小直徑盾構(gòu)施工中管片縱向應(yīng)力監(jiān)測研究

孫肖輝， 馬孝春, *， 黃 峰， 金 奕， 馬軍英， 任紅濤

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083； 2. 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100088； 3. 中地華北(北京)工程技術(shù)研究院有限公司， 北京 100198)

小直徑盾構(gòu)施工中管片縱向應(yīng)力監(jiān)測研究

孫肖輝1， 馬孝春1, *， 黃 峰1， 金 奕2， 馬軍英2， 任紅濤3

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院， 北京 100083； 2. 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100088； 3. 中地華北(北京)工程技術(shù)研究院有限公司， 北京 100198)

為了探索小直徑盾構(gòu)法隧道在施工過程中管片縱向應(yīng)力的變化規(guī)律，對北京槐房再生水廠污水隧道管片縱向應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測： 將第976環(huán)、第1 054環(huán)管片分別設(shè)為第1和第2監(jiān)測斷面， 2監(jiān)測斷面各預(yù)埋5個(gè)縱向應(yīng)力計(jì)，各監(jiān)測斷面從本監(jiān)測斷面管片安裝后即開始監(jiān)測，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至第1 129環(huán)時(shí)停止監(jiān)測。研究表明： 1)在管片離開盾尾50環(huán)后，其縱向應(yīng)力波動(dòng)值小于管片拼裝期間應(yīng)力值的5%。2)在盾構(gòu)掘進(jìn)期間，管片距離盾構(gòu)越遠(yuǎn)，其縱向壓應(yīng)力值越小。3)在管片拼裝期間，管片距離盾構(gòu)越遠(yuǎn)，其縱向壓應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后減小的過程。4)管片距離盾構(gòu)108環(huán)后，該管片縱向壓應(yīng)力趨近于0.2～0.3 MPa。5)隨著盾構(gòu)推進(jìn)，管片縱向應(yīng)力經(jīng)歷了4個(gè)階段的變化過程，即周期性劇烈波動(dòng)階段—?jiǎng)討B(tài)穩(wěn)定階段—逐漸衰減階段—趨于穩(wěn)定階段。

小直徑盾構(gòu)； 隧道施工； 管片縱向應(yīng)力； 監(jiān)測

0 引言

近年來國家大力推動(dòng)地鐵、海綿城市及地下綜合管廊等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。與地鐵施工類似，污水管道施工也越來越多地使用盾構(gòu)技術(shù)，但與地鐵盾構(gòu)隧道不同的是污水管道的滲漏將嚴(yán)重污染地下水資源和環(huán)境。盾構(gòu)隧道施工完成后，隧道內(nèi)管片縱向應(yīng)力對襯砌管環(huán)間滲漏水防治和縱向變形控制至關(guān)重要。同時(shí)，中間工作井的開挖，負(fù)環(huán)管片的拆除時(shí)機(jī)等也都需要對施工過程中管片縱向應(yīng)力的變化規(guī)律有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

目前針對盾構(gòu)隧道施工期間管片應(yīng)力的研究多集中在管片的環(huán)向方向。梁霄等[1]通過對揚(yáng)州瘦西湖盾構(gòu)隧道的監(jiān)測研究，分析了施工階段同步注漿對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響，總結(jié)了隧道襯砌結(jié)構(gòu)荷載和內(nèi)力在施工階段隨時(shí)間的變化規(guī)律。唐孟雄等[2]通過對廣州地鐵2號線進(jìn)行實(shí)測,分析了在不同工況下管片環(huán)向鋼筋應(yīng)力的變化規(guī)律。陳俊生等[3]在三維數(shù)值模型中加入與施工階段相對應(yīng)的注漿壓力、千斤頂頂力及初步引入盾尾刷的擠壓作用，分析了盾構(gòu)隧道的變形特點(diǎn)及應(yīng)力分布。梁禹等[4]通過對長沙湘江隧道管片襯砌在施工期及后期所受外荷載和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的現(xiàn)場監(jiān)測分析，總結(jié)了襯砌結(jié)構(gòu)外荷載和內(nèi)力隨時(shí)間的變化規(guī)律。張恒等[5]通過對深圳城市軌道交通 5號線區(qū)間盾構(gòu)隧道管片襯砌在施工中的力學(xué)行為監(jiān)測，分析了隧道下穿軟硬不均地層、黏土地層和上覆建筑物的全風(fēng)化花崗巖層中襯砌所承受的環(huán)向軸力和彎矩。

