跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道圍巖車致動應(yīng)力分布特征研究

楊 覓，宮飛祥，袁湘秦

（1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西交通控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065；3.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710054；4.陜西工程勘察研究院有限公司，陜西 西安 710068）

地鐵列車長期往復(fù)動荷載對隧道圍巖應(yīng)力場分布具有較大影響，可能引起圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的整體沉陷變形或不均勻沉降。探明隧道圍巖土體在地鐵動荷載作用下的動力特征及動應(yīng)力分布規(guī)律，是研究隧道長期沉降變形的基礎(chǔ)。該研究領(lǐng)域是眾多學(xué)者開展研究的熱點(diǎn)問題，研究方法有原位測試、數(shù)值模擬、理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)等。張曦等[1]通過現(xiàn)場測試，研究了地鐵荷載作用下飽和軟黏土的動力響應(yīng)，提出了土體應(yīng)力的衰減公式。丁智等[2]采用Kelvin 空間半無限體粘彈性解，分析了地鐵列車荷載引起地基土動應(yīng)力狀態(tài)的變化規(guī)律。有智慧等[3]采用2.5 維數(shù)值方法對小凈距上下重疊地鐵隧道車致地基土動應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明近隧道位置垂向正應(yīng)力較其他應(yīng)力分量大，且沿隧道縱向切應(yīng)力量值也較大。劉志強(qiáng)等[4]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值計算相結(jié)合的方法，研究了地鐵循環(huán)荷載作用下隧道下臥土中加速度響應(yīng)和沉降變形規(guī)律，結(jié)果表明土中加速度衰減特征受荷載頻率影響較為顯著。

西安地鐵在建設(shè)過程中遇到較大規(guī)模的城市地裂縫地質(zhì)災(zāi)害問題，無成熟建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可循。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)作為一種幾何可變形的柔性襯砌型式，廣泛應(yīng)用于西安地鐵區(qū)間隧道建設(shè)中。研究地裂縫場地地鐵荷載作用下盾構(gòu)隧道圍巖土動應(yīng)力響應(yīng)特征及分布規(guī)律，對進(jìn)一步探究盾構(gòu)隧道襯砌在循環(huán)地鐵荷載下的沉降變形規(guī)律和安全設(shè)防措施有重要意義。筆者及其課題組成員近年來針對地裂縫場地礦山法施工的馬蹄形地鐵隧道，開展了車致圍巖動力響應(yīng)的數(shù)值模擬[5-6]及模型試驗(yàn)[7]研究。目前，針對跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道車致圍巖動應(yīng)力響應(yīng)問題的研究較少，本文采用縮尺模型試驗(yàn)的方法對該問題進(jìn)行探究，研究成果可以為地裂縫場地地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計，以及運(yùn)營期隧道圍巖穩(wěn)定性分析和隧道安全性評價提供參考。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)屬于課題研究的一部分內(nèi)容，詳細(xì)的試驗(yàn)方案可參看文獻(xiàn)[8]，此處簡要介紹模型試驗(yàn)設(shè)計概況。

1.1 模型參數(shù)

試驗(yàn)原型為西安地鐵2 號線典型區(qū)段穿越地裂縫帶的盾構(gòu)隧道，采用室內(nèi)縮尺模型開展試驗(yàn)研究。主要物理量的相似比為：Cl=5，CE=2，Cρ=1，CF=50，Cσ=2，Cε=1，Ct=3.54，Cf=0.28。其中，l 為長度（m），E 為彈性模量（Pa），ρ 為質(zhì)量密度（kg/m3），F(xiàn) 為集中力（N），σ 為應(yīng)力（Pa），ε 為應(yīng)變，t 為時間（s），f 為頻率（Hz）。模型箱置于自然地面之上，在其中逐層夯填西安地區(qū)黃土，至設(shè)計標(biāo)高時將預(yù)制的隧道襯砌埋置于土層中，在隧道內(nèi)制作道床及軌道并安裝加載設(shè)備。為減弱邊界效應(yīng)，在模型箱內(nèi)壁鋪貼聚氯乙烯薄膜并涂覆一層工業(yè)黃油。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽纾v向×橫向×高度）為8.1 m×6.5 m×6.0 m，按照相似關(guān)系進(jìn)行土體配制。隧道長8.1 m，沿南北方向埋設(shè)，頂部埋深2 m，隧道與地裂縫正交。地裂縫貫穿整個地層，傾角為80°，縱向縫寬35 mm，縫中介質(zhì)為粉細(xì)砂。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)圖（單位：m）

