软硬不均地层盾构隧道管片力学行为研究

张 恒,陈寿根,陈 亮

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

盾构隧道是由若干环管片组成的拼装结构,每环管片由若干块管片,管片间纵、环向螺栓及纵、环向止水材料组成。复杂的构造使管片力学行为受到接头构造、接头数量等因素的影响。正常使用阶段管片的力学行为研究已经比较成熟[1-3]。管片环可模型化为匀质圆环模型、多铰圆环模型、弹性铰模型及同时考虑环向接头及纵向接头径向剪切刚度的模型等[4,5]。从实际经验可知,管片开裂情况大多出现在施工阶段[6-9],因此,对盾构隧道施工阶段的研究更为重要。以深圳地铁5号线盾构隧道施工为研究背景,通过现场测试,对深圳软硬不均地层盾构隧道施工过程中衬砌所承受的轴力和弯矩进行分析,以此来探究盾构隧道管片的力学特性。

1 工程概况

深圳地铁5号线5307标段盾构区间位于深圳市罗湖区,区间隧道从怡景路站始发,下穿怡景路、黄贝岭小区、沿河路和深南东路,到达怡黄区间吊出井吊出,区间主要在新湖路下穿行,右线全长1 051.6 m,左线全长1 078.7 m。盾构区间为2条平行的分离式的单线圆形隧道盾构区间圆形隧道,管片设计外径为6 m,内径为5.4 m,限界为5.2 m,管片厚度为30 cm,宽度1.5 m,管片分块数为6块，即“3+2+1”的分块模式,每环管片由3块标准块,2块邻接块和1块封顶块组成,管片楔形量为38 mm。断面为5307标怡景路—黄贝岭区间左线DK38+654处第465环(DG标准环)。该断面隧道洞身埋深17 m,地下水位距地面3.5 m,隧道位于强风化凝灰质砂岩、中风化凝灰质砂岩及微风化凝灰质砂岩3种不同硬度的地层中,地质条件复杂,属于典型的软硬不均地层。

2 试验准备、元件安装和数据采集

2.1 测试元件的安装

土压力的测试仪器采用TFL-TY-P40振弦式土压力盒,最大量程4.0 MPa；孔隙水压测试仪器采用TFL-KY-P10振弦式孔隙水压计,量程为1 MPa；管片的内力测试仪器采用TFL-S-NM15振弦式混凝土微应变仪,量程为+1 500 με～-1 500 με；钢筋轴力测试采用TFL-S-GJ20振弦式钢筋计,量程为500 MPa。钢筋计和混凝土应变计在现场浇筑管片混凝土前预先固定在预制好的钢筋笼上。测试元件位置固定后,测试专用电缆全部导入专用走线孔,并将出线管用胶带密封好后,再进行盾构隧道管片混凝土浇筑。土压力盒、钢筋计、混凝土应变计及孔隙水压力计安装后的情况如图1所示。

图1 测试元件安装

2.2 试验管片数据采集

测试中使用的传感仪器均为振弦式传感器,测试数据采集采用TFL-F-BX01型振弦式记录仪可进行自动或手动频率采集。图2中分布于管片环周的黑色线缆为测试元件走线情况。图3为现场测试过程中数据采集。

图2 测试元件走线

图4 管片矩形单元力学模型

建立矩形单元力学模型,如图4所示。按偏心受压构件来计算管片环向受力,其中主筋和混凝土共同承担压力,取管片环向1 m长度为计算单元,N1、N2分别为管片内、外侧单根钢筋轴力,Nc为截面环向混凝土压力的合力,M为环向截面弯矩,α′为钢筋保护层厚度,且上下层钢筋的保护层厚度相等,均为35 mm。根据所测结果,可知截面内、外侧混凝土应力值σc1和σc2,钢筋内、外侧轴力N1、N2,管片纵向截面积为A,管片纵截面的轴力由混凝土所受轴力Nc和钢筋所受轴力Ns组成,截面弯矩则由混凝土所受弯矩Mc和钢筋所受弯矩Ms组成,根据静力平衡条件和材料力学压弯组合计算公式,可得力的平衡方程如下

(1)

(2)

(3)

式中b、h——分别为截面的宽度和厚度；

n——为管片内外侧钢筋根数,均为12根。

3 试验成果与分析

3.1 软硬不均地层土压力分布规律

测试环刚拼装上时,由于在盾尾的保护之下,并未接触到周围土体以及同步浆液,土压力盒未受到土压力作用,直到试验环脱出盾尾之后,即从拼装后的第3环开始,试验环外表面与同步浆液接触,土压力盒开始受到压力的作用,土压力随施工变化曲线如图5所示。

图5 土压力随施工变化曲线

从图5中可以看出,当试验环刚脱出盾尾时,各测点的土压力基本上均达到了最大值,这是由于测试环刚离开盾构机外壳的支护时,上覆土压力开始作用于试验环之上,同时测试环外表面还受到盾尾同步注浆压力和盾尾刷刮擦的影响,此时土压力值是部分上覆土压力和注浆压力等叠加的结果。由于浆液的初凝时间只有6 h左右,根据8环/d的施工进度,当试验环为脱出盾尾后的第2环时,试验环外周的浆液便开始凝固,其强度和刚度逐渐增大,此时后方的注浆压力对各测点土压力的影响也越来越小,而未释放的上覆土压力则通过凝固后的浆液层作用于测试环,此时的土压力值相较试验环刚脱出盾尾时要小。随着施工的不断进行,土压力值仍存在降低的趋势,这是由于到了20环左右,浆液达到70%的强度,注浆压力基本上对土压力没有影响,同时上覆土层变形逐渐收敛,地层压力通过浆液固结层传递到测试环上的土压力基本保持不变,各测点稳定后的土压力值均小于理论计算值,稳定后的土层压力如图6所示。