而當(dāng)前關(guān)于盾構(gòu)隧道縱向問題的研究，大部分是針對縱向沉降及縱向剛度的。葉飛等[6]根據(jù)相似理論對通縫、錯(cuò)縫及勻質(zhì)圓筒模型進(jìn)行了縱向模型試驗(yàn)研究，得出了盾構(gòu)隧道縱向變形性能及抗彎剛度有效率的取值。殷建國等[7]采用盾構(gòu)隧道縱向等效連續(xù)化模型，分析了盾構(gòu)隧道縱向沉降對隧道縱向等效剛度的影響。張軍等[8]通過數(shù)值模擬和理論計(jì)算相結(jié)合的方法,分析了河床沖淤引起過江隧道縱向變形的機(jī)制,并提出了控制縱向變形的建議。Huang等[9]基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了考慮地層參數(shù)變異的縱向變形簡化計(jì)算方法。張子新等[10]通過建立三維有限元模型，系統(tǒng)地研究了多種因素對異形盾構(gòu)縱向力學(xué)性能的影響。

已有研究極少關(guān)注小直徑盾構(gòu)法隧道施工中管片縱向應(yīng)力的變化規(guī)律。與隧道縱向受力研究最為相關(guān)的是一些關(guān)于負(fù)環(huán)管片拆除時(shí)機(jī)[11-12]、軟土盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)力松弛規(guī)律[13]等方面的研究，其文獻(xiàn)數(shù)量較少且無成型的理論可用。

本文結(jié)合北京市槐房再生水廠工程，對隧道管片縱向應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，分析小直徑盾構(gòu)法隧道在施工過程中管片縱向應(yīng)力的變化規(guī)律，以期為小直徑盾構(gòu)隧道的縱向設(shè)計(jì)及管環(huán)滲漏水防治提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1工程簡述

北京市槐房再生水廠再生水及污水盾構(gòu)管線工程： 施工區(qū)間為1#盾構(gòu)始發(fā)井至4#盾構(gòu)接收井(槐房再生水廠—草橋國際文化城)，其中包括4座中間工作井。工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面簡圖

施工時(shí)采用土壓平衡盾構(gòu)先掘進(jìn)污水隧道，隧道區(qū)間覆土厚度為7～9 m，隧道最大縱坡為0.06%，最小曲率半徑為150 m。盾構(gòu)隧道為圓形隧道，隧道結(jié)構(gòu)如圖2所示。管片環(huán)采用“5+1”(A1—A3、B1、B2、K)通用楔形環(huán)方式，環(huán)間錯(cuò)縫拼接，管片及管環(huán)間采用雙頭弧形螺栓連接，管環(huán)內(nèi)徑3.5 m，外徑4.0 m，厚0.25 m，寬1.2 m。盾構(gòu)采用14組千斤頂推進(jìn)，在環(huán)向上均勻分布，圖2中陰影位置為千斤頂撐靴位置。管片混凝土強(qiáng)度等級為C50。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部布置(單位： mm)

1.2監(jiān)測區(qū)間工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

監(jiān)測區(qū)間位于北京市南四環(huán)公益西橋—草橋國際文化城污水盾構(gòu)區(qū)間的中段，如圖1所示，監(jiān)測區(qū)間的工程地質(zhì)剖面如圖3所示。盾構(gòu)管道埋深約7 m，絕大部分位于砂卵石地層中，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。地下水位高程低于21 m，且水位年變幅一般為1～3 m，不會(huì)對盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生影響。

圖3 工程地質(zhì)剖面簡圖

表1 盾構(gòu)隧道地層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 現(xiàn)場試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)傳感器采用預(yù)埋式JTM-V1000D型振弦式應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集使用JTM-MV20A系列智能型振弦式傳感器采集箱；同時(shí)，使用JTM-MS100系列智能型采集系統(tǒng)管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理操作。

應(yīng)力計(jì)應(yīng)力與頻率的換算公式為：

(1)

式中：σ為應(yīng)力，MPa；K為率定系數(shù)，MPa/Hz2；fi為應(yīng)力計(jì)實(shí)時(shí)采集頻率值，Hz；f0為應(yīng)力計(jì)初始頻率值，Hz。

