雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機(jī)施工試驗(yàn)段隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究*

韓 超 張 柯 李春華

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系, 450064, 鄭州； 2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土所, 430071, 武漢；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司, 511458, 廣州∥第一作者， 講師)

目前，不同地質(zhì)條件下城市軌道交通項(xiàng)目隧道工程的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能尚不能完全統(tǒng)一，管片結(jié)構(gòu)力學(xué)機(jī)制尚不夠清晰。針對(duì)管片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究主要通過(guò)理論與試驗(yàn)的方法開(kāi)展，例如：文獻(xiàn)[1]分別通過(guò)建立有限元三維數(shù)值模型，結(jié)合施工工序、注漿材料與管片接頭特性研究管片受力特征；文獻(xiàn)[2]針對(duì)地鐵工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究管片外圍壓力和管片應(yīng)力的變化規(guī)律。在針對(duì)水下工程隧道結(jié)構(gòu)的研究上，文獻(xiàn)[3-5]研究了管片在生命周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。此外，文獻(xiàn)[6-7]僅針對(duì)軟巖地層大直徑隧道工程開(kāi)展了研究，分析研究了管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化特征。

以上研究大多依托盾構(gòu)隧道工程，而對(duì)于雙護(hù)盾TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))施工的隧道管片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究甚少。為此，本文依托深圳地鐵6號(hào)線梅林關(guān)站—翰林站區(qū)間隧道工程開(kāi)展管片結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究，以期為城市軌道交通工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

深圳地鐵6號(hào)線二期工程北起深圳北站，南至科學(xué)館站，線路全長(zhǎng)約11.8 km。梅林關(guān)站—翰林站隧道區(qū)間工程沿線穿越南坪快速路、東江供水干線隧道、廈深鐵路、新彩隧道等，全長(zhǎng)約2 312 m，其中，雙護(hù)盾TBM施工段長(zhǎng)度為1 965 m。如圖1所示,該隧道工程的最大埋深為137 m，上覆人工填土、殘積土及粉質(zhì)黏土，下伏全風(fēng)化至中風(fēng)化花崗巖，隧道圍巖等級(jí)為Ⅱ—Ⅴ級(jí)，平均飽和單軸抗壓強(qiáng)度為180 MPa。雙護(hù)盾TBM施工段連續(xù)掘進(jìn)距離長(zhǎng)，沿途有局部破碎帶、軟弱地層等不良地質(zhì)。

圖1 梅林關(guān)站到翰林站隧道區(qū)間地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of tunnel interval from Meilinguan Station to Hanlin Station

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

如圖2所示，該隧道的管片外徑為6.2 m，厚度為0.4 m，寬度為1.5 m。每環(huán)管片由3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊(A1、A2、A3)、2個(gè)鄰接塊(B、C)和1個(gè)楔形塊(K)組成，拼裝時(shí)采用彎螺栓連接，管片背后采用豆礫石注漿回填。

圖2 隧道管片監(jiān)測(cè)儀器布置圖Fig.2 Layout of tunnel segment monitoring instrument

本文選取在埋深62 m 處的隧道斷面進(jìn)行測(cè)試，該斷面位于微風(fēng)化花崗巖地層。將監(jiān)測(cè)儀器分別安裝在隧道斷面上下左右對(duì)稱的位置，即在拱頂處設(shè)1#測(cè)點(diǎn)、拱底處設(shè)2#測(cè)點(diǎn)、左邊墻設(shè)3#測(cè)點(diǎn)、右邊墻設(shè)4#測(cè)點(diǎn)。在每塊管片的外側(cè)安裝1個(gè)土壓力計(jì)，在內(nèi)外側(cè)各安裝1個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)和1個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)。管片澆筑混凝土前，將監(jiān)測(cè)儀器綁扎或焊接固定在鋼筋籠上，現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景如圖3所示。

a) 土壓力計(jì)

2.2 監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備

本文選用的監(jiān)測(cè)儀器如表1所示。采用多通道振弦式采集儀進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，以讀取并記錄數(shù)據(jù)。

表1 監(jiān)測(cè)儀器及其參數(shù)Tab.1 Monitoring instrument and its parameters

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 圍巖壓力

圖4為圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線。受管片注漿壓力的影響，圍巖壓力主要經(jīng)歷了下部注漿、上部注漿、緩慢變化、趨于穩(wěn)定4個(gè)變化階段。由圖4可知，圍巖壓力在變化階段的最大值為73.47 kPa，位于隧道拱頂處；變形穩(wěn)定后的最大值為50.41 kPa。在整個(gè)變化過(guò)程中，圍巖壓力較小，巖石地層隧道環(huán)外壓力主要為充填注漿引起的壓力。

圖4 圍巖壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curve of surrounding rock radial pressure changing with time

從圖5的圍巖壓力分布圖可以看出，不同測(cè)點(diǎn)處圍巖壓力的變化情況不同，1#測(cè)點(diǎn)和2#測(cè)點(diǎn)處圍巖壓力較大，3#測(cè)點(diǎn)和4#測(cè)點(diǎn)處的圍巖壓力則相對(duì)較小，圍巖壓力整體表現(xiàn)為上下大、左右小的“鴨蛋”形。

