超淺覆土盾構隧道管片整環結構試驗研究

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.上海盾構設計試驗研究中心有限公司，上海市 200137）

0 引言

隨著國內各大城市興建地鐵的熱潮，由不同的地質環境及施工要求所引發的施工難題層出不窮，各種各樣先進的施工工法與新型技術也孕育而生。無工作井盾構法隧道施工新技術正是在這樣的背景下誕生的。該技術使盾構機完成地表始發、淺覆土條件下開挖、目標地點地表到達等要求，可將隧道引道段和隧道段通過盾構一起施工。具有減少明挖施工場地、縮短工期、節約結構成本、對周圍環境影響小等優點。

等比例的原型試驗能夠更有效地檢驗結構的受力性能與變形特性，對于盾構隧道進行的整環管片試驗國內已有多例。早在1999年，上海隧道工程股份有限公司就針對雙圓盾構隧道管片結構進行了試驗。同年，同濟大學與上海市隧道工程交通設計研究院合作完成了一次隧道管片1:1水平整環試驗，此次試驗為單環試驗，未考慮前后管片之間的互相影響。2006年，同濟大學又依托上海長江隧道工程開展了管片外徑達15.0 m的超大型水平整環試驗，此次試驗采用了上半環、中全環、下半環的三環結構拼裝。2010年，西南交通大學就南京長江隧道工程開展的外徑14.5 m的水平整環加載試驗，同樣采用了上半環、中全環、下半環的三環結構拼裝。

而該項由上海盾構設計試驗研究中心有限公司開展的1:1整環管片結構試驗也采用了兩個半環加一個整環的三環結構形式，三環錯縫拼裝，管片外徑6.20 m，使用了縱向拉桿模擬盾構推力。

1 試驗概況

1.1 試驗研究的目的與內容

無工作井盾構法隧道施工技術，作為盾構施工的一種新工法，在始發及到達階段，盾構機處于超淺覆土施工，甚至是負覆土的情況。此時的管片受力情況與傳統的管片受力狀態相比，處于受力不平衡的狀態，在側向土壓力的作用下管片易變成“鴨蛋”形。此次試驗針對超淺覆土工況下，隧道結構受力失衡嚴重，變形異常的情況，主要研究：

（1）超淺覆土下管片的內力分布情況；

（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

該項試驗管片拼裝采用兩個半環加一個整環的形式，上下兩個半環為左偏，中全環為右偏（見圖 1、圖 2）。

圖1 上下半環左偏拼裝示意圖

圖2 中全環右偏拼裝示意圖

襯砌環外徑：6 200 mm；內徑：5 500 mm；管片寬度：1 200 mm；管片厚度：350 mm。

襯砌環由1個封頂塊、2個鄰接塊、3個標準塊組成。襯砌環接縫采用彎螺栓連接，其中每個環縫采用16根M30螺栓，每環縱縫采用12根M30螺栓?；炷翞楦邚娀炷?，強度等級：C50，抗滲等級：P12。

1.3 加載方案

每個工況設置5個加載等級，每個加載等級分別為設計工況荷載的 20%、40%、60%、80%、100%；另設置3個卸載等級，每個卸載等級分別為設計工況荷載的60%、20%、0%。

圖3為16點加載力示意圖，其加載力見表1所列。

圖3 16點加載力示意圖

表1 0.3D工況各側壓力系數下16點加載力一覽表（單位：kN）

1.4 監測方案

1.4.1 管片內力測量

管片內力采用鋼筋計測量。

上、下半環不預埋鋼筋計，中全環需要在澆筑前預埋鋼筋計，G1～G11共11個測點，每個測點4個鋼筋計（見圖4）。共計44個。

1.4.2 整環管片變形測量

使用Leica_AT901跟蹤儀測量整環管片變形量。

圖4 整環管片鋼筋計測點位置示意圖

采用在管片上安裝目標設備，Leica_AT901跟蹤儀的T-Cam時刻跟蹤目標設備，系統可以獲取x、y、z三個位置參數和俯仰、搖擺、自轉三個定位參數，共6個自由度，從而準確獲得管片特定測點的位置和轉動的數據。整環管片變形監測共24個測點，即共埋設24個目標設備（見圖5）。

