超淺覆土盾構(gòu)隧道管片整環(huán)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

徐天明 ，莊欠偉 ，楊 正

（1.上海隧道工程股份有限公司，上海市 200082；2.上海盾構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究中心有限公司，上海市 200137）

0 引言

隨著國內(nèi)各大城市興建地鐵的熱潮，由不同的地質(zhì)環(huán)境及施工要求所引發(fā)的施工難題層出不窮，各種各樣先進(jìn)的施工工法與新型技術(shù)也孕育而生。無工作井盾構(gòu)法隧道施工新技術(shù)正是在這樣的背景下誕生的。該技術(shù)使盾構(gòu)機(jī)完成地表始發(fā)、淺覆土條件下開挖、目標(biāo)地點(diǎn)地表到達(dá)等要求，可將隧道引道段和隧道段通過盾構(gòu)一起施工。具有減少明挖施工場地、縮短工期、節(jié)約結(jié)構(gòu)成本、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

等比例的原型試驗(yàn)?zāi)軌蚋行У貦z驗(yàn)結(jié)構(gòu)的受力性能與變形特性，對(duì)于盾構(gòu)隧道進(jìn)行的整環(huán)管片試驗(yàn)國內(nèi)已有多例。早在1999年，上海隧道工程股份有限公司就針對(duì)雙圓盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)。同年，同濟(jì)大學(xué)與上海市隧道工程交通設(shè)計(jì)研究院合作完成了一次隧道管片1:1水平整環(huán)試驗(yàn)，此次試驗(yàn)為單環(huán)試驗(yàn)，未考慮前后管片之間的互相影響。2006年，同濟(jì)大學(xué)又依托上海長江隧道工程開展了管片外徑達(dá)15.0 m的超大型水平整環(huán)試驗(yàn)，此次試驗(yàn)采用了上半環(huán)、中全環(huán)、下半環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)拼裝。2010年，西南交通大學(xué)就南京長江隧道工程開展的外徑14.5 m的水平整環(huán)加載試驗(yàn)，同樣采用了上半環(huán)、中全環(huán)、下半環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)拼裝。

而該項(xiàng)由上海盾構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究中心有限公司開展的1:1整環(huán)管片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)也采用了兩個(gè)半環(huán)加一個(gè)整環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)形式，三環(huán)錯(cuò)縫拼裝，管片外徑6.20 m，使用了縱向拉桿模擬盾構(gòu)推力。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)研究的目的與內(nèi)容

無工作井盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)，作為盾構(gòu)施工的一種新工法，在始發(fā)及到達(dá)階段，盾構(gòu)機(jī)處于超淺覆土施工，甚至是負(fù)覆土的情況。此時(shí)的管片受力情況與傳統(tǒng)的管片受力狀態(tài)相比，處于受力不平衡的狀態(tài)，在側(cè)向土壓力的作用下管片易變成“鴨蛋”形。此次試驗(yàn)針對(duì)超淺覆土工況下，隧道結(jié)構(gòu)受力失衡嚴(yán)重，變形異常的情況，主要研究：

（1）超淺覆土下管片的內(nèi)力分布情況；

（2）超淺覆土工況下圓形管片的變形性狀。

1.2 管片拼裝方式

該項(xiàng)試驗(yàn)管片拼裝采用兩個(gè)半環(huán)加一個(gè)整環(huán)的形式，上下兩個(gè)半環(huán)為左偏，中全環(huán)為右偏（見圖 1、圖 2）。

圖1 上下半環(huán)左偏拼裝示意圖

圖2 中全環(huán)右偏拼裝示意圖

襯砌環(huán)外徑：6 200 mm；內(nèi)徑：5 500 mm；管片寬度：1 200 mm；管片厚度：350 mm。

襯砌環(huán)由1個(gè)封頂塊、2個(gè)鄰接塊、3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊組成。襯砌環(huán)接縫采用彎螺栓連接，其中每個(gè)環(huán)縫采用16根M30螺栓，每環(huán)縱縫采用12根M30螺栓。混凝土為高強(qiáng)混凝土，強(qiáng)度等級(jí)：C50，抗?jié)B等級(jí)：P12。