2.2應(yīng)力計(jì)安裝位置

在監(jiān)測區(qū)間內(nèi)共設(shè)置了2個(gè)斷面(第976環(huán)、第1 054環(huán))作為監(jiān)測斷面，將第976環(huán)定為第1監(jiān)測斷面、第1 054環(huán)定為第2監(jiān)測斷面，具體位置見圖1和圖3。盾構(gòu)首先掘進(jìn)通過第1監(jiān)測斷面，然后通過第2監(jiān)測斷面。為便于施工及監(jiān)測，在監(jiān)測環(huán)上除最底端管片外的每塊管片環(huán)向中部沿縱向方向各布置1個(gè)應(yīng)力計(jì)(每環(huán)5個(gè))，應(yīng)力計(jì)環(huán)向布置位置及編號如圖4所示。

(a) 第976環(huán)

(b) 第1 054環(huán)

2.3試驗(yàn)儀器安裝

2.3.1 應(yīng)力計(jì)管片廠預(yù)埋

應(yīng)力計(jì)及其現(xiàn)場預(yù)埋如圖5所示。先將應(yīng)力計(jì)用細(xì)鐵絲固定于管片鋼筋籠的設(shè)計(jì)位置處(應(yīng)力計(jì)軸向平行于隧道軸線方向)，然后通過澆筑混凝土的方式使應(yīng)力計(jì)完全固定。

(a) 應(yīng)力計(jì)

(b) 應(yīng)力計(jì)預(yù)埋

圖5應(yīng)力計(jì)

Fig. 5 Stress meters

2.3.2 采集系統(tǒng)安裝

本工程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的安裝及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集如圖6所示。管片拼裝完成后隨即進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，盾構(gòu)掘進(jìn)至第1 129環(huán)時(shí)終止數(shù)據(jù)采集。

(a) 傳感器采集箱

(b) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

圖6數(shù)據(jù)采集

Fig. 6 Data acquisition

3 監(jiān)測區(qū)間施工參數(shù)

3.1盾構(gòu)總推力

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)千斤頂總推力的大小直接決定了盾構(gòu)隧道縱向初始應(yīng)力的大小。該工程施工過程中，正常掘進(jìn)段以6 000 kN為上限控制盾構(gòu)千斤頂總推力，管片拼裝時(shí)盾構(gòu)總推力在1 400 kN左右。在各環(huán)掘進(jìn)階段的實(shí)際盾構(gòu)總推力如圖7所示。

3.2注漿體

同步注漿漿液為水泥砂漿，其化學(xué)性質(zhì)直接決定了隧道縱向應(yīng)力的衰減速度。同步注漿漿液配比如表2所示，漿液初凝時(shí)間一般為10 h。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

監(jiān)測試驗(yàn)中第2監(jiān)測斷面采集到的數(shù)據(jù)前期規(guī)律更為明顯，故先分析第2監(jiān)測斷面，而第1監(jiān)測斷面監(jiān)測距離更長，后期趨勢更為清晰。

圖7 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)總推力變化曲線

表2 同步注漿漿液配比

4.1第2監(jiān)測斷面(第1 054環(huán))

該斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)包含了盾構(gòu)從第1 055環(huán)推進(jìn)到第1 129環(huán)期間，第1 054環(huán)上各應(yīng)力計(jì)記錄的管片縱向應(yīng)力的變化情況，如圖8所示。傳感器設(shè)置為3 min12 s采集一次數(shù)據(jù)，而盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間及管片拼裝時(shí)間存在差別(每環(huán)的正常掘進(jìn)時(shí)間為15 min左右，管片拼裝時(shí)間為1 h左右)，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)是按時(shí)間均勻分布的，因而在橫軸上對應(yīng)的環(huán)數(shù)并非均勻分布。

如圖8(a)所示，在每環(huán)管片拼裝時(shí)，由于拼裝時(shí)間較長，管片縱向應(yīng)力曲線出現(xiàn)了較為平直的區(qū)段；而在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，由于盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)間較短，管片縱向壓應(yīng)力曲線未出現(xiàn)較為平直段。

