趙永正 何 平 梁英俊 趙 杰

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心 北京 100044)

目前，我國主要大中型城市地鐵的修建普遍采用的是較礦山法更加高效、安全的盾構(gòu)工法，這一工法中的基本結(jié)構(gòu)單元襯砌管片在生產(chǎn)、施工以及正常使用過程中的受力情況與隧道的質(zhì)量和使用壽命密切相關(guān)。其中，施工階段對管片受力的影響尤為明顯。對于土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)來說，施工時(shí)是依靠其自身的剛性支護(hù)和開挖面土壓力的平衡裝置進(jìn)行開挖推進(jìn)的，盾構(gòu)推進(jìn)及盾尾同步注漿對管片受力影響較大。

盾構(gòu)隧道施工過程中對管片的內(nèi)力研究近些年來進(jìn)行了很多，楊廣武、李興高等在北京地鐵5號線某區(qū)間選取了3個(gè)測試斷面，研究了從管片結(jié)構(gòu)形成局部穩(wěn)定狀態(tài)到最終與地層之間形成平衡狀態(tài)過程中的管片內(nèi)力［1］;宋克志、袁大軍等基于盾構(gòu)施工階段管片的受力特點(diǎn)，構(gòu)建了施工階段的管片力學(xué)模型，且以某盾構(gòu)工程施工參數(shù)為例，對該力學(xué)模型按不同工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析［2］。在實(shí)際工程中，相關(guān)技術(shù)人員也總結(jié)出了一些經(jīng)驗(yàn)。例如，在廣州地鐵1、2號線和南京地鐵2號線的建設(shè)中總結(jié)出盾構(gòu)施工導(dǎo)致管片開裂的原因主要有:總推力過大、管片環(huán)面不平整和千斤頂撐靴重心偏位、二次注漿壓力過大等［3－4］。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析法已取代解析法成為隧道內(nèi)力的分析方法。張志強(qiáng)、何川等依托南京地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，建立了盾構(gòu)機(jī)模擬掘進(jìn)的三維有限元力學(xué)模型，研究了隨盾構(gòu)頂進(jìn)引起的地表沉隆變形以及隧道圍巖、管片變形，為接下來的施工及監(jiān)測提供了參考［5］。同時(shí)，其他一些有效的分析方法也逐步引入，盧海林、趙志民等根據(jù)地層損失與注漿量的空間分布規(guī)律，應(yīng)用鏡像方法原理，對盾構(gòu)法隧道推進(jìn)產(chǎn)生的土體位移與應(yīng)力進(jìn)行空間分析，得到了較理想的結(jié)果［6］。

目前，對隧道施工過程中管片力學(xué)性狀的原位測試研究已經(jīng)進(jìn)行了很多［7-9］，大多采用鋼筋計(jì)對環(huán)向主筋進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，并進(jìn)行了相關(guān)分析，取得了較豐富的成果。

筆者以蘇州軌道交通1號線某區(qū)間隧道工程為背景，通過在管片鋼筋籠上布設(shè)應(yīng)變片的方式，量測了盾構(gòu)施工過程中主筋和分布筋的應(yīng)力變化情況，并進(jìn)行客觀的對比分析。通過主筋的應(yīng)力反推環(huán)向截面的內(nèi)力，分析同步注漿的影響，并通過分布筋應(yīng)力的變化分析盾構(gòu)反推力的影響。

1 實(shí)驗(yàn)概述

實(shí)驗(yàn)襯砌環(huán)預(yù)制管片環(huán)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，縱向?qū)挾?.2 m，環(huán)向分為6塊，采用螺栓連接，錯(cuò)縫拼裝。鋼筋采用HPB235和HRB335鋼，鋼筋主筋外保護(hù)層厚度為50 mm，內(nèi)保護(hù)層厚度為40 mm。箍筋、分布筋和構(gòu)造筋的保護(hù)層厚度不小于20 mm。

實(shí)驗(yàn)環(huán)所在位置土層分布情況如下:① -1雜填土，平均層厚2.15 m;①-2素填土，平均層厚1.10 m;① -2a淤泥，平均層厚1.85 m;③粉質(zhì)黏土，平均層厚7.32 m;④-1粉土，平均層厚2.22 m;④-2 粉砂，平均層厚5.84 m;⑤-粉質(zhì)黏土，平均層厚11.55 m;⑥粉質(zhì)黏土，平均層厚11.35 m;⑦粉土，平均層厚5.87 m;⑧-粉質(zhì)黏土，平均層厚38.65 m。實(shí)驗(yàn)環(huán)拱頂埋深9.6 m，拱底埋深15.8 m，實(shí)驗(yàn)環(huán)斷面約1/2位于土層③，1/3位于土層④-1，1/6位于土層④-2。

實(shí)驗(yàn)環(huán)鋼筋籠主筋和分布筋上的內(nèi)外側(cè)一共布置了56個(gè)測點(diǎn)，具體布設(shè)位置見以下各節(jié)，通過測出的鋼筋應(yīng)變值換算出鋼筋的應(yīng)力。

2 主筋部分受力分析

2.1 主筋應(yīng)變片布設(shè)方案

應(yīng)變片采用單片的布置形式，其中在管片A1、A2、A3、B1、B2每個(gè)鋼筋籠主筋上布置4個(gè)測點(diǎn):內(nèi)側(cè)2個(gè)(數(shù)字編號，下同)，外側(cè)2個(gè)(字母編號，下同)。在K管片鋼筋籠上布置2個(gè)測點(diǎn):內(nèi)側(cè)1個(gè)，外側(cè)1個(gè)，具體分布情況見圖1及圖2。

