地層膨脹力對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力影響分析

曹 偉，王立新

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院，西安 710043)

地層膨脹力對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力影響分析

曹 偉，王立新

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院，西安 710043)

膨脹土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮、且脹縮變形往復(fù)可逆的特點(diǎn)，類似地層盾構(gòu)隧道研究相對(duì)較少。針對(duì)成都地鐵某盾構(gòu)區(qū)間實(shí)例，根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深與盾構(gòu)隧道外徑關(guān)系進(jìn)行分類，通過單一變化膨脹力，借助有限元軟件采用殼單元建立荷載－結(jié)構(gòu)模型計(jì)算各工況下管片的內(nèi)力，對(duì)比分析管片內(nèi)力和安全系數(shù)，研究膨脹力對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力的影響。研究結(jié)果表明:隨著隧道埋深的增加，地層膨脹力對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力表現(xiàn)為有利;可通過調(diào)整線路高程、增加盾構(gòu)管片埋深、管片背后注漿等措施，降低地層膨脹力對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力的影響。

盾構(gòu)隧道;地層膨脹力;管片;計(jì)算模型;隧道埋深;安全系數(shù)

近年來，隨著國內(nèi)各大城市地鐵項(xiàng)目蓬勃發(fā)展，機(jī)械化、自動(dòng)化施工理念的逐步推廣與運(yùn)用，勞動(dòng)力成本的急劇上升，以及對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)控制要求的不斷提升，盾構(gòu)法施工在地鐵工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用［1］。

目前盾構(gòu)區(qū)間隧道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)已日趨成熟，但其研究多針對(duì)于以上海為代表的淤泥質(zhì)地層、以北京為代表的沖洪積地層、以廣州為代表的強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層［2］，而對(duì)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮、且脹縮變形往復(fù)可逆［3］的膨脹土地層研究相對(duì)較少，經(jīng)驗(yàn)不足。膨脹土一般強(qiáng)度較高，壓縮性低，容易被誤認(rèn)為是建筑性能較好的土層，當(dāng)隧道穿越此類土層時(shí)，如果對(duì)其特性缺乏認(rèn)識(shí)，或在設(shè)計(jì)和施工中沒有采取必要的預(yù)防措施，將會(huì)給建(構(gòu))筑物造成嚴(yán)重的危害。

膨脹土具有很高的膨脹潛勢(shì)，并隨其含水量的大小變化而變化，最終以膨脹力的形式表現(xiàn)出來［4］。以成都地鐵某區(qū)間為例，根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深與盾構(gòu)隧道外徑關(guān)系分別模擬計(jì)算5種工況，借助有限元軟件建立荷載－結(jié)構(gòu)模型模擬計(jì)算，并對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果，研究地層膨脹力對(duì)盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)受力的影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

某區(qū)間沿規(guī)劃龍工北路地下敷設(shè)，所在的區(qū)域是待開發(fā)區(qū)，道路西側(cè)為施工區(qū)及民宅，道路東側(cè)為農(nóng)田和果園。區(qū)間采用明挖法結(jié)合盾構(gòu)法施工，其中，盾構(gòu)區(qū)間長416.075m。盾構(gòu)區(qū)間正線線路平面曲線半徑為3 000m，正線坡度為2‰～12‰，線間距為13.09～13.5 m，埋深5.8～23.40m［5］。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮，并結(jié)合國內(nèi)相似地鐵工程的成功經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)管片采用C50混凝土;其外徑D=6 000mm，內(nèi)徑d=5 400mm，厚度h=300mm，幅寬L=1 500mm;環(huán)向采用“1+2+3”的分塊模式，即1個(gè)封頂塊+2個(gè)鄰接塊+3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，如圖1所示。管片塊與塊、環(huán)與環(huán)之間采用高強(qiáng)螺栓連接，縱向錯(cuò)縫拼裝。盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)橫斷面

