粘性地層地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特征研究

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1、粘性地層地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特征研究摘　要　以南京地鐵一號(hào)線為工程背景,采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究手段對(duì)穿越粘性地層的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程和穩(wěn)定期的力學(xué)行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究,同時(shí)采用考慮結(jié)構(gòu)與地層相互作用的梁-彈簧模型對(duì)其進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析,并將結(jié)果進(jìn)行比較和綜合,提出了粘性地層條件下地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則與方法。關(guān)鍵詞　盾構(gòu)隧道　管片結(jié)構(gòu)　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)　數(shù)值模擬　力學(xué)分析1前　言盾構(gòu)隧道單層拼裝式管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形計(jì)算模型,通常采用均質(zhì)圓環(huán)模型[1]及考慮管片接頭效應(yīng)的梁-彈簧模型[2,3]。雖然梁-彈簧模型考慮了管片接頭效應(yīng),但實(shí)際的荷載模

2、式及結(jié)構(gòu)與圍巖的作用模式等都是建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上,結(jié)果隨參數(shù)取值的不同而具有較大的差異,具體的作用模式還有待進(jìn)一步研究確定[2]。為探明施工過(guò)程盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征,本文采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究手段對(duì)穿越粘性地層的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程和穩(wěn)定期的力學(xué)行為進(jìn)行系統(tǒng)研究,并將結(jié)果與梁-彈簧模型進(jìn)行比較和綜合,提出粘性地層條件下地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則與方法。2試驗(yàn)概況2.1試驗(yàn)斷面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)斷面位于南京地鐵一號(hào)線TA15標(biāo)段樁號(hào)YK13+872處,洞身位于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中,隧道上覆約4m厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,表層為粉砂夾細(xì)砂,隧道埋深9m左右,地質(zhì)概況

3、如圖1所示。地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道采用單層裝配式鋼筋混凝土管片構(gòu)筑襯砌環(huán),管片環(huán)內(nèi)直徑5.50m,幅寬1.20m,厚0.35m。襯砌環(huán)由6塊管片組成,封頂塊圓心角21.5°,2個(gè)鄰接塊圓心角68.0°,3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊圓心角67.5°,每環(huán)管片設(shè)16處縱向接頭,接頭按22.5°等角度布置,管片環(huán)在縱向采用45°錯(cuò)縫式拼裝,襯砌管片環(huán)拼裝及試驗(yàn)斷面如圖2所示。2.2試驗(yàn)內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)從管片襯砌托環(huán)瞬間開(kāi)始一直到各測(cè)試項(xiàng)目穩(wěn)定為止。試驗(yàn)內(nèi)容包括作用在盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)上的土壓力、孔隙水壓力以及管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力:采用量程為0.3MPa的XYJ-3型剛弦式土壓力盒測(cè)試土壓力;采用量程為0

4、.2MPa的XJS-2型孔隙水壓力計(jì)測(cè)試孔隙水壓力;采用量程為3000微應(yīng)變的XJH-2型剛弦鋼筋應(yīng)變儀測(cè)試管片內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變,通過(guò)管片內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變?cè)俚贸龉芷膬?nèi)力。2.3測(cè)點(diǎn)布置在試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)環(huán)內(nèi)總共布置了8個(gè)土壓力、8個(gè)孔隙水壓力、16對(duì)管片內(nèi)力測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖3。水壓力隨施工過(guò)程的變化情況如圖4所示,從圖4可以看出:從目標(biāo)環(huán)托環(huán)開(kāi)始到其后10環(huán)管片范圍內(nèi)的施工中,作用在目標(biāo)環(huán)上的水壓力值變化較大,當(dāng)施工范圍達(dá)到目標(biāo)環(huán)20環(huán)以外后,作用在目標(biāo)管片環(huán)上的水壓力值才基本趨于穩(wěn)定;從量值上看,作用在盾構(gòu)管片環(huán)上的水壓力局部達(dá)到0.28MPa,由于目標(biāo)環(huán)處的最大埋深為9

5、m左右,由此可得,孔隙水壓力計(jì)在目標(biāo)環(huán)托環(huán)開(kāi)始到其后10環(huán)管片范圍內(nèi)測(cè)得的水壓力還應(yīng)包括作用在目標(biāo)環(huán)上的注漿壓力等其它荷載,圖5為注漿壓力穩(wěn)定后最終目標(biāo)管片環(huán)上的水壓力分布情況。3試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1水壓力變化與分布規(guī)律測(cè)試目標(biāo)環(huán)托環(huán)后作用在目標(biāo)環(huán)管片襯砌上的從上述可以得出:粘性地層條件下,由于粘性土的滲透系數(shù)較低,注漿壓力不能很快消散,粘性地層條件下在盾構(gòu)管片環(huán)托環(huán)后一定范圍(本文認(rèn)為15環(huán)左右)內(nèi)施工時(shí),作用在盾構(gòu)管片環(huán)上的水壓力為注漿壓力和水壓力的疊加值,當(dāng)施工范圍達(dá)到一定距離(本文認(rèn)為40~50環(huán))以后,隨著注漿壓力的逐漸減小,作用在盾構(gòu)管片環(huán)上的水壓力

6、逐漸穩(wěn)定直至接近理論靜水壓力場(chǎng)的數(shù)值。3.2土壓力變化與分布規(guī)律測(cè)試目標(biāo)環(huán)托環(huán)后作用在目標(biāo)環(huán)管片襯砌上的土壓力隨施工過(guò)程的變化情況如圖6所示,從圖6可以看出:與水壓力的變化規(guī)律基本相同,從目標(biāo)環(huán)托環(huán)開(kāi)始到其后10環(huán)管片范圍內(nèi)的施工中,作用在目標(biāo)環(huán)上的土壓力值都較大,同時(shí)土壓力值的變化幅度也都比較大,當(dāng)施工范圍達(dá)到目標(biāo)環(huán)30環(huán)以后,作用在目標(biāo)管片環(huán)上的土壓力值才基本趨于穩(wěn)定。圖7為最終作用在目標(biāo)管片環(huán)上的土壓力情況。從上述可以得出:粘性地層特定條件下,管片襯砌受盾尾注漿壓力及漿液硬化后形成的包裹層等因素的制約,盾構(gòu)管片環(huán)托環(huán)后在一定范圍(本文認(rèn)為15環(huán)左右)內(nèi)施工

7、時(shí),作用在該管片環(huán)上的土壓力值為注漿壓力和土壓力的疊加值,當(dāng)施工范圍達(dá)到一定距離(本文認(rèn)為60環(huán))以后,隨著注漿壓力的逐漸減小,作用在盾構(gòu)隧道管片上的土壓力才逐漸趨于穩(wěn)定;也就是說(shuō)粘性地層條件下,施工過(guò)程中地層基本穩(wěn)定的基本條件是離施工環(huán)的距離達(dá)到60環(huán)以上,或者約12~14天以上。3.3管片內(nèi)力變化及分布規(guī)律測(cè)試目標(biāo)環(huán)托環(huán)后目標(biāo)環(huán)管片內(nèi)力(軸力和彎矩)隨施工的變化情況如圖8和圖9所示,由圖8和圖9可以看出:目標(biāo)管片環(huán)脫環(huán)后由于受千斤頂推力、注漿壓力、地層壓力和拼裝方式等共同作用,在多數(shù)位置均有較大的內(nèi)力,但隨著盾構(gòu)機(jī)不斷向前推進(jìn),千斤頂頂力和注漿壓力逐漸減小,

8、目標(biāo)環(huán)管片內(nèi)力值逐漸減小