盾构隧道大修结构服役性能评价及跨尺度模拟

周 彪，谢雄耀，杨雨冰，王啸剑

(1. 同济大学 土木工程学院，上海 200092； 2. 华南农业大学 水利与土木工程学院，广东 广州 510642)

随着运营时间增长，部分越江盾构隧道衬砌开裂并渗漏水，同时产生局部纵向沉降过大、环缝漏水漏泥、封顶块纵缝张开量过大等病害[1-3]，对运营安全造成威胁.对打浦路盾构越江隧道已进行了大修，并形成了《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》[4]等标准化文件，为后续大修奠定了良好基础.然而，由于盾构隧道结构劣化成因复杂，各影响因素相互耦合，目前我国盾构隧道的性能评价和维修尚缺乏系统的理论基础和可操作的技术体系，维修目标及策略选择盲目.因此，如何考虑盾构隧道劣化与各影响因素间的关系，并采用合理的结构安全评价方法，对于合理确定大修及后续维养策略至关重要.

隧道性能评估的目标是确定盾构隧道服役状态，分析结构劣化原因并预测性能演化规律.现行的规范和手册[4-5]对盾构隧道的安全等级评价及指标有着明确的规定，但缺乏可操作的大修性能评估流程.评估方法多是基于故障树理论，以隧道变形、裂缝、渗漏水等指标为导向，通过病害成因分析，采用权重或模糊综合评判方法进行多层次评价[6-8]，但此类方法是以事故为导向，缺乏服役条件考虑，以及从材料、构件及结构等多个尺度上进行系统性和全寿命周期演化规律的分析.

Milne等[9]和李兆霞[10]认为，大型土木工程在结构服役期内受到环境侵蚀、材料老化以及荷载的长期疲劳效应、突发事变过载效应等因素的综合作用，导致损伤积累和抗力衰减.损伤演化造成结构劣化的因与果分别属于不同尺度、不同层次，损伤演化过程从材料的微细观缺陷和构件连接部位在建造中留下的细观缺陷开始，在服役环境与极端灾害环境的共同作用下，逐步发展到宏观，造成结构劣化乃至发生灾变.因此，盾构隧道性能评定需考虑服役环境，分别从材料、构件及结构进行跨尺度及多层次分析.孙钧[11]、庄晓莹等[12]结合试验和数值方法初步探讨了盾构隧道性能演化规律，但如何进行系统性和流程化的评价值得深入研究.

以延安东路越江隧道(下文简称延东隧道)大修工程为背景，以性能评价为基础，通过评估区段划分，建立以环境-材料-构件-结构为主的多层次评估方法及标准化流程.重点针对局部特殊区段，综合随机格构理论及Diana有限元分析方法，提出了以材料-管片-隧道结构为主体的跨尺度模拟方法，分析了盾构隧道在不同收敛变形条件下衬砌结构开裂特征及变化规律，最后提出了盾构隧道收敛变形指标.

1 盾构隧道大修结构性能评估流程与方法

1.1 延东隧道大修结构性能评估原则及等级划分

根据运营隧道设计规定以及使用时间、使用条件和使用状况，考虑盾构隧道的服役环境及结构特点，可将盾构隧道视为处于服役环境中不断演化的材料、构件及结构综合体系.参考《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》等国内外规范[4-5,8]，根据隧道的服役状态等级，将隧道结构维护和修缮规模划分为五个等级，如表1所示.

表1 隧道结构服役性能等级划分及大修规模

隧道大修是在结构安全处于“危险”状态、已影响隧道结构及运营安全时开展,必须封闭隧道交通并立即采取措施对隧道结构进行系统性处理，特殊情况下可进行局部改建和改造.项修指在限制通行或局部封闭隧道交通的情况下，对处于“恶化”状态结构中的一些分项进行集中的专项整治.

1.2 延东隧道大修结构性能评估流程

延东隧道评估主要包括资料调研及现场检测、病害统计及成因分析、评估区段划分、盾构隧道大修结构多层次现状评估、特殊区段专项模拟及评估，以及盾构隧道大修后评估，如图1所示.

图1 盾构隧道大修结构性能评估流程

(1) 隧道历史资料调研及现场检测

收集并核对设计、施工、运维及病害等历史调查资料，调研隧道的建造和实际使用状况及病害等历史.在大修期间，对隧道从环境、材料、构件及结构四个层次进行全面检测，了解隧道病害分布特征.在此基础上，进行病害统计及成因分析.

(2)隧道结构大修多层次整体性能现状评估

基于调研及隧道检测结果，将隧道划分为重点区段和一般区段.对每个区段，采用模糊综合评判或权重分析方法，分别从环境、材料、构件及结构四个方面对该区段进行性能等级评定，在此基础进行隧道整体性能评价.

(3)隧道结构大修特殊区段专项评估

对施工期发生过重大事故或存在初始缺陷以及在运营期存在重大隐患，大修现状评估指标单项或整体区段评估等级为IV级及以上的情况，评估方法宜考虑施工、运营等各因素及环境、材料、构件和结构等多层次的影响.

