基于透明土的隧道上浮過程結(jié)構(gòu)與土相互作用模型試驗(yàn)

周俊宏，宮全美，周順華（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

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基于透明土的隧道上浮過程結(jié)構(gòu)與土相互作用模型試驗(yàn)

周俊宏，宮全美，周順華
（同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

摘要：上覆土地基彈簧系數(shù)取值是盾構(gòu)隧道縱向上浮計(jì)算的關(guān)鍵問題之一，該值的選取取決于隧道與土的相互作用特征，但該特征較為復(fù)雜且研究缺乏。為研究上浮過程隧道與土的相互作用特征，基于透明土設(shè)計(jì)了模擬盾構(gòu)隧道上浮過程的小比尺室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，可得到不同上浮量下的抗浮力，同時(shí)結(jié)合PIV系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)非接觸式地觀測隧道上浮過程中土體內(nèi)部連續(xù)位移場。通過一模型試驗(yàn)對系統(tǒng)功能進(jìn)行了詳細(xì)描述，并基于該組試驗(yàn)分析了抗浮力隨上浮量變化規(guī)律及隧道周圍土體位移場變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：抗浮力隨著上浮量增大而增大，但增大速率減小，當(dāng)上浮量達(dá)0.1倍隧道外徑時(shí)，抗浮力達(dá)峰值；隧道周圍局部范圍土體位移場近似呈現(xiàn)為漩渦狀。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；上??；透明土；可視化模型試驗(yàn)；隧道與土相互作用

導(dǎo)師簡介：宮全美（1967—），女，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)閹r土工程、鐵路線路動力學(xué)等。

軟土地層盾構(gòu)隧道施工期上浮問題極為普遍，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，直徑為6 m左右的盾構(gòu)隧道上浮量一般在0～60 mm之間，部分隧道局部區(qū)段上浮超過100 mm[1]，如上海翔殷路隧道施工期最大上浮量達(dá)150 mm[2]。隧道上浮過大易引發(fā)管片張開、錯臺、破損等問題，從而對隧道成型質(zhì)量造成影響。

目前，眾多學(xué)者針對隧道上浮問題展開了大量研究，肖明清[1]、季昌[2]、周順華[3]、Kasper T[4]、葉飛[5]等以數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)為手段對盾構(gòu)隧道上浮影響因素進(jìn)行了分析；葉俊能等[6]采用有限元軟件建立考慮管片環(huán)接頭錯臺、張開影響的施工期隧道上浮分析數(shù)值模型，對管片容許上浮量進(jìn)行了分析；魏綱等[7]分別考慮靜態(tài)上浮力和動態(tài)上浮力，提出了上浮階段管片的受力模型及計(jì)算公式；葉飛等[5，8]還對施工期的盾構(gòu)上浮進(jìn)行了縱向分析。分析中將隧道簡化為一縱向梁，將上覆土的抗浮效應(yīng)簡化為地基彈簧，并通過實(shí)例分析，驗(yàn)證了該方法的可行性，但上覆土厚度有限導(dǎo)致存在上覆土地基彈簧系數(shù)取值困難的問題，同時(shí)提出其原因主要是隧道上浮過程結(jié)構(gòu)與土相互作用復(fù)雜，且缺乏深入研究所致，因此為了能較為準(zhǔn)確地分析隧道縱向的上浮規(guī)律，有必要對上浮過程隧道與土的相互作用特性進(jìn)行分析。

模型試驗(yàn)以其易于觀測、參數(shù)便于控制等優(yōu)點(diǎn)在土與結(jié)構(gòu)相互作用問題研究中廣為采用[9－12]。常規(guī)試驗(yàn)方法只能觀測到土體表面的位移場，而土體表面常因邊界效應(yīng)不能完全反映真實(shí)情況，為了實(shí)現(xiàn)非接觸式地觀測土體內(nèi)部連續(xù)位移場，Iskander，Liu等[13-14]配制了可在宏觀力學(xué)性質(zhì)上模擬黏土的透明材料，Ni等[15]結(jié)合PIV技術(shù)將上述透明土應(yīng)用于等截面圓形樁沉樁擠土效應(yīng)模型試驗(yàn)中，得到了觀測沉樁過程土體內(nèi)部連續(xù)位移場的方法。

