張 恒,陳壽根,陳 亮

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

盾構(gòu)隧道是由若干環(huán)管片組成的拼裝結(jié)構(gòu),每環(huán)管片由若干塊管片,管片間縱、環(huán)向螺栓及縱、環(huán)向止水材料組成。復(fù)雜的構(gòu)造使管片力學(xué)行為受到接頭構(gòu)造、接頭數(shù)量等因素的影響。正常使用階段管片的力學(xué)行為研究已經(jīng)比較成熟[1-3]。管片環(huán)可模型化為勻質(zhì)圓環(huán)模型、多鉸圓環(huán)模型、彈性鉸模型及同時考慮環(huán)向接頭及縱向接頭徑向剪切剛度的模型等[4,5]。從實際經(jīng)驗可知,管片開裂情況大多出現(xiàn)在施工階段[6-9],因此,對盾構(gòu)隧道施工階段的研究更為重要。以深圳地鐵5號線盾構(gòu)隧道施工為研究背景,通過現(xiàn)場測試,對深圳軟硬不均地層盾構(gòu)隧道施工過程中襯砌所承受的軸力和彎矩進(jìn)行分析,以此來探究盾構(gòu)隧道管片的力學(xué)特性。

1 工程概況

深圳地鐵5號線5307標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間位于深圳市羅湖區(qū),區(qū)間隧道從怡景路站始發(fā),下穿怡景路、黃貝嶺小區(qū)、沿河路和深南東路,到達(dá)怡黃區(qū)間吊出井吊出,區(qū)間主要在新湖路下穿行,右線全長1 051.6 m,左線全長1 078.7 m。盾構(gòu)區(qū)間為2條平行的分離式的單線圓形隧道盾構(gòu)區(qū)間圓形隧道,管片設(shè)計外徑為6 m,內(nèi)徑為5.4 m,限界為5.2 m,管片厚度為30 cm,寬度1.5 m,管片分塊數(shù)為6塊，即“3+2+1”的分塊模式,每環(huán)管片由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊,2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成,管片楔形量為38 mm。斷面為5307標(biāo)怡景路—黃貝嶺區(qū)間左線DK38+654處第465環(huán)(DG標(biāo)準(zhǔn)環(huán))。該斷面隧道洞身埋深17 m,地下水位距地面3.5 m,隧道位于強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖及微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖3種不同硬度的地層中,地質(zhì)條件復(fù)雜,屬于典型的軟硬不均地層。

2 試驗準(zhǔn)備、元件安裝和數(shù)據(jù)采集

2.1 測試元件的安裝

土壓力的測試儀器采用TFL-TY-P40振弦式土壓力盒,最大量程4.0 MPa；孔隙水壓測試儀器采用TFL-KY-P10振弦式孔隙水壓計,量程為1 MPa；管片的內(nèi)力測試儀器采用TFL-S-NM15振弦式混凝土微應(yīng)變儀,量程為+1 500 με～-1 500 με；鋼筋軸力測試采用TFL-S-GJ20振弦式鋼筋計,量程為500 MPa。鋼筋計和混凝土應(yīng)變計在現(xiàn)場澆筑管片混凝土前預(yù)先固定在預(yù)制好的鋼筋籠上。測試元件位置固定后,測試專用電纜全部導(dǎo)入專用走線孔,并將出線管用膠帶密封好后,再進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片混凝土澆筑。土壓力盒、鋼筋計、混凝土應(yīng)變計及孔隙水壓力計安裝后的情況如圖1所示。

圖1 測試元件安裝

2.2 試驗管片數(shù)據(jù)采集

測試中使用的傳感儀器均為振弦式傳感器,測試數(shù)據(jù)采集采用TFL-F-BX01型振弦式記錄儀可進(jìn)行自動或手動頻率采集。圖2中分布于管片環(huán)周的黑色線纜為測試元件走線情況。圖3為現(xiàn)場測試過程中數(shù)據(jù)采集。

