大直徑江底盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力現(xiàn)場測試與分析

梁 禹 ，蘇文輝，2，方理剛，陽軍生

(1．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 4 10075;2．長沙市城投基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目管理有限公司，湖南 長沙 4 10000)

0 引言

在城市修建越江公路盾構(gòu)隧道時，受線路設(shè)計限制、交通流量大等影響，致使隧道埋深淺且斷面較大。以往實測資料表明，在施工階段管片容易發(fā)生軸線偏移、管片錯臺與破損、環(huán)間螺栓剪斷、滲漏水等安全事故的發(fā)生，嚴(yán)重影響著隧道施工與運營的安全。施工經(jīng)驗表明，管片直徑越大，拼裝時發(fā)生質(zhì)量問題的可能性就越大。

過江盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，管片直徑較大，結(jié)構(gòu)力學(xué)問題突出［1］。在施工階段，管片受力狀態(tài)與正常狀態(tài)有較大差別。此外，采用泥水盾構(gòu)在湘江地區(qū)尚屬首次，在設(shè)計時并無相似的工程實例供參考，需積累大量實測數(shù)據(jù)以了解其變化規(guī)律。通過在管片內(nèi)外埋設(shè)相關(guān)監(jiān)測儀器，對管片拼裝及穩(wěn)定后其承受內(nèi)力和外荷載的情況進行監(jiān)測與分析?；诓煌瑫r期管片內(nèi)外力的監(jiān)測結(jié)果，找出管片受力分布規(guī)律，反饋指導(dǎo)施工，對于南湖路湘江隧道及今后本地區(qū)其他隧道設(shè)計與施工具有重要的參考意義。

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測試是對施工及運營期間管片襯砌結(jié)構(gòu)實際受力狀況和圍巖體穩(wěn)定性進行原位跟蹤測試，是解決隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)問題的有效手段［2］。何川等［3］以南京地鐵穿越砂性地層盾構(gòu)隧道為研究對象，實測數(shù)據(jù)表明管片環(huán)承受水、土壓力在脫模后將很快增加并迅速達到峰值;李云麗［4］、何川等［5］、周濟民等［6］以獅子洋水下盾構(gòu)隧道為背景，對管片襯砌在施工期和后期所受外荷載和結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行長期現(xiàn)場追蹤，總結(jié)襯砌結(jié)構(gòu)外荷載和內(nèi)力隨時間的變化規(guī)律;張厚美等［7］介紹廣州地鐵盾構(gòu)隧道管片壓力現(xiàn)場監(jiān)測方法，得到盾構(gòu)隧道圍巖壓力隨時間變化規(guī)律，指出結(jié)構(gòu)設(shè)計時外荷載取值應(yīng)適當(dāng)考慮盾尾注漿壓力影響;魏綱等［8］采用修正慣用法對比研究了管片在正常設(shè)計階段與上浮狀態(tài)下受力的不同，在上浮狀態(tài)下管片結(jié)構(gòu)彎矩、剪力、軸力都有大幅度增加，對結(jié)構(gòu)受力不利。

目前，國內(nèi)基于直徑6 m左右的地鐵盾構(gòu)隧道實測數(shù)據(jù)較多［9-10］，但對于直徑大于10 m的大斷面過江隧道實測數(shù)據(jù)較少。本文以長沙南湖路湘江盾構(gòu)隧道為背景，對管片襯砌在施工期和長期所受外荷載及結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行現(xiàn)場追蹤測試;對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細分析，總結(jié)襯砌結(jié)構(gòu)外荷載和內(nèi)力隨時間變化規(guī)律;采用梁-彈簧計算模型對大斷面管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布形態(tài)進行研究。

1 工程概況及現(xiàn)場測試方案

1．1 工程實例

長沙市南湖路湘江隧道位于湘江橘子洲頭以南約100 m，隧道盾構(gòu)段采用雙管單層型式，分為南北2線穿越湘江。過江段盾構(gòu)隧道總長2 722．516 m，隧道埋深最淺處僅6．73 m。隧道過江段大部分處于中-強風(fēng)化礫巖地層中，場地附近斷裂構(gòu)造較多，隧址部分穿越裂隙密集帶。

隧道管片外徑 11．3 m，內(nèi)徑 10．3 m，管片厚50 cm，環(huán)寬2 m，采用環(huán)向分塊9塊(每塊均為40°，“6+2+1”模式)的通用楔形環(huán)，環(huán)間錯縫拼裝，管片強度標(biāo)號C50。

1．2 現(xiàn)場測試方案

根據(jù)南湖路盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)條件，在隧道南線選取1個代表性測試斷面。該斷面里程為SK1+198，位于江底段中心處，隧道頂部埋深約為10．56 m，通過地層主要為強風(fēng)化礫巖和中風(fēng)化礫巖，其中強風(fēng)化礫巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化程度較高且分布不均［11］。監(jiān)測斷面地質(zhì)剖面如圖1所示。