1.3 加載方案

每個(gè)工況設(shè)置5個(gè)加載等級(jí)，每個(gè)加載等級(jí)分別為設(shè)計(jì)工況荷載的 20%、40%、60%、80%、100%；另設(shè)置3個(gè)卸載等級(jí)，每個(gè)卸載等級(jí)分別為設(shè)計(jì)工況荷載的60%、20%、0%。

圖3為16點(diǎn)加載力示意圖，其加載力見表1所列。

圖3 16點(diǎn)加載力示意圖

表1 0.3D工況各側(cè)壓力系數(shù)下16點(diǎn)加載力一覽表（單位：kN）

1.4 監(jiān)測方案

1.4.1 管片內(nèi)力測量

管片內(nèi)力采用鋼筋計(jì)測量。

上、下半環(huán)不預(yù)埋鋼筋計(jì)，中全環(huán)需要在澆筑前預(yù)埋鋼筋計(jì)，G1～G11共11個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)4個(gè)鋼筋計(jì)（見圖4）。共計(jì)44個(gè)。

1.4.2 整環(huán)管片變形測量

使用Leica_AT901跟蹤儀測量整環(huán)管片變形量。

圖4 整環(huán)管片鋼筋計(jì)測點(diǎn)位置示意圖

采用在管片上安裝目標(biāo)設(shè)備，Leica_AT901跟蹤儀的T-Cam時(shí)刻跟蹤目標(biāo)設(shè)備，系統(tǒng)可以獲取x、y、z三個(gè)位置參數(shù)和俯仰、搖擺、自轉(zhuǎn)三個(gè)定位參數(shù)，共6個(gè)自由度，從而準(zhǔn)確獲得管片特定測點(diǎn)的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)的數(shù)據(jù)。整環(huán)管片變形監(jiān)測共24個(gè)測點(diǎn)，即共埋設(shè)24個(gè)目標(biāo)設(shè)備（見圖5）。

圖5 整環(huán)管片變形測點(diǎn)位置示意圖

整環(huán)管片變形整體位移消除方法：

試驗(yàn)開始前，通過Leica_AT901跟蹤儀測量獲得各測點(diǎn)的位置參數(shù)（xn，yn），生成管片形狀曲線L。加載穩(wěn)定后，測量獲取各測點(diǎn)的位置參數(shù)（x’n，y’n），擬合生成各測點(diǎn)的近似樣條曲線 L’，即可獲得管片變形后的位置和形態(tài)。比較曲線L與L’的形心的位置，其位移（Ux，Uy）作為管片整體位移，管片的變形量為（x’n-Ux,y’n-Uy）。

2 0.3D工況管片受力與變形分析

2.1 內(nèi)力分析

2.1.1 側(cè)壓力系數(shù)0.45（見圖6、圖7）

圖6 0.3d 0.45側(cè)壓力系數(shù)軸力分布曲線圖

圖7 0.3d 0.45側(cè)壓力系數(shù)彎矩分布曲線圖

在0.45側(cè)壓力系數(shù)荷載下，軸力分布基本上在理論值的變化范圍之內(nèi)，在管片的右側(cè)拱腰270°附近，軸力產(chǎn)生了較大的突變，而此處正位于上下兩半環(huán)管片的接頭位置。管片的最大正彎矩出現(xiàn)在右側(cè)拱腰270°附近，為75.54 kN·m，管片的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在拱底180°附近，為-18.12 kN·m。

圖8 0.3d 0.60側(cè)壓力系數(shù)軸力分布曲線圖

圖9 0.3d 0.60側(cè)壓力系數(shù)彎矩分布曲線圖

2.1.2 側(cè)壓力系數(shù)0.60（見圖8、圖9）在0.60側(cè)壓力系數(shù)荷載下，軸力分布基本在理論值的變化范圍之內(nèi)，管片的右側(cè)拱腰270°附近，軸力還是產(chǎn)生了較大的突變，但其變化比例相比0.45側(cè)壓力系數(shù)荷載下的工況要小許多。管片的最大正彎矩出現(xiàn)在右側(cè)拱腰270°附近，為15.42 kN·m，管片的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在拱底右側(cè)225°附近，為-16.75 kN·m，與理論的最大負(fù)彎矩處略有偏移。而相比0.45側(cè)壓力系數(shù)荷載下的彎矩分布情況，0.60側(cè)壓力系數(shù)下的整體彎矩值均較小，但整體的彎矩趨勢沒有太大變化。

