不均匀变形对联络通道喇叭口应力的数值分析

胡心舟

(同济大学,上海 200092)

0 前 言

在国内的沿江沿海地区，江底海底隧道建设都在筹建中，这些大型工程也带来了许多前所未有的科学难题，其中最让我们关注的是由于隧道和联络通道不均匀变形导致接口处应力分布的变化。影响隧道与联络通道不均匀变形的因素主要有隧道下卧土层固结特性不同，潮汐变化，隧道临近的荷载变化，地铁列车振动荷载，地震作用等[1-2]。目前针对不均匀变形对隧道与联络通道以及接口处影响的研究，多集中在对主隧道变形的影响[3]，以及开挖支护与土体加固方法上的创新[4]。对于连接区域喇叭口处的应力影响的研究很少，学者们多从冻结加固的角度出发[5]。事实上，喇叭口处因隧道变形而产生的渗水问题一直是工程上的难题，由于该问题偏向于运营阶段而不会引起设计阶段研究人员的注意，所以这方面的研究偏少。本文结合沿江通道越江隧道联络通道工程，采用有限元分析方法，对连接处喇叭口应力状态进行分析，评价不均匀变形对联络通道和主隧道应力、变形的影响程度，得到的相关论断可为类似工程提供参考。

1 工程概况与模型建立

上海市沿江通道越江隧道(浦西牡丹江路-浦东外环线)新建工程浦西侧起点为宝山区牡丹江路与富锦路交叉口，在浦东侧接入外环高速公路，全长约8.7 km，其中越江隧道长约6.49 km。越江通道段共设置了6条联络通道。盾构隧道外径15 m，管片厚度650 mm，净直径13.7 m。1#联络通道左线隧道里程为LK5+352.140、右线隧道里程为RK5+340.000，左线隧道中心标高-33.720 m，右线隧道中心标高-33.213 m,盾构隧道中心距30.626 m，通道长15.642 m(隧道腰线处管片外侧间距)，通道为圆筒形结构，通道净直径2 740 mm，喇叭口处净直径3 340 mm。

根据沿江通道越江隧道工程以及相关联络通道工程设计资料，隧道结构及联络通道均采用壳单元，模型具体尺寸参数如表1所示。采用弹性模型，材料参数如表2所示。隧道外围建立全周弹簧，弹簧参数如表3所示。

表1 有限元模型几何参数 单位：m

表2 材料参数

表3 非线性弹簧参数

为了研究隧道、联络通道在不均匀变形下的应力和变形分布规律，建立作用范围和变形强度值分级的模型进行分析。计算工况包括：主隧道peck变形的作用范围分别为1/8L、1/4L、1/2L、3/4L和1L，联络通道变形的作用范围为1/5L、1/4L、1/2L和L，地基变形强度值分别为2、4、6、8、10 cm，如图1所示。上述研究内容均包括在同一作用范围条件下地基变形强度值逐渐增大引起的响应和同一地基变形强度条件下作用范围逐渐增大两种情况。

在设置联络通道后，开孔环成为主隧道结构体系最薄弱的部位，开孔腰部出现了压应力，开孔顶部出现了拉应力，如图2所示，说明联络通道设置使隧道结构由受力较均匀、合理的圆环变为具有开孔、存在较大应力集中的复杂的三维结构体系。

图1 主隧道与联络通道不均匀变形

图2 联络通道设置前后主隧道的应力变化

2 隧道不均匀沉降对喇叭口处受力的影响分析

采用复合peck变形模式模拟隧道的不均匀变形，结果显示隧道的最大压应力和最大拉应力分别在接口处的腰部和顶部出现，而联络通道不均匀变形引起最大拉应力则出现在接口处的底部。当地基变形强度值较小时，受隧道本体刚度的影响，主隧道承受的最大压应力、最大拉应力变化较小，即主隧道能够有效抵抗地层变形对隧道结构受力的影响，但当作用范围增大时，隧道承受的最大拉应力有增加趋势。

