孫 兵,仇文革

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處,西安 710043;2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

雙孔盾構隧道地表位移離心機模型試驗研究

孫 兵1,仇文革2

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處,西安 710043;2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

采用室內(nèi)離心模型試驗模擬雙孔盾構隧道近接施工,通過定量控制隧道外套的水囊注放水的方式模擬盾構隧道的地層損失。研究了橫斷面地表沉降的量值、分布規(guī)律以及隨盾構推進距離的變化規(guī)律,并提出相應防護措施。結果表明：水囊注放水方法可以有效模擬盾構隧道地層損失;盾構推進距離和隧道相對位置關系對地表沉降的量值和分布規(guī)律有顯著影響。

雙孔盾構隧道 近接施工 離心模型試驗 地表位移

0 前言

隨著城市的快速發(fā)展,大量地下工程及隧道的近接施工問題是不可避免的。目前,對于近接施工問題的設計和施工還無規(guī)范和標準可循,結構加固和防護措施要求往往過于嚴格,會造成施工困難和經(jīng)濟損失。再加上盾構技術的廣泛應用,因此,研究盾構隧道近接施工問題已成為當務之急。目前,在盾構施工引起的地表沉降的預測中,常規(guī)的方法有經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬和模型試驗。周小文等利用橡皮囊充氣再放氣的辦法進行了多組南水北調(diào)引黃盾構隧道的離心模型試驗,研究了隧洞內(nèi)支護壓力與地層位移的關系,施工間隙的影響,以及砂層穩(wěn)定與破壞的機理[1-2]。馬亮、劉慶舒等用融化石蠟的方法在離心機上模擬了礦山法隧道的開挖[3-4],對應力場和滲流場耦合下的地表沉降進行了研究。大量的研究和工程實踐表明,在盾構施工中的地表沉降與地層損失直接相關。很多預測地表沉降的經(jīng)驗公式均與地層損失建立了聯(lián)系,如 1969年Peck提出的高斯分布曲線[5],國內(nèi)同濟大學提出的考慮施工間隙和固結因素的橫向沉降量 Peck修正公式[6],以及劉建航院士提出的預測縱向沉降的修正Peck公式等[7]。作者前期曾采用三維數(shù)值模擬方法,對三管盾構隧道下穿鐵路引起的地表位移及其控制技術進行了研究[8]。本文采用室內(nèi)離心模型試驗方法,通過水囊注放水方法模擬盾構隧道掘進中的地層損失,對雙孔盾構隧道在不同相對位置情況下所引起的地表沉降進行了研究。分析了橫斷面地表沉降的量值、分布規(guī)律以及隨盾構推進距離的變化規(guī)律,并提出相應的防護措施,保證工程的安全,為類似工程提供服務,具有很強的學術和工程意義。

1 試驗方案和試驗模型

1.1 試驗設備

試驗設備為西南交通大學土工離心試驗機。該設備主要參數(shù)如下：①100g?t;②有效半徑 2.7m;③模型箱有效尺寸 0.8 m×0.6 m×0.6 m,0.6 m×0.4 m×0.4m;④離心機的工作范圍 10～200g;⑤允許連續(xù)工作 12 h;⑥測量模式：傳感器 +放大器 +智能測量儀 +數(shù)據(jù)數(shù)字化并行傳輸 +集流環(huán) +數(shù)據(jù)接受和處理終端(計算機);⑦通過攝像系統(tǒng)可以監(jiān)視和記錄試驗全過程。

1.2 模型試驗域及相似比的確定

選擇 0.6m×0.4m×0.4m的模型箱?？紤]到二個隧道的尺寸和空間位置,以及邊界效應的影響,根據(jù)模型箱的尺寸,選定本次試驗的幾何相似比為 1∶100,試驗域的幾何尺寸如表 1所示。根據(jù)離心機模型試驗的基本原理和 Buckingham的 π定理,各物理量相似比如表 2所示。