2.1.3 側(cè)壓力系數(shù)0.75（見圖10、圖11）

圖10 0.3d 0.75側(cè)壓力系數(shù)軸力分布曲線圖

圖11 0.3d 0.75側(cè)壓力系數(shù)彎矩分布曲線圖

在0.75側(cè)壓力系數(shù)荷載下，軸力分布基本在理論值的變化范圍之內(nèi)，管片的右側(cè)拱腰270°附近，軸力的實(shí)測值較理論值略大，但相比前兩個(gè)工況軸力的突變情況有了明顯的改善，軸力分布的整體趨勢也更加平穩(wěn)。管片的最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂右側(cè)337.5°附近，為8.21 kN·m，管片的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在拱底右側(cè)247.5°附近，為-21.66 kN·m。相較前兩個(gè)工況，彎矩的趨勢發(fā)生了明顯的變化。

2.2 整環(huán)管片變形分析

2.2.1 側(cè)壓力系數(shù)0.45（見圖12）

在0.3倍隧道直徑覆土、0.45的土體側(cè)壓力系數(shù)之下，整環(huán)管片左右兩側(cè)突出上下被壓進(jìn)，呈現(xiàn)“橫鴨蛋”變形。

圖12 0.3d 0.45側(cè)壓力整環(huán)管片變形包絡(luò)圖（單位：mm）

2.2.2 側(cè)壓力系數(shù)0.60（見圖13）

圖13 0.3d 0.60側(cè)壓力整環(huán)管片變形包絡(luò)圖（單位：mm）

0.3倍隧道直徑覆土，土體側(cè)壓力系數(shù)增加至0.60。整環(huán)管片依然呈現(xiàn)“橫鴨蛋”變形，但由于側(cè)壓力系數(shù)的加大，管片左右兩側(cè)受力較0.45工況變大，整體變形較0.45工況小。

2.2.3 側(cè)壓力系數(shù)0.75（見圖14）

隨著側(cè)壓力系數(shù)增加至0.75，管片整體受力增大，左右兩側(cè)的受力進(jìn)一步增大，使得管片的變形性狀發(fā)生質(zhì)變，呈現(xiàn)明顯的“豎鴨蛋”變形。

3 結(jié)語

（1）在超淺覆土工況下，管片處于受力不平衡狀態(tài)，通過實(shí)驗(yàn)研究其內(nèi)力分布及變形規(guī)律對(duì)現(xiàn)場施工時(shí)遇到的各種問題及突發(fā)狀況有重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

圖14 0.3d 0.75側(cè)壓力整環(huán)管片變形包絡(luò)圖（單位：mm）

（2）實(shí)驗(yàn)采用三環(huán)管片錯(cuò)縫拼接形式，其內(nèi)力分布受上下兩半環(huán)的管片的影響較大，相比單環(huán)管片，所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)更趨近于現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

（3）在不同的側(cè)壓力系數(shù)下，管片的變形性狀隨系數(shù)變化而變化，低側(cè)壓力系數(shù)下為“橫鴨蛋”，高側(cè)壓力系數(shù)下則為“豎鴨蛋”。

4 致謝

由于該項(xiàng)超淺覆土工況試驗(yàn)加載力較小，其產(chǎn)生的整環(huán)變形相對(duì)其他工況其他試驗(yàn)來說都也是極其微小的，所以在測量整環(huán)管片變形這一環(huán)節(jié)中，采用了世界先進(jìn)的Leica跟蹤測量儀，這在國內(nèi)同類試驗(yàn)中尚屬首次，為此特別感謝為該項(xiàng)試驗(yàn)提供設(shè)備，以及人員協(xié)力的上海隧道股份機(jī)械公司。

[1]魯亮，孫越峰，柳獻(xiàn)，王秀志，王維朋.地鐵盾構(gòu)隧道足尺整環(huán)結(jié)構(gòu)極限承載能力試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2012，(06).

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