(4)大修后评估

大修后评估及检测宜在隧道修缮完成后一年进行，结合隧道内监测数据，开展大修后隧道重点区段服役性能检测和评估，预测隧道性能演化规律及寿命，并对后续维养提供建议.

2 延东隧道大修结构整体性能分区段评估及收敛特性分析

2.1 延东隧道大修概况

延东隧道是我国最早建设的越江盾构隧道，其中隧道南线始建于1994年，1996年底竣工，全长约2 112 m，盾构段长约1 310 m.建成20年后由于机电老化启动全线大修，同步对土建工程进行全面评估和维修.

2.2 延东隧道大修分区段多层次评估方法

根据如图1所示评估流程，为准确评估延东隧道南线服役现状，综合现场检测结果对隧道大修结构整体性能分区段评估，主要包含以下几个方面：

(1)结构多元检测

待延东隧道大修工程拆除内装修后，采取了激光扫描、表观机器视觉、雷达等方法对隧道进行了综合检测，检测结果见文献[13].

(2)评估区段划分

隧道性能逐步退化和病害发展常呈现区段化特征.综合隧道建设特点及服役环境，将隧道评估段划分为重点和一般区段.重点区段包含联络通道及其两侧10环范围内、工作井两侧30～50 m区段、施工及运营事故段等.以关键区段端点作为分界点，根据历史沉降数据等依据划分一般区段.将延东隧道南线划共分为11个评估区段.

(3)分区段评估

基于调研及检测结果，依据评估指标体系[13]，采用模糊综合评价方法，将环境、材料、构件及结构作为二级模糊评判层次，基于评价指标隶属度函数的参数值，根据安全度确定区段安全等级，评估方法及等级划分见文献[13].

延东隧道南线各区段服役性能等级如图2所示，其中1、2、3号井、江中心段及外滩通道穿越区段的等级为Ⅱ级，其余区段为Ⅰ级.

2.3 延东隧道南线收敛特性及专项评估需求

如图2所示，评估区段整体性能均为I、Ⅱ级，整体性能为正常及退化.如图3所示，由三维激光全空间扫描椭圆拟合方法[14]求取的收敛椭圆度值发现，局部区段已达到《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》中的IV级.

对比图3中椭圆度曲线与沉降收敛曲线可以发现，收敛与曲率具有强相关性.由此可知，隧道在长期运营过程中，收敛与沉降具有耦合关系.收敛超限区段管片未出现明显的开裂现象，并且施工记录中仅有拼装收敛较大，但无明确的初始记录数据，因此为探究初始收敛较大条件下新增收敛对结构性能的影响，开展了跨尺度模拟研究.

图2 延东隧道南线各评估区段健康等级

图3 延东隧道南线椭圆度变化与变形曲率关系

3 延东隧道收敛与开裂特性跨尺度模拟及分析

3.1 跨尺度模拟方法

采用如图4所示方法开展跨尺度结构性能分析.通过混凝土材料细观模拟确定断裂能参数，继而通过管片构件开裂试验及模拟结果对比来确定模型参数，最后开展不同收敛条件下结构层次的服役性能模拟.

3.2 混凝土材料细观模拟及断裂能参数确定

对照Bažant教授所开展的混凝土断裂能试验，

图4 不同收敛条件下隧道裂缝特征跨尺度分析方法

Fig.4 Cross-scale analysis method for tunnel crack under different convergence conditions

采用格构混凝土材料模型分析不同尺寸试件的断裂特性，确定盾构隧道管片混凝土的I型断裂能.

混凝土内部水泥基和骨料随机分布，为建立混凝土随机格构模型，首先生成随机三角格构[15]，而后将符合富勒颗粒级配曲线的混凝土颗粒结构(骨料)映射到格构单元上[16]，获得混凝土材料格构模型，如图5所示.

图5 随机混凝土格构模型建立流程

参照Bažant教授开展的混凝土断裂能试验，建立如图6所示三类不同梁高试件(S、M、L)的随机格构模型[17].极限荷载P和名义应力σN计算值与试验值的对比如表2所示，两者吻合良好.

图6 Bažant断裂能试验试件尺寸及随机混凝土格构模型

表2 极限荷载和名义应力的试验值与计算值

依据基于尺寸效应模型的断裂能定义[17]，可采用以下格构算法求取断裂能[18]：

(1)

3.3 管片加载试验模拟及模型参数确定

经现场测试，延东隧道管片材料未发生弱化，通过对比单块管片结构在不同边界和荷载条件下的开裂压碎过程[19]，确定模拟所需的混凝土、嵌入式钢筋等单元模型及参数建议值.如图8所示，试验管片的外径为3 000 mm，内径为2 700 mm，宽度为1 200 mm，中心角为67.5°.混凝土标号为C50，弹性模量为34.5 GPa.通过三个并联千斤顶施加径向等值荷载P，采用两端支撑跨中挠度控制加载[20].