圖2 測試元件走線

圖4 管片矩形單元力學(xué)模型

建立矩形單元力學(xué)模型,如圖4所示。按偏心受壓構(gòu)件來計算管片環(huán)向受力,其中主筋和混凝土共同承擔(dān)壓力,取管片環(huán)向1 m長度為計算單元,N1、N2分別為管片內(nèi)、外側(cè)單根鋼筋軸力,Nc為截面環(huán)向混凝土壓力的合力,M為環(huán)向截面彎矩,α′為鋼筋保護(hù)層厚度,且上下層鋼筋的保護(hù)層厚度相等,均為35 mm。根據(jù)所測結(jié)果,可知截面內(nèi)、外側(cè)混凝土應(yīng)力值σc1和σc2,鋼筋內(nèi)、外側(cè)軸力N1、N2,管片縱向截面積為A,管片縱截面的軸力由混凝土所受軸力Nc和鋼筋所受軸力Ns組成,截面彎矩則由混凝土所受彎矩Mc和鋼筋所受彎矩Ms組成,根據(jù)靜力平衡條件和材料力學(xué)壓彎組合計算公式,可得力的平衡方程如下

(1)

(2)

(3)

式中b、h——分別為截面的寬度和厚度；

n——為管片內(nèi)外側(cè)鋼筋根數(shù),均為12根。

3 試驗成果與分析

3.1 軟硬不均地層土壓力分布規(guī)律

測試環(huán)剛拼裝上時,由于在盾尾的保護(hù)之下,并未接觸到周圍土體以及同步漿液,土壓力盒未受到土壓力作用,直到試驗環(huán)脫出盾尾之后,即從拼裝后的第3環(huán)開始,試驗環(huán)外表面與同步漿液接觸,土壓力盒開始受到壓力的作用,土壓力隨施工變化曲線如圖5所示。

圖5 土壓力隨施工變化曲線

從圖5中可以看出,當(dāng)試驗環(huán)剛脫出盾尾時,各測點的土壓力基本上均達(dá)到了最大值,這是由于測試環(huán)剛離開盾構(gòu)機(jī)外殼的支護(hù)時,上覆土壓力開始作用于試驗環(huán)之上,同時測試環(huán)外表面還受到盾尾同步注漿壓力和盾尾刷刮擦的影響,此時土壓力值是部分上覆土壓力和注漿壓力等疊加的結(jié)果。由于漿液的初凝時間只有6 h左右,根據(jù)8環(huán)/d的施工進(jìn)度,當(dāng)試驗環(huán)為脫出盾尾后的第2環(huán)時,試驗環(huán)外周的漿液便開始凝固,其強(qiáng)度和剛度逐漸增大,此時后方的注漿壓力對各測點土壓力的影響也越來越小,而未釋放的上覆土壓力則通過凝固后的漿液層作用于測試環(huán),此時的土壓力值相較試驗環(huán)剛脫出盾尾時要小。隨著施工的不斷進(jìn)行,土壓力值仍存在降低的趨勢,這是由于到了20環(huán)左右,漿液達(dá)到70%的強(qiáng)度,注漿壓力基本上對土壓力沒有影響,同時上覆土層變形逐漸收斂,地層壓力通過漿液固結(jié)層傳遞到測試環(huán)上的土壓力基本保持不變,各測點穩(wěn)定后的土壓力值均小于理論計算值,穩(wěn)定后的土層壓力如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定后試驗環(huán)土壓力分布(單位：kPa)

由于土體軟硬程度不一,其側(cè)壓力系數(shù)和抵抗變形的能力不同,導(dǎo)致試驗環(huán)左右兩側(cè)土壓力并不對稱,同時拱頂壓力比拱底壓力大得多,這也證明用上覆土壓力等于拱頂上覆土自重的理論計算土壓力值,與實際情況有較大誤差；在軟硬不均地層中的盾構(gòu)法施工,當(dāng)試驗環(huán)管片脫出盾尾20環(huán),約4～5 d,地層達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于軟硬不均地層的地質(zhì)條件較為復(fù)雜,存在土體分層現(xiàn)象,各種土體的力學(xué)性能差異較大,盾構(gòu)施工時,土體需要相對較長的時間來完成地層沉降變形,形成拱平衡效應(yīng),最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的過程,同時也證明了在軟硬不均地層中盾構(gòu)施工難度較大。

