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

1、粘性地層地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特征研究以南京地鐵一號(hào)線為工程背景,采納現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的討論手段對(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)討論,同時(shí)采納考慮結(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。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,通常采納均質(zhì)圓環(huán)模型及考慮管片接頭效應(yīng)的梁-彈簧模型。雖然梁-彈簧模型考慮了管片接頭效應(yīng),但實(shí)際的荷載模式及結(jié)構(gòu)與圍巖的作用模式等都是建立在肯定的假設(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,詳細(xì)的作用模式還有待

2、進(jìn)一步討論確定。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,本文采納現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的討論手段對(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)討論,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。 <CENTER</CENTER2 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)概況如圖1所示。地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道采納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1.2

3、0m,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)在縱向采納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。 <CENTER</CENTER2.2 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)頭始終到各測(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:采納量程為0.3MPa的XYJ-3型剛弦式土壓力盒測(cè)試土壓力;采納量程為0.2MPa的XJS-2型孔隙水壓力計(jì)測(cè)

4、試孔隙水壓力;采納量程為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)程的變化狀況如圖4所示,從圖4可以看出:從目標(biāo)環(huán)托環(huán)開(kāi)頭到其后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9m左右,由此可得,孔隙水壓力計(jì)在目標(biāo)環(huán)托環(huán)開(kāi)頭到其后10環(huán)管片范圍內(nèi)

5、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)上的水壓力分布狀況。 <CENTER</CENTER <CENTER</CENTER3 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)后肯定范圍( 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)到肯定距離(本文認(rèn)為4050環(huán))以后,隨著注漿壓力的漸漸減小,作用在盾構(gòu)管片環(huán)上的水壓力漸漸穩(wěn)定

6、直至接近理論靜水壓力場(chǎng)的數(shù)值。 <CENTER</CENTER <CENTER</CENTER3.2 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)程的變化狀況如圖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)頭到其后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)上的土壓力狀況。 <CENTER</CENTER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

7、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)后在肯定范圍(本文認(rèn)為15環(huán)左右)內(nèi)施工時(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)到肯定距離(本文認(rèn)為60環(huán))以后,隨著注漿壓力的漸漸減小,作用在盾構(gòu)隧道管片上的土壓力才漸漸趨于穩(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1214天以上。 <CENTER</CENTER3.3 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)隨施工的變化狀況如圖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

8、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)不斷向前推動(dòng),千斤頂頂力和注漿壓力漸漸減小,目標(biāo)環(huán)管片內(nèi)力值漸漸減小并趨于穩(wěn)定,圖10和圖11為典型工況目標(biāo)環(huán)管片內(nèi)力分布狀況,圖10和圖11同樣證明白圖8和圖9的結(jié)論。同時(shí)從圖10和圖11還可以看出:不管在剛托環(huán)的瞬間還是在最終的地層穩(wěn)定階段,盾構(gòu)隧道管片環(huán)的內(nèi)力均表現(xiàn)出了錯(cuò)縫拼裝的特征。 <CENTER</CENTER <CENTER</CENTER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)后在肯定范圍(本文認(rèn)為15環(huán)左右)內(nèi)施工時(shí),作用

9、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)到肯定距離(本文認(rèn)為60環(huán))以后,隨著注漿壓力起;在隧道縱向襯砌環(huán)通過(guò)具有肯定徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt的縱向接頭連接在一起。管片與四周土體的作用模式通過(guò)設(shè)置在管片全周只能受壓的徑向和切向彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn),這些彈簧受拉時(shí)將自動(dòng)脫離,彈簧的剛度由襯砌四周土體的地基抗力系數(shù)打算。作用在隧道上方的土層壓力取偏于平安的全土柱壓力,側(cè)壓力為水土合算,管片和荷載模式如圖12。土體、拼裝方式、接頭剛度、管片襯砌和埋深等各項(xiàng)參數(shù)都與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)全都。 <CENTER </CENTER4.結(jié)果與分析將水土合算的梁-彈簧模型有限元數(shù)值模擬分析

10、的結(jié)果列于圖13和圖14,同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)隧道管片襯砌穩(wěn)定后的實(shí)測(cè)值標(biāo)于兩圖中(黑點(diǎn)和數(shù)值為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值),由圖13和圖14可以看出:相同拼裝方式下,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果和水土合算的梁-彈簧模型理論分析具有基本全都的內(nèi)力和位移分布規(guī)律,內(nèi)力最大值的位置基本相同,由此說(shuō)明作用在水土合算的梁-彈簧模型隧道上的荷載與作用在現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)隧道上的荷載具有基本相同的分布規(guī)律;相同埋深條件下,雖然水土合算的梁-彈簧模型理論分析的最不利荷載較現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的最終穩(wěn)定結(jié)果小,但與現(xiàn)場(chǎng)剛托環(huán)時(shí)的最不利荷載接近,主要緣由為:雖然梁-彈簧模型忽視了施工過(guò)程中千斤頂推力、盾尾注漿壓力動(dòng)態(tài)荷載的作用,但卻采納了偏于平安的襯砌管片承受全部土層荷

11、載的假設(shè)。由上可見(jiàn):實(shí)際設(shè)計(jì)中將水土合算的梁-彈簧模型的結(jié)果作為粘性地層條件下盾構(gòu)隧道管片襯砌的設(shè)計(jì)依據(jù)是較為合理的。 <CENTER</CENTER5結(jié)論(1)由于粘性地層條件下粘性土的滲透系數(shù)較小、注漿壓力不能很快消逝,在盾構(gòu)管片托環(huán)后的20環(huán)范圍內(nèi),作用在管片環(huán)上的水土壓力均為注漿壓力和水土壓力的疊加值;當(dāng)施工范圍達(dá)到肯定距離(本文認(rèn)為60環(huán))以后,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的土水壓力值才是作用在管片結(jié)構(gòu)上的真實(shí)的土水壓力值。 <CENTER</CENTER(2)由于千斤頂推力、盾尾注漿壓力等施工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)荷載的作用,在盾構(gòu)管片托環(huán)后的瞬間,管片襯砌的內(nèi)力將達(dá)到最大,以后隨著各種動(dòng)態(tài)荷載的漸漸減小而減小,最終趨于穩(wěn)定,所以在粘性地層條件下,管片襯砌在整個(gè)施工過(guò)程中的最大內(nèi)力消失在管片環(huán)托環(huán)和管片環(huán)壁后注漿完成時(shí)。(3)在粘性地層條