江底凹形纵坡小净距隧道混凝土衬砌的受力性状研究

胡建宾 李 桐 刘瑞康 岳健

（1.中建市政工程有限公司，北京 大兴 102600；2.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

很多城市沿江而建，为了改善城市交通拥挤的状况，需要建设越江隧道；为了满足隧道下穿江水并且从地面进出的线路布置，一些隧道采用“凹形纵坡”的形式，可近似认为由三折线组成，即划分为下坡段、转折段(平直段)、上坡段。一些城市越江交通隧道采用双洞平行布置的形式，以满足双向行车的要求，为了节约土地，双洞之间靠得较近，即采用小净距隧道的形式。很多越江隧道采用钢筋混凝土衬砌作为抵抗水土压力的主要屏障，无论是在施工期还是在服役期，衬砌的受力性状都是决定隧道是否安全的关键因素。因此，有必要研究江底凹形纵坡小净距隧道的衬砌受力性状。尽管国内外学者已经取得了一系列相关的研究成果，但由于该课题涉及到的影响因素较多，还需在数值模拟方面继续研究[1-4]。本文针对江底凹形纵坡小净距隧道，建立三维数值模型，研究隧道混凝土衬砌的受力性状。

1 建立数值模型

1.1 工程概况

某江底浅埋小净距隧道，按城市快速路规格建设，设计速度为60km/h。隧道采用盾构法施工，挖通先行洞后再开挖后行洞。该越江隧道采用凹形纵坡，最大纵坡坡度为5%。研究区段的围岩主要为Ⅴ级强风化粉砂质泥岩，江底岩土覆盖层厚度约为9~11m。采用装配式钢筋混凝土圆形衬砌，衬砌混凝土的强度等级为C50，抗渗等级P12，衬砌环的外直径B为11.3m，衬砌厚度为0.5m。

1.2 有限元模型分析

建立三维有限元数值模型如图1 所示，双洞间净距的变化范围为0.5B~2.5B。模型宽160m，高80m，下坡段与上坡段均为200m 长，转折段（平直段）长22m。计算参数如表1 所示，掘进压力取为240kPa，千斤顶推力取为4558kPa，下坡段、转折段、上坡段的注浆压力分别取为317kPa、328kPa、353kPa。模拟环节如表2所示。

表1 材料的计算参数

表2 模拟环节说明

图1 数值模型

根据本文特殊的研究目的，施工期只考虑江水压力，没有计算渗流；服役期则参照文献[5]的原理计算渗流应力耦合。凹形纵坡转折段的位置最低，易发生渗水，因此在服役期研究双洞转折段衬砌下半部同时渗水的影响（压力水头设为0）。模型底面位移固定，4 个侧面均限制法向位移；枯水期江水最深取为10m，与江水接触的模型顶面为自由面，为透水边界，顶面的总水头取为90m。

2 数值模拟结果分析

2.1 不同位置受力分析

对于凹形纵坡隧道，斜坡段与转折段交界处的下转处衬砌与转上处衬砌统称为“交界处衬砌”。以双洞净距0.5B为例，先行洞交界处衬砌的最大压应力在不同环节的变化曲线如图2 所示，先行洞交界处衬砌在环节7的最小主应力云图如图3所示。计算得知：

图2 先行洞交界处衬砌的最大压应力变化曲线

图3 先行洞交界处衬砌在环节7的最小主应力(单位：kPa)

（1）在施工阶段，先行洞的下转处衬砌与转上处衬砌的最大压应力均呈现为“双折线”形态，但两条分布曲线并不重合。在施工完先行洞的转折段后，先行洞下转处衬砌压应力的最大值为4364kPa，出现在远离中夹岩一侧的拱肩处；先行洞转上处衬砌压应力的最大值为3941kPa，出现在偏向中夹岩一侧的边墙处。在施工完先行洞上坡段后，先行洞下转处衬砌压应力的最大值为4341kPa，出现在远离中夹岩一侧的拱肩处；先行洞转上处衬砌压应力的最大值为5750kPa，出现在偏向中夹岩一侧的边墙处。在施工完后行洞下坡段后，先行洞下转处衬砌压应力的最大值为4474kPa，出现在远离中夹岩一侧的拱肩处；先行洞转上处衬砌压应力的最大值为5781kPa，出现在偏向中夹岩一侧的边墙处。在施工完后行洞转折段后，先行洞下转处衬砌压应力的最大值为4613kPa，先行洞转上处衬砌压应力的最大值为6138kPa，均出现在偏向中夹岩一侧的边墙处。在施工完后行洞上坡段后，先行洞下转处衬砌压应力的最大值为4668kPa，先行洞转上处衬砌压应力的最大值为6312kPa，均出现在偏向中夹岩一侧的边墙处。

