盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道T 接部位受力特性測試研究

鄧建林 ,何寨兵 ,李海波 ,周 曄 ,黃 強(qiáng) ,朱瑤宏 ,胡 威

（1.杭海城際鐵路有限公司,浙江 嘉興 314499;2.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司,江蘇 蘇州 215131;3.寧波大學(xué) 巖土工程研究所,浙江 寧波 315211）

地鐵聯(lián)絡(luò)通道以往多采用凍結(jié)法施工,但該工藝存在施工周期長,工后沉降大的缺點[1].盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道因其施工周期短,安全性高,具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢[2].然而,目前對盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道施工階段的力學(xué)特性研究還較為少見,并且聯(lián)絡(luò)通道施工對T 接部位(地鐵主隧道與聯(lián)絡(luò)通道構(gòu)成的交叉部位)管片受力及周圍地層壓力的影響也尚不清楚.因此,有必要通過現(xiàn)場原位測試確定T 接部位施工力學(xué)特性.目前,部分學(xué)者對聯(lián)絡(luò)通道的施工力學(xué)特性開展了現(xiàn)場實測研究,但這些研究都是針對凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道.例如,林萍等[3]對聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工時的土壓力進(jìn)行了監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)凍結(jié)施工時的土壓力較理論預(yù)期值小很多,其主要原因是施工時設(shè)置了泄壓孔,大大降低了土體凍脹作用在管片上的附加荷載.李大勇等[4]通過現(xiàn)場測試分析了地鐵旁通道凍結(jié)法施工時地表變形、隧道變形、循環(huán)鹽水溫度、凍土溫度之間的相互關(guān)系;光輝等[5]分析了土體從凍結(jié)到融沉全過程的地表沉降規(guī)律.呂虎[6]對某越江隧道聯(lián)絡(luò)通道的凍脹力、隧道變形及地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測分析,發(fā)現(xiàn)凍脹力使主隧道產(chǎn)生了水平位移,且施工結(jié)束后仍有殘余變形.李雪等[7]通過現(xiàn)場測試分析了盾構(gòu)隧道不同施工階段襯砌土壓力的變化規(guī)律.唐孟雄等[8]對半巖半土地層環(huán)境下盾構(gòu)隧道施工全過程管片內(nèi)力的變化進(jìn)行了測量,并基于測量結(jié)果提出了管片環(huán)向軸力及環(huán)向彎矩的解析計算公式.

本文以寧波軌道交通3 號線高姜區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程為例,利用自主設(shè)計的混凝土應(yīng)變計和土壓計聯(lián)合測試裝置測試聯(lián)絡(luò)通道施工對T 接部位接收端主隧道和聯(lián)絡(luò)通道的管片內(nèi)力以及地層壓力,分析各施工工況對管片內(nèi)力與土壓力的影響規(guī)律,揭示T接部位的施工力學(xué)特征,研究成果可為后續(xù)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的施工提供一定參考.

1 工程概況

測試場地地層分布如圖1 所示,地質(zhì)參數(shù)可參見文獻(xiàn)[9].盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道覆土厚度約12 m,外徑3.15 m,內(nèi)徑2.60 m,采用5 塊管片拼裝而成,環(huán)寬0.55 m.主隧道外徑6.2 m,內(nèi)徑5.5 m,采用6塊管片拼裝而成,其中2 塊待切削管片為鋼-玻璃纖維混凝土管片.T 接部位管片形式如圖2 所示,隧道管片都采用錯縫拼裝,接收端主隧道的切削區(qū)域為三環(huán)1.5 m 寬的復(fù)合襯砌管片.

