揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

梁 霄，柳 獻(xiàn)，陳 健，孔玉清

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092;2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)步伐的不斷加快，對(duì)城市地下通道的建設(shè)需求越來(lái)越大。盾構(gòu)法隧道經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展建設(shè)，因其對(duì)周邊環(huán)境影響小、施工不受地表環(huán)境條件和天氣條件的限制、適應(yīng)的地層范圍廣等優(yōu)越性而得以被廣泛采用。

隧道直徑越來(lái)越大，隧道穿越的地層條件也越來(lái)越復(fù)雜，由于施工階段襯砌結(jié)構(gòu)的荷載及力學(xué)機(jī)制尚不清晰，越來(lái)越多的施工問(wèn)題凸顯出來(lái)，如襯砌結(jié)構(gòu)整體或局部上浮、管片環(huán)間的錯(cuò)臺(tái)、管片裂縫、管片局部破損等，這些病害嚴(yán)重威脅著盾構(gòu)隧道的施工和運(yùn)營(yíng)安全。因此，對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工階段的受力行為研究有重要意義。

針對(duì)盾構(gòu)隧道施工階段襯砌結(jié)構(gòu)的受力行為研究，當(dāng)前以理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)為主。朱合華等［1］針對(duì)盾構(gòu)隧道的施工階段、注漿材料及管片接頭的特性提出了有限元模擬方法。陳俊生等［2］采用三維有限元分析的方法，建立一段具有9環(huán)管片的盾構(gòu)隧道數(shù)值模型來(lái)研究盾構(gòu)隧道管片施工階段的力學(xué)行為。皮景坤等［3］建立了施工過(guò)程中的管片受力模型，分析管片上浮的原因并提出了控制管片上浮的措施。葉飛等［4］研究了施工期盾構(gòu)隧道管片襯砌的受力特性、施工荷載對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成的影響。魏綱等［5］對(duì)盾構(gòu)隧道施工階段管片注漿段進(jìn)行受力分析，提出了上浮階段的襯砌環(huán)受力模型及計(jì)算公式。

近些年國(guó)內(nèi)對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)受力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試也開展了一些研究。張厚美等［6］介紹了廣州地鐵盾構(gòu)隧道管片壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，得出盾構(gòu)隧道圍巖壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律。謝洪強(qiáng)等［7］通過(guò)重慶主城排水過(guò)江隧道施工期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得出管片上水壓力隨盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)的變化規(guī)律。唐孟雄等［8］依托廣州地鐵2號(hào)線工程對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的管片受力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比后給出設(shè)計(jì)建議。周濟(jì)民等［9］以獅子洋水下盾構(gòu)隧道為背景，探討管片襯砌結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力在施工期和后期隨時(shí)間的變化規(guī)律?，F(xiàn)有研究多針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道，對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道的相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究相對(duì)較少。

本文依托揚(yáng)州瘦西湖大直徑盾構(gòu)隧道，對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)追蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，獲取了盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)施工階段的受力規(guī)律。

1 工程背景

揚(yáng)州瘦西湖隧道工程是揚(yáng)州市城市總體規(guī)劃中的重要城市交通通道之一，同時(shí)也是目前國(guó)內(nèi)第一座開工建設(shè)的雙層雙向行車的盾構(gòu)隧道。該盾構(gòu)隧道西自維揚(yáng)路與楊柳青路的交叉口，東至漕河西路與史可法路的交叉口，下穿國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)蜀岡—瘦西湖風(fēng)景區(qū)內(nèi)。盾構(gòu)隧道平面圖如圖1所示。

圖1 揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道平面圖Fig.1 Plane sketch of Slender West Lake Tunnel in Yangzhou

隧道最大覆土厚度約24.2 m，最小覆土為8.0 m。圖2、表1分別為代表性隧道斷面的土層條件及其主要物理力學(xué)參數(shù)。

圖2 隧道斷面地質(zhì)剖面圖(單位:m)Fig.2 Geological profile of shield-bored tunnel(m)

盾構(gòu)隧道管片外徑14.5 m，內(nèi)徑13.3 m，厚0.6 m，環(huán)寬2.0 m，采用10塊“9+1”分塊形式，全環(huán)由封頂塊F、2塊鄰接塊L和7塊標(biāo)準(zhǔn)塊B共10塊管片構(gòu)成。

表1 盾構(gòu)隧道地層主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Main physic-mechanical indices of strata

管片內(nèi)主筋采用HRB335，縱筋、箍筋及構(gòu)造筋采用HPB235，混凝土等級(jí)為C60，管片鋼筋保護(hù)層厚度:迎土側(cè)50 mm，背土側(cè)40 mm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋保護(hù)層厚為30 mm。環(huán)縫共設(shè)置42個(gè)M30螺栓，每塊管片縱縫共設(shè)置3個(gè)M36螺栓。