（2）从先行洞的纵向看，下转处衬砌与转上处衬砌二者所处的位置关于中间断面对称，如果不考虑施工过程的影响，在服役期转折段衬砌下半部渗水影响下，这两环衬砌的衬砌应力变化似乎应该一致。但计算结果表明：服役期转折段衬砌下半部渗水前后，先行洞下转处衬砌的最大压应力由4668kPa 增大到4821kPa，增大了153kPa；先行洞转上处衬砌的最大压应力由6312kPa 减小到6124kPa，减小了188kPa。由此可见，在服役期转折段衬砌下半部渗水影响下，这两环衬砌的应力变化明显不同，这正是因为如上所述施工过程的影响不同，这表明研究衬砌在服役期的受力性状时，宜考虑施工过程的影响，因为施工期衬砌在受力上的缺陷会在服役期发展直至产生明显病害。

2.2 最大压应力的变化曲线

图4针对5种双洞净距，给出了先行洞衬砌的最大压应力沿凹形纵坡的变化曲线；图5给出了先行洞交界处衬砌的最大压应力随净距的变化曲线。计算得知：

图4 先行洞衬砌的最大压应力沿凹形纵坡的变化曲线

图5 先行洞交界处衬砌最大压应力随净距的变化曲线

（1）先行洞两环交界处衬砌的最大压应力随双洞净距的变化情况也有所不同。双洞净距从0.5B增大到1B时，服役期渗水前后的先行洞下转处衬砌最大压应力的变化量明显增大了236kPa；但当双洞净距大于1.5B后，最大压应力的变化量基本稳定在466kPa。双洞净距从0.5B增大到1.5B时，服役期渗水前后的先行洞转上处衬砌最大压应力的变化量也较大；但当双洞净距大于1.5B后，最大压应力的变化量基本稳定在423kPa。

（2）在服役期渗水前后，对于5 种双洞净距，先行洞的下坡段与上坡段的衬砌最大压应力沿纵坡都呈现类似“斜直线”的分布，但数值不同；先行洞转折段衬砌的最大压应力沿纵坡的分布很不规则，这是因为转折段受到了下坡段与上坡段的耦合影响；从整个凹形纵坡来看，斜坡段与转折段交界处的衬砌是受力的关键部位。以双洞净距0.5B情况的先行洞为例：

①在服役期隧道渗水前：从距离中间断面-210.75m到-11m，先行洞下坡段衬砌的最大压应力由4994kPa增大到5872kPa，增大了878kPa；从距离中间断面-11m到11m，转折段衬砌的最大压应力由4668kPa 增大至6312kPa，增大了1644kPa；从距离中间断面11m 到210.75m，上坡段衬砌的最大压应力由6058kPa 减小至5277kPa，减小了781kPa。

②在服役期双洞转折段衬砌下半部渗水后：从距离中间断面-210.75m 到-11m，先行洞下坡段衬砌的最大压应力由4549kPa 增大至5293kPa，增大了744kPa；从距离中间断面-11m 到11m，转折段衬砌的最大压应力由4821kPa 增大至6124kPa，增大了1303kPa；从距离中间断面11m 到210.75m，上坡段衬砌的最大压应力由5427kPa减小至4517kPa，减小了910kPa。

3 结束语

（1）从先行洞的纵向看，尽管下转处衬砌与转上处衬砌所处的位置关于中间断面对称，但这两环衬砌的应力变化存在明显不同，这是因为施工过程的影响不同。研究江底隧道衬砌在服役期的受力性状时，要注意施工过程对不同位置衬砌的影响程度不同，这会导致长期服役后的衬砌健康状况不同。

（2）双洞净距从0.5B增大到1B时，服役期渗水前后的先行洞下转处衬砌最大压应力的变化量明显增大了236kPa；但当双洞净距大于1.5B后，最大压应力的变化量基本稳定在466kPa。

（3）在服役期渗水前后，对于5 种双洞净距，先行洞的下坡段与上坡段的衬砌最大压应力沿纵坡都呈现类似“斜直线”的分布，但数值不同；先行洞转折段衬砌的最大压应力沿纵坡的分布很不规则，这是因为转折段受到了下坡段与上坡段的耦合影响；从整个凹形纵坡来看，斜坡段与转折段交界处的衬砌是受力的关键部位。建议江底凹形纵坡隧道在维修养护时，注意下坡段、转折段、上坡段的衬砌受力性状的不同。