盾構隧道錯縫拼裝施工對地表沉降影響的研究

王 哲,陳啟功,張凱偉,王家煒,李 強,許四法*

(1.浙江工業大學建筑工程學院,浙江 杭州 310032；2.中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司)

盾構法修建隧道于1823年發明于英國的倫敦,至今已近200年的歷史,由于其適應各種復雜地基和對地面干擾小的特點,使其在城市地下空間的開發中取得了巨大的成功,我國使用盾構隧道技術已有50余年的歷史[1],在盾構隧道技術發展過程中,采用通縫襯砌拼裝方式還是錯縫襯砌拼裝方式就一直存在著討論,自20世紀60年代起,日本便大力發展盾構法隧道施工,日本學者村上博智、小泉淳[2]提出錯縫拼裝具有縱向加強效應后,日本在盾構隧道施工中便開始普遍采用錯縫拼裝方式。P.M.Donde(1992)[3]提出了分析錯縫拼裝襯砌的結構計算模型,模型中創造性的用一個虛擬連桿來模擬縱向螺栓,朱合華(2000)[4]為了探究錯縫襯砌拼裝和通縫襯砌拼裝下環間接頭縱向加強作用的不同,使用了梁—接頭不連續剪切模型。劉建航[5]提出采用錯縫襯砌拼裝時,襯砌的接縫防水更易處理,錯縫襯砌拼裝是比通縫拼裝是更優的襯砌拼裝方案,而通縫拼裝使圓環接縫連成一片,接縫分布不均勻,從而增大了接縫及整個結構的變形。廖少明[6]認為在受到相同外力條件下,錯縫拼裝襯砌比通縫拼裝襯砌的接頭變形要小的多,所以在達到同等變形下,錯縫拼裝襯砌有更大的調整余地。

通過實踐證明,采用錯縫拼裝襯砌的隧道在變形、防水控制方面有著獨特的優越性,得到了較為廣泛的應用。近年來杭州在大量的興建地鐵,計劃到2020年,將建成10條地鐵線,2條城際線,總里程達到將達到430公里,杭州城東及錢江新城地區存在著大量的粉砂土地區,在這種地區修建地鐵較易引起地表變形等問題,為了研究錯縫襯砌拼裝方式對地表沉降的影響,本文選取了杭州代表性粉砂土作為試驗用土,模擬盾構隧道施工過程,得出實驗結果,并和有限元的模擬結果作了對比。

1 模型試驗

1.1 試驗相似比的選取

根據相似理論[7],制定隧道模型參數試驗選取的相似比為：①幾何相似比1∶38.75②模量相似比1∶29.36③彈性剛度系數相似比1∶1137.7,試驗用土的內聚力、內摩擦角、泊松比保持不變,具體參數如表1所示：

表1 原型隧道、模型隧道參數

1.2 隧道模型的制作

弧形管片拼裝成環,然后環與環相互連接形成盾構隧道的襯砌結構,襯砌的環與環和管片與管片之間通過螺栓或其它方式相連接[8]。隧道襯砌模型采用PE管模擬,PE管總長50cm,直徑為16cm。等分為20環,每環2.5cm。同時再將每環等分為4份,每份圓心角為90°,環環之間,片與片之間用細鐵絲(通過相似比的計算用細鐵絲來替代螺栓)連接,錯縫連接如圖1所示。模型試驗邊界條件用鋼化玻璃箱,尺寸規格為80×50×80(單位：cm),且在兩面80×80(單位：cm)中間預留孔洞,孔洞尺寸半徑為9cm。

圖1 管片錯縫連接模型裝置圖Fig.1 Stagger-jointed segmental lining device diagram

模型試驗前,通過對原狀粉砂土的實驗,獲取土體材料的物理力學指標,見表2所示。并制作一個圓柱形原木塞,長度為60cm。其中粗部分直徑為17cm,長55cm,細部分作為手柄直徑為5cm,長5cm,用來模擬施工中盾構機的推進,試驗還需用到5個精度為0.01mm的百分表,配套五個精度0.001mm位移計的程控靜態應變儀。

表2 土層的力學參數

1.3 試驗過程及監測方案

將圓木塞裝入玻璃箱預留的孔中,往玻璃箱中緩慢填土,重度的控制可采用落砂法來實現,即將砂土距離玻璃箱一定高度處(該高度應事先通過試驗確定),落下,并均勻下落在土體表面[9],控制重度在19.35KN·m^(-3),直到將整只玻璃箱填滿,埋土深度根據隧道直徑D的1.5倍計算得出,因為管徑為17cm所以埋深大致為25cm。緩緩抽動圓木塞,同時將組裝好的PE管推入,每移動5cm的距離(用刻度尺控制每次移動的距離),記錄一次沉降位移讀數,推進過程中共記錄10次。橫向地表沉降監測的總監測布點如圖2a、b所示,用帶螺紋長釘布置15個沉降監測點,縱向監測點布置在隧道正上位置,如圖3所示。

圖2a 橫向地表沉降監測示意圖Fig.2a Cross-sectional observed surface settlements schematic diagram

圖2b 橫向地表沉降監測模型裝置圖Fig.2b Cross-sectional observed surface settlements device diagram