圖1 測試場地地層剖面圖(單位: m)

圖2 盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道T 接部位示意圖

盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的施工過程包括臺車就位、千斤頂頂撐、盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、掘進(jìn)和接收等過程.本次主隧道測試只在接收端布置了傳感器,故而本文分析的施工工況如下: 接收端臺車就位→鋼套筒與主隧道管片焊接→千斤頂頂撐→接收端管片切削→盾構(gòu)機(jī)接收→隧道清空,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中采用保壓推進(jìn),壓力為3 000 kN,接收臺車(含套筒)自重108 t,接收套筒內(nèi)砂漿重100 t,油壓千斤頂上下各4 組,每組500 kN,左右千斤頂各4 組,每組50 kN,盾構(gòu)機(jī)頭部重100 t.

2 現(xiàn)場實測方案

采用自主設(shè)計的混凝土應(yīng)變計與土壓計聯(lián)合測試裝置對T 接部位主隧道及聯(lián)絡(luò)通道管片的內(nèi)力與周圍地層壓力進(jìn)行測試,在管片內(nèi)環(huán)向鋼筋上布置混凝土應(yīng)變計,在管片外壁布置土壓力計,利用管片內(nèi)埋設(shè)的混凝土應(yīng)變計可以測試管片的軸力及彎矩(圖3),主隧道測試環(huán)為Z1、Z2、Z3 環(huán)(圖4),聯(lián)絡(luò)通道測試環(huán)為L1 環(huán)(第5 環(huán))、L2 環(huán)(34環(huán))和L3 環(huán)(第41 環(huán)).Z1 環(huán)、Z2 環(huán)、Z3 環(huán)封頂塊中心角分別為45°、112.5°、45°,且Z1 環(huán)與Z3 環(huán)測點布置完全一致.L1 環(huán)、L2 環(huán)、L3 環(huán)封頂塊中心角分別為60°、90°、15°.主隧道每環(huán)管片布置5個土壓計測點和8 個混凝土應(yīng)變計測試斷面,主隧道傳感器具體布置位置如圖5～6 所示.

圖3 鋼筋應(yīng)變計與土壓力計聯(lián)合測試裝置

圖4 主隧道Z1、Z2、Z3 環(huán)管片示意圖

圖5 Z1、Z3 環(huán)的測點布置示意圖

圖6 Z2 環(huán)測點布置示意圖

3 測試結(jié)果

3.1 聯(lián)絡(luò)通道施工對主隧道管片內(nèi)力影響

接收端主隧道從管片拼裝完成到隧道內(nèi)機(jī)械設(shè)備清空,共6 階段,管片內(nèi)力變化如圖7～10所示.主隧道拼裝完成時,Z1 環(huán)和Z2 環(huán)的內(nèi)力基本相近,聯(lián)絡(luò)通道施工過程中,Z1 環(huán)出現(xiàn)的最大彎矩和軸力分別為148.9 kN·m 和1 927.8 kN,Z2 環(huán)為174.8 kN·m 和2 109.2 kN.施工完成后,Z1 環(huán)和Z2 環(huán)彎矩最大變化量分別為-45.6、50.0 kN·m,對應(yīng)的變化比例為-70.0%和+66.0%;環(huán)向軸力最大變化量分別為136.4 kN 和-430 kN,對應(yīng)比例為8.0%和-22.3%.由此可見,施工對主隧道彎矩的影響大于軸力,對Z2 環(huán)影響大于Z1 環(huán),原因Z2 環(huán)是切削管片中心環(huán),因而承受的管片內(nèi)力會更大.

圖7 不同施工工況下Z1 環(huán)彎矩測試結(jié)果

圖8 不同施工工況下Z2 環(huán)彎矩測試結(jié)果

圖9 不同施工工況下Z1 環(huán)環(huán)向軸力測試結(jié)果

圖10 不同施工工況下Z2 環(huán)環(huán)向軸力測試結(jié)果

3.1.1 施工臺車就位

施工臺車及接收套筒內(nèi)砂漿總重達(dá)208 t,在自重荷載作用下,主隧道管片彎矩、軸力變化量情況見表1.