該盾構(gòu)隧道采用錯(cuò)縫拼裝，第10，260管片環(huán)的封頂塊左偏22.5°，第75管片環(huán)的封頂塊右偏90°，第415管片環(huán)的封頂塊左偏90°。同步注漿壓力控制在0.3 MPa。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)測(cè)試斷面及內(nèi)容

2.1.1 試驗(yàn)斷面

根據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì)《盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)指南》［10］中關(guān)鍵斷面的選取原則，選取4個(gè)管片環(huán)作為測(cè)試斷面，測(cè)試斷面分別為K1+330(第415環(huán)):最大覆土斷面;K1+640(第260環(huán)):標(biāo)準(zhǔn)斷面;K2+ 010(第75環(huán)):最大水深斷面;K2+140(第10環(huán)):臨近進(jìn)洞工作井?dāng)嗝妗y(cè)試斷面位置示意圖見(jiàn)圖3。

2.1.2 測(cè)試內(nèi)容

為了得到管片拼裝成環(huán)至地層穩(wěn)定后襯砌結(jié)構(gòu)的荷載及內(nèi)力，確定試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容如表2所示。

圖3 測(cè)試斷面位置示意圖Fig.3 Locations of the experimental cross-sections

表2 測(cè)試內(nèi)容及儀器表Table 2 Contents and instruments of experiment

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 測(cè)試斷面?zhèn)鞲衅鞑贾?/p>

柔性土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)和溫度計(jì)的測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 柔性土壓力計(jì)、鋼筋計(jì)和溫度計(jì)布置示意圖Fig.4 Layout of flexible soil pressure cells，reinforcement bar meters and thermometers

在每個(gè)測(cè)試斷面的各管片塊中心外側(cè)布置1個(gè)振弦式柔性土壓力計(jì)，每環(huán)共10個(gè);在各管片塊中心內(nèi)外兩側(cè)的主筋上各布置1個(gè)鋼筋計(jì)、溫度計(jì)，每環(huán)各20個(gè)。因此，4個(gè)測(cè)試斷面共需柔性土壓力計(jì)40個(gè)，鋼筋計(jì)、溫度計(jì)均80個(gè)。

2.2.2 柔性土壓力計(jì)的安裝

柔性土壓力計(jì)的安裝采用預(yù)埋的方式，其安裝步驟如下:1)在鋼筋籠上焊接預(yù)埋件鋼板并在管片內(nèi)側(cè)預(yù)埋接線盒;2)從預(yù)埋件到預(yù)埋接線盒間順鋼筋綁扎電纜;3)管片澆筑養(yǎng)護(hù)完成后，取下預(yù)埋鋼板，安裝固定鋼框;4)用粘結(jié)劑將柔性土壓力計(jì)貼到混凝土表面，并在外側(cè)設(shè)置一層泡沫塑料板或合成橡膠等保護(hù)材。安裝過(guò)程如圖5所示。

圖5 柔性土壓力計(jì)的安裝過(guò)程Fig.5 Installation process of flexible soil pressure cells

2.2.3 鋼筋計(jì)、溫度計(jì)的安裝

鋼筋計(jì)和溫度計(jì)的安裝也采用預(yù)埋的方式，其安裝步驟如下:1)管片澆筑前分別將鋼筋計(jì)和溫度計(jì)固定在管片內(nèi)外層的受力主筋上;2)鋼筋計(jì)和溫度計(jì)固定時(shí)需保證其軸線方向與受力主筋方向平行，保證鋼筋計(jì)與受力主筋共同受力，溫度計(jì)不受力;3)連接光纜平行松弛布置在PVC線管內(nèi)，將連接光纜引入預(yù)留盒內(nèi)，與主光纜連接。安裝過(guò)程如圖6所示。

圖6 鋼筋計(jì)及溫度計(jì)實(shí)際安裝過(guò)程Fig.6 Installation process of reinforcement bar meters and thermometers

2.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

表3 測(cè)試頻率Table 3 Measurement frequency

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中對(duì)4個(gè)管片環(huán)在施工期的結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力進(jìn)行了測(cè)試。選取具有代表性的第75環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 結(jié)構(gòu)荷載的分布規(guī)律

