地層空洞影響下地鐵盾構隧道襯砌結構響應試驗研究

管鋒，魏度強，雷金山，石鈺鋒,4，曹成威

(1. 中國鐵路南昌局集團有限公司，江西 南昌 330002；2. 華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013；3. 中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；4. 南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌 330038)

在盾構隧道施工過程中，因盾構超挖作用、注漿不密實、漿液收縮，或運營中受地下水沖刷等多種因素耦合影響，地鐵盾構隧道背后常伴有空洞存在[1?2]?？斩吹拇嬖趯е略撎幍貙涌沽οВr砌受偏壓作用，引起管片應力重分布，空洞邊緣位置襯砌易出現(xiàn)應力集中效應，這可能導致管片產(chǎn)生開裂、破損掉塊、滲漏水等病害[3]，在很大程度上降低了管片的安全性及耐久性。因此，分析和研究空洞缺陷對襯砌管片的安全性影響具有重要意義。目前，國內(nèi)外對于襯砌結構背后空洞問題已經(jīng)取得了一些成果，其主要采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗等手段。理論分析方面，主要針對隧道背后存在空洞建立相應圍巖壓力的修正計算方法及承載力損失率公式[4?5]。數(shù)值模擬方面，相關學者通過彈塑性有限單元法就襯砌背后存在空洞時隧道襯砌結構受力狀態(tài)及開裂機制進行了相應研究[6?9]，認為空洞的存在惡化了襯砌結構力學特性，改變了襯砌結構的開裂機制，導致襯砌結構承載能力減小。模型試驗作為一種常用的研究手段，能夠很好地突出主要矛盾，準確把握現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系。閆高明等[10?11]針對隧道襯砌結構拱頂背后出現(xiàn)空洞開展大型振動臺隧道模型試驗，得出空洞顯著降低了隧道結構的抗震性能，改變了隧道地震破壞模式，襯砌空洞處成為抗震薄弱部位；方勇等[12]就不同位置空洞與不同外水壓荷載耦合作用下二次襯砌的受力分布規(guī)律及開裂特征進行研究；王士民等[13?14]針對隧道背后不同位置處空洞開展相似模型試驗，認為拱肩位置空洞的存在更容易導致結構的失穩(wěn)。上述研究中對象多為山嶺隧道，針對地鐵盾構隧道國內(nèi)外研究較少，而地鐵盾構隧道與山嶺隧道變形及受力規(guī)律具有較大差異性。故本文以地鐵盾構隧道為研究對象，采用模型試驗手段，分別就管片背后不同位置處空洞襯砌變形及受力特征進行研究，為相關工程提供參考依據(jù)。

1 模型試驗設計

1.1 模型試驗儀器設備

本次試驗中主要使用的儀器設備包括模型箱、水壓表、土壓力盒、百分表、應變片及動靜態(tài)應變采集儀等，如圖1所示。模型箱整體尺寸為3 000 mm×600 mm×2 000 mm(長×寬×高)，框架由鍍鋅方鋼管、工字鋼焊接而成，為清晰觀察試驗動態(tài)，框架四周采用12 mm 厚透明鋼化玻璃，底板采用8 mm 厚的鋼板承擔上覆荷載；因模型箱高寬比較大，為防止傾覆等問題，于前后面板對稱布置2道斜撐；考慮到試驗過程中隧道放置、位移計安裝、管線布置等問題，對前后2塊鋼化玻璃開孔，半徑為350 mm。

圖1 模型試驗系統(tǒng)Fig.1 Model test system

1.2 試驗材料

本文以南昌地鐵盾構隧道為依托，其中隧道外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 600 mm，環(huán)寬1 200 mm，隧道主要穿越地層為富水砂層及風化泥巖層，黏聚力較低，故采用過5 mm 篩的贛江河砂模擬土體。前期通過直剪、篩分、土粒比重及含水率試驗[15]測定其基本物理力學參數(shù)如表1。