3.2 軟硬不均地層管片內(nèi)力分布規(guī)律

將采集到的鋼筋計頻率值代入鋼筋軸力和混凝土應(yīng)變的計算公式,可得到各測點鋼筋的軸力和各測點混凝土的應(yīng)變,鋼筋軸力隨施工變化曲線和混凝土應(yīng)變隨施工變化曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 各測點鋼筋軸力隨施工變化曲線

圖8 各測點混凝土應(yīng)變隨施工變化曲線

假定實際量測到的單根鋼筋軸力代表了此截面單幅管片環(huán)向受力筋的應(yīng)力水平,管片的環(huán)向受力筋內(nèi)、外側(cè)均為12根,則將數(shù)據(jù)代入式(1)～式(3)后,可得試驗環(huán)管片剛拼裝鋼筋所承受的軸力和彎矩,彎矩外側(cè)受拉為正,軸力受拉為正。假定測點位置處的混凝土應(yīng)變代表了此截面單幅管片環(huán)向內(nèi)側(cè)或外側(cè)的混凝土應(yīng)變水平,則將數(shù)據(jù)代入式(1)～式(3)后,可得混凝土所承受的軸力和彎矩,彎矩外側(cè)受拉為正,軸力受拉為正。根據(jù)以上所求的試驗環(huán)在各階段時管片鋼筋內(nèi)力和混凝土內(nèi)力,將其疊加,得到試驗環(huán)管片在剛拼裝、脫出盾尾和達(dá)到穩(wěn)定3個階段的內(nèi)力分布,如圖9所示。

圖9 軟硬不均地層管片內(nèi)力分布

從圖9可以得出試驗環(huán)管片剛拼裝上時,由于管片還在盾殼的保護(hù)下,未受到地層壓力和注漿壓力的影響,僅受管片自重和千斤頂撐靴的作用,因此試驗環(huán)內(nèi)力較?。划?dāng)管片脫出盾尾時,管片的受力狀態(tài)發(fā)生改變,同步注漿壓力、盾尾密封刷和密封油脂壓力作用于管片外表面,同時上覆地層壓力也通過注漿層作用于管片之上,此時管片處于復(fù)雜的三維受力狀態(tài)下,其內(nèi)力達(dá)到最大值。由于盾構(gòu)姿態(tài)控制的需要,隨時要調(diào)整千斤頂,由此對管片產(chǎn)生壓力差,對管片受力非常不利；當(dāng)試驗環(huán)管片拼裝上20環(huán)左右,也就是在拼裝后的第4天開始,由于漿液達(dá)70%強(qiáng)度,盾尾后方注漿壓力基本上不再對試驗環(huán)有影響,管片內(nèi)力趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后的管片內(nèi)力一般相較剛脫出盾尾時要小。

3.3 軟硬不均地層孔隙水壓力分布規(guī)律

為了更準(zhǔn)確、更方便地測量孔隙水壓值,在試驗環(huán)管片脫出盾構(gòu)機(jī)5號臺車后安裝到管片吊裝孔內(nèi),水壓力隨施工變化曲線和各測點布置分別如圖10和圖11所示。從圖中可以看出,拱腰處063號水壓力計穩(wěn)定后讀數(shù)為69.4 kPa,拱底處055號水壓力計讀數(shù)為94.9 kPa,兩者相差25.5 kPa,與理論計算的30 kPa相差15%；拱腰處066號水壓力計穩(wěn)定后讀數(shù)為63.5 kPa,拱底處064號水壓力計讀數(shù)為89.5 kPa,兩者相差26 kPa,與理論計算的30 kPa相差13.3%。這部分差距可能由于靠近拱底較完整的微風(fēng)化巖層形成了一層不易透水的隔水層,阻隔了地下水的向下滲入,引起水頭損失。

