城市地鐵隧道工作面開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律

1、目錄錯(cuò)誤！未找到目錄項(xiàng)。城市地鐵隧道工作面開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律摘要：基于深圳地鐵實(shí)測資料,系統(tǒng)地分析了隧道：工作面開挖的地層應(yīng)力分布特征,揭示了城市地鐵隧道上：作面圍巖應(yīng)力重分布的規(guī)律,提出了淺埋隧道圍巖應(yīng)力的分區(qū)概念。關(guān)鍵詞：隧道工程：城市地鐵隧道；地層應(yīng)力；分布特征1 引言采用淺埋暗挖法開挖城市地鐵隧道,其應(yīng)力臨測相對其變形觀測較少,尤其是用來完整分析地層應(yīng)力分布的量測資料十分匱乏。因此,城市地鐵隧道工作面開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律的系統(tǒng)研究,對地鐵隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工等具有重要意義。本文利用深圳地鐵隧道現(xiàn)場測試資料,擬對城市地鐵隧道開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。2 測試斷面的工程概況針對

2、深圳地鐵淺埋暗挖法部分標(biāo)段,如雙洞雙線隧道的5,6和13標(biāo)及單洞重疊線隧道的3A和3c標(biāo),地表沉降相對較大。本文選取6和3A標(biāo)作為重點(diǎn)觀測研究對象，其他標(biāo)段由施工方配合觀測。2.1 6標(biāo)段測試斷面概況測13t斷面里程為左SK5+07Qb雙線隧道中心線距為13mi隧道埋深為9.8 m, 上覆地層依次為素填土、中砂、粘土和砂質(zhì)粘性土。其中富水砂層厚度為4.0m,相對隔水層厚度為2.2m）地下水埋深為2.5m,斷面為馬蹄形（6.5mx6.6m（寬X高）。初期支護(hù)為。22mm格柵鋼架+（j）6mm鋼筋網(wǎng)（150mm750mm）+250mmSC20噴射混凝土；超前支護(hù)為e32mm3.25mm§

3、注漿雙排小導(dǎo)管，其布置布置在拱部150。范圍。施工采用臺(tái)階法，臺(tái)階（核心土地）長度為8m。2.2 3A標(biāo)段測試斷面概況測試斷面里程為SKi+487.5。隧道埋深為13m,上覆地層依次為素填土、軟土、中砂、礫砂和粉質(zhì)粘土。其中富水砂礫層厚度為5m,相對隔水層厚度為2.6ml地下水埋深為1.5m5斷面為直墻拱形（6.8mx13m（寬X高）。初期支護(hù)為（f）25mm格柵鋼架+（f）8mm鋼筋網(wǎng)（150mn1150mm）+300mmBC20噴射混凝土。超前支擴(kuò)采用注漿小管棚（f）76mm5mmi注漿小導(dǎo)管（f）42mm4mm；布置范圍為拱部。施工采用4步臺(tái)階法,3個(gè)臺(tái)階均設(shè)臨時(shí)橫撐。3 現(xiàn)場測試內(nèi)容與

4、測點(diǎn)布置圍巖應(yīng)力測試包括：（1）超前小導(dǎo)管應(yīng)變測試；（2）圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力測試；（3）孔隙水壓力測試；（4）初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力測試；（5）拱腳接觸應(yīng)力測試。超前小導(dǎo)管應(yīng)變測試采用膠基箔式3mmX5mmz變片；接觸應(yīng)力采用1.0MPa土壓力盒：孔隙水壓力采用0.2MPa鋼弦式壓力計(jì)；結(jié)構(gòu)內(nèi)力采用鋼弦式鋼筋計(jì)。超前小導(dǎo)管應(yīng)變測點(diǎn)布置是取。32mmK2.5m的小導(dǎo)管，上、下對稱布點(diǎn)各5個(gè)，安裝在拱頂和拱腰處(設(shè)置3根補(bǔ)償管)。6標(biāo)段應(yīng)力測點(diǎn)布置見圖1。3A標(biāo)段應(yīng)力測點(diǎn)布置基本同6標(biāo),但因是重疊隧道,故測點(diǎn)數(shù)目有所增加。圖16標(biāo)段應(yīng)力測點(diǎn)布置4 工作面開挖的圍巖應(yīng)力變化4.1 圍巖徑向接觸應(yīng)力分布