1.2 地質(zhì)概況

文獻(xiàn)［6］顯示:場(chǎng)地內(nèi)地層主要由第四系全新統(tǒng)(Q4ml)人工填土層、第四系中更新統(tǒng)(Q2fgl)冰水沉積層及白堊系夾關(guān)組砂巖(K2j)組成。地表多為雜填土、素填土，其下依次為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、卵石土以及全風(fēng)化泥巖、中強(qiáng)風(fēng)化泥巖，其巖體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。其中，黏土、粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化泥巖均具有弱膨脹性，其特性如下。

表1 巖體物理力學(xué)指標(biāo)值

黏土:自由膨脹率40%～79%，蒙脫石含量為8.8%～19.7%，陽離子交換量為185～264mmol/kg，膨脹力為36.6～159.9 kPa;

粉質(zhì)黏土:自由膨脹率23%～45%，蒙脫石含量為8.7%～9.9%，陽離子交換量為170～190 mmol/kg，膨脹力為10～40 kPa;

全風(fēng)化泥巖:自由膨脹率46%～48%，蒙脫石含量為8.6%～9.5%，陽離子交換量為182～186 mmol/kg，膨脹力為52～60 kPa。

圖2 區(qū)間隧道地質(zhì)縱斷面

從圖2和文獻(xiàn)［6］可知:區(qū)間隧道多位于全風(fēng)化泥巖中;地下水主要為上層滯水、裂隙水、松散層孔隙潛水以及基巖裂隙水，影響區(qū)間隧道施工的地下水主要來源于黏土中的裂隙水。

2 基本假定與計(jì)算模型

管片是計(jì)算中重點(diǎn)模擬的對(duì)象，通常模擬計(jì)算模型主要包括地層－結(jié)構(gòu)和荷載－結(jié)構(gòu)2種。運(yùn)用Midas－GTS軟件建立荷載－結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行管片內(nèi)力計(jì)算。

2.1 基本假定

(1)隧道縱向上的管片錯(cuò)縫拼裝方式對(duì)整體襯砌結(jié)構(gòu)的剛度起到加強(qiáng)作用，且不考慮管片接頭效應(yīng)的彎矩值是考慮管片接頭效應(yīng)的2倍［7］，故計(jì)算中忽略管片接頭效應(yīng)。

(2)鑒于管片厚度遠(yuǎn)小于其他方向的尺度，故假定管片為均質(zhì)殼體。通過對(duì)參考面進(jìn)行離散，并賦予截面性質(zhì)定義殼體厚度進(jìn)行整體分析。

(3)考慮管片與巖體間的相互作用，彈簧的設(shè)置充分考慮到管片的位移趨勢(shì)，從作用力與反作用力角度出發(fā)，在管片四周設(shè)置徑向與切向的土彈簧［1］，有效地避免計(jì)算中剛體位移的產(chǎn)生［7］。

(4)假定管片與周圍巖密貼，且回填材料的力學(xué)參數(shù)不小于周圍巖體的力學(xué)參數(shù)。

2.2 計(jì)算模型

盾構(gòu)計(jì)算模型主要包括均質(zhì)圓環(huán)法、等效剛度圓環(huán)模型(修正慣用法)、自由鉸圓環(huán)及彈性鉸圓環(huán)4種模型［8］。等效剛度圓環(huán)模型是對(duì)均質(zhì)圓環(huán)模型的修正，用剛度折減系數(shù)η(η≤1)和彎矩增大系數(shù)ξ(ξ≤1)分別體現(xiàn)管片環(huán)向接頭和錯(cuò)縫拼裝的影響。雖參數(shù)η、ξ取值很難評(píng)判，計(jì)算結(jié)果隨意性較大，但該模型接頭處理簡(jiǎn)單、易于操作，便于校核計(jì)算。因此，本次計(jì)算采用等效剛度圓環(huán)模型進(jìn)行模擬，取η=0.7，ζ=0.3，即管片環(huán)E1I1=0.7EI，M1=1.3M，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型及荷載分布

