盾构隧道受损管片结构安全评估方法研究

范志高

(中铁十六局集团有限公司，100020，北京∥正高级工程师)

盾构法地铁隧道是由环形管片拼接而成，该管片起到承压、防水的重要作用，是隧道安全的屏障。在盾构隧道施工或运营过程中，常常会因为施工不当、外部扰动、地质条件变化等原因，导致隧道管片发生变形、破损、渗漏水等病害，严重危害隧道安全。

隧道管片受损后，需对受损管片结构安全进行评估，为后续加固工作提供依据。但目前国内的评估方法仅仅是对隧道管片的收敛变形、渗漏水、裂缝、破损等进行检测[1]，而未对隧道管片的承载力是否满足要求进行计算分析。

1 工程概况

1.1 工程及地质概况

某地铁盾构隧道区间工程采用土压平衡盾构施工方法，其隧道埋深为13～19 m。根据勘探结果，本区间70 m深度范围内的地基土除填土外，均为第四系上更新统至下更新统的冲湖积相、海陆交互相沉积物，岩性主要为黏土、粉质黏土、粉土和粉砂。地面标高为2.90～4.14 m，勘察期间水面标高为1.63 m。

1.2 衬砌结构设计

该区间盾构隧道管片衬砌内直径为5 500 mm，外直径为6 200 mm，厚度为350 mm，环宽为1 200 mm。衬砌环由6块组成，隧道管片设计每环采用“3+2+1”形式，即3块标准块(A1、A2、A3)、2块邻接块(B1、B2)和1块封顶块K，均采用钢筋混凝土制作，混凝土强度为C50，抗渗等级为P12级。隧道管片结构断面设计图(见图1)。

图1 隧道管片结构断面设计图

隧道管片环采用错缝拼装的形式，通过弯曲螺栓连接。每条环缝共有16根M30纵向螺栓，沿衬砌环环向均匀布置；每环有6条纵缝，共有12根M30环向螺栓，螺栓分布见图2。

图2 盾构隧道衬砌管片连接螺栓展开图

2 受损隧道管片检测

隧道右线第294环—第295环附近曾发生漏水、漏砂险情。发现险情后，施工单位人员立即采取水泥袋堆积反压措施，同时在涌水点位开孔进行长管注浆，最后采用注聚氨酯进行封堵。由于水土流失会导致隧道管片严重变形、碎裂，发现管片发生变形、碎裂后，相关人员立即采取架设支架、浇筑混凝土墙等措施以抵抗变形，避免造成严重的次生灾害。

随后对隧道管片进行检测，发现右线第293环—第297环均发生了严重的椭圆度变形(见图3)，隧道管片最大错台量为102 mm，并在第294环、第295环分别发现了8条、10条裂缝。

图3 右线第293环—第297环附近椭圆度变形

3 隧道管片结构安全评估方法及原则

隧道管片结构分为衬砌环和环缝2个部分，安全评估工作应按衬砌环和环缝分别进行。

3.1 衬砌环评估

对衬砌环进行安全评估时，应计算隧道管片截面承载力Rs、隧道管片截面荷载效应Ss、纵缝截面承载力Rj、纵缝截面荷载效应Sj。计算时应符合以下基本要求：

1)对作用力及其组合应考虑结构目标使用期，应符合GB 50068—2018《建筑结构可靠度设计统一标准》有关规定。

2)隧道管片与纵缝的承载力和荷载效应计算应分开进行，并对隧道管片与纵缝的安全分别进行评估。

3)每衬砌环内应至少对顶部、底部、两腰及所有错缝截面进行隧道管片承载力和荷载效应计算。

4)每衬砌环内应对所有纵缝进行纵缝承载力和荷载效应计算。

隧道管片截面的鉴定评级应按表1进行。

表1 隧道管片截面鉴定评级标准

纵缝截面的鉴定评级应按表2进行。

表2 纵缝截面鉴定评级标准

衬砌环的鉴定评级应综合考虑隧道管片和纵缝的鉴定评级结果，按表3进行。

表3 衬砌环鉴定评级标准

3.2 环缝评估

环缝鉴定评级时，首先应计算环缝螺栓群总剪力、环缝面最大摩擦力和螺栓群总抗剪强度，随后再根据表4进行环缝的鉴定评级。

表4 环缝鉴定评级标准

4 隧道管片承载力计算

4.1 隧道管片截面承载力

隧道管片截面承载力Rs的计算应按照现行国家标准GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中矩形偏心受压构件的承载能力极限状态有关规定进行。

