梁 霄，柳 獻，陳 健，孔玉清

(1.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092;2.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000)

0 引言

隨著我國城市建設步伐的不斷加快，對城市地下通道的建設需求越來越大。盾構法隧道經(jīng)過近30年的發(fā)展建設，因其對周邊環(huán)境影響小、施工不受地表環(huán)境條件和天氣條件的限制、適應的地層范圍廣等優(yōu)越性而得以被廣泛采用。

隧道直徑越來越大，隧道穿越的地層條件也越來越復雜，由于施工階段襯砌結(jié)構的荷載及力學機制尚不清晰，越來越多的施工問題凸顯出來，如襯砌結(jié)構整體或局部上浮、管片環(huán)間的錯臺、管片裂縫、管片局部破損等，這些病害嚴重威脅著盾構隧道的施工和運營安全。因此，對盾構隧道襯砌結(jié)構施工階段的受力行為研究有重要意義。

針對盾構隧道施工階段襯砌結(jié)構的受力行為研究，當前以理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測為主。朱合華等［1］針對盾構隧道的施工階段、注漿材料及管片接頭的特性提出了有限元模擬方法。陳俊生等［2］采用三維有限元分析的方法，建立一段具有9環(huán)管片的盾構隧道數(shù)值模型來研究盾構隧道管片施工階段的力學行為。皮景坤等［3］建立了施工過程中的管片受力模型，分析管片上浮的原因并提出了控制管片上浮的措施。葉飛等［4］研究了施工期盾構隧道管片襯砌的受力特性、施工荷載對管片結(jié)構造成的影響。魏綱等［5］對盾構隧道施工階段管片注漿段進行受力分析，提出了上浮階段的襯砌環(huán)受力模型及計算公式。

近些年國內(nèi)對管片襯砌結(jié)構受力的現(xiàn)場測試也開展了一些研究。張厚美等［6］介紹了廣州地鐵盾構隧道管片壓力現(xiàn)場監(jiān)測方法，得出盾構隧道圍巖壓力隨時間的變化規(guī)律。謝洪強等［7］通過重慶主城排水過江隧道施工期現(xiàn)場試驗研究，得出管片上水壓力隨盾構掘進狀態(tài)的變化規(guī)律。唐孟雄等［8］依托廣州地鐵2號線工程對盾構隧道施工過程中的管片受力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，并與設計值進行對比后給出設計建議。周濟民等［9］以獅子洋水下盾構隧道為背景，探討管片襯砌結(jié)構荷載和內(nèi)力在施工期和后期隨時間的變化規(guī)律?，F(xiàn)有研究多針對地鐵盾構隧道，對大直徑盾構隧道的相關現(xiàn)場試驗研究相對較少。

本文依托揚州瘦西湖大直徑盾構隧道，對管片襯砌結(jié)構在施工過程中的結(jié)構荷載和內(nèi)力進行現(xiàn)場追蹤監(jiān)測試驗，獲取了盾構隧道襯砌結(jié)構施工階段的受力規(guī)律。

1 工程背景

揚州瘦西湖隧道工程是揚州市城市總體規(guī)劃中的重要城市交通通道之一，同時也是目前國內(nèi)第一座開工建設的雙層雙向行車的盾構隧道。該盾構隧道西自維揚路與楊柳青路的交叉口，東至漕河西路與史可法路的交叉口，下穿國家級風景名勝區(qū)蜀岡—瘦西湖風景區(qū)內(nèi)。盾構隧道平面圖如圖1所示。

圖1 揚州瘦西湖盾構隧道平面圖Fig.1 Plane sketch of Slender West Lake Tunnel in Yangzhou

隧道最大覆土厚度約24.2 m，最小覆土為8.0 m。圖2、表1分別為代表性隧道斷面的土層條件及其主要物理力學參數(shù)。

圖2 隧道斷面地質(zhì)剖面圖(單位:m)Fig.2 Geological profile of shield-bored tunnel(m)

盾構隧道管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，厚0.6 m，環(huán)寬2.0 m，采用10塊“9+1”分塊形式，全環(huán)由封頂塊F、2塊鄰接塊L和7塊標準塊B共10塊管片構成。