鑒于此，本文結(jié)合透明土及PIV技術(shù)設(shè)計(jì)研發(fā)了模擬隧道上浮過程的室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)裝置，并采用該裝置進(jìn)行了模型試驗(yàn)，基于該組試驗(yàn)對試驗(yàn)裝置功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了初步分析。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 隧道上浮過程室內(nèi)模擬方法

圖1為葉飛等[8]對翔殷路隧道北線越江隧道進(jìn)行縱向抗浮計(jì)算時(shí)所用的計(jì)算模型，計(jì)算所得上浮量除了與上浮力及隧道結(jié)構(gòu)特性相關(guān)外，還受地基彈簧系數(shù)的影響，而彈簧系數(shù)的取值和隧道與土相互作用特性有關(guān)。在對上浮過程隧道與土相互作用特征進(jìn)行模型試驗(yàn)研究時(shí)，為了簡化試驗(yàn)方案可將圖1考慮為沿縱向上浮量不同的連續(xù)斷面，即將其考慮為某一隧道斷面在不同上浮量下與土的相互作用問題。鑒于此，在模型試驗(yàn)中通過鋼拉桿上拉隧道的方式模擬隧道上浮過程（見圖2），模型隧道采用表面光滑的實(shí)心不銹鋼棒，以保證隧道在縱向不發(fā)生不均勻上??；不銹鋼拉桿表面光滑以減小上拉過程中與土的相互作用。試驗(yàn)得到的拉力T與模型隧道及鋼拉桿自重的差值即為不同上浮量情況下土體施加于隧道上的抗浮力。

圖1 隧道縱向抗浮計(jì)算模型[8]Fig. 1 Longitudinal anti-upward movement calculating model of tunnel[8]

圖2 隧道上浮室內(nèi)模擬方法示意圖Fig. 2 Schematic diagram of test simulation method of tunnel upward moving

1.2 模型土制備

借鑒Iskander等透明土制備方法[13]，采用體積比為2.5∶1的15#白礦油和正十二烷混合液與無定形硅石粉末按質(zhì)量比5∶1混合制備透明土。土樣配置過程主要包含以下3步：材料混合、真空除氣、加壓固結(jié)，各步驟的實(shí)際操作過程示意及說明如圖3所示。

圖3 透明土制備關(guān)鍵步驟Fig. 3 Key steps of transparent soil preparation

1.3 試驗(yàn)裝置

室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置如圖4所示，其主要由模型土箱、等速加載設(shè)備、土體位移觀測系統(tǒng)、拉壓力采集系統(tǒng)等組成。

圖4 模型試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of model test devices

1）模型土箱。為了保證面激光能穿透土箱側(cè)壁射入模型土內(nèi)，采用透光性較好的有機(jī)玻璃板為原材料制作模型土箱，所用有機(jī)玻璃模型箱內(nèi)空長寬均設(shè)計(jì)為200 mm，高450 mm，有機(jī)玻璃板厚20 mm，有機(jī)玻璃土箱設(shè)計(jì)長度略大于模型隧道長度以避免隧道上浮過程中出現(xiàn)“卡死”于土箱側(cè)壁的現(xiàn)象，模型箱側(cè)壁設(shè)置尺寸標(biāo)尺，以便于圖像尺寸與真實(shí)尺寸之間的轉(zhuǎn)換。

2）等速加載設(shè)備。等速加載設(shè)備置于反力架頂，最大行程100 mm，加載速度0.8 mm·min-1。

3）土體位移觀測分析系統(tǒng)。土體位移觀測分析系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩部分，硬件部分包含：面激光源、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)，軟件部分包含：圖像采集控制軟件、PIV分析軟件。激光器為集成化5 W半導(dǎo)體激光器，激光能量可在0～5 W之間按需調(diào)節(jié)，激光波長為532 nm；采用科研級芯片CCD相機(jī)，相機(jī)分辨率2 456× 2 056像素，像素尺寸3.45 μm，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最大拍攝頻率為16幀/秒。

其中PIV技術(shù)是一種基于圖像匹配技術(shù)發(fā)展起來流體測速技術(shù)[16]，對于土體的位移場可將其考慮為流速很低的流場，其所用的圖像匹配標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)函數(shù)為