对于大偏心受压的隧道管片矩形截面，Rs(即Ncu)的计算如式(1)—式(2)所示。

Ncu=α1fcbxh+fy0As0-fyAs

(1)

fy0As0(h0-as0)

(2)

式中：

Ncu——截面极限轴力；

α1——系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α1取1；当混凝土强度等级为C80时，α1取0.94，其间按线性内插法确定；

xh——混凝土受压区高度；

b——矩形截面宽度；

h——矩形截面高度；

h0——截面有效高度；

as——受拉钢筋中心至截面受拉边缘的距离；

as0——受压钢筋中心至截面受压边缘的距离；

ηs——考虑P-Δ效应的弯矩增大系数；

ei——初始偏心距；

fy、fy0——分别为钢筋的抗拉、抗压强度设计值；

As、As0——分别为受拉钢筋和受压钢筋的截面面积；

fc——混凝土抗压强度设计值。

对于小偏心受压的隧道管片截面，Rs(即Ncu)的计算如式(3)—式(5)所示。

Ncu=α1fcbxh+fy0As0-σsAs

(3)

(4)

(5)

式中：

ξ——相对受压区高度；

ξb——界限相对受压区高度；

σs——小偏心受压时受拉钢筋应力。

4.2 纵缝截面承载力

纵缝截面承载力Rj采用式(6)—式(8)进行计算。

(6)

(7)

lirεir=θ(d-Zc)

(8)

式中：

Mcu——截面极限弯矩；

x——以形心为原点，以隧道管片厚度方向为横轴X的坐标；

b(x)——坐标为x处的截面宽度；

ε(x)——坐标为x处的混凝土应变；

σ(x)——坐标为x处的混凝土应力；

A——连接件的面积；

d——连接件中心距外(内)弧面的长度；

θ——截面转角，按θ=lcεcu/Zc计算；

lc——混凝土压缩影响深度；

εcu——混凝土极限应变；

lir——螺栓长度；

εir——螺栓应变；

Zc——受压区混凝土沿截面高度方向上的长度。

4.3 环缝承载力

通过有限元软件计算，可求出对应于圆心角φi位置的螺栓切向剪力Fτi和法向剪力Fni。假设水平剪力以向右为正，竖向剪力以向上为正，则环缝螺栓群总水平剪力FX与总竖向剪力FY可采用式(9)—式(10)进行计算：

(9)

(10)

则螺栓群的总剪力F为：

(11)

环缝断面每0.75°的最大静摩擦力为12 kN。其合计最大静摩擦力为5 760 kN。

建立环缝螺栓的三维模型，如图4和图5所示。

图4 环缝螺栓计算模型

图5 环缝螺栓应力分布情况

通过三维模型计算，可得到单根螺栓的错台-荷载曲线如图6所示。

图6 单根螺栓的错台-荷载曲线

依据图6曲线，取单根螺栓的抗剪强度为150 kN。考虑到环面上共有16根螺栓，螺栓群总抗剪强度为2 400 kN。

5 隧道管片荷载效应计算

5.1 受力情况分析

受力分析理论采用均质圆环法。将由n块隧道管片构成的圆形隧道衬砌结构看作刚度均匀的均质圆环体，考虑隧道管片接头的存在，在隧道管片抗弯刚度的基础上乘以刚度折减系数η，以此作为整环的抗弯刚度。在荷载和地层抗力的共同作用下得到该圆环上的内力分布。考虑错缝拼装效应时，在共同变形下隧道管片上的弯矩相对于接头来说要有所提高，故将上述匀质环的弯矩乘以一个弯矩提高系数(1+β)，作为隧道管片上各截面的弯矩，而接头上的弯矩要乘以弯矩降低系数(1-β)，从而得到修正后的弯矩分布。隧道管片受力分析计算简图如图7所示。