第75環(huán)襯砌結(jié)構(gòu)荷載測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，該環(huán)結(jié)構(gòu)荷載隨時(shí)間呈減小并趨于平緩的規(guī)律;在同步注漿后7 d漿液強(qiáng)度基本可以達(dá)到周邊土體強(qiáng)度［11］，即注漿效應(yīng)已消散;在測(cè)試環(huán)脫出盾尾后200 d左右，結(jié)構(gòu)荷載趨于穩(wěn)定。注漿階段(同步注漿到注漿效應(yīng)消散)結(jié)構(gòu)荷載比穩(wěn)定后的荷載值高70～100 kPa，與同步注漿時(shí)的注漿壓力有關(guān)，隨著注漿壓力的消散，結(jié)構(gòu)荷載不斷降低，與圖7中所測(cè)結(jié)構(gòu)荷載的變化趨勢(shì)一致。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)荷載隨時(shí)間變化圖Fig.7 Variation of load on segment structure

表4列出了計(jì)算和實(shí)測(cè)最大結(jié)構(gòu)荷載及穩(wěn)定后荷載，在測(cè)試斷面的右上區(qū)域(L1、B1塊)，注漿時(shí)實(shí)測(cè)最大結(jié)構(gòu)荷載大于計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載;測(cè)試斷面的左下區(qū)域(B4、B6和B7塊)，注漿時(shí)實(shí)測(cè)最大結(jié)構(gòu)荷載小于計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載。穩(wěn)定后的實(shí)測(cè)荷載均小于計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載，穩(wěn)定后的實(shí)測(cè)荷載值基本為計(jì)算荷載值的70%左右，其中B4塊穩(wěn)定荷載值為計(jì)算荷載值的88%。

表4 實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)構(gòu)荷載比較Table 4 Measured load values and calculated load values kPa

分別選取測(cè)試環(huán)在同步注漿、脫出盾尾1個(gè)月后(注漿效應(yīng)完全消散后的時(shí)間點(diǎn))的荷載分布進(jìn)行分析，測(cè)試環(huán)結(jié)構(gòu)荷載的分布如圖8所示。

圖8 襯砌結(jié)構(gòu)荷載的分布圖(單位:kPa)Fig.8 Distribution of load on segment structure(kPa)

在同步注漿時(shí)，結(jié)構(gòu)荷載分布不均勻，F(xiàn)、L1管片塊相鄰，結(jié)構(gòu)荷載差異較大，說(shuō)明L1塊在盾尾同步注漿孔的位置附近，由于注漿壓力導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)荷載明顯大于周邊管片塊所測(cè)荷載值;測(cè)試環(huán)脫出盾尾1個(gè)月后，結(jié)構(gòu)荷載分布相對(duì)均勻，荷載值相對(duì)同步注漿時(shí)變小，且頂?shù)滋幍暮奢d大于拱腰處荷載。

綜上，在施工過(guò)程中的注漿階段，由于注漿壓力的存在，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)荷載大于穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)荷載;同時(shí)，注漿壓力會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)荷載的分布不均勻，部分管片塊在同步注漿孔附近導(dǎo)致其注漿階段的結(jié)構(gòu)荷載值大于周邊管片塊的荷載值。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布規(guī)律

結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算主要是通過(guò)各管片塊內(nèi)外側(cè)主筋的應(yīng)變測(cè)試值，考慮鋼筋與混凝土共同受力，將管片簡(jiǎn)化為偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行截面分析計(jì)算而得(內(nèi)力結(jié)果均是相對(duì)于管片環(huán)脫出盾尾時(shí)內(nèi)力的增量值)。所計(jì)算的結(jié)構(gòu)彎矩均是內(nèi)側(cè)受拉為正，結(jié)構(gòu)軸力以受壓為正。

圖9為第75環(huán)部分管片塊受力主筋的應(yīng)力變化曲線。分析得到:在脫出盾尾時(shí)，鋼筋的應(yīng)力比較小，在注漿階段，鋼筋應(yīng)力有所增長(zhǎng)，在測(cè)試環(huán)脫出盾尾200 d左右，鋼筋應(yīng)力趨于穩(wěn)定，與結(jié)構(gòu)荷載趨于穩(wěn)定的時(shí)間大體一致。

穩(wěn)定后的鋼筋應(yīng)力相比注漿階段的最大值有20 MPa左右的增長(zhǎng)。L1、B1塊內(nèi)側(cè)主筋的應(yīng)力為拉應(yīng)力，與其管片塊位置(理論上處于內(nèi)外側(cè)受拉區(qū)域)相對(duì)應(yīng)，截面為大偏心受壓截面;B6塊內(nèi)外側(cè)主筋均為壓應(yīng)力，管片塊處于結(jié)構(gòu)底部位置，為小偏心受壓截面。

圖9 第75環(huán)部分管片塊鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化圖Fig.9 Variation of stress of reinforcement bars of segments of No.75 ring