图6 稳定后试验环土压力分布(单位：kPa)

由于土体软硬程度不一,其侧压力系数和抵抗变形的能力不同,导致试验环左右两侧土压力并不对称,同时拱顶压力比拱底压力大得多,这也证明用上覆土压力等于拱顶上覆土自重的理论计算土压力值,与实际情况有较大误差；在软硬不均地层中的盾构法施工,当试验环管片脱出盾尾20环,约4～5 d,地层达到稳定状态。这是由于软硬不均地层的地质条件较为复杂,存在土体分层现象,各种土体的力学性能差异较大,盾构施工时,土体需要相对较长的时间来完成地层沉降变形,形成拱平衡效应,最终达到稳定状态的过程,同时也证明了在软硬不均地层中盾构施工难度较大。

3.2 软硬不均地层管片内力分布规律

将采集到的钢筋计频率值代入钢筋轴力和混凝土应变的计算公式,可得到各测点钢筋的轴力和各测点混凝土的应变,钢筋轴力随施工变化曲线和混凝土应变随施工变化曲线分别如图7和图8所示。

图7 各测点钢筋轴力随施工变化曲线

图8 各测点混凝土应变随施工变化曲线

假定实际量测到的单根钢筋轴力代表了此截面单幅管片环向受力筋的应力水平,管片的环向受力筋内、外侧均为12根,则将数据代入式(1)～式(3)后,可得试验环管片刚拼装钢筋所承受的轴力和弯矩,弯矩外侧受拉为正,轴力受拉为正。假定测点位置处的混凝土应变代表了此截面单幅管片环向内侧或外侧的混凝土应变水平,则将数据代入式(1)～式(3)后,可得混凝土所承受的轴力和弯矩,弯矩外侧受拉为正,轴力受拉为正。根据以上所求的试验环在各阶段时管片钢筋内力和混凝土内力,将其叠加,得到试验环管片在刚拼装、脱出盾尾和达到稳定3个阶段的内力分布,如图9所示。

图9 软硬不均地层管片内力分布

从图9可以得出试验环管片刚拼装上时,由于管片还在盾壳的保护下,未受到地层压力和注浆压力的影响,仅受管片自重和千斤顶撑靴的作用,因此试验环内力较小；当管片脱出盾尾时,管片的受力状态发生改变,同步注浆压力、盾尾密封刷和密封油脂压力作用于管片外表面,同时上覆地层压力也通过注浆层作用于管片之上,此时管片处于复杂的三维受力状态下,其内力达到最大值。由于盾构姿态控制的需要,随时要调整千斤顶,由此对管片产生压力差,对管片受力非常不利；当试验环管片拼装上20环左右,也就是在拼装后的第4天开始,由于浆液达70%强度,盾尾后方注浆压力基本上不再对试验环有影响,管片内力趋于稳定,稳定后的管片内力一般相较刚脱出盾尾时要小。

3.3 软硬不均地层孔隙水压力分布规律

为了更准确、更方便地测量孔隙水压值,在试验环管片脱出盾构机5号台车后安装到管片吊装孔内,水压力随施工变化曲线和各测点布置分别如图10和图11所示。从图中可以看出,拱腰处063号水压力计稳定后读数为69.4 kPa,拱底处055号水压力计读数为94.9 kPa,两者相差25.5 kPa,与理论计算的30 kPa相差15%；拱腰处066号水压力计稳定后读数为63.5 kPa,拱底处064号水压力计读数为89.5 kPa,两者相差26 kPa,与理论计算的30 kPa相差13.3%。这部分差距可能由于靠近拱底较完整的微风化岩层形成了一层不易透水的隔水层,阻隔了地下水的向下渗入,引起水头损失。

图10 各测点孔隙水压力随施工变化曲线

图11 水压力测点布置

由此可以得出软硬不均地层中盾构管片孔隙水压的分布规律：地下水压力的大小与水力梯度、渗透系数、渗透速度以及渗透时间有关。在水压力计刚装上后,各测点水压力值逐渐增大,大约2 d,孔隙水压力值趋于稳定。这是由于该地段的强风化凝灰质砂岩及中风化凝灰质砂岩强度和硬度不同,地层与地层之间形成具有可供地下水流通的分界面甚至是过水通道,凝灰质砂岩内也分布有密密麻麻的相互连通的裂隙,其间贮存着部分基岩裂隙水。因此,当局部地下水损失时,周围的地下水会由于水头差的存在而不断补给过

来,直至达到水力平衡状态。上部软岩层为较易透水的地层,地下水压能够准确的反应出来,但是下部硬岩层则相当于形成了一张不易透水的隔水层,会阻隔地下水向下渗透。

4 结论

通过现场测试探明深圳地区软硬不均地层中盾构隧道管片的力学特性,可得出以下结论：

(1)软硬不均地层侧压力系数和抵抗变形的能力不同,导致试验环左右两侧土压力并不对称,同时拱顶压力比拱底压力大得多；

(2)管片刚拼装上时,试验环内力较小；当管片脱出盾尾时,其内力达到最大值；稳定后的管片内力一般相较刚脱出盾尾时稍小；

(3)在水压力计刚装上后,各测点水压力值逐渐增大,大约2 d,孔隙水压力值趋于稳定；上部岩层较软,下部岩层较硬,在一定程度上会阻隔地下水向下渗透。

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