5、規(guī)律6標(biāo)段各測點(diǎn)圍巖徑向應(yīng)力歷時(shí)變化趨勢見圖2。圖26標(biāo)各測點(diǎn)圍巖徑向應(yīng)力歷時(shí)變化趨勢圖2中橫坐標(biāo)觀測時(shí)間的正號(hào)表示已封閉成環(huán),負(fù)號(hào)表示未封閉,以下同。由所測的圍巖徑向應(yīng)力并結(jié)合3A,3C(與3A緊鄰，工程條件相同)等標(biāo)段的實(shí)測資料可得,其應(yīng)力分布規(guī)律如下：(1)拱腰和仰拱處的圍巖徑向應(yīng)力較大：而拱頂與仰拱底處的圍巖徑向應(yīng)力均較小，相比較而言，最小值產(chǎn)生在兩側(cè)墻，其大小排序?yàn)镻抑拱P拱部P也墻；(2)對雙線隧道,由于右線開挖影響,在仰拱部位,總的表現(xiàn)特征是仰拱右側(cè)處的徑向應(yīng)力大于其左側(cè)；(3)3A標(biāo)段斷面的徑向應(yīng)力較6標(biāo)為大,原因?yàn)?A標(biāo)設(shè)臨時(shí)仰拱且斷面下部分處于風(fēng)化巖上,圍巖變形相對較小,故

6、由“地層-支護(hù)”特征曲線可知,其必然導(dǎo)致徑向應(yīng)力大；(4)在結(jié)構(gòu)未封閉成環(huán)之前,拱部變形過大,實(shí)測應(yīng)力值較小,隨時(shí)間延長,初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度提高,其支護(hù)抗力逐漸增大,反映為圍巖施加于支護(hù)的徑向應(yīng)力也隨之變大,這符合“地層-支護(hù)”特征曲線的原理；(5)拱部壓力在下臺(tái)階開挖至斷面里程時(shí),開挖邊墻前后的壓力值產(chǎn)生了較大的改變。此時(shí),拱頂壓力增大,而兩拱腰卻稍有下降。隨下半斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作,整體剛度提高拱部壓力存在一個(gè)“平臺(tái)”(壓力大小不變)或“卸荷”(壓力略有下降)現(xiàn)象,隨整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力調(diào)整和再分配,拱部壓力又重新進(jìn)入一個(gè)緩慢增長直至穩(wěn)定的過程；(6)邊墻與仰拱處的壓力變化趨勢基本相同,不

7、同的是斷面封閉成環(huán)后,隨著結(jié)構(gòu)的逐步穩(wěn)定,應(yīng)力的調(diào)整和再分配仰拱的壓力值增長速率相對較大,從而使仰拱部位承受了較大的圍巖壓力。4.2 孔隙水壓力分布特征孔隙水壓力的歷時(shí)曲線見圖3。由圖3以及在3A,3C標(biāo)等的量測資料可知,孔隙水壓力的分布特征為：(1)初期支護(hù)未封閉成環(huán)前,孔隙水壓力隨工作面推進(jìn)有降低的趨勢,表明工作面處的孔隙水壓力為最小值,而隨著斷面的封閉,孔隙水壓力逐漸增加,至一定值后漸趨穩(wěn)定；(2)拱頂部位孔隙水壓力為負(fù)值,表明該處土體處于松馳狀態(tài),為剪性張拉區(qū)；(3)仰拱處的孔隙水壓力為最大,其次為下臺(tái)階的右下側(cè)和左下側(cè)：(4)孔隙水壓力分布與圍巖徑向應(yīng)力分布特征基本類似。圖3孔隙水壓

8、力的歷時(shí)曲線4.3 初期支護(hù)格柵鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)力, 見圖 4 和 5 。由所測的格柵鋼架主筋的截面軸力和彎矩的變化趨勢通過結(jié)構(gòu)簡化而計(jì)算4,5可知,(1)在觀測斷面安裝后7d(開挖工作面距測試斷面1.39D),初期支護(hù)的上半斷面軸力,在封閉后符號(hào)變異。封閉成環(huán)后,上、下斷面的截面軸力有增加的趨勢,然后呈穩(wěn)定態(tài)勢且拱部略有下降。(2)上半斷面結(jié)構(gòu)的軸力在剛安裝時(shí)為壓力,其后變?yōu)槔?。拱部軸力在封閉成環(huán)后,變?yōu)閴毫?兩拱腰也由受拉變?yōu)槭軌?；下半斷面左右兩邊墻以及仰拱兩?cè)軸力均為壓力,而在仰拱底處由開始的拉拉逐漸趨變?yōu)閴毫顟B(tài)。上述特征與設(shè)計(jì)的整個(gè)結(jié)構(gòu)斷面皆受壓不相一致。(3)結(jié)構(gòu)所受彎矩的分布狀態(tài)為：