图7 原设计正常运营工况计算简图

根据国家标准GB 50010—2010，分别将水、土压力采用水土分算，其计算荷载如下：

1)地面超载Q按20 kPa计。

2)结构自重应力G=8.75 kPa。

3)顶部竖向土压应力Ph=∑γihi=189.00 kPa(γi、hi分别为第i层土的重度、高度)。

5)顶部侧向土压应力P1=PhK0= 113.40 kPa(K0为系数)。其中参数均取衬砌圆环侧向各土层的加权平均值。

6)底部侧向土压应力P2=P1+2RHγK0= 142.90 kPa。其中参数均取衬砌圆环侧向各土层的加权平均值。

7)地层反压应力Pr=195.70 kPa。

8)顶部水压应力P1=γwh1= 152.34 kPa(γw为水的重度，h1为顶部水头高度)。

9)底部水压应力P2=γwh2= 210.84 kPa(h2为底部水头高度)。

5.2 有限元计算

5.2.1 有限元模型

采用ANSYS软件对衬砌模型进行有限元计算，其模型示意图如图8所示。该模型衬砌结构参考实际设计尺寸建立，环宽为1.200 m，隧道管片厚度为0.350 m，半径为2.925 m；分块和拼装角度均与实际相同，即封顶块K的角度为22.5°、邻接块B1、B2的角度均为67.5°、标准块A1、A2、A3的角度均为67.5°。采用壳-弹簧模型[2]对隧道管片采用非线性壳单元模拟。考虑接缝位置处混凝土压缩、径向和纵向剪切作用，以及非线性螺栓作用，纵缝与环缝接头采用弹簧模拟。

图8 衬砌模型示意图

5.2.2 模型参数

现状工况下，根据实测数据对衬砌结构内力进行位移-结构法反算。根据现场实测收敛变形反算，得出衬砌结构在现状变形下的衬砌结构环内隧道管片和接缝位置处弯矩和轴力值。根据环间实测错台，以强迫位移法作用于模型环缝处，反算衬砌环缝处剪力。根据衬砌环内和环间内力进行现状工况下衬砌结构安全性评定。在建立多环模型的同时，对环缝和衬砌环内力进行计算(见图9)。

图9 多环分析模型图

现状工况下，在衬砌环安全性与环缝安全性的计算中材料强度选用标准值。混凝土抗压强度标准值fc为32.4 MPa，抗拉强度标准值ft为2.64 MPa，弹性模量为3.45×104MPa。钢筋抗拉、抗压强度设计值fy=fy0=400 MPa，弹性模量为2.0×105MPa。

5.3 安全评估结果

以右线第294环为例，在现状工况下，采用ANSYS软件计算分别对衬砌环和环缝进行计算和安全评估。裂缝验算采用准永久组合计算。(ANSYS软件计算中未计入分项系数及结构重要性系数，软件中按照每延米计算，校核中考虑1.2 m环宽)。

1)衬砌环。右线第294环在现状工况下隧道管片控制截面的内力及校核结果见图10和表5。

表5 右线第294环隧道管片控制截面的内力校核结果

注：内力均为每环内力；弯矩为正表示内弧面受拉；轴力为正表示受压。

2)纵缝。右线第294环在现状工况下纵缝控制截面的内力及校核结果见表6。

表6 右线第294环纵缝控制截面的内力校核结果

3)环缝。在现状工况下，计算可得：第293环—第294环环缝R/S=0.898，评级为D级；第294环—第295环环缝R/S=0.892，评级为D级。

根据校核，在原设计正常运营工况下，第294环隧道管片承载力无法满足规范要求。

6 结语

本文以某地铁盾构隧道区间受损隧道管片安全评估工作为依托，介绍了盾构隧道受损管片结构安全评估的方法和原则。

1)根据计算结果，右线第294环安全评估结果为D级，第293环—第294环环缝、第294环—第295环环缝安全评估结果为D级，应立即采取钢环加固等补强措施。

2)采用承载力/荷载效应的核验方式可准确判断受损隧道管片目前的受力状态，可供类似工程参考。