單位：kPa圖5 圍巖壓力分布圖Fig.5 Radial pressure distribution

3.2 管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力

沿管片圓環(huán)切線方向取1個(gè)計(jì)算單元，建立矩形單元力學(xué)模型，如圖6所示。

注：N——管片軸力；M——襯砌環(huán)彎矩；Nc——混凝土軸力；N1—內(nèi)側(cè)鋼筋軸力；N2—外側(cè)鋼筋軸力；a——內(nèi)側(cè)鋼筋保護(hù)層厚度；a1——外側(cè)鋼筋保護(hù)層厚度。圖6 管片的矩形單元力學(xué)模型Fig.6 Rectangular unit mechanical model of segment

對(duì)管片環(huán)向受力進(jìn)行偏心受壓計(jì)算，得到鋼筋混凝土管片力的平衡方程為：

(1)

(2)

式中：

Ns——鋼筋軸力；

n——管片主筋數(shù)量；

b——管片幅寬；

h——管片厚度；

σc1——內(nèi)側(cè)混凝土應(yīng)力；

σc2——外側(cè)混凝土應(yīng)力；

Ms——鋼筋彎矩；

Mc——混凝土彎矩。

根據(jù)鋼筋和混凝土的協(xié)調(diào)變形機(jī)制，可得：

σs/Es=σc/Ec

(3)

式中：

σs——鋼筋應(yīng)力；

σc——混凝土應(yīng)力；

Es——鋼筋彈性模量；

Ec——混凝土彈性模量。

根據(jù)管片設(shè)計(jì)，管片環(huán)向內(nèi)外側(cè)鋼筋均為12根(即n=12)，a=40 mm，a1=50 mm，h=0.4 m，b=1.5 m，Es=2.0×105N/mm2，Ec=3.45×104N/mm2。將上述數(shù)據(jù)代入式(1)～(3)，可計(jì)算得到管片的軸力N和彎矩M，其中，取彎矩外側(cè)受拉為正，軸力受拉為正。

3.2.1 管片軸力

圖7為管片軸力隨時(shí)間變化曲線。由圖7可知：管片軸力均為負(fù)值，且呈現(xiàn)不均勻受壓狀態(tài)；管片拼裝完成后，在豆礫石注漿回填層及圍巖壓力作用下，前11 d(2019-05-29至2019-06-08)軸力增長(zhǎng)速度最快，其最大增長(zhǎng)速率達(dá)2.82 kN/d；前期注漿與二次補(bǔ)漿完成后，即管片拼裝完成后約70 d(2019-08-07),管片軸力變化基本趨于穩(wěn)定。從各階段管片軸力的變化情況看，注漿階段管片軸力的增長(zhǎng)速率較大，其最大軸力為104.38 kN(位于3#測(cè)點(diǎn)處)，管片軸力整體呈現(xiàn)左上方大、右下方小的不均勻分布特征。在緩慢變化階段，管片軸力的變化速率較小，3#測(cè)點(diǎn)處的最大軸力為112.87 kN；穩(wěn)定階段3#測(cè)點(diǎn)處的最大軸力值為109.83 kN。

圖7 管片軸力隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve of segment axial force changing with time

如圖8所示，在不同施工階段管片軸力的分布不均勻，呈現(xiàn)出左上方大、右下方小的分布特征，此時(shí)管片承受偏壓荷載，這對(duì)管片的結(jié)構(gòu)及隧道安全不利。因此，在管片設(shè)計(jì)及拼裝施工時(shí)，應(yīng)盡可能減少左上部管片錯(cuò)臺(tái)，同時(shí)應(yīng)提高接縫處的防水性能。

單位：kN圖8 管片軸力分布圖Fig.8 Axial force distribution of segment

3.2.2 襯砌環(huán)彎矩

圖9為襯砌環(huán)彎矩隨時(shí)間變化曲線。由圖9可知：彎矩均為正值，即管片外側(cè)受拉；在注漿階段，受管片拼裝和注漿壓力的影響，襯砌環(huán)彎矩呈總體現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；在注漿壓力影響消散后，彎矩變化緩慢，最后趨于穩(wěn)定，其變化規(guī)律與管片軸力的變化規(guī)律相似。

圖9 襯砌環(huán)彎矩隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Curve of lining ring bending moment changing with time

從整環(huán)管片看，襯砌環(huán)彎矩呈現(xiàn)上下大、左右小的分布規(guī)律，如圖10所示。因此，在施工與后續(xù)線路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)密切關(guān)注隧道上下方管片結(jié)構(gòu)擠壓破損等病害，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道安全隱患。

單位：kNm圖10 襯砌環(huán)彎矩分布圖Fig.10 Lining ring bending moment distribution

4 結(jié)語(yǔ)

1)管片圍巖壓力變化主要分為下部注漿、上部注漿、緩慢變化和趨于穩(wěn)定4個(gè)階段。圍巖壓力整體表現(xiàn)為上下大、左右小的“鴨蛋”形不均勻分布，在管片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)隧道上下方進(jìn)行局部加強(qiáng)。

2)管片軸力均為負(fù)值，即管片處于受壓狀態(tài)，其中左拱腰處的軸力最大。管片軸力整體呈現(xiàn)左上方大、右下方小的不均勻分布規(guī)律，在管片拼裝施工時(shí)應(yīng)可能減少左上部管片錯(cuò)臺(tái)。

3)襯砌環(huán)彎矩均為正值，即管片外側(cè)受拉，其彎矩最大值位于拱底處，襯砌環(huán)彎矩呈現(xiàn)為上下大、左右小的分布規(guī)律，在施工與后續(xù)運(yùn)營(yíng)中應(yīng)密切關(guān)注隧道上下方管片結(jié)構(gòu)擠壓破損等病害。