襯砌管片每環(huán)包括3 個標(biāo)準(zhǔn)塊（A 塊）、2 個鄰接塊（B 塊）和1 個封頂塊（K 塊），環(huán)寬0.3 m，共27 環(huán)，混凝土強(qiáng)度等級為C25，采用4.8 級M8 普通彎頭螺栓連接，從上盤至下盤第14、15 環(huán)管片與地裂縫相交。管片配筋根據(jù)等強(qiáng)度原則確定。道床混凝土強(qiáng)度等級為C20，不安裝減振層，鋼軌規(guī)格為12 kg/m，扣件采用特制的L 型縱截面Q235 鋼片扣件。

1.2 加載與測試方案

荷載施加采用自主研制的激振系統(tǒng)，由振動設(shè)備、牽引裝置、安全裝置和控制系統(tǒng)組成，可激發(fā)出正弦荷載，通過車輪和軌道傳遞于基底。激振系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變頻、變速、變向和即時制動的功能。試驗(yàn)采用移動簡諧荷載的加載方式，由南向北移動，荷載頻率范圍為10～40 Hz。測試內(nèi)容為有、無地裂縫兩種條件下圍巖的初始靜應(yīng)力和車致動應(yīng)力響應(yīng)，每種條件下荷載頻率共7組，每組改變3 次移動速度，共21 次。激振荷載參數(shù)見表1，移動速度分別為0.15 m/s、0.325 m/s 和0.5 m/s，總行程為6.76 m。

表1 激振荷載參數(shù)

1.3 測試系統(tǒng)與測點(diǎn)布設(shè)

在襯砌外壁和土層中埋設(shè)ZFTY380 微型土壓力盒，感應(yīng)面向上或緊貼襯砌表面，測試土中豎向應(yīng)力或土與結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力，土壓力盒布設(shè)圖如圖2 所示，圖2（a）中深灰色測點(diǎn)由隧道中心線（或襯砌外壁）沿橫向向右布設(shè)3 縱列，淺灰色測點(diǎn)僅布設(shè)于隧道中心線所在縱剖面上（或襯砌外壁），圖2（b）中各測點(diǎn)形成3 豎列。各測點(diǎn)編號為Yn-m-p，n 為層數(shù)（n=1，2，3，…，10；下同），m 為縱列數(shù)（m=1，2，3，下同），p 為位數(shù)，從上盤往下盤計數(shù)（p=1，2，3，…），測點(diǎn)總數(shù)為162 個。從上盤至下盤各測點(diǎn)形成10 個橫剖面，編號為YCi（i=1，2，3，…，10）。各測點(diǎn)形成的縱向測線編號為YZn-m；橫向測線編號為YHn-j，j 為測線位數(shù)（第1～4 層，j=1，2，3，…，6；第5～10 層，j=1，2）。靜應(yīng)力和動應(yīng)力測試均采用TST5915 動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，動力測試采樣頻率為1 kHz。

圖2 土壓力盒布設(shè)圖（單位：m）

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

取部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將土壓力測試數(shù)據(jù)按相似關(guān)系還原到原型體系中，對應(yīng)于原型列車的軸重為12.7 t，車速為44.8 km/h。

2.1 土中動應(yīng)力時程分析

土中附加動應(yīng)力（σ′）為總應(yīng)力（σ）減去初始靜應(yīng)力（σ0），即：σ′=σ-σ0。圖3 為有地裂縫時上盤YC4 橫剖面上典型測點(diǎn)的豎向動應(yīng)力時程曲線，3個測點(diǎn)依次位于襯砌下部、右側(cè)和上部，動應(yīng)力拉為正，壓為負(fù)。

圖3 有地裂縫時土中典型測點(diǎn)的豎向動應(yīng)力時程曲線

從圖3 中可知：襯砌下部土中豎向動應(yīng)力量值遠(yuǎn)大于襯砌上部和右側(cè)，且襯砌下部土中豎向動應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而襯砌右側(cè)和上部土中動拉、壓應(yīng)力并存，但數(shù)值較小。可見，對于跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道車致圍巖動應(yīng)力的分析，應(yīng)主要考慮襯砌下臥土層中的動壓應(yīng)力。

