砂性地層地鐵盾構(gòu)隧道荷載與結(jié)構(gòu)行為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

【摘要】通過(guò)對(duì)地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)，探明盾構(gòu)區(qū)間隧道實(shí)際作用于管片的土水壓力量值的相互作用規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，研究了盾構(gòu)隧道管片在不同階段的相應(yīng)的內(nèi)力特征。
【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道 地層作用規(guī)律 內(nèi)力特征

1 前言
為探明盾構(gòu)施工條件下的地層及地下水對(duì)盾構(gòu)管片的作用規(guī)律，研究實(shí)際作用在盾構(gòu)主體結(jié)構(gòu)上的土水壓力的量值及規(guī)律，研究盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)與地層的相互作用特征，特結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)隧道的施工，對(duì)盾構(gòu)法施工過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。全過(guò)程地監(jiān)測(cè)作用于管片的實(shí)際土水壓力及其變化過(guò)程，以及相應(yīng)各階段的內(nèi)力值的變化過(guò)程，并研究了管片的內(nèi)力特性。
因砂性地層具有其特定的施工復(fù)雜性，并且在日前我國(guó)的沿海有廣泛的代表性，特選取砂性地層并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)行施工全過(guò)程監(jiān)控測(cè)試。
測(cè)試研究對(duì)象為南京地鐵南北線一期工程許府巷至南京站區(qū)間盾構(gòu)隧道。選取的隧道主體結(jié)構(gòu)處于粉砂、粉砂夾細(xì)砂地層，有較高的地下水位，地質(zhì)條件復(fù)雜。隧道洞身位于粉砂夾細(xì)砂，上覆地層主要為粉砂夾細(xì)砂、粉土，表層為淤泥及淤泥質(zhì)填土(流塑)，具體的地質(zhì)資料見(jiàn)圖1。
本次測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的管片的拼裝方式是采用45度錯(cuò)縫拼裝。

2測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)介
2．1 測(cè)試元件簡(jiǎn)介
土壓力的測(cè)定采用XYJ-3型，量程為0．3MPa，振弦式土壓力盒；孔隙水壓的測(cè)定采用XJS-2型，量程為0．2MPa，孔隙水壓計(jì)。管片的環(huán)向變形采用XJH-2型振弦式鋼筋應(yīng)變儀測(cè)定，規(guī)格為40MPa。裂縫張開(kāi)度的測(cè)試儀器采用鋼弦傳感器，型號(hào)為XJW-2-B型，規(guī)格為30mm。所有的測(cè)試元件均采用zx-2型頻率巡檢儀接收變形頻率。
2．2測(cè)試內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)位置圖
2．2．1作用在隧道結(jié)構(gòu)體上的土水壓測(cè)試
測(cè)試的目的主要為探明盾構(gòu)管片在實(shí)際中和周圍地下水及周圍地層及相互作用的量值及分布規(guī)律。

2．2．3 管片鋼筋內(nèi)力測(cè)試
測(cè)試目的為研究在實(shí)際的孔隙水和地層壓力的作用下，管片襯砌圓在不同階段的相應(yīng)內(nèi)力值及變化過(guò)程。
2．2．3 管片接縫張開(kāi)度測(cè)試
測(cè)試目的是為了具體考察管片在實(shí)際受到地層的作用后，環(huán)縫的具體張開(kāi)度及在施工中受力后的變化規(guī)律。
3 作用于管片的土水壓力及內(nèi)力分布規(guī)律
3.1孔隙水壓力作用與分布規(guī)律
測(cè)點(diǎn)孔隙水壓分布規(guī)律從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的典型的水壓力分布曲線(見(jiàn)圖5)可以明顯看到，伴隨著管片的脫環(huán)過(guò)程，水壓力很快的上升到一個(gè)峰值，但隨著時(shí)間的推移，水壓力有一個(gè)明顯的下降過(guò)程，并逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。
這一峰值現(xiàn)象反映了在盾構(gòu)法施工的進(jìn)程中，管片在脫環(huán)的瞬間承受盾尾存在由于注漿壓力的存在而形成一個(gè)局部的水壓力場(chǎng)，其壓力量值大于該施工段的靜水壓，由于受測(cè)試條件的制約，測(cè)得的孔隙水壓力比實(shí)際的水壓作用稍稍置后，但總的量值，反映了作用于管片的水壓力的大小。由此可以看出，孔隙水壓是在瞬間作用在管片上的。
在管片脫環(huán)的瞬間測(cè)到的孔隙水壓，實(shí)際上是由于注漿這一施工工藝在盾尾形成的局部高壓，由于這一壓力的存在，致使yL隙水向四周滲透，也就是說(shuō)測(cè)得的孔隙水壓實(shí)際上是孔隙水向四周滲透的滲透壓力。實(shí)際的注漿壓力將超過(guò)這一數(shù)值，峰值反映了注漿壓力的存在。
由此可以得出孔隙水壓的作用規(guī)律：由于注漿壓力的存在，在盾尾形成一個(gè)局部的較高的滲透水壓力場(chǎng)，在盾構(gòu)管片在脫環(huán)的瞬間迅速作用在管片上，在之后的一段時(shí)間，隨著盾構(gòu)向前推進(jìn)，這一壓力也逐步衰減，直至衰減到該在段的靜水壓力場(chǎng)。