圖3 縱向地表沉降監測示意圖Fig.3 Longitudinal observed surface settlements schematic diagram

2 試驗結果

2.1 隧道管片錯縫布置下的各斷面沉降圖

采用錯縫襯砌拼裝的盾構隧道中,所選取的橫斷面3和縱斷面地表沉降分別如圖4,圖5所示：

圖4 斷面3橫向沉降槽曲線Fig.4 Traverse settlements trough at section 3

圖5 縱向沉降槽曲線Fig.5 Longitudinal settlements trough

2.2 隧道管片通縫布置下的各斷面沉降圖

采用通縫襯砌拼裝的盾構隧道,所取三個橫斷面地表沉降量大體一致,故只選取通縫布置下橫斷面2如圖6所示：

圖6 斷面2橫向沉降槽曲線Fig.6 Traverse settlements trough at section 2

隨著木塞模擬盾構機的推進,采用錯縫襯砌拼裝的盾構隧道地表沉降值均勻增大,最終達到最大值,其中所取斷面2的最大沉降值為0.98mm,斷面3的最大沉降值為1.1mm。沉降槽的寬度為60cm,縱斷面地表沉降為1.1mm。采用通縫襯砌拼裝的盾構隧道橫向斷面地表沉降值逐漸變大,斷面2的最大沉降值為1.31mm,沉降槽的寬度為60cm。錯縫襯砌拼裝的盾構隧道橫斷面地表沉降值要小于通縫襯砌拼裝的盾構隧道橫向斷面地表沉降值,減小幅度為16%。

3 MIDAS有限元模擬

3.1 基本假定

在模型試驗基礎上,利用有限元軟件MIDAS對盾構掘進過程進行了模擬[10-12]。對盾構掘進過程的數值模擬進行了一系列的假定,各項假定如下：

(1)地表面和各土層均呈均質水平層狀分布；

(2)不考慮隧道巖體的構造應力,自重應力是唯一的初始地應力；

(3)不考慮地下水的存在,即不考慮滲流作用；

(4)忽略土體的固結和蠕變；

(5)盾構每次的掘進長度為2m；

(6)將隧道周圍的圍巖視為各向同性、連續的彈塑性體,土層材料的模型類型選擇莫爾-庫倫(Mohr-Coulomb)進行計算。

3.2 數值模擬與模擬結果

模型的尺寸采用實際尺寸,模型的范圍取地表為自由邊界,其他五個面均限制其移動,采用位移邊界條件,土體采用摩爾-庫倫模型,襯砌管片采用彈性模型,自重采用鋼筋混凝土管片的自重25KN·m-3,為了表現出管片的通縫錯縫之間的沉降差異,管片設置為3D模型,管片與管片之間為咬合狀態,對比模型試驗,選取三個相同位置的橫斷面進行觀察,采用通縫襯砌拼裝的盾構隧道2、3橫斷面的沉降多步驟圖,分別見圖7～8所示,盾構隧道正上方縱向斷面沉降多步驟圖,見圖9所示,開挖步距為2m。

圖7 斷面2橫向沉降槽曲線Fig.7 Traverse settlements trough at section 2

圖8 斷面3橫向沉降槽曲線Fig.8 Traverse settlements trough at section 3

圖9 縱向沉降槽曲線Fig.9 Longitudinal settlements trough

采用錯縫襯砌拼裝的盾構隧道的1、3橫斷面沉降多步驟圖分別見圖10～11所示,盾構隧道正上方縱向斷面沉降多步驟圖,見圖12所示,開挖步距為2m。

圖10 斷面1橫向沉降槽曲線Fig.10 Traverse settlements trough at section 1

圖11 斷面3橫向沉降槽曲線Fig.11 Traverse settlements trough at section 3

圖12 縱向沉降槽曲線Fig.12 Longitudinal settlements trough

有限元模擬分十步進行掘進,由有限元結果可知,由襯砌拼裝形式所影響的盾構隧道地表沉降,通縫管片(27mm)要大于錯縫管片(23mm)。從圖中可以看出,橫向地表沉降隨盾構的掘進,逐漸加大,但會出現增大不均勻的情況,此情況主要出現在所取斷面處。當開挖掌子面離所取斷面較遠時,橫向地表沉降槽的寬度和深度均勻增大,當開挖掌子面接近所取斷面時,其橫向地表沉降槽的寬度和深度增大幅值有所加大。原因是當開挖掌子面遠離所取斷面時,橫斷面上土體所受擾動較小,地表沉降增加相對均勻,當開挖掌子面靠近所取斷面時,附近的土體受擾動較大,造成地表沉降有較為明顯的增大。

4 結 論

通過三個斷面的橫向沉降槽曲線可以看出,采用錯縫襯砌方式比通縫襯砌方式引起的地表沉降要小,錯縫襯砌拼裝形式對地表沉降影響較大。從縱向地表沉降曲線可以看出,通縫襯砌方式和錯縫襯砌方式對縱向地表沉降影響差別不大,錯縫拼裝對盾構隧道掘進引起的縱向地表沉降影響并不明顯。有限元軟件分析和模型試驗結果都表明了錯縫襯砌拼裝方式更能減小橫向地表沉降。

[1]張鳳翔,朱合華等.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社,2004：7-13．

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[5]劉建航,侯學淵.盾構法隧道[M].北京：中國鐵道出版社,1991∶4-5．

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[7]袁文忠.相似理論與靜力學模型試驗[M].成都：西南交通大學出版社,1998∶112-119．

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