式中：M，N分別為圖像塊的長和寬；f為t1時(shí)刻圖像中中心點(diǎn)坐標(biāo)為（m，n）圖像塊的灰度值分布函數(shù)；g為t2時(shí)刻圖像中中心點(diǎn)坐標(biāo)為（m+△x，n+△y）圖像塊的灰度值分布函數(shù)；△x，△y分別為x，y方向的位移增量。

通過關(guān)聯(lián)函數(shù)可求得該圖像塊從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的位移，通過各個小圖像位移塊的位移便可得到整個圖像的位移場。

該系統(tǒng)的基本工作原理如圖5所示，通過面激光源照亮所需觀測斷面，并采用高速相機(jī)采集照亮斷面的圖片，最后利用PIV分析軟件對圖片進(jìn)行分析處理，通過PIV軟件分析可得土體位移場、速度場，其中位移場和速度場在分布特征上完全一致，僅在量值上有一定差別。

圖5 工作原理示意圖（俯視圖）Fig. 5 Schematic diagram of working principle（top view）

4）抗浮力采集系統(tǒng)。如圖2所示，試驗(yàn)中通過上拉隧道的方式模擬隧道上浮過程，試驗(yàn)時(shí)通過將拉壓力傳感器一端與等速加載設(shè)備相連，另一端與隧道鋼拉桿相連的方式測定不同隧道上浮量情況下的拉力值，拉壓力傳感器量程50 kg(490 N)，精度為滿量程的0.05%，采取與應(yīng)變采集儀連接的方式記錄拉力值，采集儀的最短采集時(shí)間間隔為1 s。

1.4 試驗(yàn)步驟

盾構(gòu)隧道上浮引起的結(jié)構(gòu)與土相互作用室內(nèi)模型試驗(yàn)主要包含如下步驟：

1）按圖3所示步驟制備透明土樣，同時(shí)將隧道預(yù)埋于土樣內(nèi)部，隧道埋置過程中需保證隧道水平，而后加壓固結(jié)透明土樣直至穩(wěn)定，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)如圖3所示；

2）打開面激光發(fā)生器，調(diào)整激光源與模型箱之間的距離，使面激光的高度與所需觀測高度一致，以減小激光能量的損失，而后旋轉(zhuǎn)面激光發(fā)生器，在保證面激光豎直的前提下使照射在模型箱外壁上的面激光達(dá)到最??；

3）打開圖像采集控制軟件，結(jié)合軟件調(diào)整CCD相機(jī)，保證相機(jī)鏡頭面與觀測面平行，且使相機(jī)恰好能觀測到整個模型土觀測面；

4）根據(jù)模型中預(yù)先設(shè)置的尺寸標(biāo)尺及模型隧道抬升速率計(jì)算圖像采集頻率，而后設(shè)置壓力傳感器采集頻率與圖像采集頻率；

5）打開等速加載儀，等速上拉隧道模擬隧道上浮過程，試驗(yàn)完成后將CCD相機(jī)采集的圖像通過PIV軟件進(jìn)行后處理分析。

2 試驗(yàn)效果分析

2.1 邊界效應(yīng)分析

圖6為模型隧道上浮過程上覆土剪切滑移面分布特征實(shí)物圖，其中剪切面1為邊界面上所觀察到的剪切滑移面，剪切面2為土體內(nèi)部觀察到的剪切滑移面。土體內(nèi)部沒有邊界效應(yīng)的影響更接近真實(shí)情況，因此可將剪切面2視為真實(shí)的剪切滑移面。在采用真實(shí)土體進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)一般只能觀測到土體表面的剪切面即剪切面1，而由圖6可知，由于邊界效應(yīng)的存在，邊界面上所觀測到的剪切滑移特征與真實(shí)情況有所區(qū)別，這將直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。而本文所設(shè)計(jì)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)可觀測到土體內(nèi)部的位移特征，即可消除邊界效應(yīng)的影響，因此該試驗(yàn)方法在位移場及破壞特征觀測上具有一定的優(yōu)勢。

