跨海公路盾构隧道结构响应特征研究

郑浩龙，李长俊，陆钰铨

（1.浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030；2.水下隧道智能设计、建造与养护技术与装备交通运输行业研发中心，浙江 杭州 310030）

0 引言

近年来，盾构隧道在我国大型跨河（海）通道以及城市轨道交通中的应用日益增多，跨海盾构隧道工程往往面临软土沉降、水位频繁升降波动、高水压等一系列复杂问题，其隧道结构响应复杂多变[1]。国内学者在跨海盾构隧道结构响应方面进行了较多的研究，苏宗贤等[2]提出了荷载-结构模式的壳-弹簧-接触模型来研究盾构隧道管片结构的力学行为；周济民等[3]采用数值计算与现场试验方法研究了水下盾构隧道结构外荷载及内力的变化规律与分布形态；何川等[4]采用大断面水下盾构隧道原型结构加载试验系统对南京长江隧道及珠江狮子洋隧道的管片衬砌结构进行了试验研究；吴世明等[5]通过现场监测对杭州庆春路过江隧道在运营期横断面结构的受力和变形特性进行了研究。本文依托舟山鲁家峙至东港公路工程，对隧道盾构段的典型断面结构进行数值建模计算，分析结构的整体受力与变形状态，可为盾构隧道运营期的结构健康监测方案提供指导。

1 工程概况

鲁家峙至东港公路工程项目全长2.225km，全线设有一座总长1 920m隧道，是浙江省第一条公路工程海底盾构隧道。隧道盾构段主体位于沈家门港海域，由鲁家峙侧海积平原区进洞，穿过沈家门港海域，从沈家门侧海积平原区出洞，全程采用大直径泥水盾构施工，最大挖深约25m。如图1所示。隧道盾构段施工主要穿越的土层为淤泥质（粉质）黏土、（含砾粉质）黏土、（粉质）黏土等，河床历史最高水位为3.26m，历史最低水位为-2.79m。

图1 隧道盾构段地层剖面图

2 数值模型

选取代表性断面A与断面B，针对隧道管片衬砌结构的响应规律进行数值模拟。结合地勘资料及相关监测资料，断面A位于沈家门港海域的水深最大处、覆土最浅处，隧道整体主要穿越（含砾粉质）黏土层；断面B处于鲁家峙侧堤坝下方，隧道上半部分处于淤泥质（粉质）黏土层，下半部分处于（含砾粉质）黏土层，具体地层图见图2。

图2 隧道盾构段代表性断面地层图

采用匀质圆环法进行建模，隧道衬砌采用二维梁单元，梁为直径11.05m的圆形梁，梁单元截面为尺寸1m×0.5m的矩形截面。其中，0.5m对应管片厚度，1m对应沿隧道轴向的宽度。管片材料为C60混凝土，重度为2 500N/m3，泊松比为0.2，弹性模量取28.8GPa。其中，弹性模量考虑了管片接缝存在引起的刚度折减，参考相关研究取折减系数为0.8[6]。

对两个断面分别建立荷载结构模型（见图3）。荷载包括上部土体应力、侧向土压力、水压力及地基反力。地层相关参数见表1，计算工况见表2。隧道发生变形会引起局部衬砌向外扩张挤压地层，产生地层抗力，地层抗力采用全周非线性弹簧模拟，定义非线性弹簧在受压时的弹性刚度与相应地层的弹性抗力一致，受拉时弹簧的弹性刚度近似为零。断面B中根据地层抗力系数不同分别定义两类弹簧，断面A中只设一类弹簧。