图7 盾构隧道管片混凝土尺寸效应率的线性化计算值

a 管片配筋

b 加载条件

c Diana有限元模型

选取非线性有限元结构分析软件Diana 9.4.4进行计算[18].混凝土采用修正Maekawa模型，并采用含多方向固定裂缝模型及Hordijk应变软化曲线模拟混凝土开裂及软化特征[21-22].钢筋采用嵌入式钢筋Von-Mises理想塑性模型.计算与试验的荷载位移曲线对比如图9所示.选取特征点1、2、3为特征荷载值，并定义为开裂荷载、屈服荷载和极限荷载点，试验值与计算值的相对误差均在±3%以内.

基于上述模拟，通过参数调整，得到管片混凝土及钢筋模拟参数(见表3～5)，并用于后续隧道整环结构开裂特征模拟.

图9 盾构隧道管片加载试验值与计算值对比

密度/(kg·m-3)弹性模量/MPa泊松比抗拉强度/MPa抗压强度/MPa断裂能/(N·m-1)裂缝带宽度/m25003.45×1040.22.6440570.1

表4 钢筋网模型参数

表5 管片与土体界面单元参数

3.4 盾构隧道收敛特性模拟及指标确定

盾构隧道的收敛变形直接影响到隧道行车界限，并引发管片裂缝、接头展开等病害，因此隧道收敛变形指标的确定对于评价隧道服役性能及安全状况至关重要.基于确定的材料及构件计算参数，采用Diana软件分析盾构隧道收敛变形和裂缝发展规律，确定收敛变形控制指标.

(1)计算模型及计算参数

如图10所示，隧道外径为11.0 m，内径为9.9 m.每环宽1 m，肋高0.55 m.每环由八块管片组成，封顶块采用全纵向插入，管片环间以M36的纵向螺栓相连，块间以M36的环向螺栓紧密相连.

图10 延东隧道南线管片尺寸示意图

计算中混凝土结构采用八节点四边形平面应变单元(CQ16E)来建立二维模型，管片接头、周围土体对隧道结构的土体抗力采用界面单元CL12I模拟[23-24]，行车道路板与管片之间接触实际形式假定为铰接，采用界面单元(L8IF)模拟，钢筋混凝土及钢筋模型参数如表3～5所示.

(2)不同收敛条件下盾构隧道管片开裂特征

如图11所示，在隧道不同角度处施加收敛量μ[D]，以分析不同新增收敛量条件下管片开裂情况.以线性软化曲线为基础，通过统计单元积分点裂缝应力-应变状况[23]，将裂缝划分为无裂缝(白色)、微裂缝(灰色)及宏观裂缝(黑色)三类[24].在收敛值为0.5%D、1.0%D、2.0%D及3.0%D(D为隧道直径)时裂缝分布情况如图13所示.

图11 盾构隧道的模拟收敛量简化展开图

由图12可知，随着收敛量的增大，裂缝在由隧道底部往侧部和顶部逐步扩展过程中，也由隧道内侧表层宏观裂缝逐步发展为贯穿性裂缝.

a 竖向收敛增量0.5%D

b 竖向收敛增量1.0%D

c 竖向收敛增量2.0%D

d 竖向收敛增量3.0%D

(3)盾构隧道收敛指标确定

图13从整体上给出了不同收敛条件下无裂缝、微裂缝及宏观裂缝占比.从图13看出，随着衬砌环的竖向收敛增量不断增大，开裂率的增长呈现“台阶式”特征，1.0%D和2.0%D处曲线走势有明显的变化出现，表明裂缝扩展及结构性能变化明显.当竖向收敛增量达到1.0%D(见图12b)时，左右侧区域及封顶块宏观裂缝沿环向进一步扩大，并且沿厚度方向扩展，底部和左侧宏观裂缝沿厚度方向已贯穿，形成宏观裂缝.当竖向收敛增量达到2.0%D(见图12c)时，整个管片已无裂缝不发育区域，底部和左侧宏观裂缝贯穿区域进一步扩大.

图13 隧道裂缝状态所占比例与收敛量的关系

基于对不同收敛变形条件下隧道管片开裂特征模拟，综合前人研究成果[25-27]，对照如表1所示安全等级，11.0 m直径级通缝拼装的盾构公路隧道的收敛控制指标如表6所示.

表6 11.0 m直径盾构隧道收敛评价指标

从分析结果看，延东隧道大修期间所测得收敛主要为施工期初始收敛，新增收敛未危及结构安全.

4 结论

(1)随着收敛量增大,开裂区域沿管片环向从拱底扩展到拱底左侧与道路板交接处区域，局部接头处出现错台现象.

(2)随着收敛量的增大，裂缝在由隧道底部往侧部和顶部逐步扩展过程中，也从隧道内侧表层宏观裂缝逐步发展为贯穿性裂缝.

(3)以直径为11.0 m通缝拼装盾构隧道为例，隧道性能随开裂率的增长呈现“台阶式”发展特征，在1.0%D和2.0%D新增收敛量处出现拐点，据此可确定隧道收敛评价指标.