非常規(guī)覆土大盾構隧道管片施工荷載及土壓力研究

非常規(guī)覆土大盾構隧道管片施工荷載及土壓力研究隨著城市地下空間開發(fā)的快速發(fā)展,盾構隧道埋深也從以往的常規(guī)覆土深度向淺覆土和深覆土等非常規(guī)覆土深度發(fā)展。但是,目前針對施工荷載對淺埋和深埋大盾構隧道管片的影響以及兩種覆土深度下的隧道管片的水土荷載分布規(guī)律的研究還比較缺乏。因此,有必要開展相關研究,分析盾構隧道施工過程中,施工荷載對盾構隧道管片的影響規(guī)律以及淺埋和深埋隧道水土荷載分布規(guī)律,提出針對性的盾構隧道設計和施工建議,為盾構隧道管片的設計和施工提供理論依據(jù)和技術指導。本文首先對淺埋和深埋大直徑盾構隧道外荷載進行了現(xiàn)場監(jiān)測,得到了兩種覆土深度下的盾構隧道施工荷載和水土壓力大小及變化規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)了以下兩個問題:尾刷壓力對淺埋盾構隧道管片的受力安全有極大的影響,現(xiàn)有盾構隧道管片設計方法應用于深埋盾構隧道偏保守。通過開展相關試驗研究和數(shù)值分析,并與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比,提出了相應的盾構隧道管片的設計和施工建議。本文主要內容和結論包括:(1)采用柔性土壓力計、孔隙水壓計和鋼筋計對淺埋和深埋盾構隧道進行現(xiàn)場監(jiān)測,得到了淺埋和深埋盾構隧道在施工過程中以及工后階段作用在管片上的施工荷載、水土壓力以及管片內力分布和變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)了以下兩個問題:尾刷壓力特別是鋼板刷壓力是作用在淺埋盾構隧道管片上的最大荷載,對管片受力安全有極大的影響;深覆土條件下,實測水土壓力、管片軸力和彎矩都小于現(xiàn)有盾構隧道管片設計理論值,即現(xiàn)有盾構隧道管片設計方法應用于深埋盾構隧道設計偏保守。(2)對目前盾構常用的盾尾密封鋼絲刷和鋼板刷進行加載試驗,得到了鋼絲刷和鋼板刷的力-位移關系曲線。然后通過數(shù)值分析方法,采用假想的徑向地基彈簧模擬管片環(huán)在盾構機內受到的支撐效果,將尾刷壓力直接施加在隧道上,得到了不同盾尾姿態(tài)下的管片軸力和彎矩的大小以及分布規(guī)律。結果表明:對于10m級大盾構隧道,在壓縮量相同的情況下,鋼板刷產生的壓力比鋼絲刷的大,管片軸力和彎矩隨著盾殼與管片間隙的減小而變大,鋼板刷產生的最大彎矩將超過1000kN·m,嚴重影響管片的安全。(3)采用模型試驗方法,開展了考慮同步注漿影響的砂土地層和粘土地層兩種地層條件下不同埋深和不同注漿壓力下的盾構隧道管片土壓力研究,得到了不同地層、不同埋深下的土壓力變化規(guī)律以及盾尾注漿對管片土壓力的影響,分析了深覆土隧道水土壓力分布機理。試驗結果表明,盾尾注漿使作用在隧道上的水土壓力分布趨于均勻,兩種土層中的各個位置的水土壓力值與隧道頂部的土壓力值的比值在0.95-1.2之間。管片土壓力的最終大小主要與地層性質、覆土深度等因素有關,與注漿壓力關系不大。同時,在砂土和粘土地層中,當隧道埋深分別超過2D(D為隧道外徑)和3D時,作用在隧道拱頂?shù)拇怪蓖翂毫π∮谌餐翂毫Α?4)針對尾刷壓力對盾構隧道管片的影響問題,采用數(shù)值分析方法,分析了不同尾刷壓力與不同覆土產生的管片內力以及盾構隧道管片所需配筋量之間的關系。研究發(fā)現(xiàn),對于10m級大盾構隧道,當設計覆土深度小于25m時,不宜使用鋼板刷進行盾尾密封,同時為了管片安全,在盾構施工過程中也應該控制盾殼與管片間隙d≥10mm;當設計覆土深度大于25m時,可以使用鋼板刷,但是在盾構施工過程中要嚴格控制d≥10mm,以保證盾構隧道管片的安全。(5)針對深覆土盾構隧道水土壓力大小和分布問題,基于現(xiàn)場水土壓力和內力實測數(shù)據(jù),從水平三角形地層抗力、垂直土壓力、側向土壓力系數(shù)取值以及水土分、合算等方面對現(xiàn)有盾構隧道荷載分布模式的合理性進行了分析。結果表明:對于砂土地層,當覆土深度超過2D時,垂直土壓力應該采用太沙基松動土壓力,同時側向土壓力系數(shù)取值應該比地勘報告建議值大0.1-0.2;對于粘土地層,側向土壓力系數(shù)取值應該比地勘報告建議值大0.1。不管是砂土地層還是粘土地層,水土分算