表1 盾構隧道地層主要物理力學指標Table 1 Main physic-mechanical indices of strata

管片內(nèi)主筋采用HRB335，縱筋、箍筋及構造筋采用HPB235，混凝土等級為C60，管片鋼筋保護層厚度:迎土側(cè)50 mm，背土側(cè)40 mm，內(nèi)部結(jié)構鋼筋保護層厚為30 mm。環(huán)縫共設置42個M30螺栓，每塊管片縱縫共設置3個M36螺栓。

該盾構隧道采用錯縫拼裝，第10，260管片環(huán)的封頂塊左偏22.5°，第75管片環(huán)的封頂塊右偏90°，第415管片環(huán)的封頂塊左偏90°。同步注漿壓力控制在0.3 MPa。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 試驗測試斷面及內(nèi)容

2.1.1 試驗斷面

根據(jù)國際隧道協(xié)會《盾構隧道襯砌設計指南》［10］中關鍵斷面的選取原則，選取4個管片環(huán)作為測試斷面，測試斷面分別為K1+330(第415環(huán)):最大覆土斷面;K1+640(第260環(huán)):標準斷面;K2+ 010(第75環(huán)):最大水深斷面;K2+140(第10環(huán)):臨近進洞工作井斷面。測試斷面位置示意圖見圖3。

2.1.2 測試內(nèi)容

為了得到管片拼裝成環(huán)至地層穩(wěn)定后襯砌結(jié)構的荷載及內(nèi)力，確定試驗測試內(nèi)容如表2所示。

圖3 測試斷面位置示意圖Fig.3 Locations of the experimental cross-sections

表2 測試內(nèi)容及儀器表Table 2 Contents and instruments of experiment

2.2 試驗方法

2.2.1 測試斷面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>

柔性土壓力計、鋼筋計和溫度計的測點布置如圖4所示。

圖4 柔性土壓力計、鋼筋計和溫度計布置示意圖Fig.4 Layout of flexible soil pressure cells，reinforcement bar meters and thermometers

在每個測試斷面的各管片塊中心外側(cè)布置1個振弦式柔性土壓力計，每環(huán)共10個;在各管片塊中心內(nèi)外兩側(cè)的主筋上各布置1個鋼筋計、溫度計，每環(huán)各20個。因此，4個測試斷面共需柔性土壓力計40個，鋼筋計、溫度計均80個。

2.2.2 柔性土壓力計的安裝

柔性土壓力計的安裝采用預埋的方式，其安裝步驟如下:1)在鋼筋籠上焊接預埋件鋼板并在管片內(nèi)側(cè)預埋接線盒;2)從預埋件到預埋接線盒間順鋼筋綁扎電纜;3)管片澆筑養(yǎng)護完成后，取下預埋鋼板，安裝固定鋼框;4)用粘結(jié)劑將柔性土壓力計貼到混凝土表面，并在外側(cè)設置一層泡沫塑料板或合成橡膠等保護材。安裝過程如圖5所示。

圖5 柔性土壓力計的安裝過程Fig.5 Installation process of flexible soil pressure cells

2.2.3 鋼筋計、溫度計的安裝

鋼筋計和溫度計的安裝也采用預埋的方式，其安裝步驟如下:1)管片澆筑前分別將鋼筋計和溫度計固定在管片內(nèi)外層的受力主筋上;2)鋼筋計和溫度計固定時需保證其軸線方向與受力主筋方向平行，保證鋼筋計與受力主筋共同受力，溫度計不受力;3)連接光纜平行松弛布置在PVC線管內(nèi)，將連接光纜引入預留盒內(nèi)，與主光纜連接。安裝過程如圖6所示。

圖6 鋼筋計及溫度計實際安裝過程Fig.6 Installation process of reinforcement bar meters and thermometers

2.2.4 試驗數(shù)據(jù)采集

表3 測試頻率Table 3 Measurement frequency

3 試驗結(jié)果及分析

現(xiàn)場試驗中對4個管片環(huán)在施工期的結(jié)構荷載和內(nèi)力進行了測試。選取具有代表性的第75環(huán)的試驗結(jié)果進行分析。