對施工及運營期間圍巖體荷載及管片襯砌結(jié)構(gòu)實際受力狀況進行原位測試。圍巖外荷載通過管片外表面土壓力傳感器進行監(jiān)測;管片受力監(jiān)測通過對內(nèi)外側(cè)混凝土所受拉壓應(yīng)力測試，然后通過力學(xué)計算綜合得出結(jié)構(gòu)設(shè)計所需彎矩及軸力。測試管片測點布置位置如圖2所示。

在管片目標(biāo)環(huán)拼裝好后即開始現(xiàn)場測試，監(jiān)測頻率為3次/d，之后逐漸降低。整個監(jiān)測過程持續(xù)直至隧道竣工，可得到施工過程中、后期作用在管片襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載變化情況。

圖1 測試斷面地質(zhì)剖面圖Fig．1 Geological profile

圖2 測試管片測點布置示意圖Fig．2 Layout of monitoring points

2 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析

2．1 襯砌外側(cè)徑向壓力分布規(guī)律

襯砌外側(cè)徑向壓力雷達分布如圖3所示。選取2個代表性監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行時態(tài)分析，如圖4所示。根據(jù)施工階段的不同，將測試管片環(huán)所受徑向壓力(土壓力盒測試結(jié)果為水、土壓力及注漿壓力之和)的變化分為3個階段:管片環(huán)剛脫出盾尾階段、二次注漿階段及后期穩(wěn)定階段。管片剛脫出盾尾時，管片受徑向壓力有一定增長;二次注漿階段，徑向壓力達到峰值，隨著漿液凝固，徑向壓力產(chǎn)生回落，直至趨于穩(wěn)定。

由圖3可知，測試環(huán)管片脫出盾尾后，整體徑向壓力偏低，但部分測點壓力較大，分布極不均勻，左側(cè)拱頂至拱腰處壓力明顯大于其他測點。測得最大徑向壓力在B5測點處，為208 kPa，已接近按全覆土理論計算的土壓力;最小徑向壓力在L2測點處，僅為25 kPa。此時，測試環(huán)管片處于偏壓狀態(tài)，管片脫出盾尾后發(fā)生了上浮及管片破損的現(xiàn)象。經(jīng)分析，主要原因是該地區(qū)存在破碎帶以及同步注漿質(zhì)量不高而造成偏壓狀態(tài)所致。

圖3 不同階段徑向壓力分布雷達圖(單位:kPa)Fig．3 Distribution of radial pressure in different stages(kPa)

圖4 典型測點徑向壓力隨時間變化曲線Fig．4 Time-dependent curve of radial pressure at typical monitoring points

由于前期注漿質(zhì)量不高，且圍巖條件破碎，測試環(huán)管片拼裝完1 d后即進行了二次補漿。從壓力分布形態(tài)看，整體呈現(xiàn)拱頂和拱底低、拱腰高的規(guī)律，最大徑向壓力在B4及F測點處，為456 kPa和432 kPa;最小徑向壓力在B1測點處，為210 kPa。此時管片環(huán)受注漿壓力影響較大。

管片拼裝完成7～10 d后，其外側(cè)漿液已基本凝固，水土壓力也逐漸趨于穩(wěn)定，此時管片外側(cè)所受徑向壓力基本不再發(fā)生變化。相對于注漿階段，此時管片外圍徑向壓力有一定回落，且分布形態(tài)較均勻，成“馬鞍”狀。由于注漿后漿液在管片環(huán)外周形成漿液硬化包裹層，漿液體將壓力分擔(dān)給測點鄰近襯砌結(jié)構(gòu)，使個別測點土壓力測試數(shù)據(jù)偏小。這種現(xiàn)象在現(xiàn)實工程存在，但多數(shù)測點數(shù)據(jù)具有規(guī)律性。此時測得最大徑向壓力在L1測點處，為315 kPa。其余測點數(shù)值接近隧道上部全覆土計算荷載。

2．2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律

襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律現(xiàn)場實測管片環(huán)彎矩、軸力雷達分布如圖5和圖6所示。試驗環(huán)脫出盾尾后，結(jié)構(gòu)彎矩變化不大。最大正彎矩(62 kN·m)位于B4管片處，最大負彎矩(-90 kN·m)位于L1管片處;結(jié)構(gòu)軸力整體呈右側(cè)較大、左側(cè)較小的非對稱分布。管片脫出盾尾后受偏壓荷載，對于結(jié)構(gòu)受力不利。

圖5 不同階段彎矩分布(內(nèi)側(cè)受拉為正)(單位:kN·m)Fig．5 Distribution of bending moment in different stages(pull on inner side means positive)(kN·m)

圖6 不同階段軸力分布(受壓為正)(單位:kN)Fig．6 Distribution of axial force in different stages(compression means positive)(kN)