2.3 荷載確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、受力條件、地質(zhì)條件等因素，考慮施工和使用年限內(nèi)發(fā)生的變化，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及相關(guān)規(guī)范規(guī)定的可能出現(xiàn)的最不利組合進(jìn)行計(jì)算［9］，包括以下荷載。

(1)永久荷載

①結(jié)構(gòu)自重:按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸及材料重度確定。

②地層壓力

a．當(dāng)隧道覆土H≤D時(shí)(D為隧道外徑)，按全覆土柱計(jì)算頂部土壓力;

b．當(dāng)H＞2D時(shí)，按照太沙基原理計(jì)算隧道上方塌落拱高度h0，當(dāng)h0≤2D時(shí)，隧道拱頂土壓力取2D覆土進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)h0＞2D時(shí)，隧道拱頂土壓力按h0高度覆土進(jìn)行計(jì)算，側(cè)向壓力根據(jù)太沙基松弛土壓力和靜止側(cè)壓力系數(shù)確定;

c．當(dāng)D＜H≤2D時(shí)，隧道拱頂土壓力取拱頂以上，隧道外直徑(1.0～2.0)D高的土柱荷載，即按全覆土進(jìn)行計(jì)算;側(cè)向土壓力根據(jù)太沙基松弛土壓力和靜止側(cè)壓力系數(shù)確定。

③水壓力及浮力

頂部:pw1=γwhw;底部:pw2=γw(hw+D);為方便研究膨脹力對(duì)管片的影響，取hw1=0。

(2)可變荷載

地面超載的影響:按20 kPa計(jì)算;

主要，就是目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中的決定性因素，決定了目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。所以，面對(duì)影響目標(biāo)的眾多因素，我們應(yīng)該根據(jù)它們的作用，結(jié)合主體特質(zhì)，判定主要因素。這樣的關(guān)鍵因素，是決定和推動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

地層膨脹力的影響:按地勘報(bào)告取Pe=60 kPa計(jì)算，水平方向加載。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

為研究地層膨脹力Pe對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力的影響，根據(jù)盾構(gòu)隧道埋深與盾構(gòu)隧道外徑關(guān)系分3種情況:H≤D(取 H=D 計(jì)算)、D＜H≤2D(取 H=2D 計(jì)算)、2D＜H(取H計(jì)算)，并分別考慮5種工況進(jìn)行計(jì)算:(1)按100%Pe加載;(2)按75%Pe加載;(3)按50%Pe加載;(4)按25%Pe加載;(5)不考慮膨脹力。

通過計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)組合下管片內(nèi)力值如表2所示，工況H=2D、100%Pe的內(nèi)力圖如圖4所示。同時(shí)，為更加直觀判斷地層膨脹力對(duì)管片的影響，取相同配筋面積，計(jì)算各工況下的管片安全系數(shù)K。

表2 各工況下管片最不利部位內(nèi)力值匯總

圖4 管片彎矩、軸力圖(H=2D，100%P e)

從表2和圖5～圖7分析可知:當(dāng)H=D時(shí)，M、N隨Pe減小而減小，且M減小速度較N快，K隨Pe減小而增大，即當(dāng)H≤D時(shí)，土壓力較小，地層膨脹力對(duì)管片受力不利;當(dāng)2D≤H時(shí)，M隨Pe減小而增大，N隨Pe減小而減小，且K隨Pe減小而減小，即當(dāng)2D≤H時(shí)，土壓力較大，地層膨脹力對(duì)管片受力有利;當(dāng)D＜H≤2D時(shí)，地層膨脹力對(duì)管片受力的影響存在有利和不利兩種情況。

圖5 管片彎矩M與膨脹力P e關(guān)系

圖6 管片軸力N與膨脹力P e關(guān)系

圖7 管片安全系數(shù)K與膨脹力P e關(guān)系

4 結(jié)論與建議

(1)通過單一變化膨脹力，根據(jù)盾構(gòu)隧道不同埋深分多種工況建立荷載－結(jié)構(gòu)模型模擬計(jì)算、對(duì)比分析，進(jìn)而研究膨脹土對(duì)管片受力影響的方法是可行的。