表1 土體物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil

確定原型與模型幾何相似比為Cl=10，模型隧道采用4 環(huán)外徑620 mm，環(huán)寬120 mm 鋼圓環(huán)模擬，橫斷面不考慮管片環(huán)向接頭，環(huán)間通過4對螺栓連接(圖2(a))；對模型隧道進行對壓試驗[16]測定其圓環(huán)徑向彎曲彈性模量為174.52 GPa(圖2(b))。通過相似理論可知，襯砌結構主要以受彎為主，通過其彎曲受力、變形可判別其安全性，故將模型與原型等效抗彎剛度EI 模擬，最終控制其壁厚為8 mm。

圖2 盾構隧道模型Fig.2 Shield tunnel model

試驗前期在相應位置預設注滿水的水囊，后期通過逐級泄壓放水來模擬空洞的形成。為有效地獲取管片的變形、受力規(guī)律，水囊尺寸取為250 mm×250 mm×150 mm(長×寬×高)，對應原型角度40°，深度1.5 m 空洞，水囊表面設注水口，前后面底部通過軟管分別連接至止水閥及壓力表，試驗中通過壓力表讀數(shù)可精確逐級泄壓放水，如圖3所示。

圖3 模型試驗水囊Fig.3 Model test water bag

1.3 試驗方案設計

試驗共設置4 種工況，分別為無空洞、拱頂、拱腰、拱底背后空洞，通過改變水囊位置來實現(xiàn)，不考慮管片背后空洞尺寸的變化，規(guī)定管片拱頂處為0°，管片角度值隨順時針增長，如表2所示。

表2 試驗工況表Table 2 Test condition table

因水囊注滿水時即可視為管片無空洞工況，故試驗只需進行3次，試驗初始狀態(tài)即為無空洞工況，當水囊放水泄壓至壓力表讀數(shù)為零時，為試驗最終狀態(tài)。因水囊預設位置不同，雖水囊內(nèi)壓力一定，但上部所受土體荷載不同，故每次試驗初始狀態(tài)水壓表讀數(shù)也不盡相同；試驗根據(jù)最大壓力值，分3級進行均勻泄壓，試驗初始狀態(tài)，各工況下壓力表顯示為18，24，30 kPa，故每隔6，8，10 kPa 進行分級放水，待其受力、變形穩(wěn)定后收集試驗數(shù)據(jù)。

量測對象選為中間2 環(huán)管片，前后2 環(huán)作為邊界條件。量測內(nèi)容包括：襯砌結構內(nèi)力、變形位移、背后接觸壓力，如圖4所示。結構內(nèi)力通過在襯砌內(nèi)外表面粘貼電阻應變片量測，每隔45°布置1 對；襯砌變形位移通過百分表量測，每隔90°布置，通過特制支架來測定管片絕對位移值(圖4(b))；管片背后接觸壓力通過在襯砌外表面布置DMTY型應變式土壓力盒量測，量程50 kPa，土壓力盒每隔45°布置。

圖4 監(jiān)測點布設圖Fig.4 Layout of monitoring points

根據(jù)應變片所測應變值可計算管片軸力及彎矩值，計算公式如下：

式中：E為襯砌彈性模量，ε內(nèi)，ε外分別為襯砌內(nèi)外表面應變值，b為截面寬度，h為襯砌厚度。

根據(jù)土壓力盒所測應變值可計算管片背后接觸壓力值，計算公式如下：

式中：P為壓力值；με為應變值；K為靈敏性系數(shù)。

2 試驗結果分析

下文規(guī)定位移不區(qū)分正負，均為正值；軸力以受壓為正，受拉為負；彎矩以襯砌外側受壓、內(nèi)側受拉時為正，反之為負。為更清晰表明管片受力及變形趨勢，下文中管片變形、受力分布圖均進行一定比例放大。