9、在封閉成環(huán)后,除仰拱部以及側(cè)墻為內(nèi)側(cè)受拉外,其他實(shí)測的結(jié)果均與設(shè)計(jì)值不同。(4)相比較而言,上半斷面承受了較大的軸力和彎矩,說明上半斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)為主要承受部位。圖4初次支擴(kuò)結(jié)構(gòu)截面軸力變化趨勢圖5初次支護(hù)結(jié)構(gòu)截面彎矩變化趨勢4.4 超前支護(hù)體應(yīng)力對超前小導(dǎo)管的應(yīng)力分析采用拉(壓)彎組合,以拱腰小導(dǎo)管為例,其拉(壓)應(yīng)變及彎曲應(yīng)變在不同開挖長度時(shí),實(shí)測應(yīng)變沿小導(dǎo)管長度的變化趨勢見圖6,7。圖6小導(dǎo)管的拉、壓應(yīng)變的變化趨勢圖7小導(dǎo)管的彎曲應(yīng)變的變化趨勢6,7及其他小導(dǎo)管的應(yīng)變測試資料可得,超前支護(hù)小導(dǎo)管的應(yīng)變變化特征為：(1)隨工作面。開挖,超前支護(hù)體上沿全長皆有應(yīng)力分布,小導(dǎo)管的工作狀態(tài)是拉彎

10、組合,即小導(dǎo)管在圍巖荷載的作用下,產(chǎn)生彎曲的同時(shí)也伴隨有拉伸。(2)隨工作面推進(jìn),拉應(yīng)力增加,其應(yīng)變增量有向下一測點(diǎn)遞增的趨勢。(3)當(dāng)工作面推進(jìn)長度大于小導(dǎo)管長度時(shí),尤其是上下臺(tái)階封閉成環(huán)后小導(dǎo)管全部轉(zhuǎn)化為受壓,表明其超前作用消失。(4)由彎曲應(yīng)變知,其承受地層上覆荷載的能力隨小導(dǎo)管在土中剩余長度的減小而減小。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮,必須保證小導(dǎo)管在土中有一定的剩余長度。4.5 拱腳與土體的接觸應(yīng)力對淺埋暗挖法,隧道拱腳處土體的承載力將直接影響隧道拱頂下沉。為尋求減緩拱頂下沉的拱腳處理措施,分別在左、右兩拱腳安設(shè)了土壓力盒。實(shí)測表明,拱腳處的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)超過土體的基本承載力(實(shí)測值最大為814.2

11、kPa,而土體的基本承載力僅為260kPa),倘不采取措施必使拱頂下沉急劇增大,或者消極等待初期支護(hù)封閉成環(huán)后,才能使拱頂下沉變緩。5 淺埋隧道應(yīng)力重分布的分區(qū)認(rèn)識(shí)實(shí)測的圍巖徑向應(yīng)力與上覆土柱荷載的比值隨隧道開挖而呈現(xiàn)的分布規(guī)律如圖8的實(shí)線部分。而對工作面前方應(yīng)力的分布狀態(tài),可利用超前支護(hù)的應(yīng)力量測資料作推斷。由本次超前小導(dǎo)管的現(xiàn)場量測資料可知,圍巖壓力產(chǎn)生的最大應(yīng)變點(diǎn)(應(yīng)力集中峰值)距工作面的距離約為1.2m。文11)對超前支護(hù)體的數(shù)值模擬也表明：有預(yù)加固時(shí),隧道工作面前方約2.5m處，其圍巖徑向力就等于原始地應(yīng)力。若沒有預(yù)加固，則此距離可遠(yuǎn)至工：作面前方15ml據(jù)此可繪出隨工作面開挖,其前

12、后應(yīng)力的分布規(guī)律如圖8（其中工作面前方應(yīng)力分布（無測點(diǎn)線）為推斷結(jié)果。L為推進(jìn)長度，D為隧道寬度）。針對深圳地鐵一期工程利用ANSYST限元軟件分析的隧道工作面前方圍巖應(yīng)力的分布特征見圖9。由圖9可知,其與上述實(shí)測和分析的規(guī)律一致。上述隧道工作面圍巖應(yīng)力重分布的規(guī)律也已被模型試驗(yàn)所驗(yàn)證。文11）基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),利用傳感器所測的隨工作面移動(dòng),拱頂上部圍巖壓力的分布規(guī)律是：隧道推進(jìn)時(shí),在上覆地層中產(chǎn)生了“壓力波形”。在工作面前方49m處，圍巖中的應(yīng)力與原始應(yīng)力相比較，逐漸增加7%T8%。圖8圍巖壓力與土柱荷載比值隨開挖的分布規(guī)律圖9工作面前方圍巖應(yīng)力分布特征在工作面前24m處達(dá)到最大值，然后在工作面前方0.52.5m距離處降低到原始應(yīng)力，并在已安裝的襯砌處BI到原始應(yīng)力的40%50%。在工作面處為原始應(yīng)力的70%95%。工作面通過一段距離后,圍巖壓力逐漸增加而接近原始應(yīng)力?；趯?shí)測以及上述分析,可提出淺埋城市地鐵隧道工作面,沿隧道推進(jìn)方向,其圍巖應(yīng)力分布可分3個(gè)區(qū)域，如圖10。圖10中，I為原