韓 超 張 柯 李春華

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學院土木工程系, 450064, 鄭州； 2.中國科學院武漢巖土所, 430071, 武漢；3.中鐵隧道局集團有限公司, 511458, 廣州∥第一作者， 講師)

目前，不同地質(zhì)條件下城市軌道交通項目隧道工程的結(jié)構(gòu)力學性能尚不能完全統(tǒng)一，管片結(jié)構(gòu)力學機制尚不夠清晰。針對管片結(jié)構(gòu)力學性能的研究主要通過理論與試驗的方法開展，例如：文獻[1]分別通過建立有限元三維數(shù)值模型，結(jié)合施工工序、注漿材料與管片接頭特性研究管片受力特征；文獻[2]針對地鐵工程，通過現(xiàn)場測試研究管片外圍壓力和管片應力的變化規(guī)律。在針對水下工程隧道結(jié)構(gòu)的研究上，文獻[3-5]研究了管片在生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)力學特性。此外，文獻[6-7]僅針對軟巖地層大直徑隧道工程開展了研究，分析研究了管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化特征。

以上研究大多依托盾構(gòu)隧道工程，而對于雙護盾TBM(隧道掘進機)施工的隧道管片結(jié)構(gòu)力學性能研究甚少。為此，本文依托深圳地鐵6號線梅林關(guān)站—翰林站區(qū)間隧道工程開展管片結(jié)構(gòu)力學性能研究，以期為城市軌道交通工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

深圳地鐵6號線二期工程北起深圳北站，南至科學館站，線路全長約11.8 km。梅林關(guān)站—翰林站隧道區(qū)間工程沿線穿越南坪快速路、東江供水干線隧道、廈深鐵路、新彩隧道等，全長約2 312 m，其中，雙護盾TBM施工段長度為1 965 m。如圖1所示,該隧道工程的最大埋深為137 m，上覆人工填土、殘積土及粉質(zhì)黏土，下伏全風化至中風化花崗巖，隧道圍巖等級為Ⅱ—Ⅴ級，平均飽和單軸抗壓強度為180 MPa。雙護盾TBM施工段連續(xù)掘進距離長，沿途有局部破碎帶、軟弱地層等不良地質(zhì)。

圖1 梅林關(guān)站到翰林站隧道區(qū)間地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of tunnel interval from Meilinguan Station to Hanlin Station

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗方案設計

如圖2所示，該隧道的管片外徑為6.2 m，厚度為0.4 m，寬度為1.5 m。每環(huán)管片由3個標準塊(A1、A2、A3)、2個鄰接塊(B、C)和1個楔形塊(K)組成，拼裝時采用彎螺栓連接，管片背后采用豆礫石注漿回填。

圖2 隧道管片監(jiān)測儀器布置圖Fig.2 Layout of tunnel segment monitoring instrument

本文選取在埋深62 m 處的隧道斷面進行測試，該斷面位于微風化花崗巖地層。將監(jiān)測儀器分別安裝在隧道斷面上下左右對稱的位置，即在拱頂處設1#測點、拱底處設2#測點、左邊墻設3#測點、右邊墻設4#測點。在每塊管片的外側(cè)安裝1個土壓力計，在內(nèi)外側(cè)各安裝1個鋼筋應力計和1個混凝土應變計。管片澆筑混凝土前，將監(jiān)測儀器綁扎或焊接固定在鋼筋籠上，現(xiàn)場施工實景如圖3所示。

a) 土壓力計

2.2 監(jiān)測儀器設備

本文選用的監(jiān)測儀器如表1所示。采用多通道振弦式采集儀進行長期跟蹤，以讀取并記錄數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測儀器及其參數(shù)Tab.1 Monitoring instrument and its parameters

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 圍巖壓力

圖4為圍巖壓力隨時間變化曲線。受管片注漿壓力的影響，圍巖壓力主要經(jīng)歷了下部注漿、上部注漿、緩慢變化、趨于穩(wěn)定4個變化階段。由圖4可知，圍巖壓力在變化階段的最大值為73.47 kPa，位于隧道拱頂處；變形穩(wěn)定后的最大值為50.41 kPa。在整個變化過程中，圍巖壓力較小，巖石地層隧道環(huán)外壓力主要為充填注漿引起的壓力。

圖4 圍巖壓力隨時間變化曲線Fig.4 Curve of surrounding rock radial pressure changing with time

從圖5的圍巖壓力分布圖可以看出，不同測點處圍巖壓力的變化情況不同，1#測點和2#測點處圍巖壓力較大，3#測點和4#測點處的圍巖壓力則相對較小，圍巖壓力整體表現(xiàn)為上下大、左右小的“鴨蛋”形。