第75環(huán)部分管片塊彎矩和軸力的測(cè)試結(jié)果如圖10和圖11所示。結(jié)構(gòu)彎矩在注漿階段處于波動(dòng)狀態(tài)，在測(cè)試環(huán)脫出盾尾200 d左右時(shí)，結(jié)構(gòu)彎矩有大幅度增長(zhǎng)，增量在150 kN·m左右。穩(wěn)定后B1、B6塊彎矩均為正彎矩，管片內(nèi)側(cè)受拉，與理論分析的結(jié)果一致(頂?shù)變?nèi)側(cè)受拉)。

結(jié)構(gòu)軸力在注漿之后持續(xù)增加到最大值，而后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)軸力趨于穩(wěn)定的時(shí)間也是在測(cè)試環(huán)脫出盾尾230 d左右，與結(jié)構(gòu)荷載區(qū)域穩(wěn)定的時(shí)間大體一致。穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)軸力是最大軸力的60%左右，注漿作用對(duì)結(jié)構(gòu)的軸力影響較大。

圖10 第75環(huán)部分管片塊結(jié)構(gòu)彎矩隨時(shí)間變化圖Fig.10 Variation of bending moment of segments of No.75 ring

圖11 第75環(huán)部分管片塊結(jié)構(gòu)軸力隨時(shí)間變化圖Fig.11 Variation of axial force of segment of No.75 ring

3.3 其他測(cè)試環(huán)

本文主要對(duì)具有代表性的第75環(huán)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析，其他測(cè)試環(huán)的結(jié)果和第75環(huán)的結(jié)果基本相同。

其他測(cè)試環(huán)在同步注漿時(shí)的結(jié)構(gòu)荷載分布如圖12所示，各測(cè)試環(huán)的結(jié)構(gòu)荷載分布不均勻，局部管片塊荷載偏大，如第10環(huán)的B2、B4塊，第260環(huán)的B2塊，第415環(huán)的F、B4塊，平均比其他管片塊的荷載高出100 kPa左右。上述結(jié)構(gòu)荷載分布特點(diǎn)與同步注漿孔壓力的不均衡有關(guān)。

圖12 各環(huán)結(jié)構(gòu)荷載分布圖(同步注漿)Fig.12 Distribution of load on each segment ring(with simultaneous grouting)

在第10，260和415環(huán)分別選取具有代表性的1個(gè)管片塊，其結(jié)構(gòu)彎矩隨時(shí)間的變化如圖13所示。結(jié)構(gòu)彎矩在注漿階段處于波動(dòng)狀態(tài)，在測(cè)試環(huán)脫出盾尾230 d左右結(jié)構(gòu)彎矩趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的彎矩值較大。和第75環(huán)結(jié)構(gòu)彎矩隨時(shí)間的變化特點(diǎn)一致。

圖13 各環(huán)部分管片結(jié)構(gòu)彎矩隨時(shí)間變化Fig.13 Variation of bending moment of each segment ring

在第10，260和415環(huán)分別選取具有代表性的1個(gè)管片塊，其結(jié)構(gòu)軸力隨時(shí)間的變化如圖14所示。結(jié)構(gòu)軸力在注漿之后大幅度增大，之后在測(cè)試環(huán)脫出盾尾270 d左右趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)軸力為最大值的65%左右，注漿作用對(duì)結(jié)構(gòu)軸力影響較大。和第75環(huán)結(jié)構(gòu)軸力隨時(shí)間的變化特點(diǎn)一致。

圖14 各環(huán)部分管片軸力彎矩隨時(shí)間變化圖Fig.14 Variation of axial force of each segment ring

4 結(jié)論與討論

基于揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道管片襯砌施工期和后期的結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，得到以下結(jié)論。

1)文中所述的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法可以較為全面準(zhǔn)確地得到隧道襯砌結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力在施工期的分布。

2)襯砌結(jié)構(gòu)荷載總體隨時(shí)間呈先減小后趨于平穩(wěn)的規(guī)律。施工期的注漿作用會(huì)使襯砌結(jié)構(gòu)荷載大于穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)荷載，同時(shí)注漿壓力控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)荷載的分布不均勻，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3)注漿階段(同步注漿到注漿效應(yīng)消散)，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力處于波動(dòng)狀態(tài)，與各同步注漿孔壓力分布不均有關(guān)，穩(wěn)定后的結(jié)構(gòu)軸力為注漿作用下最大值的60%～65%，注漿作用對(duì)結(jié)構(gòu)軸力影響較大。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的方法得到了盾構(gòu)隧道施工期襯砌結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力變化規(guī)律的一些定性結(jié)論，研究方法和結(jié)論可為今后類似研究提供參考。

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