軟硬不均地層盾構隧道管片力學行為研究

張 恒,陳壽根,陳 亮

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

盾構隧道是由若干環管片組成的拼裝結構,每環管片由若干塊管片,管片間縱、環向螺栓及縱、環向止水材料組成。復雜的構造使管片力學行為受到接頭構造、接頭數量等因素的影響。正常使用階段管片的力學行為研究已經比較成熟[1-3]。管片環可模型化為勻質圓環模型、多鉸圓環模型、彈性鉸模型及同時考慮環向接頭及縱向接頭徑向剪切剛度的模型等[4,5]。從實際經驗可知,管片開裂情況大多出現在施工階段[6-9],因此,對盾構隧道施工階段的研究更為重要。以深圳地鐵5號線盾構隧道施工為研究背景,通過現場測試,對深圳軟硬不均地層盾構隧道施工過程中襯砌所承受的軸力和彎矩進行分析,以此來探究盾構隧道管片的力學特性。

1 工程概況

深圳地鐵5號線5307標段盾構區間位于深圳市羅湖區,區間隧道從怡景路站始發,下穿怡景路、黃貝嶺小區、沿河路和深南東路,到達怡黃區間吊出井吊出,區間主要在新湖路下穿行,右線全長1 051.6 m,左線全長1 078.7 m。盾構區間為2條平行的分離式的單線圓形隧道盾構區間圓形隧道,管片設計外徑為6 m,內徑為5.4 m,限界為5.2 m,管片厚度為30 cm,寬度1.5 m,管片分塊數為6塊，即“3+2+1”的分塊模式,每環管片由3塊標準塊,2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成,管片楔形量為38 mm。斷面為5307標怡景路—黃貝嶺區間左線DK38+654處第465環(DG標準環)。該斷面隧道洞身埋深17 m,地下水位距地面3.5 m,隧道位于強風化凝灰質砂巖、中風化凝灰質砂巖及微風化凝灰質砂巖3種不同硬度的地層中,地質條件復雜,屬于典型的軟硬不均地層。

2 試驗準備、元件安裝和數據采集

2.1 測試元件的安裝

土壓力的測試儀器采用TFL-TY-P40振弦式土壓力盒,最大量程4.0 MPa；孔隙水壓測試儀器采用TFL-KY-P10振弦式孔隙水壓計,量程為1 MPa；管片的內力測試儀器采用TFL-S-NM15振弦式混凝土微應變儀,量程為+1 500 με～-1 500 με；鋼筋軸力測試采用TFL-S-GJ20振弦式鋼筋計,量程為500 MPa。鋼筋計和混凝土應變計在現場澆筑管片混凝土前預先固定在預制好的鋼筋籠上。測試元件位置固定后,測試專用電纜全部導入專用走線孔,并將出線管用膠帶密封好后,再進行盾構隧道管片混凝土澆筑。土壓力盒、鋼筋計、混凝土應變計及孔隙水壓力計安裝后的情況如圖1所示。

圖1 測試元件安裝

2.2 試驗管片數據采集

測試中使用的傳感儀器均為振弦式傳感器,測試數據采集采用TFL-F-BX01型振弦式記錄儀可進行自動或手動頻率采集。圖2中分布于管片環周的黑色線纜為測試元件走線情況。圖3為現場測試過程中數據采集。

圖2 測試元件走線

圖4 管片矩形單元力學模型

建立矩形單元力學模型,如圖4所示。按偏心受壓構件來計算管片環向受力,其中主筋和混凝土共同承擔壓力,取管片環向1 m長度為計算單元,N1、N2分別為管片內、外側單根鋼筋軸力,Nc為截面環向混凝土壓力的合力,M為環向截面彎矩,α′為鋼筋保護層厚度,且上下層鋼筋的保護層厚度相等,均為35 mm。根據所測結果,可知截面內、外側混凝土應力值σc1和σc2,鋼筋內、外側軸力N1、N2,管片縱向截面積為A,管片縱截面的軸力由混凝土所受軸力Nc和鋼筋所受軸力Ns組成,截面彎矩則由混凝土所受彎矩Mc和鋼筋所受彎矩Ms組成,根據靜力平衡條件和材料力學壓彎組合計算公式,可得力的平衡方程如下