表1 施工臺車就位引起的主隧道管片內(nèi)力變化

由表1 數(shù)據(jù)可見,在內(nèi)部臺車及套筒砂漿自重荷載作用下,隧道下沉,主隧道會發(fā)生豎向拉伸變形,導(dǎo)致頂部和底部管片內(nèi)側(cè)的拉伸作用減弱,而拱腰區(qū)域外側(cè)的拉伸作用輕微增強(qiáng).因此,拱頂左右0°～50°范圍內(nèi)的彎矩減少,50°～135°大致范圍內(nèi)的腰部彎矩有所增大,例如Z1、Z2 環(huán)30°處的彎矩減少了34.2%和44.8%.軸力方面,其變化規(guī)律與彎矩基本類似,但改變幅度不大,不超過6%.臺車就位對Z1 環(huán)的影響要大于Z2 環(huán),這是因為臺車車輪直接作用在Z1 環(huán)鋼軌上.另外,由于隧道的豎向斜向拉伸,造成管片外土壓力也會受到影響,總的表現(xiàn)為隧道下半環(huán)的土壓力明顯增加,而上半段土壓力減少,ZT25(拱頂處)測點的土壓力減少了約53 kPa.

3.1.2 千斤頂頂撐作用

臺車就位后,采用油壓千斤頂頂撐固定,豎向總頂撐力為2 000 kN,橫向總頂推力為200 kN.Z1環(huán)承受豎向、橫向雙向頂撐力作用,Z2 環(huán)僅承受豎向頂撐力作用.Z2 環(huán)在85°、115°和135°的彎矩增大,增加量分別為36.8、18.0 和4.4 kN·m,其余測點彎矩減少,變化量在-91.1～-14.3 kN·m.Z1 環(huán)在30°處軸力增加,其余測點軸力都減小,最大變化量為-141.1 kN;Z2環(huán)在165°處軸力增加,其余測點以減少為主.盡管軸力的絕對改變量大,但改變比例仍比彎矩小得多,說明千斤頂頂撐對彎矩的影響較軸力更為明顯.

分析千斤頂頂撐引起的主隧道管片內(nèi)力變化原因,可以歸結(jié)為以下幾點:

(1)如圖11 所示,在豎向頂撐力作用下,荷載作用區(qū)域管片外凸,導(dǎo)致管片外側(cè)受拉,而彎矩減少,但荷載未作用區(qū)域管片內(nèi)凹,使內(nèi)測管片彎矩增大;當(dāng)管片同時受到橫向和豎向頂撐力作用時,則取決于豎向和橫向的荷載大小,千斤頂頂撐作用下的Z1 環(huán)和Z2 環(huán)整體呈現(xiàn)豎向拉伸變形.

圖11 油壓千斤頂頂撐作用下隧道變形示意圖

(2)拱腰側(cè)管片內(nèi)凹雖然會使管片的彎矩增大,但這種內(nèi)凹也減弱了管片外壁與土體的接觸,減小了外部土壓力引起的管片彎矩,可能導(dǎo)致無頂撐作用的區(qū)域會存在部分彎矩增大,而部分彎矩減小的情況.

(3)頂撐荷載施加區(qū)域的管片外彎導(dǎo)致管片軸力會減少,未施加區(qū)域由于內(nèi)凹,使得管片軸力增大;但Z2 環(huán)由于只受到豎向荷載作用,腰部管片內(nèi)凹,同時受到豎向荷載的拉伸作用,導(dǎo)致管片軸力最終還是減少.

3.1.3 主隧道管片切削

接收端刀盤切削管片示意圖如圖12 所示.Z2環(huán)115°處的彎矩變化量最大,減少了26.3 kN·m,變化率達(dá)-26.5%.Z1 環(huán)和Z2 環(huán)切削過程中,軸力最大變化量為-85.5 kN和60.5 kN,但變化率較小.此外,刀盤切削過程中,靠近切削管片一側(cè)的地層受到刀盤轉(zhuǎn)動擾動,致使該側(cè)作用到管片上的土壓力減少,導(dǎo)致隧道另一側(cè)管片上的土壓力也減少,但變化量不大,最大僅為13.2 kPa.對比發(fā)現(xiàn),管片切削過程引起的內(nèi)力變化要比臺車就位和千斤頂頂撐作用要小,這是因為盾構(gòu)刀盤切削推進(jìn)是一種保壓推進(jìn),其推進(jìn)過程不會對掌子面造成很大的應(yīng)力變化,因而對主隧道內(nèi)力影響較小.

