大断面海底隧道钢拱架锈蚀对钢拱架承载能力的影响

大断面海底隧道钢拱架锈蚀对钢拱架承载能力的影响

厦门海田隧道设计采用三孔隧道方案，两侧为主要交通隧道，每个隧道三座，中孔为服务隧道。主隧道的开挖段为170m，采用钻探和爆炸法建造。海底段穿越多个风化囊沟，最大水深25.7m。围岩渗透性好，压力高。隧道顶部最大静水压为0.68mpa。初始防护采用32cm厚的p25透射混凝土和22a的工字钢。二次衬砌采用70cm厚的cs5高性能腐蚀混凝土。由于隧道段大，围岩条件差，初路防护台通常在围岩压力和水压的作用下破裂。第一根拱的初始支撑直接浸没在海上，这显著加速了钢拱的腐蚀。因此，有必要研究钢拱腐蚀对海床上隧道支撑系统安全性的影响。1初期支护裂缝为了解海底隧道初期支护开裂情况,在二次衬砌施作前对初期支护缝裂进行了调查,具体情况见表1.从表1可见,无论是主隧道还是服务隧道,初期支护都存在着大量裂缝,在二次衬砌建成以后,初期支护将完全浸泡在海水中.2粘结退化的情况初期支护钢拱架锈蚀后,将出现2种力学现象.第一,钢拱架与混凝土的粘结出现退化,即粘结力降低;第二,由于钢拱架与混凝土的粘结出现退化,从而引起两者的滑移.为了分析钢拱架锈蚀对海底隧道支护体系安全性的影响,必须确定钢拱架与混凝土的粘结退化模型和粘结滑移模型.2.1未腐蚀钢拱架与混凝土粘结强度u0u0初期支护钢拱架锈蚀对其与混凝土粘结退化的影响一般表示为τu=βτu0,(1)τu=βτu0,(1)式中:τu为不同锈蚀量情况下钢拱架与混凝土的粘结强度;τu0为未锈蚀钢拱架与混凝土的粘结强度;β为钢拱架锈蚀对两者粘结力的影响系数.粘结影响系数β与初期支护钢拱架锈蚀率ρ之间的关系为:β=⎧⎩⎨⎪⎪1+0.0335ρ+3.7821ρ2−1.9159ρ3,ρ≤1.5,4.6237ρ1.0119,ρ＞1.5.(2)β={1+0.0335ρ+3.7821ρ2-1.9159ρ3,ρ≤1.5,4.6237ρ1.0119,ρ＞1.5.(2)2.2混凝土粘结滑移曲线由于钢拱架与混凝土的粘结出现退化,从而引起钢拱架与混凝土的粘结出现滑移.根据特征滑移分布规律,对文献中特征滑移值的计算式进行积分,得到平均特征滑移值,再利用特征粘结强度,得到粘结滑移模型曲线,见图1.3支护混凝土和墙单元模型为了研究钢拱架锈蚀对海底隧道支护体系安全性的影响,考虑了有水压和无水压2种情况,对于每一种情况,分别考虑了钢拱架锈蚀率从0%～80%逐渐变化,共模拟了20种工况.研究中,22a号工字钢间距为0.5m,钢拱架屈服强度的历时变化参考文献,材料的非线性特性参考文献.隧道处于风化囊槽中,埋深为32.5m,水深为42.5m,由此得到荷载大小和分布.采用荷载-结构模型,初期支护混凝土和二次衬砌采用三维实体单元,两者之间设置的防水板采用接触单元,钢拱架采用梁单元.考虑锈蚀引起截面减小,在钢拱架与喷混凝土之间设置粘结单元模拟粘结退化和滑移.3.1钢拱架腐蚀率随形态的变化钢拱架轴力降低系数(锈蚀后轴力与未锈蚀时轴力之比)和弯矩降低系数(锈蚀后弯矩与未锈蚀时弯矩之比)随锈蚀率变化的规律见图2和图3.从图2和图3可见:(1)锈蚀率小于70%时,弯矩降低系数与锈蚀率符合二次曲线规律;当锈蚀率大于70%时,弯矩降低系数加速减小;锈蚀率大于80%时,基本不承受弯矩.(2)锈蚀率小于70%时,轴力降低系数与锈蚀率基本符合线性规律;当锈蚀率大于70%时,轴力降低系数急剧减小;锈蚀率大于80%时,钢拱架轴力很小.(3)有水压和无水压条件下,钢拱架锈蚀对其弯矩的影响规律相似,对轴力的影响规律有一定差异.无水压时,拱部和边墙的轴力下降速度不同;有水压时,拱部和边墙的轴力下降速度相似.图4为钢拱架滑移随锈蚀率变化的情况(图中每1条曲线对应拱顶区或边墙区中的1个点).从图4可见:(1)钢拱架锈蚀率小于50%时,随锈蚀率增大,其与混凝土的滑移量逐渐增大,锈蚀率达约50%时达到滑移峰值;(2)锈蚀率超过50%以后,由于粘结力降低,滑移量逐渐减小,在锈蚀率约70%～80%时发生突变;(3)当锈蚀率达到约80%时,完全丧失粘结能力.从以上分析可知,锈蚀率小于50%时,钢拱架承载能力的减小主要是由于其锈蚀造成的截面减小引起的;当锈蚀率大于50%时,钢拱架承载能力的减小主要是由于其锈蚀造成截面减小和粘结力退化引起的.3.2边墙与拱顶处初期支护混凝土固结增强系数表4钢拱架锈蚀引起的初期支护混凝土安全系数的变化情况见图5和表2.从图5和表2可见:随着钢拱架锈蚀,边墙与拱顶处初期支护混凝土的安全系数降低,在无水压的情况下最大降低5.5%左右,在有水压的情况下最大降低6.6%左右.3.3钢拱架激励下二次衬砌安全系数随拱墙与拱顶位置的变化由上述分析可见,隧道初期支护内钢拱架锈蚀将使自身的承载能力降低,从而将部分荷载转移到二次衬砌上,引起二次衬砌内部的应力重新分布,这必然会影响二次衬砌的安全性.钢拱架锈蚀引起的二次衬砌安全系数的变化情况见图6和表3.从图6和表3可见:随着钢拱架锈蚀,边墙与拱顶处二次衬砌安全系数基本呈减小的趋势,在无水压的情况下最大降低3.3%左右,在有水压的情况下最大降低6.4%左右.4钢拱架与混凝土的自然滑移导致滑移根据以上分析,可以得出以下结论:(1)由于初期支护都存在着大量裂缝,二次衬砌建成后,初期支护的钢拱架将完全浸泡在腐蚀性海水中,因此,钢拱架锈蚀在所难免.(2)初期支护钢拱架锈蚀将降低其与混凝土之间的粘结力,从而造成两者之间出现滑移,影响它们的共同工作能力.分析表明:锈蚀率达到80%时,钢拱架与混凝土之间的粘结力将完全丧失.(3)在有水压和无水压条件下,钢拱架锈蚀对其弯矩的影响规律相似,对轴力的影响规律有一定差异.无水压时,拱部和边墙的轴力下降速度不同;有水压时,拱部和边墙的轴力下降速度相似.弯矩降低系数与锈蚀率符合二次曲线规律;轴力降低系数与锈蚀率基本符合线性规律.当锈蚀率大于80%时,钢