(1)

(2)

(3)

式中b、h——分別為截面的寬度和厚度；

n——為管片內外側鋼筋根數,均為12根。

3 試驗成果與分析

3.1 軟硬不均地層土壓力分布規律

測試環剛拼裝上時,由于在盾尾的保護之下,并未接觸到周圍土體以及同步漿液,土壓力盒未受到土壓力作用,直到試驗環脫出盾尾之后,即從拼裝后的第3環開始,試驗環外表面與同步漿液接觸,土壓力盒開始受到壓力的作用,土壓力隨施工變化曲線如圖5所示。

圖5 土壓力隨施工變化曲線

從圖5中可以看出,當試驗環剛脫出盾尾時,各測點的土壓力基本上均達到了最大值,這是由于測試環剛離開盾構機外殼的支護時,上覆土壓力開始作用于試驗環之上,同時測試環外表面還受到盾尾同步注漿壓力和盾尾刷刮擦的影響,此時土壓力值是部分上覆土壓力和注漿壓力等疊加的結果。由于漿液的初凝時間只有6 h左右,根據8環/d的施工進度,當試驗環為脫出盾尾后的第2環時,試驗環外周的漿液便開始凝固,其強度和剛度逐漸增大,此時后方的注漿壓力對各測點土壓力的影響也越來越小,而未釋放的上覆土壓力則通過凝固后的漿液層作用于測試環,此時的土壓力值相較試驗環剛脫出盾尾時要小。隨著施工的不斷進行,土壓力值仍存在降低的趨勢,這是由于到了20環左右,漿液達到70%的強度,注漿壓力基本上對土壓力沒有影響,同時上覆土層變形逐漸收斂,地層壓力通過漿液固結層傳遞到測試環上的土壓力基本保持不變,各測點穩定后的土壓力值均小于理論計算值,穩定后的土層壓力如圖6所示。

圖6 穩定后試驗環土壓力分布(單位：kPa)

由于土體軟硬程度不一,其側壓力系數和抵抗變形的能力不同,導致試驗環左右兩側土壓力并不對稱,同時拱頂壓力比拱底壓力大得多,這也證明用上覆土壓力等于拱頂上覆土自重的理論計算土壓力值,與實際情況有較大誤差；在軟硬不均地層中的盾構法施工,當試驗環管片脫出盾尾20環,約4～5 d,地層達到穩定狀態。這是由于軟硬不均地層的地質條件較為復雜,存在土體分層現象,各種土體的力學性能差異較大,盾構施工時,土體需要相對較長的時間來完成地層沉降變形,形成拱平衡效應,最終達到穩定狀態的過程,同時也證明了在軟硬不均地層中盾構施工難度較大。

3.2 軟硬不均地層管片內力分布規律

將采集到的鋼筋計頻率值代入鋼筋軸力和混凝土應變的計算公式,可得到各測點鋼筋的軸力和各測點混凝土的應變,鋼筋軸力隨施工變化曲線和混凝土應變隨施工變化曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 各測點鋼筋軸力隨施工變化曲線

圖8 各測點混凝土應變隨施工變化曲線

假定實際量測到的單根鋼筋軸力代表了此截面單幅管片環向受力筋的應力水平,管片的環向受力筋內、外側均為12根,則將數據代入式(1)～式(3)后,可得試驗環管片剛拼裝鋼筋所承受的軸力和彎矩,彎矩外側受拉為正,軸力受拉為正。假定測點位置處的混凝土應變代表了此截面單幅管片環向內側或外側的混凝土應變水平,則將數據代入式(1)～式(3)后,可得混凝土所承受的軸力和彎矩,彎矩外側受拉為正,軸力受拉為正。根據以上所求的試驗環在各階段時管片鋼筋內力和混凝土內力,將其疊加,得到試驗環管片在剛拼裝、脫出盾尾和達到穩定3個階段的內力分布,如圖9所示。

