對軟土地基大直徑地鐵盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性數(shù)值淺述

王躍鋒

南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司 江蘇南京 210000

現(xiàn)階段在城市建設(shè)過程中，例如在市政工程施工的過程中往往會運(yùn)用到大直徑盾構(gòu)隧道，大直徑盾構(gòu)隧道的運(yùn)用在一定程度上推動了地鐵區(qū)間隧道建設(shè)工程的不斷完善。在我國，大直徑盾構(gòu)隧道首次被使用在上海市軌道交通16號線9標(biāo)工程中。本文主要分析在大直徑地鐵盾構(gòu)隧道工程建設(shè)中，如何得到襯砌結(jié)構(gòu)受力特性的準(zhǔn)確數(shù)值。

1 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型建立和結(jié)果分析

1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算模型的建立

襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型主要分類如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)計(jì)算模型

盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算模型主要包含兩大部分，即荷載模型和襯砌結(jié)構(gòu)。因此在實(shí)際的試驗(yàn)過程中要以這兩種計(jì)算模型的測試結(jié)果等進(jìn)行分析，同時(shí)將測試結(jié)果和現(xiàn)有的施工中常用設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比，通過對比能更好反映軟土地基大直徑盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特性的設(shè)計(jì)模型。在施工現(xiàn)場分析測試結(jié)果要選在隧道全面貫通之后進(jìn)行采集，而且在采集數(shù)據(jù)的過程中要盡量排除施工因素的影響，從而得到盾構(gòu)隧道在運(yùn)營過程中襯砌結(jié)構(gòu)的外荷載力和內(nèi)力響應(yīng)作用以及其分布規(guī)律的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在測試過程中要保證測試結(jié)果的穩(wěn)定性，即測試結(jié)果不能隨著時(shí)間進(jìn)行變化[1]。

首先是荷載模型。在進(jìn)行不同設(shè)計(jì)模型對比的過程中可以很好分析出理論荷載和實(shí)際荷載的差異，其中荷載測試主要指在施工過程中通過計(jì)算模型設(shè)計(jì)得出的主要數(shù)值，在測試過程中將水土總壓力作為荷載值。在計(jì)算的過程中要遵循相應(yīng)的轉(zhuǎn)化原理，在這個(gè)過程中要注意到計(jì)算理論荷載的過程中不需要考慮頂部超載和地層彈性抗力等因素。

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)為管片，通過螺栓將管片進(jìn)行連接，要注意盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)并非是一個(gè)連續(xù)體，而是一個(gè)組合體，在測試過程中往往會受到管片之間接頭的影響，從而導(dǎo)致了襯砌結(jié)構(gòu)模型本身的復(fù)雜性?，F(xiàn)階段國外學(xué)者對于管片的接縫剛度有了明確的規(guī)定，要求在計(jì)算過程中完成不同的力學(xué)假定。襯砌結(jié)構(gòu)模型的主要類型如圖2所示。這些襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型被廣泛運(yùn)用于原型盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)過程中，在使用的過程中會發(fā)現(xiàn)在不同的應(yīng)用條件下，這些設(shè)計(jì)模型都有著自身的優(yōu)缺點(diǎn)，在使用的過程中要根據(jù)實(shí)際的施工具體情況進(jìn)行分析和選擇，從而提高襯砌結(jié)構(gòu)模型運(yùn)行的有效性和實(shí)用性[2]。

建立模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的過程中往往會運(yùn)用到的軟件為ANSYS，這種軟件在使用的過程中往往會以襯砌結(jié)構(gòu)管片中軸線為基礎(chǔ)來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算模型的建立。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)模型

1.2 現(xiàn)場測試方案

在制定現(xiàn)場測試方案的過程中要注重對盾構(gòu)區(qū)間工程地質(zhì)和埋深的情況進(jìn)行分析，從而選擇合適的測試斷面，選擇測試斷面的過程中要求測試部位的上覆土呈現(xiàn)出單一、均勻的特點(diǎn)。在實(shí)際的操作過程中為了獲取更多精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，就需要提高測試環(huán)境的穩(wěn)定性，以此保證在測試的過程中將不可控因素的影響降到最小。

在測試的過程中可以對大直徑盾構(gòu)隧道在運(yùn)營過程中襯砌結(jié)構(gòu)自身所受到的外荷載和實(shí)際的受力情況進(jìn)行分析，在分析過程中為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要在管片外表面預(yù)埋水壓力計(jì)和土壓力計(jì)。在測試的過程中還會在相應(yīng)的部位預(yù)埋鋼筋應(yīng)力計(jì)，以此來獲取襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律。

在安置傳感器的過程中需要掌握管片錯(cuò)縫拼裝的角度，在這個(gè)過程中要根據(jù)施工過程中錯(cuò)縫拼裝方式來選擇合適的傳感器。

在進(jìn)行管片拼裝之前首先要獲取預(yù)埋傳感器的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中要保證預(yù)埋傳感器的自由狀態(tài)，對于初始值的采集往往會被分為3次。而在隧道貫通使用之后就可以運(yùn)用自動采集系統(tǒng)來進(jìn)行連續(xù)采集，在數(shù)據(jù)采集的過程中要注重將施工因素的影響降到最小，以此來獲取盾構(gòu)隧道在運(yùn)營的過程中襯砌結(jié)構(gòu)外荷載以及內(nèi)力響應(yīng)的具體分布規(guī)律[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 襯砌結(jié)構(gòu)外荷載測試結(jié)果與分析

首先是對于水土總壓力的測試結(jié)果和具體分析。在測試的過程中會運(yùn)用預(yù)埋土壓力計(jì)來獲取垂直于襯砌結(jié)構(gòu)的外荷載，在排除施工因素影響的情況下往往將水土總壓力作為荷載。在對測試結(jié)果進(jìn)行分析之后可以得出一個(gè)結(jié)論，即可以根據(jù)土壓力計(jì)的測試結(jié)果來分析襯砌結(jié)構(gòu)水土總壓力和時(shí)間的關(guān)系。

2.2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布及其作用規(guī)律分析

在計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的過程中要運(yùn)用的基本原理在于鋼筋應(yīng)力計(jì)所測試到的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)外弧面主筋的應(yīng)力。在測試過程中往往認(rèn)為襯砌結(jié)構(gòu)的主筋應(yīng)力數(shù)值為-40至4MPa，大多數(shù)情況下測試結(jié)果為負(fù)數(shù)，但不排除截面存在拉應(yīng)力的情況。在測試過程中可以保證襯砌結(jié)構(gòu)處于彈性受力的階段，以此來計(jì)算相應(yīng)的內(nèi)力。

3 結(jié)語

本文主要分析了在實(shí)際施工過程中要如何獲取軟土地基大直徑地鐵盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)置了相應(yīng)的現(xiàn)場測試方案，在測試的基礎(chǔ)上得出相應(yīng)的測試結(jié)果，通過對測試結(jié)果進(jìn)行分析可以知道理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測試的結(jié)果往往會存在偏差，因此在計(jì)算的過程中要注重不斷優(yōu)化計(jì)算模型，從而提高數(shù)值測試的精確性。