3.1 結(jié)構荷載的分布規(guī)律

第75環(huán)襯砌結(jié)構荷載測試結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，該環(huán)結(jié)構荷載隨時間呈減小并趨于平緩的規(guī)律;在同步注漿后7 d漿液強度基本可以達到周邊土體強度［11］，即注漿效應已消散;在測試環(huán)脫出盾尾后200 d左右，結(jié)構荷載趨于穩(wěn)定。注漿階段(同步注漿到注漿效應消散)結(jié)構荷載比穩(wěn)定后的荷載值高70～100 kPa，與同步注漿時的注漿壓力有關，隨著注漿壓力的消散，結(jié)構荷載不斷降低，與圖7中所測結(jié)構荷載的變化趨勢一致。

圖7 襯砌結(jié)構荷載隨時間變化圖Fig.7 Variation of load on segment structure

表4列出了計算和實測最大結(jié)構荷載及穩(wěn)定后荷載，在測試斷面的右上區(qū)域(L1、B1塊)，注漿時實測最大結(jié)構荷載大于計算結(jié)構荷載;測試斷面的左下區(qū)域(B4、B6和B7塊)，注漿時實測最大結(jié)構荷載小于計算結(jié)構荷載。穩(wěn)定后的實測荷載均小于計算結(jié)構荷載，穩(wěn)定后的實測荷載值基本為計算荷載值的70%左右，其中B4塊穩(wěn)定荷載值為計算荷載值的88%。

表4 實測與計算結(jié)構荷載比較Table 4 Measured load values and calculated load values kPa

分別選取測試環(huán)在同步注漿、脫出盾尾1個月后(注漿效應完全消散后的時間點)的荷載分布進行分析，測試環(huán)結(jié)構荷載的分布如圖8所示。

圖8 襯砌結(jié)構荷載的分布圖(單位:kPa)Fig.8 Distribution of load on segment structure(kPa)

在同步注漿時，結(jié)構荷載分布不均勻，F(xiàn)、L1管片塊相鄰，結(jié)構荷載差異較大，說明L1塊在盾尾同步注漿孔的位置附近，由于注漿壓力導致其結(jié)構荷載明顯大于周邊管片塊所測荷載值;測試環(huán)脫出盾尾1個月后，結(jié)構荷載分布相對均勻，荷載值相對同步注漿時變小，且頂?shù)滋幍暮奢d大于拱腰處荷載。

綜上，在施工過程中的注漿階段，由于注漿壓力的存在，導致襯砌結(jié)構荷載大于穩(wěn)定后的結(jié)構荷載;同時，注漿壓力會導致結(jié)構荷載的分布不均勻，部分管片塊在同步注漿孔附近導致其注漿階段的結(jié)構荷載值大于周邊管片塊的荷載值。

3.2 結(jié)構內(nèi)力的分布規(guī)律

結(jié)構內(nèi)力的計算主要是通過各管片塊內(nèi)外側(cè)主筋的應變測試值，考慮鋼筋與混凝土共同受力，將管片簡化為偏心受壓構件進行截面分析計算而得(內(nèi)力結(jié)果均是相對于管片環(huán)脫出盾尾時內(nèi)力的增量值)。所計算的結(jié)構彎矩均是內(nèi)側(cè)受拉為正，結(jié)構軸力以受壓為正。

圖9為第75環(huán)部分管片塊受力主筋的應力變化曲線。分析得到:在脫出盾尾時，鋼筋的應力比較小，在注漿階段，鋼筋應力有所增長，在測試環(huán)脫出盾尾200 d左右，鋼筋應力趨于穩(wěn)定，與結(jié)構荷載趨于穩(wěn)定的時間大體一致。

穩(wěn)定后的鋼筋應力相比注漿階段的最大值有20 MPa左右的增長。L1、B1塊內(nèi)側(cè)主筋的應力為拉應力，與其管片塊位置(理論上處于內(nèi)外側(cè)受拉區(qū)域)相對應，截面為大偏心受壓截面;B6塊內(nèi)外側(cè)主筋均為壓應力，管片塊處于結(jié)構底部位置，為小偏心受壓截面。

圖9 第75環(huán)部分管片塊鋼筋應力隨時間變化圖Fig.9 Variation of stress of reinforcement bars of segments of No.75 ring

