列车振动对基底存在空洞的盾构隧道全装配式内部结构的影响*

肖明清 潘文韬 封 坤 焦齐柱 唐雄俊 张景轩

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉 430063; 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 成都 610031; 3.水下隧道技术湖北省工程实验室, 武汉 430063)

盾构隧道大多采用拼装式内部结构,受施工设计等因素制约,全拼装内部结构现阶段应用较少,但全拼装内部结构具有全现浇、部分装配式内部结构所不具有的拼装速度和质量精度优势,[1-2]因而对全拼装内部结构的设计和研究具有重要意义。与此同时,隧道在施工过程中难免会出现灌浆不密实形成壁后空洞等质量问题,基底空洞对隧道结构的影响在列车振动下可能会放大,因而有必要研究列车振动下基底空洞对全装配式内部结构基底累积沉降和受力的影响。

在全装配式内部结构方案设计方面,清华园隧道内部结构[3-4]采用预制中部口型箱涵、预制边箱涵方案,属全装配式内部结构铁路隧道,但其在吊装、轨下混凝土填充方面存在问题,并且因中间箱涵承受偏心荷载而导致受力不均匀,影响整体性。上海诸光路通道新建公路隧道[5]采用了预制的π型构件、立柱、车道板、盖板等全装配式内部结构,其具有立柱基座预留插筋定位难、隧道内部空间狭小等问题。

在隧道灌浆不密实形成壁后空洞的影响研究方面,赖金星等以西安地铁某区间隧道涌水导致衬砌背后注浆空洞为背景,基于有限元和现场监测,对空洞位置、大小对结构影响以及治理注浆过程中结构变形规律进行了探究。[6]

综上,现有的全装配式内部结构设计方案都有各自的局限性,且未见列车荷载作用下基底空洞对全装配式内部结构影响的研究,因此,将以甬舟铁路金塘海底隧道为依托,提出盾构隧道全装配式内部结构两端固接方案和非封闭二衬部分装配式内部结构方案,通过研究列车往复运行条件下基底空洞对装配式内部结构基底累积沉降以及内力的影响,为全装配式内部结构的设计及运营管理提供参考。

1 工程背景和全装配式设计方案

甬舟铁路金塘海底铁路隧道位于宁波北仑与舟山金塘之间,采用250 km/h的客运专线标准。隧道全长为16.2 km,盾构段长为10.87 km,矿山法段长为5.13 km,明挖段长为0.2 km,具有地质条件复杂、水压高、结构受力体系复杂、海中对接难度大等技术难题。为提高内部结构施作速度和质量,提出如下装配式内部结构的方案:

方案一:参考借鉴清华园隧道内部结构设计方案,并针对其中间箱涵承受偏心荷载可能导致受力不均匀等问题,提出全装配式内部结构两端固接方案,如图1所示。其具体构造:采用拼装式三箱涵形式,将中间箱涵位置提高以抵抗偏心力下受力不均。箱涵吊装先吊装中间部分,再吊装两侧箱涵,吊装完毕后,在箱涵底部进行灌浆填充并用左、右各两根连接螺栓连接各箱涵。通过预制的预埋接驳器,在中间箱涵与管片、边箱涵和二衬间绑扎连接钢筋,最后进行车道板和二衬的浇筑,车道板与管片采用两端植筋接驳,连接钢筋均绑扎在管片上因而为固接连接。

图1 全装配式内部结构

方案二:与方案一类似,考虑温度应力影响,改变车道板与管片一侧的连接,车道板与管片之间采用一端固接、一端水平铰接的连接方式,由于一侧连接钢筋未绑扎至管片,因而只传递水平力。

方案三:采用非封闭二衬的部分装配式方案(图2),预制的中间箱涵左、右有悬臂伸出部分,列车振动直接作用在中间箱涵上,吊装时先吊装中间箱涵并对基底进行灌浆填充,随后浇筑拉长至中间箱涵底部的二衬,最后在中间箱涵与二衬之间设置搭接块并在箱涵上侧浇筑车道板。

图2 非封闭二衬部分装配式内部结构

2 数值分析模型

2.1 边界条件和列车振动荷载的确定

边界采用黏弹性边界,动力分析时间间隔为5 ms,通过提取各阶模态及频率,并由岩土体阻尼比为0.05及阻尼常数相关计算式[7]得阻尼常数α=0.220,β=0.113。