(2)當(dāng)H≤D時(shí)，膨脹力對(duì)管片受力不利;當(dāng)2D≤H時(shí)，膨脹力對(duì)管片受力有利;當(dāng)D＜H≤2D時(shí)，膨脹力對(duì)管片受力的影響存在有利和不利兩種情況。

(3)在地鐵設(shè)計(jì)過程中，可通過調(diào)整線路高程、增加盾構(gòu)管片埋深，降低土層膨脹力對(duì)管片結(jié)構(gòu)的不利影響。

(4)隨地下水位變化引起膨脹力周期性變化，不容忽視。為此，需在盾構(gòu)管片上增設(shè)注漿孔，進(jìn)行補(bǔ)充注漿，使管片和土體之間的空隙更加密實(shí)，防止土體失水干縮空隙增大，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量、運(yùn)營安全、地面道路及周邊建(構(gòu))筑物。

本文僅針對(duì)成都某盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分析了地層膨脹力對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力的影響，得出了以上主要結(jié)論。此外，建議隧道施工期間加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，尤其是對(duì)管片應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，借助監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合有限元模擬，進(jìn)一步推導(dǎo)出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式或預(yù)測(cè)公式，進(jìn)而定量地完善地層膨脹力對(duì)盾構(gòu)管片受力的影響。

［1］戴志仁．盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)若干問題研究與探討［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(6):65－70．

［2］楊秀仁．北京地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)［J］．都市快軌交通，2004(6):32－37．

［3］中華人民共和國建設(shè)部．GBJ112—87 膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，1987．

［4］康華．膨脹土對(duì)明挖車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析［J］．甘肅科技，2009(12):118－119．

［5］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．成都地鐵2號(hào)線(東延線)過渡段洞—龍泉站區(qū)間施工圖設(shè)計(jì)［Z］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2012．

［6］中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司．成都地鐵2號(hào)線(東延線)區(qū)間巖土工程勘察報(bào)告［R］．成都:中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，2011．

［7］朱合華，崔茂玉．盾構(gòu)襯砌管片的設(shè)計(jì)模型與荷載分布的研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2000(2):190－194．

［8］黃建明．盾構(gòu)管片計(jì)算模型的選擇［J］．鐵道建筑，2004(6):29－31．

［9］北京城建設(shè)計(jì)研究總院．GB50517—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2003．

［10］焦齊柱．盾構(gòu)隧道管片計(jì)算模型參數(shù)的敏感性分析［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(6):93－95．

［11］裴利華．盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(12):86－91．

［12］陳饋，洪開榮，吳學(xué)松．盾構(gòu)施工技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2009．

Study on Influence of Stratum Expansion Force upon Stress State of Shield Segments

CAOWei，WANG Li-xin

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an 710043，China)

The expansive soil is prominently characterized by water swelling and dry shrinkage，and the swelling and shrinkage deformation is reversible over and over again．But the studies on shield tunnel in the similar strata were relatively fewer．For this reason in this paper，in combination with an actual example of shield tunnel on Chengdu Metro，the work conditions were classified according to the relationship between buried depth of shield tunnel and its diameter．And then through a single change of expansion force，a load-structuremodelwas established by using shell element of finite element software，so as to calculate the internal force of every shield segment under different work conditions．By comparative analysis on shield segment internal force and safety factor，the influence of expansion force upon the stress state of shield segment was studied．The results of the study show that:(a)with the increasing of buried depth of the tunnel，the stratum expansion force is beneficial to the stress state of the shield segment;(b)the influence of stratum expansion force on shield segment can be reduced by adjusting route elevation，increasing buried depth of shield segment，grouting behind the segment and by othermeasures．

shield tunnel;stratum expansion force;segment;calculation model;buried depth of tunnel;safety coefficient

U455.43

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．022

1004－2954(2014)03－0094－03

2013－07－02;

2013－07－31

曹 偉(1984—)，男，工程師，E-mail:luckystar_2007@163．com。