第75環(huán)部分管片塊彎矩和軸力的測試結(jié)果如圖10和圖11所示。結(jié)構彎矩在注漿階段處于波動狀態(tài)，在測試環(huán)脫出盾尾200 d左右時，結(jié)構彎矩有大幅度增長，增量在150 kN·m左右。穩(wěn)定后B1、B6塊彎矩均為正彎矩，管片內(nèi)側(cè)受拉，與理論分析的結(jié)果一致(頂?shù)變?nèi)側(cè)受拉)。

結(jié)構軸力在注漿之后持續(xù)增加到最大值，而后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。結(jié)構軸力趨于穩(wěn)定的時間也是在測試環(huán)脫出盾尾230 d左右，與結(jié)構荷載區(qū)域穩(wěn)定的時間大體一致。穩(wěn)定后的結(jié)構軸力是最大軸力的60%左右，注漿作用對結(jié)構的軸力影響較大。

圖10 第75環(huán)部分管片塊結(jié)構彎矩隨時間變化圖Fig.10 Variation of bending moment of segments of No.75 ring

圖11 第75環(huán)部分管片塊結(jié)構軸力隨時間變化圖Fig.11 Variation of axial force of segment of No.75 ring

3.3 其他測試環(huán)

本文主要對具有代表性的第75環(huán)的測試結(jié)果進行了分析，其他測試環(huán)的結(jié)果和第75環(huán)的結(jié)果基本相同。

其他測試環(huán)在同步注漿時的結(jié)構荷載分布如圖12所示，各測試環(huán)的結(jié)構荷載分布不均勻，局部管片塊荷載偏大，如第10環(huán)的B2、B4塊，第260環(huán)的B2塊，第415環(huán)的F、B4塊，平均比其他管片塊的荷載高出100 kPa左右。上述結(jié)構荷載分布特點與同步注漿孔壓力的不均衡有關。

圖12 各環(huán)結(jié)構荷載分布圖(同步注漿)Fig.12 Distribution of load on each segment ring(with simultaneous grouting)

在第10，260和415環(huán)分別選取具有代表性的1個管片塊，其結(jié)構彎矩隨時間的變化如圖13所示。結(jié)構彎矩在注漿階段處于波動狀態(tài)，在測試環(huán)脫出盾尾230 d左右結(jié)構彎矩趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的彎矩值較大。和第75環(huán)結(jié)構彎矩隨時間的變化特點一致。

圖13 各環(huán)部分管片結(jié)構彎矩隨時間變化Fig.13 Variation of bending moment of each segment ring

在第10，260和415環(huán)分別選取具有代表性的1個管片塊，其結(jié)構軸力隨時間的變化如圖14所示。結(jié)構軸力在注漿之后大幅度增大，之后在測試環(huán)脫出盾尾270 d左右趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后的結(jié)構軸力為最大值的65%左右，注漿作用對結(jié)構軸力影響較大。和第75環(huán)結(jié)構軸力隨時間的變化特點一致。

圖14 各環(huán)部分管片軸力彎矩隨時間變化圖Fig.14 Variation of axial force of each segment ring

4 結(jié)論與討論

基于揚州瘦西湖盾構隧道管片襯砌施工期和后期的結(jié)構荷載和內(nèi)力進行現(xiàn)場測試結(jié)果，得到以下結(jié)論。

1)文中所述的現(xiàn)場測試方法可以較為全面準確地得到隧道襯砌結(jié)構荷載和內(nèi)力在施工期的分布。

2)襯砌結(jié)構荷載總體隨時間呈先減小后趨于平穩(wěn)的規(guī)律。施工期的注漿作用會使襯砌結(jié)構荷載大于穩(wěn)定后的結(jié)構荷載，同時注漿壓力控制不當會導致結(jié)構荷載的分布不均勻，在設計時應重點關注。

3)注漿階段(同步注漿到注漿效應消散)，襯砌結(jié)構內(nèi)力處于波動狀態(tài)，與各同步注漿孔壓力分布不均有關，穩(wěn)定后的結(jié)構軸力為注漿作用下最大值的60%～65%，注漿作用對結(jié)構軸力影響較大。

本文通過現(xiàn)場監(jiān)測試驗的方法得到了盾構隧道施工期襯砌結(jié)構荷載和內(nèi)力變化規(guī)律的一些定性結(jié)論，研究方法和結(jié)論可為今后類似研究提供參考。

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