圖5 整環管片變形測點位置示意圖

整環管片變形整體位移消除方法：

試驗開始前，通過Leica_AT901跟蹤儀測量獲得各測點的位置參數（xn，yn），生成管片形狀曲線L。加載穩定后，測量獲取各測點的位置參數（x’n，y’n），擬合生成各測點的近似樣條曲線 L’，即可獲得管片變形后的位置和形態。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 內力分析

2.1.1 側壓力系數0.45（見圖6、圖7）

圖6 0.3d 0.45側壓力系數軸力分布曲線圖

圖7 0.3d 0.45側壓力系數彎矩分布曲線圖

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

圖8 0.3d 0.60側壓力系數軸力分布曲線圖

圖9 0.3d 0.60側壓力系數彎矩分布曲線圖

2.1.2 側壓力系數0.60（見圖8、圖9）在0.60側壓力系數荷載下，軸力分布基本在理論值的變化范圍之內，管片的右側拱腰270°附近，軸力還是產生了較大的突變，但其變化比例相比0.45側壓力系數荷載下的工況要小許多。管片的最大正彎矩出現在右側拱腰270°附近，為15.42 kN·m，管片的最大負彎矩出現在拱底右側225°附近，為-16.75 kN·m，與理論的最大負彎矩處略有偏移。而相比0.45側壓力系數荷載下的彎矩分布情況，0.60側壓力系數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 側壓力系數0.75（見圖10、圖11）

圖10 0.3d 0.75側壓力系數軸力分布曲線圖

圖11 0.3d 0.75側壓力系數彎矩分布曲線圖

在0.75側壓力系數荷載下，軸力分布基本在理論值的變化范圍之內，管片的右側拱腰270°附近，軸力的實測值較理論值略大，但相比前兩個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。管片的最大正彎矩出現在拱頂右側337.5°附近，為8.21 kN·m，管片的最大負彎矩出現在拱底右側247.5°附近，為-21.66 kN·m。相較前兩個工況，彎矩的趨勢發生了明顯的變化。

2.2 整環管片變形分析

2.2.1 側壓力系數0.45（見圖12）

在0.3倍隧道直徑覆土、0.45的土體側壓力系數之下，整環管片左右兩側突出上下被壓進，呈現“橫鴨蛋”變形。

圖12 0.3d 0.45側壓力整環管片變形包絡圖（單位：mm）

2.2.2 側壓力系數0.60（見圖13）

圖13 0.3d 0.60側壓力整環管片變形包絡圖（單位：mm）

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

2.2.3 側壓力系數0.75（見圖14）

隨著側壓力系數增加至0.75，管片整體受力增大，左右兩側的受力進一步增大，使得管片的變形性狀發生質變，呈現明顯的“豎鴨蛋”變形。

3 結語

（1）在超淺覆土工況下，管片處于受力不平衡狀態，通過實驗研究其內力分布及變形規律對現場施工時遇到的各種問題及突發狀況有重要的參考價值和指導意義。

圖14 0.3d 0.75側壓力整環管片變形包絡圖（單位：mm）

（2）實驗采用三環管片錯縫拼接形式，其內力分布受上下兩半環的管片的影響較大，相比單環管片，所獲得的試驗數據更趨近于現實環境。

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

4 致謝

由于該項超淺覆土工況試驗加載力較小，其產生的整環變形相對其他工況其他試驗來說都也是極其微小的，所以在測量整環管片變形這一環節中，采用了世界先進的Leica跟蹤測量儀，這在國內同類試驗中尚屬首次，為此特別感謝為該項試驗提供設備，以及人員協力的上海隧道股份機械公司。

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