表1 試驗域取值 m

表2 參數(shù)的相似比(原型/模型)

1.3 試驗材料選取

地層填料選用原狀土。地層多為黏土,材料力學參數(shù)見表 3。根據(jù)地勘報告中的相應含水量進行重塑,并在離心機上固結來完成,通過剪切試驗控制其c、φ指標。對于盾構隧道襯砌結構,若采用原型混凝土材料導致結構過薄(3.5 mm),難以滿足要求。因此,按照等效剛度相似原則選用與鋼筋混凝土密度、泊松比相近,且物性穩(wěn)定的 LYZ型鋁材作為相似材料,經(jīng)計算所需鋁材模型襯砌的厚度為 2.5 mm,鋁材彈性模量E=70GPa,泊松比 μ=0.3,相似準則推導參見文獻[2]。

表3 各土層的物理力學參數(shù)

1.4 位移測試原件和測試點的布置

試驗采用由北京鴻基點科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的MDA-5系列直線位移傳感器。測桿形式為彈簧復位,量程 10 mm,精度 0.1%F?S,電源 ±12 VDC,輸出 0～5 VDC,共 5支。測試點布置在縱向中心斷面處,具體位置如圖 1所示。

1.5 地層損失及模擬方法

試驗采用水囊注放水的方式模擬盾構掘進的地層損失。水囊用高強度橡膠制作,單層厚 1 mm,外徑 64 mm,內(nèi)徑 62mm,每段長 60mm,每段設 1000 mm長導管,出口處設閥門。根據(jù)文獻[9],地鐵盾構施工的地層損失率一般可取為 0.3%～0.6%,結合本工程實際情況,可取為 0.5%。由盾構機的直徑 6.34 m,可算得每延米的地層損失量為 0.158 m3,由幾何相似比得到60mm長水囊的釋放水量為 0.95 ml,取為 1ml。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程—克拉伯龍方程,當壓力增大到100倍,空氣將壓縮為原來的 1%,因此,注入水量以注滿為準,此時由空氣壓縮產(chǎn)生的影響將可以忽略。將注水后的水囊逐個套在隧道襯砌模型的外側。

圖1 工況一地層及傳感器布置示意(單位：mm)

1.6 試驗工況及過程

如圖 2所示,根據(jù)兩隧道相對位置共有 4種工況。對于工況一、二,先施工左線隧道(1號隧道),再施工右線隧道(2號隧道),3號位移傳感器位于兩隧道中心正上方;對于工況三、四,先施工下線隧道(1號隧道),再施工上線隧道(2號隧道),3號傳感器位于 1號隧道中心正上方。

圖2 模型試驗工況示意(單位：mm)

試驗步驟如下：

1)關閉離心機室裝甲門,啟動離心機,逐漸增大其轉速使加速度至 100g,持續(xù)一小時(相當于原型 417 d),以模擬土層固結。觀察各位移傳感器讀數(shù),如果讀數(shù)未進入量程,記錄差值,待停機后調(diào)整位移傳感器位置,使讀數(shù)進入量程。

2)減速至停止,打開裝甲門,用導管和注射器抽出1號隧道的 1、2號水囊中的 1 ml水,在 100g下持續(xù)運轉 10 s(相當于原型 27.8 h),動態(tài)采集的采樣頻率設為0.03 k,靜態(tài)采集存儲時間間隔為 1 s,記錄讀數(shù)。

3)減速至停止,打開裝甲門,用導管和注射器抽出 1號隧道的 3號水囊中 1 ml水,其余與(2)相同。

4)減速至停止,打開裝甲門,用導管和注射器抽出 1號隧道的 4號水囊中 1 ml水,其余與(2)相同。

5)減速至停止,打開裝甲門,用導管和注射器抽出 1號隧道的 5、6號水囊中各 1 ml水,其余與(2)相同。此時,1號隧道施工模擬結束。

6)～9)步為施工 2號隧道步驟,與 2)～5)步相同。

2 試驗結果分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪出各測點地表沉降隨水囊釋放位置(盾構推進距離)的變化曲線,以及不同試驗步驟下的地表橫斷面沉降曲線。如圖 3、圖 4所示,圖中水囊釋放位置 0～40(模型：cm,原型：m)為 1號隧道盾構推進距離,40～80(模型：cm,原型：m)為 2號隧道盾構推進距離。從圖中可以看出：