圖12 接收端刀盤切削管片示意圖

3.1.4 盾構(gòu)機(jī)接收完成

主隧道切削完成后,盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入接收套筒內(nèi),由于盾構(gòu)機(jī)頭部重100 t,Z1 環(huán)和Z2 環(huán)的內(nèi)力會有較大變化.結(jié)果顯示,Z1 環(huán)30°和90°處彎矩減少,其余測點彎矩普遍增大,335°處彎矩增加30.2 kN·m;Z2 環(huán)85°和135°處彎矩減少,其余測點彎矩增大,50°處增加50.2 kN·m.總體來說,拱頂或拱底區(qū)域彎矩變化大于拱腰側(cè).軸力方面,Z1 環(huán)拱頂30°軸力減少116.1 kN,接近拱底155°處軸力減少289.3 kN,Z2 環(huán)30°處軸力減少49.5 kN,50°處增加138.5 kN.

進(jìn)一步分析盾構(gòu)機(jī)接收前后隧道彎矩和軸力變化的原因,大概可以歸結(jié)為以下幾方面: (1)聯(lián)絡(luò)通道貫通后,聯(lián)絡(luò)通道對向的主隧道側(cè)土壓力會減少.(2)由于管片側(cè)向的土壓力減小,Z2 環(huán)上、下兩端彎矩增大,側(cè)向彎矩減小;Z1 環(huán)由于側(cè)向千斤頂頂撐作用,彎矩變化與Z2 環(huán)不同,土壓力減少時,千斤頂推力會將管片向外推進(jìn),以補償側(cè)向土壓力的損失,所以Z1 環(huán)腰部60°、90°及105°處的彎矩變化比Z2 環(huán)60°及85°要小.(3)在臺車及盾構(gòu)機(jī)自重作用下,隧道下沉,此時隧道上部土體與管片的接觸會稍微減弱,下部土體與管片的接觸會略微增強(qiáng),這種影響主要體現(xiàn)在直接承受臺車荷載的Z1 環(huán)上,使其30°處的彎矩減小,而155°處的彎矩增大.

3.1.5 主隧道清空

聯(lián)絡(luò)通道施工完成后,臺車移出主隧道,千斤頂頂撐荷載也隨即卸除.受此影響,主隧道“橫鴨蛋”變形得到恢復(fù).Z1 環(huán)50°處彎矩增大13.1 kN·m,90°、105°處彎矩分別減小27.4、28.8 kN·m;Z2 環(huán)30°處彎矩有輕微減少,為6.9 kN·m,而50°、85°處彎矩分別增加58.3、41.9 kN·m,大體隧道上下端彎矩增加,而腰側(cè)彎矩減少.軸力變化規(guī)律與彎矩大體相似,Z1 環(huán)50°處軸力增加173.4 kN,Z2 環(huán)30°處軸力減少46.7 kN,而85°軸力僅增加0.2 kN.管片內(nèi)力變化規(guī)律與臺車就位及油壓千斤頂頂撐作用剛好相反.總體而言,聯(lián)絡(luò)通道施工完成后,主隧道的側(cè)向土壓力減少,主隧道的“橫鴨蛋”變形會進(jìn)一步加劇,所以臺車移出后,主隧道頂部軸力較管片拼裝后要小,側(cè)部軸力較管片拼裝后要大.