單位：kPa圖5 圍巖壓力分布圖Fig.5 Radial pressure distribution

3.2 管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力

沿管片圓環(huán)切線方向取1個計算單元，建立矩形單元力學模型，如圖6所示。

注：N——管片軸力；M——襯砌環(huán)彎矩；Nc——混凝土軸力；N1—內(nèi)側(cè)鋼筋軸力；N2—外側(cè)鋼筋軸力；a——內(nèi)側(cè)鋼筋保護層厚度；a1——外側(cè)鋼筋保護層厚度。圖6 管片的矩形單元力學模型Fig.6 Rectangular unit mechanical model of segment

對管片環(huán)向受力進行偏心受壓計算，得到鋼筋混凝土管片力的平衡方程為：

(1)

(2)

式中：

Ns——鋼筋軸力；

n——管片主筋數(shù)量；

b——管片幅寬；

h——管片厚度；

σc1——內(nèi)側(cè)混凝土應力；

σc2——外側(cè)混凝土應力；

Ms——鋼筋彎矩；

Mc——混凝土彎矩。

根據(jù)鋼筋和混凝土的協(xié)調(diào)變形機制，可得：

σs/Es=σc/Ec

(3)

式中：

σs——鋼筋應力；

σc——混凝土應力；

Es——鋼筋彈性模量；

Ec——混凝土彈性模量。

根據(jù)管片設計，管片環(huán)向內(nèi)外側(cè)鋼筋均為12根(即n=12)，a=40 mm，a1=50 mm，h=0.4 m，b=1.5 m，Es=2.0×105N/mm2，Ec=3.45×104N/mm2。將上述數(shù)據(jù)代入式(1)～(3)，可計算得到管片的軸力N和彎矩M，其中，取彎矩外側(cè)受拉為正，軸力受拉為正。

3.2.1 管片軸力

圖7為管片軸力隨時間變化曲線。由圖7可知：管片軸力均為負值，且呈現(xiàn)不均勻受壓狀態(tài)；管片拼裝完成后，在豆礫石注漿回填層及圍巖壓力作用下，前11 d(2019-05-29至2019-06-08)軸力增長速度最快，其最大增長速率達2.82 kN/d；前期注漿與二次補漿完成后，即管片拼裝完成后約70 d(2019-08-07),管片軸力變化基本趨于穩(wěn)定。從各階段管片軸力的變化情況看，注漿階段管片軸力的增長速率較大，其最大軸力為104.38 kN(位于3#測點處)，管片軸力整體呈現(xiàn)左上方大、右下方小的不均勻分布特征。在緩慢變化階段，管片軸力的變化速率較小，3#測點處的最大軸力為112.87 kN；穩(wěn)定階段3#測點處的最大軸力值為109.83 kN。

圖7 管片軸力隨時間變化曲線Fig.7 Curve of segment axial force changing with time

如圖8所示，在不同施工階段管片軸力的分布不均勻，呈現(xiàn)出左上方大、右下方小的分布特征，此時管片承受偏壓荷載，這對管片的結(jié)構(gòu)及隧道安全不利。因此，在管片設計及拼裝施工時，應盡可能減少左上部管片錯臺，同時應提高接縫處的防水性能。

單位：kN圖8 管片軸力分布圖Fig.8 Axial force distribution of segment

3.2.2 襯砌環(huán)彎矩

圖9為襯砌環(huán)彎矩隨時間變化曲線。由圖9可知：彎矩均為正值，即管片外側(cè)受拉；在注漿階段，受管片拼裝和注漿壓力的影響，襯砌環(huán)彎矩呈總體現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在注漿壓力影響消散后，彎矩變化緩慢，最后趨于穩(wěn)定，其變化規(guī)律與管片軸力的變化規(guī)律相似。

圖9 襯砌環(huán)彎矩隨時間變化曲線Fig.9 Curve of lining ring bending moment changing with time

從整環(huán)管片看，襯砌環(huán)彎矩呈現(xiàn)上下大、左右小的分布規(guī)律，如圖10所示。因此，在施工與后續(xù)線路運營過程中，應密切關(guān)注隧道上下方管片結(jié)構(gòu)擠壓破損等病害，以及時發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患。

單位：kNm圖10 襯砌環(huán)彎矩分布圖Fig.10 Lining ring bending moment distribution

4 結(jié)語

1)管片圍巖壓力變化主要分為下部注漿、上部注漿、緩慢變化和趨于穩(wěn)定4個階段。圍巖壓力整體表現(xiàn)為上下大、左右小的“鴨蛋”形不均勻分布，在管片設計時應對隧道上下方進行局部加強。

2)管片軸力均為負值，即管片處于受壓狀態(tài)，其中左拱腰處的軸力最大。管片軸力整體呈現(xiàn)左上方大、右下方小的不均勻分布規(guī)律，在管片拼裝施工時應可能減少左上部管片錯臺。

3)襯砌環(huán)彎矩均為正值，即管片外側(cè)受拉，其彎矩最大值位于拱底處，襯砌環(huán)彎矩呈現(xiàn)為上下大、左右小的分布規(guī)律，在施工與后續(xù)運營中應密切關(guān)注隧道上下方管片結(jié)構(gòu)擠壓破損等病害。