采用列车-轨道系统模型[8-9]来确定列车振动荷载,通过LS-DYNA提取出的列车车速为250 km/h,列车振动荷载时程曲线如图3所示。

图3 列车振动荷载时程曲线

2.2 有限元模型

列车振动动力响应分析采用ANSYS瞬态动力学模块,选取典型断面建立二维平面应变模型,将列车荷载用移动荷载的方式施加。[10]盾构隧道管片外径为14 m、厚度为0.6 m,二衬厚度为0.3 m。建立的模型纵向长度为130 m,深为20 m。隧道土体模型如图4所示,相关模型参数如表1。

表1 模型计算参数

图4 隧道土体模型

全装配式内部结构两端固接模型如图5所示。土体、二衬、车道板采用PLANE 42平面单元模拟,管片、三箱涵以及箱涵之间连接螺栓用BEAM 3单元模拟。用只受压不受拉的LINK杆单元来模拟箱涵之间、箱涵与管片之间以及箱涵与车道板之间的接触作用。全装配式内部结构一端固接一端水平铰接(图6),即一侧用只受压的LINK杆单元连接车道板与管片。

图5 两端固接的全装配式内部结构

图6 一端固接一端水平铰接的全装配式内部结构

非封闭二衬部分装配式内部结构如图7所示,采用BEAM 3单元模拟管片与中间箱涵,PLANE 42单元模拟二衬、车道板和围岩。用只受压的LINK 1单元来描述中间箱涵与管片之间的接触作用。搭接块采用BEAM 3单元,搭接块与车道板之间的节点用只受压不受拉的轴向弹簧COMBINE 14连接,搭接块与中间箱涵、二衬的连接为铰接关系,采用Rotz方向的COMBINE 14弹簧并耦合UX、UY两个方向自由度。

图7 非封闭二衬部分装配式内部结构

2.3 基底空洞影响理论分析

在隧道内部结构中,受到施工工艺、列车循环荷载及腐蚀等作用的综合影响,会在装配式内部结构基底产生空洞,基底空洞的存在影响路基路面的稳定性,导致隧道路面不平整,甚至出现塌陷、强度不够等情况,影响列车正常运营。基底空洞主要导致隧道底部强度及弹性模量等参数减小;由于空洞的产生,局部位置接触面积大幅减小,致使局部应力集中,最终导致隧道整体结构安全性下降,加速结构损坏;在列车运行动荷载的作用下,基底空洞不密实所造成的影响会进一步放大,相比静力荷载作用下,结构的不稳定性会进一步放大,所面临的危险也更加复杂多样。可见,在动、静力作用力下,基底空洞均有可能对隧道结构造成极大的危害,须开展相应的研究分析。

2.4 基底空洞模拟

中间箱涵吊装于管片上后通过注浆孔,对中间箱涵底部填筑灌浆,然而在实际施工过程中,中间箱涵底部灌浆难免出现不密实情况,为考虑中间箱涵底部灌浆不密实产生的空洞在列车振动下对隧道结构的影响,现场对基底空洞的面积及填充部位材料的弹性模量进行了测试和统计,统计结果显示,现场空洞处空洞面积大致为总面积的一半,弹性模量大约为密实处的75%左右。

中间箱涵底部灌浆不密实产生空洞,可从两个角度进行模拟。首先,灌浆不密实将导致填充的部位强度减弱,相应材料的弹性模量也会减小,而在前文数值模拟中中间箱涵与管片间的连接是由仅受压不受拉的杆单元模拟的,将杆单元弹性模量减小25%,数值对应现场测试结果,来模拟灌浆不密实导致砂浆强度的降低;其次,灌浆不密实,必然在接触的部位会产生孔隙,原来能接触的部位现无法接触,自然也无法传递应力和变形。在ANSYS中,两者之间的接触是用数根杆单元来模拟的,因此可以将中间箱涵底部杆单元的数量减半,来模拟注浆不密实产生孔隙,进而造成接触面积减小,多个部位无法接触的现象。

3 基底空洞影响研究

3.1 基底空洞对隧道基底累积沉降的敏感性

关于盾构隧道在列车振动下基底累积沉降,文献[11-13]分别报道了对软硬不均地层、砂土及软土地层、砂土地层上列车长期荷载作用下基底变形规律的研究,但未针对全装配内部结构展开研究,探究基底空洞对不同装配式结构基底累积沉降影响。

列车往复荷载作用下基底累积变形可先分析单次或多次列车荷载下土体的变形,将土体的相关参数和由经验算式得到的基底累积变形与循环次数的关系进行综合考虑,对各土层沉降结果进行叠加,可得到最终的总沉降。为充分了解到全装配式内部结构两种连接方式以及非封闭二衬部分装配式内部结构的基底累积沉降对基底空洞的敏感性,采用Puppala模型[14]和Li模型[16]计算基底是否有空洞时全装配式内部结构两种连接方式及非封闭二衬部分装配式内部结构的基底累积沉降变形,相应的计算参数取值见表2。