3.2 聯(lián)絡(luò)通道施工對主隧道土壓力的影響

聯(lián)絡(luò)通道不同施工階段主隧道土壓力測試結(jié)果如圖13 所示.由圖可見: (1)臺車就位后,由于臺車及接收套筒內(nèi)的砂漿自重,隧道出現(xiàn)下沉,導(dǎo)致上部管片與土體接觸減弱,而下半部管片與土體接觸增強(qiáng).如拱頂0°處土壓力減小了53.1 kPa,75°處位于擠壓邊緣,土壓力僅變化0.4 kPa,100°及150°處因隧道下沉,土體產(chǎn)生大量的超靜孔壓,土壓力減小了45.8 kPa 和76.7k Pa.(2)千斤頂頂撐力施加后,主隧道上、下端的土壓力均有所增大,拱頂位置增加了5.6 kPa,150°處增加了25 kPa;兩側(cè)管片出現(xiàn)了內(nèi)凹變形,管片與土體接觸減弱,75°及100°處土壓力分別減小8.6 kPa 和44.7 kPa.(3)主隧道管片切削時,受刀盤切削推力的影響,管片外土壓力均有增加,越靠近管片側(cè)面中心,其土壓力增加的越多,100°位置的土壓力變化較大,75°及150°處增量較小.(4)盾構(gòu)機(jī)接收完成后,主隧道上半部土壓力變化不大,75°處測點土壓力僅變化0.2 kPa,而主隧道下部土壓力出現(xiàn)減小,所以100°及150°處的土壓力分別減小了12.7 kPa 及40.5 kPa.(5)臺車移出和油壓千斤頂頂撐荷載卸除后,隧道兩側(cè)管片“橫鴨蛋”變形進(jìn)一步恢復(fù),所以管片腰部土壓力相應(yīng)增大,75°處增加了29.1 kPa,100°處增加了50 kPa.

圖13 不同施工工況下主隧道土壓力測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文對盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道T 接部位不同施工階段的管片內(nèi)力和土壓力進(jìn)行現(xiàn)場測試,分析了管片內(nèi)力及管片外的土壓力,得到如下結(jié)論:

(1)聯(lián)絡(luò)通道施工對主隧道內(nèi)力的變化存在顯著影響,但影響量相比隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度還是很小,所以聯(lián)絡(luò)通道施工不會危及主隧道結(jié)構(gòu)安全,其施工影響完全在可控范圍內(nèi).

(2)聯(lián)絡(luò)通道施工完成后,Z1 環(huán)和Z2 環(huán)的彎矩變化量最大值分別為-45.6 kN·m 和50.0 kN·m,變化率分別為-70.0%和66.0%;Z1 環(huán)和Z2 環(huán)向軸力最大變化量為136.4 kN 和-430 kN,變化率分別為8.0%和-22.3%.可見,聯(lián)絡(luò)通道施工對主隧道彎矩影響大于軸力,對Z2 環(huán)的影響大于Z1 環(huán).

(3)臺車就位和千斤頂頂撐作用對主隧道彎矩有較大影響,兩種施工工況都會使隧道產(chǎn)生“豎鴨蛋”似的變形,引起拱頂和拱底區(qū)域彎矩減少,拱腰側(cè)彎矩增大.臺車就位會導(dǎo)致隧道上半部土壓力減少,而下半部土壓力增加;千斤頂頂撐力作用使得隧道頂部和底部的土壓力明顯增加,但主隧道側(cè)向軸力由于豎向荷載的拉伸作用反而可能有所減少.

(4)主隧道管片切削過程會導(dǎo)致主隧道內(nèi)力有輕微減少趨勢,這與隧道側(cè)向土壓力減少有關(guān),由于頂撐力的存在,管片切削總體對主隧道內(nèi)力影響不大,但Z2 環(huán)比Z1 環(huán)受管片切削的影響更為明顯,隧道清空后的隧道內(nèi)力變化與臺車就位和頂撐作用下的內(nèi)力變化規(guī)律相反.