圖10 各測點孔隙水壓力隨施工變化曲線

圖11 水壓力測點布置

由此可以得出軟硬不均地層中盾構(gòu)管片孔隙水壓的分布規(guī)律：地下水壓力的大小與水力梯度、滲透系數(shù)、滲透速度以及滲透時間有關(guān)。在水壓力計剛裝上后,各測點水壓力值逐漸增大,大約2 d,孔隙水壓力值趨于穩(wěn)定。這是由于該地段的強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖及中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖強(qiáng)度和硬度不同,地層與地層之間形成具有可供地下水流通的分界面甚至是過水通道,凝灰質(zhì)砂巖內(nèi)也分布有密密麻麻的相互連通的裂隙,其間貯存著部分基巖裂隙水。因此,當(dāng)局部地下水損失時,周圍的地下水會由于水頭差的存在而不斷補(bǔ)給過

來,直至達(dá)到水力平衡狀態(tài)。上部軟巖層為較易透水的地層,地下水壓能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)出來,但是下部硬巖層則相當(dāng)于形成了一張不易透水的隔水層,會阻隔地下水向下滲透。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場測試探明深圳地區(qū)軟硬不均地層中盾構(gòu)隧道管片的力學(xué)特性,可得出以下結(jié)論：

(1)軟硬不均地層側(cè)壓力系數(shù)和抵抗變形的能力不同,導(dǎo)致試驗環(huán)左右兩側(cè)土壓力并不對稱,同時拱頂壓力比拱底壓力大得多；

(2)管片剛拼裝上時,試驗環(huán)內(nèi)力較??；當(dāng)管片脫出盾尾時,其內(nèi)力達(dá)到最大值；穩(wěn)定后的管片內(nèi)力一般相較剛脫出盾尾時稍??；

(3)在水壓力計剛裝上后,各測點水壓力值逐漸增大,大約2 d,孔隙水壓力值趨于穩(wěn)定；上部巖層較軟,下部巖層較硬,在一定程度上會阻隔地下水向下滲透。

[1] 劉建國,王建新,張恒.深圳地鐵盾構(gòu)隧道技術(shù)研究與實踐[M].北京:人民交通出版社,2011．

[2] 竺維彬,鞠世健.復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2006．

[3] 宋克志,袁大軍,王夢恕.盾構(gòu)法隧道施工階段管片的力學(xué)分析[J].巖土力學(xué),2008,9(3):619-623．

Song Kezhi, Yuan Dajun, Wang Mengshu. Segmental mechanical analysis of shield tunnel during construction stage[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008,9(3):619-623．

[4] 薛光橋.廣深港客運專線益田路隧道軟硬不均地段構(gòu)管片力學(xué)分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(6):84-86．

Xue Guangqiao. Analysis on Mechanical Behavior of Guangzhou-Shenzhen-Hongkong Passenger Dedicated Railway in hard-soft heterogeneous ground[J]. Railway Standard Design, 2010(6):84-86．

[5] 郭瑞,何川,方勇.膨脹土地層中盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)受力分析與對策研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(6):17-22．

Guo Rui, He Chuan, Fang Yong. Analysis on Mechanical Behavior of Shield Tunnel Segmental Lining in Swelling Ground and Countermeasures

[6] 曾東洋,何川.盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算方法的對比分析研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2005,1(5):707-712．

Zeng Dongyang, He Chuan. Comparison and Analysis Research of Different Shield Tunnel Lining Internal Forces Design Methods[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005,1(5):707-712．

[7] 李圍,何川.盾構(gòu)隧道通用管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與控制拼裝方式研究[J]. 鐵道學(xué)報,2007,29(2):77-82．

Li Wei, He Chuan. Study on Mechanical Behavior and Controlling Assembling Modes of Universal Segment Lining for Shield Tunnel[J]. Journal Of The China Railway Society, 2007,29(2):77-82．

[8] 肖中平,何川,林剛,張建剛.黏性地層地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特征研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(6):18-22．

Xiao Zhongping, He Chuan, Lin Gang, Zhang Jiangang. Study on themechanical behavior of segmental structure of metro shield tunnels in viscous stratum[J]. Modern TunnellingTechnolog, 2006,43(6):18-22．

[9] 唐志成, 何川, 林剛. 地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)行為模型試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報,2005,27(1):85-89．

Tang Zhicheng, He Chuan, Lin Gang. Study on mechanical behavior of segment of shield tunnel of metro with model test[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005,27(1):85-89．