地层不均匀变形作用范围不同，引起的隧道结构应力增大的趋势存在差异。当不均匀变形范围集中在模型长度的1/8L(开孔范围的1.5D)时，不均匀变形对主隧道最大压应力变化的影响最为明显。当不均匀变形作用范围超过1/8L时，最大压应力增长速度变缓。而地层不均匀变形作用范围引起主隧道承受最大拉应力的增长趋势基本呈线性变化，即呈现出不均匀变形范围越大，隧道承受的最大拉应力越大的趋势，而与地基不均匀变形的量值关系不明显。

随着地层变形量值的增大，开孔区域的最大压应力由腰部逐渐向下部转移，如图3所示。

由图4～5可见，在变形范围相同的条件下，随着地层变形值的增大，主隧道开孔区域承受的最大压应力和最大拉应力均增大。说明联络通道与主隧道连接部位对不均匀变形程度值较为敏感：当变形范围和变形值都较小(<6 cm)，不均匀变形对开孔部位的应力影响不大；当变形范围和变形值都较大(≥6 cm)时，联络通道与主隧道连接部位将产生开裂，开裂部位位于开孔区域顶部。其位置如图6所示。

图3 地层不均匀变形导致开孔区域的应力变化

图4 主隧道不均匀上浮条件下主隧道最大压应力变化规律

图5 主隧道不均匀上浮条件下主隧道最大拉应力变化规律

图6 主隧道不均匀上浮时主隧道重点防护部位

3 联络通道不均匀沉降对喇叭口处受力的影响

当联络通道发生不均匀变形时，连接处开孔区域最大应力分布由腰部向肩部转移，如图7～9所示。

图7 联络通道不均匀变形引起的主隧道开孔应力变化

图8 联络通道地层变形区域不同条件下主隧道最大压应力分布规律

图9 联络通道地层变形区域不同条件下主隧道最大拉应力分布规律

由图8～9可见，当联络通道不均匀变形范围小于联络通道长度的1/2L时，联络通道不均匀变形对主隧道开孔部位的应力影响较小。随着变形范围加大，隧道承受的最大应力急剧增大，当整个联络通道都发生变形时，隧道结构承受的最大拉应力由隧道顶部变为隧道底部，最大压应力由腰部逐渐过渡到两肩部位。

联络通道不均匀上浮变形条件下，主隧道与联络通道连接部位的下部易出现混凝土开裂，发生渗漏水现象。其位置如图10所示。

图10 联络通道不均匀上浮时主隧道重点防护部位

联络通道地层变形导致连接区域开孔处的应力变化与联络通道区域地层变形范围的大小有密切关系。在结构安全的前提下，如果地层变形范围没有覆盖连接区域，应力分布受影响程度较小，主隧道承受的应力基本保持不变；当地层变形覆盖整个联络通道区域时，开孔区域的最大拉压应力相当，甚至出现拉应力大于压应力的极端情况。当地层变形值较大时，主隧道开孔区域的最大拉应力位置将由开孔区域顶部变为底部。考虑混凝土抗拉强度较低，联络通道不均匀变形范围较大时，主隧道开孔区域的顶部必将发生受拉破坏。

4 结 论

1)地层不均匀变形作用范围引起主隧道承受最大拉应力的增长趋势基本呈线性变化，即呈现出不均匀变形范围越大，隧道承受的最大拉应力越大的趋势。

2)隧道不均匀变形范围和程度都较小时，对联络通道受力状态几乎没有影响。当地层变形范围集中在联络通道的5倍直径内、变形强度较大时，联络通道承受的最大应力大幅增加，且联络通道应力增长的区域逐渐沿联络通道轴线向对侧隧道方向扩展。

3)当联络通道不均匀变形范围小于联络通道长度的1/2L时，变形对隧道开孔部位的应力影响较小。当变形范围遍布整个联络通道时，隧道承受的最大应力急剧增大。

4)不均匀变形条件下，主隧道与联络通道连接部位的顶部和底部易出现混凝土开裂，是主隧道抵抗不均匀变形的薄弱部位，而联络通道中间的顶部、连接部位的顶部与底部，是联络通道抵抗不均匀变形的薄弱部位。这些部位容易发生渗水现象，需要重点监测与保护。

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