圖6 剪切面開展特征實(shí)物圖Fig.6 Characteristic picture of shear plane

2.2 抗浮力隨上浮量變化規(guī)律

圖7為土體固結(jié)壓力25 kPa，隧頂埋深比（隧頂埋深H與隧道直徑D的比值）為1.9時(shí)模型隧道所受抗浮力隨上浮量的變化曲線，其中橫坐標(biāo)表示模型隧道上浮量與隧道外徑的比值（S為隧道上浮量），縱坐標(biāo)表示每延米模型隧道所受的抗浮力。

由圖7可知抗浮力隨著上浮量的增大而增大，但其增大速率緩慢減小，即在抗浮計(jì)算時(shí)地基彈簧系數(shù)并非為定值，其值隨著上浮量增大而減?。划?dāng)上浮量與隧道直徑比為0.1左右時(shí)，抗浮力達(dá)到峰值，之后隨著上浮量增大抗浮力減小，其主要由于隨著上浮量的增大，因土體表面臨空邊界面的存在，導(dǎo)致土與土之間出現(xiàn)脫離引起土間相互約束作用減弱所致。

2.3 土體位移場分布特征

圖8為隧道上浮量S為0.08 D時(shí)隧道周圍土體位移場分布圖。其中橫坐標(biāo)表示距離隧道中心的水平距離，縱坐標(biāo)表示距離土體表面的豎向距離。由圖8可知，隧道上浮過程中隧頂局部范圍內(nèi)土體隨著隧道向上運(yùn)動，其側(cè)面部分范圍內(nèi)土體呈自上而下渦旋狀運(yùn)動。

圖7 抗浮力與上浮量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between anti-buoyancy and upward displacement

圖8 土體位移場示意圖Fig.8 Schematic diagram of soil displacement around tunnel

3 結(jié)語

開發(fā)設(shè)計(jì)了模擬隧道上浮的小比尺室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道上浮過程土體內(nèi)部位移場的可視化，消除了邊界效應(yīng)對實(shí)測位移場的影響。通過一組試驗(yàn)對試驗(yàn)系統(tǒng)可得試驗(yàn)效果進(jìn)行了詳細(xì)描述，并對該試驗(yàn)進(jìn)行分析得：在本文試驗(yàn)條件下，隧道抗浮力隨著上浮量的增大而增大，但其增大速率緩慢減小，即在抗浮計(jì)算時(shí)地基彈簧系數(shù)并非為定值，其值隨著上浮量增大而減小，當(dāng)上浮量與隧道直徑比為0.1左右時(shí)，抗浮力達(dá)到峰值，之后隨著上浮量增大抗浮力減??；隧道上浮過程中隧頂局部范圍內(nèi)土體隨著隧道向上運(yùn)動，其側(cè)面部分范圍內(nèi)土體呈自上而下渦旋狀運(yùn)動。

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（責(zé)任編輯 王建華）

Model Test on Upward Moving Tunnel and Soil Interaction Using Transparent Soil

Zhou Junhong, Gong Quanmei, Zhou Shunhua
（Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China）

Abstract：The stiffness selection for foundation spring of overburden soil, as one of the intractable problems in longitudinal upward movement analysis of shield tunnel, depends on tunnel and soil interaction, which is complex and in lack of deep research at present. To probe into upward moving tunnel and soil interaction, based on a small-scale model indoor test system simulating shield tunnel upward movement, this study got anti-buoyancy during upward moving and non-contact observation of internal displacement field with PIV technology. On the basis of a model test for a detailed description of the system’s functions, it finally analyzed the relationship between anti-buoyancy and upward displacement and soil displacement field features around tunnel. Results show that the anti-buoyancy increases with the increase of upward displacement of the model tunnel, but the increasing rate decreases. And the anti-buoyancy reaches peak value when the model tunnel upwardly moves to 0.1 times of the outer diameter of the model tunnel. The results also show that the displacement field around the model tunnel presents an approximately swirling pattern.

Key words：shield tunnel; upward movement; transparent soil; visual model test; tunnel and soil interaction

中圖分類號：U451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-0523（2016）03-0001-06

收稿日期：2016－02－25

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41472247；51478353）

作者簡介：周俊宏（1989—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)閹r土工程、隧道工程。