）（烄烆烌烎）熿燀燄燅（）式中：、为管片间接头刚度矩阵分量，且均非定值；其他分量在本研究中视为。由上式可知，管片间接头力向量的任意一个分量都与位移向量中至少一个分量存在非线性关系。第期阮恒丰等：地表突发堆载作用下地铁盾构隧道变形机制三维精细化数值模拟研究为了充分贴合真实管片间接头的非线性力学特性，力位移函数关系式均取自现有典型地铁盾构隧道管片间接头足尺模型试验的数据。管片间接头拉伸力（）的确定根据公式（），管片间接头的拉伸力（）只与张开量（）存在函数关系，即（）。为了研究地铁盾构隧道管片间接头在拉拔过程中的受力变形特征和破坏过程，耿萍等 开展了管片间接头抗拉性能足尺模型试验，试验中管片为 强度等级的混凝土，螺栓长度为 （螺纹段长度为 ）、直径为、强度等级为 级，根据其试验数据拟合出典型地铁盾构隧道管片间接头的拉伸力张开量关系式，可分为如图所示的个阶段：图管片间接头的拉伸力（）与张开量（）的关系曲线 （）（）（）螺栓松弛阶段：管片间接头受压时，管片之间的压力主要由混凝土承担，在这一阶段，一般可以认为管片间接头的拉伸力大小为零。（）螺栓弹性受拉阶段：当管片间接头张开量从增加到时，管片之间的间隙逐渐张开，管片间的内力也随之传递到螺栓上，螺栓一直弹性受拉直至管片间接头的拉伸力达到 后，螺栓开始屈服，管片间接头拉伸力不再线性增长。（）螺栓塑性受拉阶段：当管片间接头张开量达到 后，螺栓完全屈服，管片间接头拉伸力增长放缓，最终螺柱进入塑性流动阶段，管片间接头拉伸力稳定在 左右。管片间接头径向剪切力（）的确定根据公式（），管片间接头的径向剪切力（）与径向错台量（）和张开量（）均存在函数关系，即（）（）。由于管片间接头的抗剪性能在接头出现张开后会被逐渐削弱，故可引入折减系数将该公式进一步简化为（）（），其中的取值根据管片间接头张开量的大小和正负来确定。管片间接头的这一特殊性质具体表现为：当管片间接头受压或受力为（）时，凹凸榫槽接触并咬合，管片间接头的抗剪性能得到充分发挥，因此折减系数；而当管片间接头受拉（）时，凹凸榫槽开始分离，接触面积减小，导致管片间接头的剪切刚度下降，因而折减系数从逐渐减小为；随着管片间接头的 张开 量 逐 渐 增 加直至超 过 榫 槽 凸 起 长 度（）后，管片间接头的径向剪切力完全由螺栓承担，此后折减系数。为了研究地铁盾构隧道管片间接头在剪切过程中的受力变形和破坏过程，等 开展了管片间接头足尺模型剪切试验，试验中管片采用 强度等级的混凝土，螺栓长度为 、直径为、强度等级为，根据其试验数据拟合出典型地铁盾构隧道管片间接头的径向剪切力径向错台量关系式，可分为如图所示的个阶段：图管片间接头的径向剪切力（）与径向错台量（）的关系曲线 （）（）（）榫槽摩擦阶段：当管片间接头径向错台量从 增加到 时，凹凸榫槽间空隙逐渐减小，摩擦作用首先开始承担剪切力，管片间接头的径向剪切力从 开始突增。（）榫槽弹性受剪阶段：当管片间接头的径向错台量从 增加到 时，管片间接头的径安全与环境工程 ：第 卷向剪切力已超过凹凸榫槽结构所能提供的最大静摩擦力，凹凸榫槽紧密咬合，榫槽在弹性变形的状态下受剪切作用，管片间接头的径向剪切力呈近似线性增长。（）榫槽失效阶段：当管片间接头的径向错台量从 增加到 时，管片间接头的剪切力超过了摩擦力和榫槽强度极限的总和，榫槽破损并出现裂缝，螺栓开始承担剪切力，管片间接头的径向剪切力的增长速率逐渐增大后基本保持稳定。（）螺栓受剪阶段：当管片间接头的径向错台量超过后，螺栓继续承受增加的剪切力，但管片间接头的抗剪性能却未明显降低，这是由于凹凸榫槽结构虽然被破坏但摩擦系数反而增大了。而充满裂纹的榫槽继续工作直到抗剪能力最弱的凸出榫槽结构被刮掉后，管片间接头无法再承受超过 的径向剪切力。管片间接头切向剪切力（）的确定根据公式（），管片间接头的切向剪切力（）只与切向错台量（）存在函数关系，即（）。鉴于管片间接头在切向上的剪切力一般较小，凹凸榫槽结构在此方向上被舍弃，因此剪切力大多数由螺栓的弹性受剪承担，其