待同步注漿、二次補漿施工完成后，測試管片環(huán)逐漸穩(wěn)定。此時，受水土壓力作用，管片環(huán)彎矩、軸力分布與剛脫出盾尾時有明顯變化。彎矩、軸力測試值均有較大幅度增加。從彎矩形態(tài)分布來看，結(jié)構(gòu)彎矩呈斜向45°對稱分布，L2側(cè)管片受壓，B4和B5處受拉。結(jié)構(gòu)最大正彎矩(395 kN·m)位于B5管片處，最大負彎矩(-259 kN·m)位于L2管片處。此時軸力分布較均勻，管片右側(cè)軸力稍大。個別測點軸力有一定波動，但變化幅度不大，平均軸力介于1 900～2 500 kN。

圖7為測試環(huán)典型測點隨時間變化曲線。由圖7可知，相對于剛脫出盾尾階段，管片環(huán)后期結(jié)構(gòu)內(nèi)力有較大幅度的增長。如軸力從脫出盾尾時的300～800 kN增長至后期1 900～2 500 kN，且隨著監(jiān)測的進行，仍然有小幅度的增長。因此，在運營期間應(yīng)保持對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行監(jiān)測分析，以及時對隧道安全做出合理評判。

圖7 典型測點內(nèi)力隨時間變化曲線Fig．7 Time-dependent curve of inner force at typical monitoring points

3 管片襯砌受力計算分析

在管片拼裝完成脫出盾尾后，管片承受的外荷載主要有管片自重、圍巖水土壓力、注漿壓力、漿液浮力、千斤頂殘余推力和螺栓摩阻力等。由于現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，管片受外荷載較多且變化較大，因此在施工階段無法準(zhǔn)確得到某一時刻管片所受荷載的大小。但由上文測試結(jié)果可知，注漿壓力及漿液浮力是引起外荷載及結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化的主要因素?；谑┕?shù)，反推得到管片所受注漿壓力及漿液浮力合力F為119 kN/m，方向為豎直向上。將F作為豎直均布荷載作用于管片上部，利用梁-彈簧法［12］對管片進行受力分析。地層法向彈簧剛度為28 MN/m;管片接頭彈簧剛度為70 MN/m，地層及管片切向彈簧剛度設(shè)置為無窮大。外荷載及彈簧分布情況如圖8所示。

圖8 外荷載及彈簧分布示意圖(單位:kN/m)Fig．8 Distribution of external load and spring(kN/m)

計算所得管片彎矩和軸力圖如圖9所示，其中實線為穩(wěn)定狀態(tài)下彎矩和軸力包絡(luò)線，虛線為受合力F作用下彎矩和軸力包絡(luò)線。

圖9 內(nèi)力變化對比圖Fig．9 Comparison of inner force

管片受施工荷載作用后，管片各個部位彎矩值和軸力值均有所增長，其中管片拱底、拱腰部位彎矩值和軸力值增長最快。從整體看，管片最大彎矩值增長了22%，最大軸力值增長了13%。分析表明，隧道掘進過程中產(chǎn)生的施工荷載增加了管片的內(nèi)力，影響了管片的質(zhì)量安全，易造成管片破損、碎裂等工程事故，并且影響盾構(gòu)隧道的安全使用性和耐久性。

4 結(jié)論與建議

基于南湖路湘江隧道管片在施工期和后期所受外荷載和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的測試結(jié)果，得到以下結(jié)論。

1)根據(jù)施工階段的不同，將測試管片環(huán)所受徑向壓力的變化分為3個階段。施工期間管片脫出盾尾后，結(jié)構(gòu)受到地質(zhì)條件、施工條件、外荷載等多向因素作用，容易形成偏壓狀態(tài)，引起局部荷載集中，對結(jié)構(gòu)受力不利。二次補漿產(chǎn)生的注漿壓力及漿液浮力對管片受力影響極大，管片內(nèi)力增幅明顯，對管片安全實用性和耐久性不利，要注重對注漿壓力及注漿量的控制。由于漿液的包裹作用，在穩(wěn)定階段管片外荷載分布與理論計算值稍有不同，但多數(shù)測點數(shù)據(jù)仍具有規(guī)律性。

2)在穩(wěn)定階段，管片環(huán)彎矩、軸力分布與剛脫出盾尾時有明顯變化，彎矩、軸力測試值均有較大幅度增加。受偏壓作用，結(jié)構(gòu)彎矩呈斜向45°對稱分布，結(jié)構(gòu)最大正彎矩(395 kN·m)位于B5管片處，最大負彎矩(-259 kN·m)位于L2管片處。此時軸力分布較均勻，管片右側(cè)軸力稍大。個別測點軸力有一定波動，但變化幅度不大，平均軸力介于1 900～2 500 kN。

3)相對于剛脫出盾尾階段，管片環(huán)后期結(jié)構(gòu)內(nèi)力有明顯增長，且隨著監(jiān)測的不斷進行，管片內(nèi)力特別是軸力仍然有小幅度的增長。因此，在運營期間應(yīng)繼續(xù)對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行監(jiān)測分析，及時對隧道安全做出合理評判。

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