2.1 無空洞工況

無空洞時，管片內(nèi)力呈“對稱式”分布。軸力分布較為均勻，最大值出現(xiàn)在拱腰處(圖5(a))；管片兩側拱腰處受負彎矩，拱頂、拱底處受正彎矩，45°，135°，225°，315°截面位置處附近均為反彎點，管片彎矩過渡較為平滑(圖5(b))；襯砌管片所受地層壓力較為均勻，管片拱底處接觸壓力較大，其他截面位置處接觸壓力差異較小，分布在20～25 kPa區(qū)間內(nèi)(圖5(c))。

圖5 無空洞工況管片內(nèi)力、接觸壓力分布Fig.5 Distribution of internal force and contact pressure of segment in non-cavity conditions

總的來說，無空洞工況下，隧道與周邊地層具有良好的接觸狀態(tài)，隧道管片受到均勻的地層壓力作用，同時周邊地層也提供管片充足的地層反力，管片軸力、彎矩分布都較為合理，過渡較為平滑自然。

2.2 管片拱頂背后空洞工況

空洞的形成導致管片拱頂及兩側截面處接觸壓力大幅度減小，P=0 kPa 時，最終空洞形成，水囊受重力作用掉落在拱頂處，拱頂接觸壓力值約為1.5 kPa，其他截面位置處管片接觸壓力也有一定減小，但幅度不大(圖6(a))；拱頂處地層抗力消失導致該截面發(fā)生向上的變形位移，且隨著壓力值減小逐漸增大，最大位移值達2.24 mm，受地層水平壓力作用，兩側拱腰處發(fā)生向圓心處變形位移，拱底基本處于固定狀態(tài)，位移變化較小，隧道管片呈現(xiàn)“豎雞蛋”式變形(圖6(b)，圖7(c))。

圖6 拱頂背后空洞時管片位移、內(nèi)力變化Fig.6 Displacement of segments and changes in internal force when the back of the vault is hollow

圖7 拱頂背后空洞P=0 kPa時管片變形及內(nèi)力分布Fig.7 Deformation of segment and internal force distribution when P=0 kPa behind the cavity of the vault

受拱頂卸載作用，管片各截面軸力均有所降低，其中拱頂處降幅最大，但整體降幅不明顯，空洞的存在對管片軸力的影響較小(圖6(c)，圖7(a))；而對彎矩影響較大，拱頂背后空洞導致管片彎矩分布規(guī)律較無空洞時發(fā)生較大差異，P=6 kPa 時，拱頂彎矩值為2.99 N?m，P=0 kPa 時，彎矩值為-6.53 N?m，管片拱頂彎矩在P=0～6 kPa 之間發(fā)生反向，拱頂兩側出現(xiàn)反彎點，原45°，315°截面處反彎點均下移，拱頂由受正彎變?yōu)槭茇搹?，管片外側由受壓變?yōu)槭芾?圖7(b))；拱頂彎矩值出現(xiàn)減小繼而增大的變化趨勢(僅考慮彎矩絕對值)，而兩側臨近截面彎矩均有顯著的增長，原拱頂彎矩值轉由兩側截面來分擔(圖6(d))，空洞對應截面位置處管片彎矩變化率較大，過渡不平順。

2.3 管片拱腰背后空洞工況

左拱腰(270°截面)背后空洞導致該截面接觸壓力最終值為0.5 kPa，這也進一步驗證了該處空洞的形成；而管片左側水平壓力減小導致右拱腰(90°截面)處接觸壓力也隨之減小，但減小幅度較左拱腰處稍小(圖8(a))；同樣，左拱腰處背后地層缺失導致該截面發(fā)生向空洞位置處水平位移，最大位移值達3.78 mm，拱頂處發(fā)生向下的協(xié)同變形位移，最大位移值為0.95 mm，管片整體呈現(xiàn)“橫雞蛋”式變形(圖8(b)，圖9(c))。