圖1 內(nèi)側(cè)主筋布點(diǎn)

圖2 外側(cè)主筋布點(diǎn)

2.2 主筋應(yīng)力測試結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)為第849環(huán)，未推時(shí)的數(shù)據(jù)在第851環(huán)推進(jìn)前的間隙期采集，在推進(jìn)第851環(huán)和第852環(huán)的過程中分多組各采集兩次數(shù)據(jù)。圖3給出了主筋各測點(diǎn)應(yīng)力隨盾構(gòu)推進(jìn)的變化情況，在安裝過程中部分測點(diǎn)有損壞，絕大多數(shù)完好。

圖3 主筋測點(diǎn)應(yīng)力變化

整個(gè)主筋的應(yīng)力分布在－110～230 MPa之間，在滿足抗拉壓要求的同時(shí)有一定的安全儲(chǔ)備。從圖3中可以看出在推進(jìn)第851環(huán)時(shí)，測點(diǎn)測值變化不大，最大變化值在20 MPa左右。在推進(jìn)第852環(huán)時(shí)部分測點(diǎn)變化明顯，增長幅度較大的點(diǎn)如A1-5、B1-2、A3-d增大的幅度均在80 MPa左右。

通過內(nèi)力反算得出了管片環(huán)向截面的軸力和彎矩分布，如圖4、圖5所示，從左至右依次為未推、推第851環(huán)和推第852環(huán)的受力情況。從整個(gè)變化情況來看，拱頂和拱底軸力較穩(wěn)定，但在拱腰附近變化明顯。在推進(jìn)第851環(huán)的過程中，左偏45°處軸力有358 kN的增長，這可能與第850環(huán)的同步注漿有關(guān)，推進(jìn)第852環(huán)時(shí)，第850環(huán)同步注漿已完成，拱腰附近軸力均有大幅減小，內(nèi)力重新分布導(dǎo)致左下側(cè)由受壓變?yōu)槭芾?。從圖5的彎矩分布變化可以看出，未推進(jìn)時(shí)測點(diǎn)最大正彎矩為37 kN·m，最大負(fù)彎矩為－107 kN·m;推進(jìn)第851環(huán)時(shí)測點(diǎn)最大正彎矩為40 kN·m，最大負(fù)彎矩為－134 kN·m;推進(jìn)第852環(huán)時(shí)測點(diǎn)最大正彎矩為37 kN·m，最大負(fù)彎矩為－76 kN·m，相鄰環(huán)的同步注漿導(dǎo)致彎矩在推進(jìn)第851環(huán)時(shí)略有增大，注漿完成后有較大幅度的減小。

圖4 環(huán)向軸力分布變化(單位:kN)

圖5 環(huán)向彎矩分布變化(單位:kN·m)

3 分布筋部分受力分析

3.1 分布筋應(yīng)變片布設(shè)方案

應(yīng)變片采用單片的布置形式，其中在管片A1、A2、A3、B1、B2每個(gè)鋼筋籠分布筋上布置6個(gè)測點(diǎn):內(nèi)側(cè)3個(gè)，外側(cè)3個(gè)。在K管片鋼筋籠上布置2個(gè)測點(diǎn):內(nèi)側(cè)1個(gè)，外側(cè)1個(gè)。具體分布情況見圖6及圖7。

3.2 分布筋應(yīng)力測試結(jié)果及分析

圖8為分布筋各測點(diǎn)的應(yīng)力變化，從整體來看，所有測點(diǎn)的應(yīng)力在整個(gè)推進(jìn)過程中變化范圍在－75～30 MPa之間，安全儲(chǔ)備較大。絕大部分測點(diǎn)處于受壓狀態(tài)，這是因?yàn)榉植冀畛袚?dān)了盾構(gòu)大部分的反推力。從整個(gè)變化趨勢來看，在推進(jìn)第851環(huán)時(shí)，測點(diǎn)值變化的幅度不大，但接下來推進(jìn)第852環(huán)時(shí)，部分測點(diǎn)值變化較明顯，如 B1-1、B1-4、B2-1、B2-b，A3-e，這些點(diǎn)分布在左右45°處附近，可能受到同步注漿完成后應(yīng)力重新分布的影響。

4 結(jié)論

圖6 內(nèi)側(cè)分布筋布點(diǎn)

圖7 外側(cè)分布筋布點(diǎn)

圖8 分布筋測點(diǎn)應(yīng)力變化

1)在隧道鄰近環(huán)施工的過程中，新安裝管片的受力是很復(fù)雜的，盾構(gòu)的推進(jìn)、管片的安裝、壁后同步注漿等都是影響因素，管片左右45°，左右135°的拱腰附近受力變化尤為顯著。

2)主筋的應(yīng)力在鄰近環(huán)施工過程中滿足設(shè)計(jì)要求，通過反算的內(nèi)力變化圖可以看出，軸力和彎矩都有一個(gè)先增大后降低的過程，這是因?yàn)槭芟噜彮h(huán)同步注漿的影響，同步注漿完成后，影響減弱。

3)分布筋受盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)反推力的影響很小，但是在鄰近環(huán)注漿完成應(yīng)力重新分布時(shí)，會(huì)承擔(dān)一部分先前由主筋承擔(dān)的荷載。

4)新裝環(huán)在相鄰環(huán)施工的過程中，主要受到其壁后同步注漿的影響，施工時(shí)應(yīng)對注漿情況密切關(guān)注，保證管片受力均勻。

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