圖3 各工況測點地表沉降隨釋放水囊位置變化

圖4 各工況試驗步驟地表沉降曲線

利用水囊注放水方法可有效模擬盾構掘進的地層損失,從而研究盾構施工所引起的地表沉降。

各測試點地表沉降隨盾構推進距離的增大而增大。

對于水平近接隧道,1號隧道施工時,測點 1、2、3地表沉降增大較快,其中測點 2地表沉降最大。2號隧道施工時,測點 3、4、5地表位移增大較快,且測點 3地表沉降超過測試點 2成為最大沉降?？芍?最大地表沉降發(fā)生在兩隧道中心所對應的地表處,且地表最大沉降隨兩隧道凈距的減小而增大。

對于上下重疊隧道,1號隧道施工時,測點 3(隧道正上方)的地表沉降最大。2號隧道施工時,測點 3附近地表沉降增大較快,且 2號隧道開挖所引起的地表沉降大于 1號隧道。工況四的地表最大沉降發(fā)生在2號隧道上方,其量值隨兩隧道相對位置的變化而變化,水平間距越大,地表最大沉降越小。

上下重疊盾構隧道施工對地表沉降造成的影響大于水平盾構近接隧道。

3 對策措施

鐵路部門提出的允許沉降是 10～30mm。因此,上述四種近接隧道施工造成的地表沉降均超限,特別是考慮到在粘土中的地層需要經(jīng)歷一個長期的固結和次固結過程。因此,為控制地表沉降,需進行地層加固,提高地層的強度和防滲性能,進而抑制盾構機通過時的松動范圍,從而防止地層變位超限。施工過程中加強盾構機壁后同步注漿,可以有效的填充盾構機推進時所造成的地層損失,確保隧道管片襯砌的早期穩(wěn)定,外力作用均勻,提高隧道的抗?jié)B性。同時,施工過程中應加強對地表、建筑物和鄰近已建隧道的監(jiān)控量測,合理調(diào)整施工方法,從而達到在滿足工程進度的同時確保地面和鄰近地下建筑物的結構安全。還要與鐵路部門緊密配合,必要時結合鐵路的養(yǎng)護工作,通過起道調(diào)整線路平縱參數(shù)。

4 結論

通過對上述雙孔盾構隧道地表位移離心機模型試驗研究,得到以下結論：

1)利用水囊注放水方法可以有效模擬盾構掘進的地層損失,從而研究盾構施工所引起的地表沉降。

2)各測點地表沉降隨盾構推進距離的增大而增大。

3)對于水平近接隧道,最大地表沉降發(fā)生在兩隧道中心所對應的地表處,且地表最大沉降隨兩隧道凈距的減小而增大。

4)對于上下重疊隧道,地表最大沉降發(fā)生在 2號隧道上方,其量值隨兩隧道相對位置的變化而變化,兩隧道水平間距越大,地表最大沉降越小。

5)上下重疊盾構隧道施工對地表沉降造成的影響大于水平盾構近接隧道。

6)為控制地表位移,要嚴格控制施工措施,同時,施工過程中應加強對地表、建筑物和鄰近既有隧道的監(jiān)控量測。

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TU455;TU317+.1

A

1003-1995(2010)02-0038-04

2009-09-09;

2009-09-30

國家自然科學基金資助(項目批準號：50578135)。

孫兵(1981— ),男,沈陽市人,博士研究生。

(責任審編 趙其文)