液化区盾构隧道位置对上浮效应影响研究

张益瑄

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043)

0 引言

我国城市规模日益扩大,公共交通压力随之增大,地铁以其运量大、能耗低的优势而得到迅速发展。限于各种客观条件,某些地铁线路不可避免地穿越了可液化土层。可液化地层中的隧道在地震荷载作用下易遭受破坏[1-3],如1923年日本关东地震、1952年美国科恩地震、1995年日本阪神地震、2008年中国汶川地震等,都出现了富水砂土场地液化、地下结构上浮破坏的现象,因此可液化土层中盾构隧道上浮状态的力学特性具有相当重要的研究意义。

许多学者对液化区地下结构的力学行为作了研究[4-5],但很少有人研究大直径盾构隧道在液化区的上浮行为。本文用ANSYS建立“地层-结构”模式与“荷载-结构”模式相结合的三维模型,探讨液化区长度和隧道埋深对盾构隧道上浮力学特性的影响规律,得出的结论与建议可为类似工程作参考。

1 工程概况

某地铁区间隧道外径6.2 m,管片分块形式为“3+2+1”,混凝土强度等级为C55,厚度0.40 m,幅宽1.2 m。隧道穿越液化场地土层分布均匀,场地类别为Ⅱ类。隧址位于环太平洋地震带上,地震作用下隧道所在的地层可能会发生液化,对隧道结构有不利影响,因此本文对隧道在液化土层中的上浮现象进行研究。

2 模型建立

采用有限元软件ANSYS建立模型如图1所示。液化区采用“荷载-结构”模式,土体对隧道结构的作用用仅受压的弹簧单元Combin39来模拟,刚度取值为正常土体的1/2 000[6]。衬砌采用等效衬砌模型,忽略衬砌接头影响,其中环向等效刚度有效率为0.72,纵向等效刚度有效率取0.245。衬砌采用C50混凝土,容重25 kN/m3,弹性模量取3.55×104MPa,泊松比为0.2。

非液化区采用“地层-结构”模式,土体和隧道之间的相互作用由接触单元Contact173和Target170实现,摩擦系数取0.4。土体由实体单元Solid45模拟,材料为粉质黏土, 容重为19 kN/m3,弹性模量取3 MPa,泊松比为0.36,摩擦角为24°,黏聚力为23 kPa。

液化土体可以认为完全丧失抗剪强度,对衬砌结构产生浮力,不考虑外荷载的超孔隙水压力对衬砌上浮的影响,则上浮力由式(1)计算:

Ff=γfπR2

(1)

其中,Ff为衬砌单位长度上所受到的浮力大小,N;γf为土体液化后的容重,N/m3;R为隧道的半径大小,m(取隧道外径)。

液化区砂土在外荷载剪切作用下的瞬时模量可由式(2)～式(4)计算:

(2)

σ0=0.5×{1+tanh[ln(0.010 2/γ)0.492]}

(3)

β(γ)=0.272×{1-tanh[ln(0.055 6/γ)0.4]}

(4)

其中,G为土体的瞬时剪切模量,Pa;σ0为土体的有效应力平均值,Pa;γ为循环荷载作用下的剪切应变幅值。

3 上浮反应的影响因素分析

3.1 液化上浮分析方法

衬砌结构在液化土体的浮力作用下发生纵向弯曲,由图2(a)可知,轴向应力在非液化区与完全液化区的交界处达到最大值,拱顶和拱底的轴向应力曲线形状基本上下对称,拱底为拉应力,最大值0.125 MPa;拱顶为压应力,最大值0.107 4 MPa。图2(b)为衬砌xy平面的剪力,衬砌在浮力的作用下,各部位的最大剪应力均集中在液化土层与非液化土层的交界处,且剪应力最大值比轴向应力最大值小一个数量级。由此可知在液化土层中,相对于剪应力,轴向应力对盾构隧道截面安全起控制作用,因此后文主要监测隧道的纵向应力。

3.2 液化区长度对隧道上浮的影响分析

取液化区的长度分别为50 m,60 m,80 m,100 m,不同液化区长度下衬砌的上浮位移如图3(a)所示。由图3(a)可知液化区长度对衬砌上浮影响结果极为显著,液化区长度越长,衬砌上浮量越大,且衬砌最大位移均发生在液化区中部位置。当液化区长度为100 m时,衬砌最大上浮位移为0.009 7 m。原因在于随着液化区长度增加,衬砌受到的浮力增大,且增幅量大于衬砌本身增加的重量,因此衬砌上浮量增大。不同液化区长度下的拱顶的轴向应力的曲线如图3(b)所示,液化区长度增加,衬砌的轴向应力最大值也随之增大。当液化区长度为50 m,60 m,80 m,100 m时,拱顶处大拉应力分别为0.01 MPa,0.025 MPa,0.076 MPa,0.10 MPa,且均发生在液化区中部。

3.3 隧道埋深对隧道上浮的影响分析

为研究埋深对盾构隧道上浮反应的影响,选取隧道埋深分别为5 m,10 m,15 m,20 m。液化区长度统一取60 m,衬砌外径取6 m,衬砌厚度取30 cm。不同埋深下的隧道上浮位移如图4(a)所示,由图4(a)可知,随着隧道衬砌埋深的减小,衬砌结构的上浮位移逐渐增大,埋深5 m时上浮位移最大值(0.037 m)为埋深20 m时上浮位移最大值(0.010 m)的3.7倍。这是因为隧道上覆土厚度减小,对衬砌结构的约束降低,使得衬砌结构在液化区内上浮的阻力减小。图4(b)为不同埋深下的拱顶轴向应力沿衬砌长度的变化曲线,由图可知,衬砌埋深为5 m时,拱顶处最大压应力1.29 MPa,最大拉应力0.912 MPa,约为埋深20 m时最大拉应力的10倍,可见衬砌埋深对隧道结构上浮效应影响较大。因此,在实际工程中对浅埋盾构隧道上部的可液化土层进行加固,可有效减缓液化土层中隧道的受拉破坏。

4 结论与建议

可液化地层中的隧道在地震荷载作用下易遭受破坏,本文依托某地铁工程对液化区长度和隧道埋深作了单变量分析,得到了以下结论:

1)等效衬砌模型在液化上浮计算中,衬砌的危险位置发生在土体液化区与非液化区的交界面。

2)衬砌所处的液化区长度越大,衬砌的最大上浮位移越大,衬砌轴向应力也越大,在实际工程中,需要严格控制隧道穿越液化区的范围。

3)隧道埋深越小,隧道的上浮位移越大,衬砌结构的轴向应力越大。对浅埋盾构隧道上部的可液化土层进行加固,可有效减缓液化土层中隧道的受拉破坏。