盾構(gòu)隧道錯(cuò)縫拼裝施工對(duì)地表沉降影響的研究

王 哲,陳啟功,張凱偉,王家煒,李 強(qiáng),許四法*

(1.浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310032；2.中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司)

盾構(gòu)法修建隧道于1823年發(fā)明于英國(guó)的倫敦,至今已近200年的歷史,由于其適應(yīng)各種復(fù)雜地基和對(duì)地面干擾小的特點(diǎn),使其在城市地下空間的開(kāi)發(fā)中取得了巨大的成功,我國(guó)使用盾構(gòu)隧道技術(shù)已有50余年的歷史[1],在盾構(gòu)隧道技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,采用通縫襯砌拼裝方式還是錯(cuò)縫襯砌拼裝方式就一直存在著討論,自20世紀(jì)60年代起,日本便大力發(fā)展盾構(gòu)法隧道施工,日本學(xué)者村上博智、小泉淳[2]提出錯(cuò)縫拼裝具有縱向加強(qiáng)效應(yīng)后,日本在盾構(gòu)隧道施工中便開(kāi)始普遍采用錯(cuò)縫拼裝方式。P.M.Donde(1992)[3]提出了分析錯(cuò)縫拼裝襯砌的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,模型中創(chuàng)造性的用一個(gè)虛擬連桿來(lái)模擬縱向螺栓,朱合華(2000)[4]為了探究錯(cuò)縫襯砌拼裝和通縫襯砌拼裝下環(huán)間接頭縱向加強(qiáng)作用的不同,使用了梁—接頭不連續(xù)剪切模型。劉建航[5]提出采用錯(cuò)縫襯砌拼裝時(shí),襯砌的接縫防水更易處理,錯(cuò)縫襯砌拼裝是比通縫拼裝是更優(yōu)的襯砌拼裝方案,而通縫拼裝使圓環(huán)接縫連成一片,接縫分布不均勻,從而增大了接縫及整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形。廖少明[6]認(rèn)為在受到相同外力條件下,錯(cuò)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(dá)到同等變形下,錯(cuò)縫拼裝襯砌有更大的調(diào)整余地。

通過(guò)實(shí)踐證明,采用錯(cuò)縫拼裝襯砌的隧道在變形、防水控制方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性,得到了較為廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)杭州在大量的興建地鐵,計(jì)劃到2020年,將建成10條地鐵線,2條城際線,總里程達(dá)到將達(dá)到430公里,杭州城東及錢(qián)江新城地區(qū)存在著大量的粉砂土地區(qū),在這種地區(qū)修建地鐵較易引起地表變形等問(wèn)題,為了研究錯(cuò)縫襯砌拼裝方式對(duì)地表沉降的影響,本文選取了杭州代表性粉砂土作為試驗(yàn)用土,模擬盾構(gòu)隧道施工過(guò)程,得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并和有限元的模擬結(jié)果作了對(duì)比。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)相似比的選取

根據(jù)相似理論[7],制定隧道模型參數(shù)試驗(yàn)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(shù)相似比1∶1137.7,試驗(yàn)用土的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比保持不變,具體參數(shù)如表1所示：

表1 原型隧道、模型隧道參數(shù)

1.2 隧道模型的制作

弧形管片拼裝成環(huán),然后環(huán)與環(huán)相互連接形成盾構(gòu)隧道的襯砌結(jié)構(gòu),襯砌的環(huán)與環(huán)和管片與管片之間通過(guò)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(zhǎng)50cm,直徑為16cm。等分為20環(huán),每環(huán)2.5cm。同時(shí)再將每環(huán)等分為4份,每份圓心角為90°,環(huán)環(huán)之間,片與片之間用細(xì)鐵絲(通過(guò)相似比的計(jì)算用細(xì)鐵絲來(lái)替代螺栓)連接,錯(cuò)縫連接如圖1所示。模型試驗(yàn)邊界條件用鋼化玻璃箱,尺寸規(guī)格為80×50×80(單位：cm),且在兩面80×80(單位：cm)中間預(yù)留孔洞,孔洞尺寸半徑為9cm。

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

模型試驗(yàn)前,通過(guò)對(duì)原狀粉砂土的實(shí)驗(yàn),獲取土體材料的物理力學(xué)指標(biāo),見(jiàn)表2所示。并制作一個(gè)圓柱形原木塞,長(zhǎng)度為60cm。其中粗部分直徑為17cm,長(zhǎng)55cm,細(xì)部分作為手柄直徑為5cm,長(zhǎng)5cm,用來(lái)模擬施工中盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn),試驗(yàn)還需用到5個(gè)精度為0.01mm的百分表,配套五個(gè)精度0.001mm位移計(jì)的程控靜態(tài)應(yīng)變儀。

表2 土層的力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)過(guò)程及監(jiān)測(cè)方案