2.2 土中動應(yīng)力的分布規(guī)律

2.2.1 動應(yīng)力沿隧道縱向的分布規(guī)律

圖4 為襯砌下部土中YZ3-1 測線豎向動應(yīng)力峰值的分布曲線。分析圖4 可得，地裂縫對豎向動應(yīng)力峰值的分布影響顯著，無地裂縫時分布曲線平穩(wěn)，有地裂縫時動應(yīng)力峰值在地裂縫附近出現(xiàn)明顯躍變，且上盤數(shù)值較常規(guī)值大，最大增幅為28%；下盤數(shù)值較常規(guī)值小，最大減幅為11%。在上盤距地裂縫10 m、下盤距地裂縫12 m 范圍以外，兩種場地條件下的動應(yīng)力峰值趨于相等。

圖4 縱向YZ3-1 測線豎向動應(yīng)力峰值分布曲線

2.2.2 動應(yīng)力沿隧道橫向和豎向的分布規(guī)律

圖5 為土中豎向動應(yīng)力峰值沿豎向和隧道橫向的分布曲線。分析圖5（a）可得，地層中動應(yīng)力沿豎向隨距離明顯衰減，衰減幅度由快變緩，且2.5 m 以下基本呈線性規(guī)律衰減。距襯砌底7.5 m 處的動應(yīng)力相對于0 m 處的衰減幅度為77%，說明動應(yīng)力對距襯砌底7.5 m 以下地層的影響很小。分析圖5（b）可得，動應(yīng)力沿隧道橫向隨距離衰減顯著，衰減幅度由快變緩，3 條曲線在距隧道中心線0～3.75 m 范圍內(nèi)的衰減幅度分別為78.7%、86.2%、77.7%，故動應(yīng)力對該范圍以外土體的影響很小。從圖5 中曲線位置來看，上盤YC4 橫剖面動應(yīng)力分布曲線最高，下盤YC7 橫剖面曲線最低，無地裂縫時的曲線居中。說明在地鐵動荷載作用下，上盤鄰近地裂縫的襯砌下部土中豎向動應(yīng)力比常規(guī)值大，使得總應(yīng)力比相應(yīng)的常規(guī)值大；而下盤襯砌下部土中豎向動應(yīng)力則比常規(guī)值小，使得總應(yīng)力比相應(yīng)的常規(guī)值小。

圖5 豎向動應(yīng)力峰值沿豎向和隧道橫向的分布曲線

綜上可得，地裂縫對地鐵盾構(gòu)隧道下臥地層中車致動應(yīng)力沿隧道縱向的影響區(qū)域?yàn)樯稀⑾卤P分別距地裂縫10 m 和12 m 范圍內(nèi)。地鐵荷載對盾構(gòu)隧道下臥土體的主要影響區(qū)域?yàn)椋貉厮淼罊M向，左右側(cè)各距隧道中心線3.75 m 范圍內(nèi)；沿豎向，距襯砌底7.5 m 范圍內(nèi)。在長期循環(huán)的地鐵荷載作用下，地裂縫鄰近土體受力的不均勻性可能造成局部土體的沉降量加大或上下盤土體的差異沉降，進(jìn)而對地鐵隧道在運(yùn)營期的安全性和穩(wěn)定性造成一定影響，建議在進(jìn)行該區(qū)間隧道設(shè)計時，對地基土進(jìn)行合理的加固處理設(shè)計。

3 結(jié)論

（1）在地鐵動荷載作用下，跨地裂縫盾構(gòu)隧道下臥土層中的豎向動應(yīng)力要大于其他部位，且主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，動應(yīng)力沿豎向的衰減幅度先快后緩。

（2）地裂縫對盾構(gòu)隧道下臥土層的影響效應(yīng)為增大上盤鄰近地裂縫處的動應(yīng)力，減小下盤鄰近地裂縫處的動應(yīng)力，使動應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布特征。建議在進(jìn)行跨地裂縫地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計時，考慮地基土在運(yùn)營期的長期變形及不均勻沉降因素。