圖9 軟硬不均地層管片內力分布

從圖9可以得出試驗環管片剛拼裝上時,由于管片還在盾殼的保護下,未受到地層壓力和注漿壓力的影響,僅受管片自重和千斤頂撐靴的作用,因此試驗環內力較小；當管片脫出盾尾時,管片的受力狀態發生改變,同步注漿壓力、盾尾密封刷和密封油脂壓力作用于管片外表面,同時上覆地層壓力也通過注漿層作用于管片之上,此時管片處于復雜的三維受力狀態下,其內力達到最大值。由于盾構姿態控制的需要,隨時要調整千斤頂,由此對管片產生壓力差,對管片受力非常不利；當試驗環管片拼裝上20環左右,也就是在拼裝后的第4天開始,由于漿液達70%強度,盾尾后方注漿壓力基本上不再對試驗環有影響,管片內力趨于穩定,穩定后的管片內力一般相較剛脫出盾尾時要小。

3.3 軟硬不均地層孔隙水壓力分布規律

為了更準確、更方便地測量孔隙水壓值,在試驗環管片脫出盾構機5號臺車后安裝到管片吊裝孔內,水壓力隨施工變化曲線和各測點布置分別如圖10和圖11所示。從圖中可以看出,拱腰處063號水壓力計穩定后讀數為69.4 kPa,拱底處055號水壓力計讀數為94.9 kPa,兩者相差25.5 kPa,與理論計算的30 kPa相差15%；拱腰處066號水壓力計穩定后讀數為63.5 kPa,拱底處064號水壓力計讀數為89.5 kPa,兩者相差26 kPa,與理論計算的30 kPa相差13.3%。這部分差距可能由于靠近拱底較完整的微風化巖層形成了一層不易透水的隔水層,阻隔了地下水的向下滲入,引起水頭損失。

圖10 各測點孔隙水壓力隨施工變化曲線

圖11 水壓力測點布置

由此可以得出軟硬不均地層中盾構管片孔隙水壓的分布規律：地下水壓力的大小與水力梯度、滲透系數、滲透速度以及滲透時間有關。在水壓力計剛裝上后,各測點水壓力值逐漸增大,大約2 d,孔隙水壓力值趨于穩定。這是由于該地段的強風化凝灰質砂巖及中風化凝灰質砂巖強度和硬度不同,地層與地層之間形成具有可供地下水流通的分界面甚至是過水通道,凝灰質砂巖內也分布有密密麻麻的相互連通的裂隙,其間貯存著部分基巖裂隙水。因此,當局部地下水損失時,周圍的地下水會由于水頭差的存在而不斷補給過

來,直至達到水力平衡狀態。上部軟巖層為較易透水的地層,地下水壓能夠準確的反應出來,但是下部硬巖層則相當于形成了一張不易透水的隔水層,會阻隔地下水向下滲透。

4 結論

通過現場測試探明深圳地區軟硬不均地層中盾構隧道管片的力學特性,可得出以下結論：

(1)軟硬不均地層側壓力系數和抵抗變形的能力不同,導致試驗環左右兩側土壓力并不對稱,同時拱頂壓力比拱底壓力大得多；

(2)管片剛拼裝上時,試驗環內力較??；當管片脫出盾尾時,其內力達到最大值；穩定后的管片內力一般相較剛脫出盾尾時稍小；

(3)在水壓力計剛裝上后,各測點水壓力值逐漸增大,大約2 d,孔隙水壓力值趨于穩定；上部巖層較軟,下部巖層較硬,在一定程度上會阻隔地下水向下滲透。

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