注：因受施工因素制約，水壓力測(cè)點(diǎn)5的初始部分量值無(wú)法測(cè)得。
圖5 水壓力分布與作用規(guī)律圖
3．2 測(cè)試土壓力的分布規(guī)律
測(cè)試土壓力在脫環(huán)過(guò)程中，迅速增長(zhǎng)，這與測(cè)試孔隙水壓的增長(zhǎng)非常相像。在注漿這一過(guò)程中，土壓力伴隨著水壓力上升，同時(shí)作用于管片，隨著盾構(gòu)機(jī)的向前推進(jìn)，這一壓力也衰減。它的衰減是由于孔隙水的向四周的滲透和地層的變形變位相關(guān)的。

注：因受施工因素制約，土壓力測(cè)點(diǎn)5的初始部分量值無(wú)法測(cè)得。
圖6 土壓力分布與作用規(guī)律圖
由此不難從中得出結(jié)論，由于注漿的作用，在盾尾有一個(gè)較高的土壓力區(qū)，在盾構(gòu)管片在脫環(huán)的瞬間，作用在管片上。隨著盾構(gòu)向前推進(jìn)，這一土壓力在孔隙水的擴(kuò)散，逐漸壓密，孔隙率降低，土壓力也逐漸衰減。
3．3盾構(gòu)管片在土水壓力作用下的軸力分布規(guī)律
從測(cè)點(diǎn)的軸力的增長(zhǎng)曲線來(lái)看，在脫環(huán)的過(guò)程中增長(zhǎng)較快，多點(diǎn)的增長(zhǎng)量達(dá)到了最終軸力的80％～90％，這反映了由于注漿壓力的存在，致使盾構(gòu)管片受荷較快的特性。脫環(huán)結(jié)果后，管片的軸力仍有一定的增長(zhǎng)，這說(shuō)明地層在這一段時(shí)間內(nèi)仍有一定的變形變位，并且逐漸趨于穩(wěn)定。本圖的時(shí)間軸上的脫環(huán)過(guò)程歷時(shí)較長(zhǎng)，是因在施工過(guò)程中因發(fā)生盾構(gòu)機(jī)具故障，導(dǎo)致脫環(huán)過(guò)程延長(zhǎng)。

圖7 軸力分布與增長(zhǎng)曲線
從典型的軸力增長(zhǎng)分布的曲線來(lái)看，在脫環(huán)開(kāi)始到1／3～2／3的過(guò)程，軸力的增長(zhǎng)躍性較大，主要是由于管片的受壓不均勻，變形不穩(wěn)定，縱向接頭在這一過(guò)程中，承受的剪力也表現(xiàn)為不穩(wěn)定，它也體現(xiàn)了管片在這一過(guò)程中受力及內(nèi)力增長(zhǎng)的復(fù)雜性。但在管片脫環(huán)完成之后，軸力的分布就表現(xiàn)為穩(wěn)定增長(zhǎng)，但這一增長(zhǎng)的量值只有軸力量值的10％左右。由此，在管片脫環(huán)前后，受地下水和土壓的聯(lián)合作用過(guò)程，是復(fù)雜，是受力較為不利的。但脫環(huán)完成后，受地下水壓和土壓力的作用，則變得較為有利。