圖8 拱腰背后空洞時管片位移、內(nèi)力變化Fig.8 Displacement of segments and changes in internal force when the back of the arch waist is hollow

圖9 拱腰背后空洞P=0 kPa時管片變形及內(nèi)力分布Fig.9 Deformation of segment and internal force distribution when P=0 kPa behind the cavity of the arch waist

拱腰背后空洞導致管片該截面軸力值隨壓力值減小而逐漸增大，P=0 kPa時，軸力值為1.51 kPa，較無空洞時增長22.76%，軸力分布不均勻(圖8(c)，圖9(a))；與拱頂空洞不同，拱腰背后存在空洞時管片彎矩分布規(guī)律較無空洞時并未發(fā)生改變，而隨著壓力值減小，左拱腰處彎矩增長迅速，彎矩值呈“拋物線”式增長(圖8(d))，P=0 kPa 時，彎矩為-61.25 N?m，較無空洞時增加45.05 N?m，增長約2.78 倍，管片外側受較大拉應力易發(fā)生開裂等病害；管片彎矩分布傾向于空洞位置處(圖9(c))，兩側拱腰彎矩呈不對稱分布。

2.4 管片拱底背后空洞工況

管片拱底背后存在空洞時，隧道襯砌變形及受力趨勢與拱頂背后空洞工況時均較為相似。

空洞導致拱底及兩側接觸壓力大幅度減小，P=0 kPa時，拱底接觸壓力約為0 kPa(圖10(a))；同樣，拱底處發(fā)生向下的變形位移，兩側拱腰處發(fā)生向圓心處變形位移(圖10(b)，圖11(c))；管片全周軸力值均出現(xiàn)降低，以拱頂處最為明顯(圖10(c)，圖11(a))。

圖10 拱底背后空洞時管片位移、內(nèi)力變化Fig.10 Displacement of segments and changes in internal force when the back of the arch bottom is hollow

圖11 拱底背后空洞P=0 kPa時管片變形及內(nèi)力分布Fig.11 Deformation of segment and internal force distribution when P=0 kPa behind the cavity of the arch bottom

與拱頂背后空洞工況時彎矩變化規(guī)律不完全相同，拱底背后空洞時，該截面彎矩值逐漸減小，但并未出現(xiàn)反向，拱底依舊受正彎，P=0 kPa 時，拱底彎矩值為1.63 N?m，彎矩接近于零，此時拱底處彎矩主要由兩側臨近截面來承擔，135°～180°及180°～225°截面處彎矩值有著顯著的提高。

3 結論

1) 盾構隧道管片背后無空洞時，管片與周邊地層具有良好的接觸狀態(tài)，襯砌受到均勻的地層壓力，且周邊地層也提供給襯砌充足的地層反力，管片內(nèi)力呈“對稱式”分布，且過渡較為平滑。

2) 空洞的存在改變了襯砌與周邊地層的接觸狀態(tài)，襯砌受偏壓作用，引起管片應力重分布，襯砌截面發(fā)生指向于空洞處的變形位移，襯砌結構整體受力狀態(tài)惡化，內(nèi)力分布較為復雜，空洞邊緣位置處管片出現(xiàn)應力集中效應。

3) 管片背后不同位置空洞對隧道結構安全性影響的排序為：拱腰＞拱頂≥拱底。

4)拱腰背后空洞急劇增大了該截面處彎矩值，彎矩較無空洞時增長約2.78 倍，管片外側受拉應力較大易發(fā)生開裂等病害；拱頂、拱底背后空洞工況，管片變形及受力趨勢較為相似，空洞所在截面處管片彎矩值較無空洞均有顯著降低，而兩側臨近截面處彎矩值出現(xiàn)增長，原截面彎矩值轉由兩側臨近截面分擔；不同的是，拱頂背后存在空洞時，該截面彎矩出現(xiàn)反向。