從各應(yīng)力計(jì)應(yīng)力曲線圖可以看出，自監(jiān)測管環(huán)安裝完成，隨著盾構(gòu)向前推進(jìn)，應(yīng)力計(jì)記錄到的縱向應(yīng)力差值(即波動(dòng)值，見圖8(b))由最初的1.6 MPa逐漸衰減甚至消失。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，各應(yīng)力計(jì)波動(dòng)值在盾構(gòu)通過此監(jiān)測斷面50環(huán)左右時(shí)小于此位置管片拼裝期間應(yīng)力計(jì)值的5%(所采用的應(yīng)力計(jì)精度誤差為5%)。這是由于監(jiān)測管片剛剛脫出盾尾時(shí)，周圍的注漿體呈流塑態(tài)，管片與注漿體之間的摩阻力很小，故監(jiān)測斷面縱向應(yīng)力波動(dòng)值可達(dá)到1.6 MPa左右；隨著監(jiān)測管片與盾構(gòu)之間距離的增加及注漿體的逐漸凝固，監(jiān)測管片和盾構(gòu)之間的管片與周圍注漿體的摩阻力逐漸增大，使得監(jiān)測斷面縱向應(yīng)力波動(dòng)值逐漸減小。

如圖8(d)所示，在盾構(gòu)掘進(jìn)期間，由于管片和注漿體之間的縱向摩阻力方向與盾構(gòu)千斤頂頂力方向相反，使得監(jiān)測斷面距離盾構(gòu)越遠(yuǎn)，應(yīng)力計(jì)應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；而在盾構(gòu)管片拼裝期間，隨著監(jiān)測斷面遠(yuǎn)離盾尾，管片縱向壓應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后減小的變化過程。這是因?yàn)樵诙軜?gòu)掘進(jìn)期間，距離盾構(gòu)較近的管片縱向位移較大，使得管片與周圍的注漿體之間發(fā)生了剪應(yīng)變(靜摩阻力)甚至相對滑動(dòng)(動(dòng)摩阻力)并伴隨注漿體的塑性變形，而在管片拼裝期間，管片整體回彈，使摩阻力方向發(fā)生了改變。上述過程與摩擦樁在加卸載過程中樁周摩阻力的變化過程[14-16]較為相似。同時(shí)，在盾構(gòu)向前推進(jìn)的過程中，監(jiān)測斷面管片受到逐漸減小的循環(huán)加卸載作用，并伴隨周圍注漿體性質(zhì)及注漿壓力的逐漸變化，以及隧道內(nèi)部的施工(盾構(gòu)后配套設(shè)施及管片、渣土運(yùn)輸車輛等)荷載的變化等多種因素的綜合作用，使縱向應(yīng)力產(chǎn)生這種變化趨勢。

(a) Y6應(yīng)力計(jì)

(b) Y7應(yīng)力計(jì)

(c) Y8應(yīng)力計(jì)

(d) Y9應(yīng)力計(jì)

(e) Y10應(yīng)力計(jì)

Fig. 8 Variation curves of stress collected from stress meters on monitoring cross-section 2

在該監(jiān)測段施工過程中，由于盾構(gòu)千斤頂頂力在管片環(huán)向上變化不大、污水管道直徑較小以及砂卵石地層較為穩(wěn)定(隧道在縱向上不易產(chǎn)生不均勻沉降)等因素綜合作用，使得管片環(huán)向不同位置處應(yīng)力計(jì)應(yīng)力值在盾構(gòu)推進(jìn)同一環(huán)時(shí)并無明顯變化。

4.2第1監(jiān)測斷面(第976環(huán))

該監(jiān)測斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)包含了盾構(gòu)從第977環(huán)推進(jìn)到第1 129環(huán)期間，第976環(huán)上各應(yīng)力計(jì)記錄的管片縱向應(yīng)力的變化情況，如圖9所示。該監(jiān)測斷面數(shù)據(jù)的前期規(guī)律與第1監(jiān)測斷面基本一致。管片縱向應(yīng)力經(jīng)歷了4個(gè)階段的變化過程： 周期性劇烈波動(dòng)階段—?jiǎng)討B(tài)穩(wěn)定階段—逐漸衰減階段—趨于穩(wěn)定階段。在盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面108環(huán)后，監(jiān)測斷面管片的縱向應(yīng)力趨近于0.2～0.3 MPa(統(tǒng)計(jì)情況如表3所示)并逐漸達(dá)到穩(wěn)定?？芍诙軜?gòu)通過監(jiān)測斷面108環(huán)后，管片會(huì)在較長距離上存在0.2～0.3 MPa的壓應(yīng)力。這是由于盾構(gòu)距離監(jiān)測面較遠(yuǎn)，它們之間的管片與注漿體間總的縱向摩阻力較大，盾構(gòu)千斤頂推力對監(jiān)測斷面的影響消失，同時(shí)監(jiān)測斷面周圍的注漿體達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并且隧道內(nèi)部施工荷載較少等多種因素使得其縱向應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