图3 盾构隧道荷载加载与地层弹簧示意图

表1 断面A与B地层参数

表2 计算工况

3 计算结果分析

各工况的模拟计算结果分别见图4～图7。各工况下衬砌结构的弯矩、轴力、剪力、位移均呈现一定的共性规律。弯矩如图4（a）～7（a）所示，整体分布呈苹果状，最大正弯矩均出现于隧道拱顶，除了拱顶区域外，拱底一定区域也会出现正弯矩，但比拱顶正弯矩小；最大负弯矩出现于隧道拱肩部分，隧道拱脚部分也会出现负弯矩，但比拱肩的负弯矩小。轴力如图4（b）～7（b）所示，整体分布大致呈椭圆状，最大轴力均出现于拱腰部位，从拱顶到拱腰再到拱底，轴力呈现先逐渐增大后逐渐减小的趋势，最小轴力出现于拱顶。剪力如图4（c）～7（c）所示，其数值均远小于轴力，近似于45°斜对称。位移如图4（d）～7（d）所示（隧道的变形均按相同的比例进行放大），隧道横断面变形模式基本相同，均为拱底拱顶向内收敛，拱腰向外张开，断面由圆形变化为有一定椭圆度。

图4 断面A在工况1下内力计算结果

图5 断面A在工况2下内力计算结果

图6 断面A在工况3下内力计算结果

图7 断面B在工况4下内力计算结果

各工况下的最大正弯矩均出现于拱顶，最小轴力也出现于拱顶区域，最大正弯矩处对应最小轴力；最大负弯矩均出现于拱肩区域，而最大轴力出现于拱腰部位。通过对比工况1、2、3可知，随着水位的上升，衬砌最大正负弯矩值与之对应的轴力以及竖直与水平向变形量均增大。通过对比工况1～3与工况4可知，工况1～3计算得到的“苹果状”弯矩图更为饱满，这是工况4中隧道断面穿越两种地层导致的结果，工况4计算得到的衬砌结构内力以及竖直与水平向的变形量均大于工况1～3，主要原因是断面B处隧道所受的上部荷载较大。

断面A在工况2下的直径变形量最大为13.8mm，断面B的直径变形量最大为16.0mm，根据《盾构隧道工程设计标准》（GB/T 51438—2021）中规定盾构隧道收敛变形应不超过2‰D，该隧道外径D=11.5m，2‰D=23mm，计算变形值小于规定允许值，处于安全范围。

综上所述，影响衬砌结构内力与变形的主要因素有地层组合模式、水位、上部荷载等。隧道穿越不同地层时，不同的地层组合模式下的衬砌结构内力在横断面上的分布差异较大；在相同的地层组合模式及相同的上覆地层下，随着水位升降变化，衬砌结构内力在横断面上分布形式并未发生明显变化，但其内力值均受较大影响；隧道衬砌结构内力的大小受上部荷载大小的影响明显，上部总荷载越大，断面结构内力也相应增大。

取计算结果中不同工况下盾构隧道衬砌结构在典型部位上的轴力及弯矩值进行安全系数计算，结果如表3所示。

表3 盾构隧道不同工况各部位安全系数计算结果

由表3可知，隧道衬砌结构所有部位的安全系数均大于1，表明均处于安全状态。安全系数由小到大可排序为：拱顶＜拱肩＜拱底＜拱腰，拱顶及拱肩处的安全系数相对较小，在运营期的隧道健康监测中应加强对这些敏感薄弱部位的监测。对比可知，水位的升高会使隧道衬砌结构受力状态更为不利。

4 结语

依托鲁家峙至东港公路工程，对盾构法跨海公路隧道进行运营期结构响应数值计算，分析并对比了不同工况下隧道结构响应规律和结构受力薄弱点，研究结论如下：

（1）影响跨海盾构隧道衬砌结构内力与变形的主要因素有水位、地层组合模式、埋深等，水位以及隧道埋深对衬砌结构内力值有较大影响，地层组合模式对断面上内力的分布形式有较大影响。

（2）通过安全系数对比可知，盾构隧道衬砌结构的拱顶及拱肩处较为薄弱，在隧道运营期应加强对此类敏感薄弱部位的监测。