3．4 在土水壓力作用下管片彎矩分布規(guī)律
正彎點(diǎn)的彎矩增長(zhǎng)在脫環(huán)過(guò)程完成后，各點(diǎn)增長(zhǎng)量基本達(dá)到總增長(zhǎng)量的80％～90％，這與管片脫環(huán)瞬間受到的土水壓力相對(duì)應(yīng)，很好地反映了脫環(huán)后的注漿壓力的影響，軸力在瞬間增長(zhǎng)至一個(gè)很大的量值。負(fù)彎點(diǎn)的增長(zhǎng)在脫環(huán)過(guò)程中的一個(gè)較大的增長(zhǎng)，曲線較為陡峭；在脫環(huán)之后彎矩仍有一個(gè)較大的增長(zhǎng)，在圖上顯示是—個(gè)相對(duì)緩和的增長(zhǎng)曲線。這說(shuō)明在脫環(huán)的過(guò)程完成后，負(fù)彎矩的增長(zhǎng)分為兩個(gè)有差異的增長(zhǎng)過(guò)程。相對(duì)地較快的過(guò)程，與脫環(huán)瞬間的土水壓力和脫環(huán)過(guò)程的軸力增長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)；后期的相對(duì)緩和的增長(zhǎng)則與地層的變形、變位相對(duì)應(yīng)，這表明在盾構(gòu)管片在受力后，周圍地層有一個(gè)相對(duì)緩慢的變形過(guò)程。

盾構(gòu)在脫環(huán)后，由于受注漿壓力的存在，致使在盾尾形成一個(gè)較高的土水壓力區(qū)，在管片脫環(huán)的瞬間作用在管片上，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，這一土水壓力也逐漸衰減。在這一過(guò)程中，管片的軸力彎矩在脫環(huán)的瞬間增長(zhǎng)很快，其中軸力在瞬間的增長(zhǎng)量達(dá)到最終軸力的80％-90％。同對(duì)彎矩的增長(zhǎng)分為兩部分，正彎矩脫環(huán)瞬間的增長(zhǎng)量達(dá)到最終彎矩的80％～90％，此后逐漸趨于穩(wěn)定；而負(fù)彎矩的增長(zhǎng)在脫環(huán)瞬間的迅猛增長(zhǎng)之后，由于受地層變形變位的影響，彎矩在逐漸發(fā)展，而在這一過(guò)程中軸力的增長(zhǎng)量很小。
4 結(jié)論分析
根據(jù)在透水性良好的砂性土地層的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，可得出如下初步結(jié)論：
(1)在盾構(gòu)施工過(guò)程中由于受注漿壓力的影響，在盾尾部存在一個(gè)近于等值的土水壓力場(chǎng)，這一壓力場(chǎng)的量值大約在0．2MPa左右，在管片脫環(huán)時(shí)，瞬間作用在管片上，使管片的軸力猛增至800-1000m，此時(shí)管片的彎矩增長(zhǎng)遠(yuǎn)不如軸力明顯。但此過(guò)程中的徑向壓力所引起的軸力迅速增長(zhǎng)是對(duì)管片的受力是有利的。按目前施工中采用的同步注漿壓，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)無(wú)不良影響。
(2)隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，盾構(gòu)隧道上作用的壓力值逐漸衰減，向靜水場(chǎng)和土壓力共同組成的壓力模式下發(fā)展。這一過(guò)程中伴隨的是軸力的微量增長(zhǎng)及負(fù)彎區(qū)逐漸增大，但其絕對(duì)量值并未超過(guò)極大的正彎點(diǎn)而成為控制設(shè)計(jì)的內(nèi)力值。設(shè)計(jì)可不計(jì)及施工期間注漿壓是偏于安全的。
(3)穩(wěn)定后的軸力和彎矩值與9m埋深土柱壓力(1．5倍的洞徑)的理論計(jì)算彎矩及軸力值接近，
且實(shí)測(cè)值良好地反映出了管片拼裝的錯(cuò)縫效應(yīng)，即附加彎矩及軸力分布的不連續(xù)性。與理論分析的結(jié)果趨勢(shì)一致。說(shuō)明在類似的地層條件下，應(yīng)按土水分離的計(jì)算方式，及考慮各類接頭剛度影響的分析模式，建議在類似地層中考慮土壓按1．5D左右的上覆土柱壓力計(jì)算。