圖9 第1監(jiān)測斷面各傳感器應(yīng)力計(jì)受力變化曲線

表3第1監(jiān)測斷面各應(yīng)力計(jì)進(jìn)入相對穩(wěn)定區(qū)環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)

Table 3 Statistic of ring numbers when stress meters go into stable area (monitoring cross-section 1)

應(yīng)力計(jì)編號進(jìn)入相對穩(wěn)定區(qū)環(huán)數(shù)距離千斤頂環(huán)數(shù)均值Y11084108Y21084108Y3107498Y41087111Y51088112108

5 結(jié)論與建議

基于槐房再生水廠配套輸水工程，通過對小直徑污水盾構(gòu)在砂卵石地層施工過程中管片縱向應(yīng)力的現(xiàn)場監(jiān)測及分析，結(jié)論如下：

1)隨著盾構(gòu)推進(jìn)，監(jiān)測斷面管片縱向應(yīng)力在盾構(gòu)掘進(jìn)期間與管片拼裝期間的波動(dòng)值不斷減小，且在盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面50環(huán)后波動(dòng)值小于此位置管片拼裝期間應(yīng)力值的5%。

2)隨著盾構(gòu)推進(jìn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)期間，監(jiān)測斷面管片縱向壓應(yīng)力在不斷減小。

3)隨著盾構(gòu)推進(jìn)，在盾構(gòu)管片拼裝期間，監(jiān)測斷面管片的縱向壓應(yīng)力經(jīng)歷了先增大后減小的過程。

4)在盾構(gòu)通過監(jiān)測斷面108環(huán)后，監(jiān)測斷面的縱向壓應(yīng)力趨近于0.2～0.3 MPa。

5)隨著盾構(gòu)推進(jìn)，管片縱向應(yīng)力經(jīng)歷了4個(gè)階段的變化過程： 周期性劇烈波動(dòng)階段—?jiǎng)討B(tài)穩(wěn)定階段—逐漸衰減階段—趨于穩(wěn)定階段。

由于盾構(gòu)法隧道施工中縱向應(yīng)力的綜合性、復(fù)雜性及時(shí)變性，對于盾構(gòu)法隧道的縱向應(yīng)力變化規(guī)律，目前尚無完整清晰的理論。在下一步的研究中，建議對從注入到完全硬化期間注漿體性質(zhì)的變化以及注漿體與管片及周圍巖土體的接觸面性質(zhì)進(jìn)行完整的室內(nèi)試驗(yàn)，并參考摩擦樁的摩阻力機(jī)制進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的理論分析及數(shù)值模擬計(jì)算，以期為砂卵石地層小直徑盾構(gòu)隧道縱向設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

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StudyofMonitoringofLongitudinalStressofSmall-diameterShieldTunnelSegmentduringConstruction

SUN Xiaohui1, MA Xiaochun1, *, HUANG Feng1, JIN Yi2, MA Junying2, REN Hongtao3

(1.SchoolofEngineeringandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.BeijingUrbanConstructionGroupCo.,Ltd.,Beijing100088,China; 3.ChineseAcademyofGeotechnicalEngineering,Beijing100198,China)

Site monitoring is carried out on longitudinal stress of segment of a small-diameter sewage shield tunnel of Huaifang Recycled Water Factory in Beijing. Five longitudinal stress meters are embedded in monitoring Cross-sections 1 and 2 respectively (ring 976 and 1 054); the monitoring data are collected right after stress meter installation and are stopped when boring to ring 1 129. The study results show that: 1) The longitudinal stress of segment after 50 rings behind shield tail is 5% less than that when segment assembling. 2) The longitudinal stress of segment decreases with the distance between segment and shield tail increase during shield tunneling. 3) The longitudinal stress of segment increases firstly and then decreases with the distance between segment and shield tail increase during segment assembling. 4) The longitudinal stress of the segment goes stable around 0.2-0.3 MPa after the distance between shield tail and the segment is 108 rings. 5) With shield tunneling, the longitudinal stress of segment goes through four variation phases, i.e. periodical sharp fluctuation phase, dynamic stability phase, gradually decay phase and stable phase.

small-diameter shield; tunnel construction; longitudinal stress of segment; monitoring

2017-06-20;

2017-09-19

孫肖輝(1992—)，男，河北武邑人，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail: 2002150049@cugb.edu.cn。*通信作者： 馬孝春， E-mail: mxc@cugb.edu.cn。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.012

U 45

A

2096-4498(2017)11-1436-06