表2 计算参数取值

3.1.1无空洞时不同形式内部结构基底累积沉降

提取基底无空洞时列车往复荷载作用下隧道基底累积变形(图8)。可见:基底无空洞时,通过Puppala模型求解,得出列车往复行驶650万次(相当于隧道使用100 a)后,两端固接、一端固接和一端铰接的全装配式内部结构和部分装配式内部结构的塑性累积变形分别为13.089,14.246,13.356 mm;通过Li模型求解,得出列车往复行驶650万次后,两端固接、一端固接一端铰接的全装配式内部结构和部分装配式内部结构的塑性累积变形分别为14.174,15.367,14.463 mm。数值均小于30 mm,满足铁建设函〔2005〕754号《客运专线无碴轨道铁路设计指南》[17]的相关规定。与Puppala模型计算结果相比,Li模型计算结果要大一些,且两者模型对循环次数较少的变形值计算结果相差较大。

两端固接的全装配式内部结构基底累积沉降最优,略小于部分装配式内部结构,较一端固接一端水平铰接的全装配式结构的基底累积沉降减小了接近1 mm。说明全装配内部结构较部分装配式内部结构整体性好,使得列车振动下基底累积沉降减小,但节点连接方式的改变会破坏全装配式内部结构的整体性,在证明全装配式内部结构整体稳定性和刚度优越性的同时,说明内部结构及节点的连接能一定程度减小列车往复荷载作用下的累积变形。通过对内部结构及节点连接方式的改变,增强结构自身稳定性和刚度,使得列车振动对土体的影响减弱,为控制沉降提供了新的思路。

3.1.2空洞对不同形式内部结构基底累积沉降影响

提取不同形式内部结构在有、无空洞时用Puppala模型和Li模型计算出的基底累积沉降情况,如表3所示。

表3 基底空洞对装配式内部结构基底累积沉降的影响

分析表3结果可得:无论采用何种形式内部结构、计算模型,基底注浆不密实导致的基底空洞都将造成基底累积沉降的增大,基底累积沉降的增大将对隧道长期安全稳定造成影响,因而在施工中对基底注浆应该引起重视。不同形式内部结构的基底累积沉降对基底空洞的敏感性不同,两种计算模型下计算结果基本一致。其中两端固接全装配式内部结构基底累积沉降对基底空洞最不敏感,在Puppala模型和Li模型下,空洞造成累积沉降增大比例分别为3.04%和3.38%,较部分装配式内部结构及一端固接一端水平铰接全装配式内部结构更为优越,可理解为结构的整体稳定性削弱了基底空洞造成的影响。一端固接一端水平铰接的连接方式将放大基底空洞的影响,因而最为不利。计算结果说明全装配式内部结构采用合适的接头连接方式可降低基底累积沉降敏感性。

3.2 基底空洞对装配式内部结构内力的影响

3.2.1施工完成后基底空洞对内力的影响

鉴于一端固接一端水平铰接全装配式内部结构基底累积沉降较大,数值计算中,一端固接一端水平铰接全装配式内部结构基底最大应力数值为87 345 kN,集中于水平铰接位置处,数值远大于另外两种方案。依据文献[18],比选得出两端固接全装配式内部结构和非封闭二衬部分装配式内部结构较优,因而不再对一端固接一端水平铰接全装配式内部结构进行研究,仅比较两端固接全装配式内部结构和非封闭二衬部分装配式内部结构两种形式。提取上述两种形式中间箱涵底部是否有空洞时,施工完成后二衬及车道板的位移及主应力、管片、内部结构、螺栓的弯矩、轴力、剪力(表4)。

表4 施工完成后两端固接全装配式内部结构、部分装配式内部结构受基底空洞影响

从提取的初始值来看:两端固接全装配式内部结构相比部分装配式内部结构在结构受力变形上未见明显优势,两端固接全装配式内部结构在二衬车道板应力、内部结构轴力等方面要优于部分装配式内部结构,在管片内部结构剪力、二衬车道板沉降等方面要劣于部分装配式内部结构。

基底空洞会对隧道结构内力造成一定影响,无论是哪种内部结构,基底空洞均会造成管片和内部结构内力的增大,管片和内部结构内力的变化主要集中于弯矩和剪力,轴力变化相对较小;全装配式内部结构比部分装配式内部结构管片的内力变化要小一些,主要得益于全装配内部结构较好的整体性,使得积聚于管片的应力能量可以往两侧消散,使得受力相对更加均匀。

