行业要闻

 

【摘　要】结合上海轨道交通2号线人民广场站—南京东路站区间隧道,研究了地铁运营隧道收敛变形及其影响。阐述了上海轨道交通2号线人民广场站—南京东路站区间隧道收敛变形的测量方法与结果。结合改进的盾构管片接头模型对地铁运营隧道进行数值模拟计算,给出不同水平径向收敛时的管片内力数值。通过实测地铁运营隧道水平径向收敛变形,结合数值模拟和最大裂缝宽度理论计算结果表明:该区间上行隧道水平径向收敛普遍较大,最大可达77 mm。衬砌管片的弯矩和裂缝宽度与水平径向收敛变形密切相关。通过理论计算,不同水平径向收敛变形时的裂缝宽度为腰部最大,拱底次之,拱顶最小。

【关键词】地铁;隧道;收敛变形;数值计算

 

      实测资料表明,上海轨道交通运营线区间隧道局部变形显著,收敛变形大于相关文献^[2-4]的规定。变形过大将导致隧道结构受力过大,引起混凝土开裂。因此,分析和研究收敛变形对钢筋混凝土管片产生的影响十分必要。

1、收敛变形实测

1.1 测量方法

      如图1,标准部分的地铁圆形隧道的每环隧道管片由6块管片拼装而成,外径6.2 m,内径5.5 m,接缝宽度约1 cm。按圆形隧道拼装理论计算,自腰部接缝沿隧道向下量弧长0.803 m处端点即为圆形隧道水平向直径之端点。

      国内外对全站仪在隧道变形监测中的应用进行了大量的研究^[5-8]。本课题测量采用具有无合作目标测距功能的全站仪进行,将仪器架设在对中点上,测量仪器中心至直径两端点的平距。左右平距之合即为实测直径值。

1.2 测量结果

      上海轨道交通2号线人民广场站—南京东路站上行区间隧道测量结果表明,所测得的圆形隧道水平径向直径普遍较理论值大2~4 cm,局部大于7cm。这说明圆形隧道不同程度地变形为扁椭圆形,沿水平方向半径拉伸为椭圆的长半轴。

      该区间隧道2006年水平径向收敛变形(ΔD)平均值为44 mm。其中直径变形大于7 cm的有7处,最大为人民广场出站S115环处,拉伸77 mm;最小为S355处,压缩9 mm,直径变形较理论值偏小(见表1)。

2、收敛变形数值模拟分析

2.1 工程概况

      上海轨道交通2号线一期工程区间隧道人民广场站—南京东路站,全长为873.429 m,衬砌的设计强度为C50,抗渗标号为S8,衬砌每环宽1 m。区间隧道覆土厚度8.678 7 m~16.713 m不等。由勘探资料可知,本工程沿途场地较为平缓,地面标高平均约为3 m左右,表层为褐黄色黏土。隧道主要穿越灰色淤泥质黏土层、灰色黏土层。灰色淤泥质黏土属滨海—浅海相沉积,饱和,流塑—软塑,为高压缩性土。灰色黏土属滨海—沼泽溺谷相沉积,很湿,软—可塑,为高偏中压缩性土。隧道所处地层的物理力学性质如表2。

      根据文献^[9-10]并结合土层物理力学性质,计算区间隧道作用荷载数值和分布如图2所示。

2.2 选取控制指标

      根据《地铁设计规范》(GB 50157—2003),钢筋混凝土管片所允许的最大裂缝宽度为0.2 mm。

      根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2002),按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度(mm)可按下式计算。

     

式中:

      α_cr———构件受力特征系数;

      φ———裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数：

      当φ<0.2时取φ=0.2,当φ>1时取φ=1,对直接承受重复荷载的构件取φ=1;

      σ_sk———按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力或预应力混凝土构件纵向受拉钢筋的等效应力;

      E_s———钢筋弹性模量;

      c———最外层纵向受拉钢筋外边缘到受拉区底边的距离,mm(当c<20 mm时取c=20 mm,当c>65 mm时取c=65 mm);

      d_ep———受拉区纵向钢筋的等效直径,mm;

      ρ_te———按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率(在最大裂缝宽度计算中,当ρ_te<0.01时,取ρ_te=0.01。)

2.3 数值模拟计算

2.3.1 计算模型及参数

      管片接头造成的衬砌环整环刚度降低是盾构隧道衬砌设计中必须考虑的控制性因素之一。本文采用改进惯用法模型的接头模型,即将管片的各个截面处刚度按EI处理,将其接头部位的刚度按kEI处理,k为接头部位的刚度折减系数,本模型取1/700^[13]。

      采用有限元软件Ansys对结构进行计算。管片材料为C50混凝土。整个衬砌6块管片看作一个整体圆环,材料类型用弹性材料,单元类型为BEAM3。材料参数取实际值(见表3)。

2.3.2 计算结果及分析

      通过在水平径向结点施加对称的水平位移,模拟隧道沿水平径向的收敛变形,计算不同水平径向收敛变形时结构内力的变化。图3、4分别为水平径向收敛变形ΔD=70 mm时的弯矩图和轴力图。

     

      结合式(1)计算三种最不利内力组合工况[14],即:θ分别为0°,90°,180°(θ角为与竖直方向直径的夹角)时的钢筋混凝土管片的裂缝宽度。计算结果见表4和图5~7。

     

     

      由表4和图5~7可知:

      (1)衬砌管片的弯矩和管片裂缝宽度随着水平径向收敛变形的增大而增大,轴力变化较小;

      (2)相同水平径向收敛变形情况下,衬砌管片的弯矩、轴力和裂缝宽度均在θ=90°时达到最大,θ=180°时次之,θ=0°时最小。

3、结语

      过大的收敛变形会使隧道结构处于不利状态,各种性能发生变化。本文通过实测地铁运营隧道水平径向收敛变形结合数值模拟和最大裂缝宽度理论计算得出以下主要结论:

      (1)人民广场站—南京东路站上行区间隧道水平径向收敛变形普遍较大,最大达77 mm;

      (2)衬砌管片的弯矩和裂缝宽度与水平径向收敛变形密切相关;

      (3)相同水平径向收敛变形时,弯矩、轴力和裂缝宽度在腰部最大,拱底次之,拱顶最小;

      (4)随着收敛变形的不断增大,盾构管片裂缝宽度的不断增大将引起隧道渗漏、钢筋腐蚀加速等病害,因此,应采取一定的加固措施防止进一步恶化。

 

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