软土地区盾构隧道变形及加固分析

罗跃春，童佳荣，王宁伟，孙海峰

（广东省珠海工程勘察院 广东省岩土基础工程技术研究中心，广东珠海519000）

1 引言

我国沿海地区分布有大量软土，这些地区经济较为发达，已建设或规划了大量地铁线路。由于软土具有承载力低、流变性强等特点[1]，穿越软土区的地铁隧道由于其外部约束强度不够，在土水压作用下易产生接头张开及横向变形，进而威胁地铁盾构隧道的安全[2]。刘梓圣[3]等就软土中的盾构隧道采用纤维布加固进行模拟分析，发现当土体抗力系数较大时，隧道横向变形与等效荷载基本呈线性关系。但随着土体抗力系数较小时，上述关系呈非线性关系，隧道变形速率显著增大。同时，指出采用芳纶纤维布对其进行加固具有较好效果。但需注意的是纤维布与盾构隧道采用环氧粘贴，随时间推移其黏结性能将逐渐退化，从而影响加固效果。柳献[4]等提出了利用钢板环对盾构隧道进行加固，由于有钢板环具有较好刚度，加固后盾构隧道的变形得到了明显控制，其接头张开也得到了抑制。鉴于以上，本文以上海某盾构隧道为工程背景，通过有限元分析，探索了隧道变形与上覆软土深度的发展规律，并在此基础上对软土中盾构隧道钢板环加固效果进行了初探，这的研究可为相关工程提供参考。

2 计算模型

本计算隧道环三维模型如图1所示，模型中隧道环外径、内径和管片厚度均与上海某线路地铁盾构隧道一致，分别为6.2 m、5.5 m和0.35 m。一般隧道埋藏于地下属于线状工程，而本次分析主要考察隧道的横向变形，固选取一环作为计算单元，其沿盾构隧道长度方向为1.2 m。由图1可以看到，该隧道环计算单元由6块管片拼接而成，它们分别是封顶块（K）、临接块（L1和L2）、标准块（B1和B2）以及封底块（D）。与实际工程一致，模型中相邻管片采用2根直螺栓进行连接，该螺栓直径为30 mm，长度为485 mm，强度等级为5.8级。观察模型可以发现，隧道环结构及其所受荷载均为左右对称，其变形也应是左右对称的。因此，为了提升计算效率，本分析计算时仅对隧道环左侧进行计算（见图1b）。在实际工程中，为便于施工盾构管片上通常设有手孔、安装孔、螺栓孔等，导致管片几何形态较为复杂，这给计算模型的网格划分带来了困难，同时考虑到这些孔一般设有加强钢筋，一般均不是薄弱部位，不易出现破坏，因此，本模型中不考虑以上孔位[5]。管片内部钢筋根据上海某地铁盾构管片设计图纸布设，钢筋与管片混凝土采用“embed”方式处理，即不考虑钢筋与混凝土之间的相对滑移。相邻管片的连接螺栓的两端设有螺帽，也采用“embed”方式与管片混凝土进行连接。相邻管片接头设置“hard contact”连接，并设有0.3的摩擦系数，以模拟管片接头受力行为。

图1 某盾构隧道环计算模型

对于加固隧道环，加固部件参考上海某地铁加固工程选取20 mm厚钢板。加固部件与隧道环的连接通过Cohesive Behavior行为模拟。该Cohesive Behavior本构为线弹性，具体参数如表1所示。值得指出的是，本次加固模拟是一种预加固手段，即在隧道受荷前就进行了加固，这是为了更全面地考察在不同软土荷载作用钢板对隧道的加固效果。

表1 Co h esi v e B e h a v ior本构参数取值

在实际工程中，地铁隧道环同时受到土压力和静水压力的作用，对其精确反应较为困难，一般可采用荷载结构法进行简化[6]。其方法为，首先计算隧道外部的荷载，并将其以面荷载形式直接施加于隧道环外壁上，同时土体抗力作用以地基弹簧来进行模拟（见图1），该地基弹簧一端接地，一端与隧道环外壁连接，当隧道环发生横向变形时，该地基弹簧将起到抑制其变形的作用。图1中土的竖向和侧向土压力（P1和P2~P3）按水土合算计算、土层反力（P4）按隧道环竖向受力平衡计算，隧道环外土体则以全周布置的受压地基弹簧进行模拟。

根据相关文献，上海软土地区其土的重度一般为17.2~20.1 kN/m3，本计算模型中土的重度选取为19 kN/m3，并假设隧道环整个埋置于软土中。上海的盾构隧道埋深可逾20 m，在局部地区甚至超过30 m。此外，由于后期城市建设开展，一些区段区将出现地表堆土或上部新建建筑，导致隧道等效埋深可超过40 m。为便于统一分析比较，本分析中土体压力按等效埋深进行计算。最大埋深按实际工程适当加大，本分析以0~60 m的等效埋深对应的土压力进行加载，即隧道环上部的竖向土压力P1为0~1 140 kPa。分析模型中静止土压力系数按0.5取用，土层抗力系数取为2 500 kPa/m。

3 材料参数

计算中管片混凝土本构按GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）[7]规定的弹塑性模型计算，其强度为按C55考虑。计算模型中管片内部钢筋、连接螺栓、钢板均按理想弹塑性考虑，其屈服强度分别取为410 MPa、515 MPa和305 MPa，所有钢材屈服前的弹性模量均取为200 GPa。

4 结果分析

图2为隧道环接头张开量随竖向荷载P1（P1大小反映的是上覆土深度）关系曲线图，可以看到无论加固与否，随隧道上部的荷载加大，其顶部和腰部的接头张开量均随荷载P1增大而增大。同时可以看到，其腰部处接头张开速度比顶部接头张开速度要快，因此，软土中盾构隧道变形应重点关注腰部处变形。同时可以看到，采用钢板对隧道环进行加固后，其接头张开良得到了明显控制，尤其当荷载小于600 kPa时，其发展趋势远低于未加固隧道环，表明当荷载不大时钢板具有较好的加固效果。通过对比可以发现，在隧道上部荷载小于600 kPa以前，加固后的隧道接头张开量约为未加固的40%。

图2 接头张开与竖向荷载关系曲线图

图3 为隧道环变形与竖向荷载关系曲线图，其中隧道竖向变形和横向变形分别是指隧道环顶底、左右相对位移，本分析中随荷载增大，隧道顶底逐渐靠拢，而隧道左右侧逐渐远离，整个隧道呈“横鸭蛋”变形。在相同荷载作用下隧道竖向变形略小于横向变形。钢板加固在荷载不大时对隧道变形控制较好，但后期随着加固部件与隧道环连接破坏，其加固效果逐渐降低。通过对比可以发现，在隧道上部荷载小于600 kPa以前，加固后的隧道变形约为未加固的50%。

图3 隧道变形与竖向荷载关系曲线图

5 结论

1）软土中的盾构隧道，其接头张开量与上覆软土厚度近似呈线性关系，上覆土越大（上部荷载越大）接头张开越大，且隧道腰部处的接头张开速度明显快于顶部接头。

2）软土中的盾构隧道，在土压力作用下其变形呈“横鸭蛋”形，且竖向变形量略小于腰部变形。

3）加固后隧道环接头张开量和横向变形均得到明显控制，在荷载较小时该现象尤为明显，如当上部荷载≤600 kPa时，加固后隧道接头张开量可降低约60%，隧道变形可降低约50%。但随荷载增大，其加固效果逐渐降低。