將圓木塞裝入玻璃箱預(yù)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(lái)實(shí)現(xiàn),即將砂土距離玻璃箱一定高度處(該高度應(yīng)事先通過(guò)試驗(yàn)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(mǎn),埋土深度根據(jù)隧道直徑D的1.5倍計(jì)算得出,因?yàn)楣軓綖?7cm所以埋深大致為25cm。緩緩抽動(dòng)圓木塞,同時(shí)將組裝好的PE管推入,每移動(dòng)5cm的距離(用刻度尺控制每次移動(dòng)的距離),記錄一次沉降位移讀數(shù),推進(jìn)過(guò)程中共記錄10次。橫向地表沉降監(jiān)測(cè)的總監(jiān)測(cè)布點(diǎn)如圖2a、b所示,用帶螺紋長(zhǎng)釘布置15個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在隧道正上位置,如圖3所示。

圖2a 橫向地表沉降監(jiān)測(cè)示意圖Fig.2a Cross-sectional observed surface settlements schematic diagram

圖2b 橫向地表沉降監(jiān)測(cè)模型裝置圖Fig.2b Cross-sectional observed surface settlements device diagram

圖3 縱向地表沉降監(jiān)測(cè)示意圖Fig.3 Longitudinal observed surface settlements schematic diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 隧道管片錯(cuò)縫布置下的各斷面沉降圖

采用錯(cuò)縫襯砌拼裝的盾構(gòu)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(gòu)隧道,所取三個(gè)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(gòu)機(jī)的推進(jìn),采用錯(cuò)縫襯砌拼裝的盾構(gòu)隧道地表沉降值均勻增大,最終達(dá)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(gòu)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(cuò)縫襯砌拼裝的盾構(gòu)隧道橫斷面地表沉降值要小于通縫襯砌拼裝的盾構(gòu)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(yàn)基礎(chǔ)上,利用有限元軟件MIDAS對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了模擬[10-12]。對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程的數(shù)值模擬進(jìn)行了一系列的假定,各項(xiàng)假定如下：

(1)地表面和各土層均呈均質(zhì)水平層狀分布；

(2)不考慮隧道巖體的構(gòu)造應(yīng)力,自重應(yīng)力是唯一的初始地應(yīng)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(jié)和蠕變；

(5)盾構(gòu)每次的掘進(jìn)長(zhǎng)度為2m；

(6)將隧道周?chē)膰鷰r視為各向同性、連續(xù)的彈塑性體,土層材料的模型類(lèi)型選擇莫爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)進(jìn)行計(jì)算。

3.2 數(shù)值模擬與模擬結(jié)果

模型的尺寸采用實(shí)際尺寸,模型的范圍取地表為自由邊界,其他五個(gè)面均限制其移動(dòng),采用位移邊界條件,土體采用摩爾-庫(kù)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(xiàn)出管片的通縫錯(cuò)縫之間的沉降差異,管片設(shè)置為3D模型,管片與管片之間為咬合狀態(tài),對(duì)比模型試驗(yàn),選取三個(gè)相同位置的橫斷面進(jìn)行觀察,采用通縫襯砌拼裝的盾構(gòu)隧道2、3橫斷面的沉降多步驟圖,分別見(jiàn)圖7～8所示,盾構(gòu)隧道正上方縱向斷面沉降多步驟圖,見(jiàn)圖9所示,開(kāi)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(cuò)縫襯砌拼裝的盾構(gòu)隧道的1、3橫斷面沉降多步驟圖分別見(jiàn)圖10～11所示,盾構(gòu)隧道正上方縱向斷面沉降多步驟圖,見(jiàn)圖12所示,開(kāi)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(jìn)行掘進(jìn),由有限元結(jié)果可知,由襯砌拼裝形式所影響的盾構(gòu)隧道地表沉降,通縫管片(27mm)要大于錯(cuò)縫管片(23mm)。從圖中可以看出,橫向地表沉降隨盾構(gòu)的掘進(jìn),逐漸加大,但會(huì)出現(xiàn)增大不均勻的情況,此情況主要出現(xiàn)在所取斷面處。當(dāng)開(kāi)挖掌子面離所取斷面較遠(yuǎn)時(shí),橫向地表沉降槽的寬度和深度均勻增大,當(dāng)開(kāi)挖掌子面接近所取斷面時(shí),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(dāng)開(kāi)挖掌子面遠(yuǎn)離所取斷面時(shí),橫斷面上土體所受擾動(dòng)較小,地表沉降增加相對(duì)均勻,當(dāng)開(kāi)挖掌子面靠近所取斷面時(shí),附近的土體受擾動(dòng)較大,造成地表沉降有較為明顯的增大。

4 結(jié) 論

通過(guò)三個(gè)斷面的橫向沉降槽曲線可以看出,采用錯(cuò)縫襯砌方式比通縫襯砌方式引起的地表沉降要小,錯(cuò)縫襯砌拼裝形式對(duì)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(cuò)縫襯砌方式對(duì)縱向地表沉降影響差別不大,錯(cuò)縫拼裝對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)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(yàn)結(jié)果都表明了錯(cuò)縫襯砌拼裝方式更能減小橫向地表沉降。

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