基底空洞会使得二衬、车道板处的受力变形略有减小,部分装配内部结构由于其二衬拉长至中间箱涵的构造,二衬车道板处内力减小的数值要略微小于全装配式内部结构;基底空洞还会造成全装配式内部结构螺栓受力减小。

上述现象可以看成基底空洞使得管片和内部结构间传力受阻,因而应力能量在管片与内部结构处积聚,造成管片与内部结构处受力增大、二衬车道板以及连接螺栓处的受力变形减小。应力能量积聚受结构整体性影响,全装配式内部结构因其整体性好将一定程度削弱应力能量的积聚。为进一步反映管片和内部结构传力及应力能量积聚规律,以非封闭二衬部分装配式内部结构为例,提取基底灌浆密实和不密实中间箱涵仰拱底部接触单元轴力如图9、图10所示。

图9 基底灌浆密实时拱底接触单元轴力 kN

图10 基底灌浆不密实时拱底接触单元轴力 kN

从最大轴力角度来看,两者数值接近,但灌浆密实时数值大多在橘红区域9.415～18.830 kN,而灌浆不密实时由于接触单元数量变少,多根接触单元数值在绿区27.875～37.167 kN,这将导致应力集中,阻碍管片与内部结构之间的应力传递。从图9、10可以看出:中间箱涵与管片之间的接触应力主要集中于拱底以及中间箱涵边界位置,而基底空洞造成应力集中的部位在拱底与中间箱涵边界之间。应力集中对中间箱涵以及拱底管片的耐久性均有不良影响,将减少中间箱涵和管片的使用寿命。

3.2.2列车振动下基底空洞影响

内部结构间的连接螺栓是盾构隧道中的薄弱环节,在列车振动下剪力的波动易造成连接螺栓的损坏,因而有必要探究基底空洞对连接螺栓剪切力的影响。提取两端固接全装配式内部结构受力较大的左上螺栓左、右两侧剪力如图11、图12所示,从中可见:基底空洞会显著增大螺栓剪力的振幅以及剪力最大值,基底空洞下剪力振动的振幅接近无空洞时的两倍。基底空洞会阻碍振动能量往管片传递,因而将造成振动能量向内部结构中的连接螺栓聚集,这对螺栓疲劳和耐久性将造成非常不好的影响,在灌浆施工质量无法保证的情况下可采用抗剪螺栓或者其他螺栓抗剪措施。

受基底空洞影响最大的部位在中间箱涵与管片连接处,因而提取两端固接全装配式内部结构及部分装配式内部结构拱底接触单元、中间箱涵右侧和管片接触单元两处的轴力如图13～图16所示。全装配式内部结构基底空洞将造成拱底应力在列车振动下的应力波动增大,中间箱涵右侧接触应力波动减小。部分装配式内部结构情况则恰恰相反,基底空洞将造成拱底接触应力减小,中间箱涵右侧接触应力增大。上述现象反映了全装配内部结构和部分装配式内部结构在列车动荷载激励下,基底空洞将造成基底部位的能量聚集,全装配式振动能量聚集于隧道的拱底,而部分装配式内部结构由于其二衬拉长至中间箱涵,振动能量聚集于二衬与中间箱涵连接部位。

4 结束语

以甬舟铁路金塘海底隧道为依托,提出全装配式内部结构两端固接以及非封闭二衬部分装配式内部结构方案,探究在列车振动下,基底空洞不同装配式方案下基底累积沉降以及结构受力变形影响,相关结论如下:

1)两端固接全装配式内部结构基底累积沉降最优,较一端固接一端水平铰接连接的全装配式内部结构减小了接近1 mm,说明内部结构及节点的连接能一定程度减小列车往复荷载作用下的累积变形。可以通过内部结构及节点连接方式的改变,增强结构自身稳定性和刚度,使得列车振动对土体的影响减弱。

2)基底空洞将造成基底累积沉降增大且不同形式内部结构和接头节点连接方式基底累积沉降对基底空洞的敏感性不同,其中两端固接全装配式内部结构基底累积沉降对基底空洞最不敏感。

3)基底空洞会造成管片与内部结构内力增大,内力变化主要集中于弯矩和剪力,全装配式内部结构两端固接连接时,内力变化要小一些,二衬车道板及连接螺栓内力会减小。基底空洞会造成管片与内部结构接触部位产生应力集中。

4)基底空洞会阻碍振动能量往管片传递,造成两端固接全装配式内部结构连接螺栓剪力振幅大幅增大,在拱底位置振动能量积聚,而部分装配式内部结构振动能量则聚集在二衬与中间箱涵连接部位。