砂性地層地鐵盾構隧道荷載與結構行為現場試驗研究

【摘要】通過對地鐵區間盾構隧道施工過程的監測，探明盾構區間隧道實際作用于管片的土水壓力量值的相互作用規律，并以此為基礎，研究了盾構隧道管片在不同階段的相應的內力特征。
【關鍵詞】盾構隧道 地層作用規律 內力特征

1 前言
為探明盾構施工條件下的地層及地下水對盾構管片的作用規律，研究實際作用在盾構主體結構上的土水壓力的量值及規律，研究盾構隧道主體結構與地層的相互作用特征，特結合現場盾構隧道的施工，對盾構法施工過程進行了監測。全過程地監測作用于管片的實際土水壓力及其變化過程，以及相應各階段的內力值的變化過程，并研究了管片的內力特性。
因砂性地層具有其特定的施工復雜性，并且在日前我國的沿海有廣泛的代表性，特選取砂性地層并結合現場施工進行施工全過程監控測試。
測試研究對象為南京地鐵南北線一期工程許府巷至南京站區間盾構隧道。選取的隧道主體結構處于粉砂、粉砂夾細砂地層，有較高的地下水位，地質條件復雜。隧道洞身位于粉砂夾細砂，上覆地層主要為粉砂夾細砂、粉土，表層為淤泥及淤泥質填土(流塑)，具體的地質資料見圖1。
本次測試現場的管片的拼裝方式是采用45度錯縫拼裝。

2測試內容及測點布置簡介
2．1 測試元件簡介
土壓力的測定采用XYJ-3型，量程為0．3MPa，振弦式土壓力盒；孔隙水壓的測定采用XJS-2型，量程為0．2MPa，孔隙水壓計。管片的環向變形采用XJH-2型振弦式鋼筋應變儀測定，規格為40MPa。裂縫張開度的測試儀器采用鋼弦傳感器，型號為XJW-2-B型，規格為30mm。所有的測試元件均采用zx-2型頻率巡檢儀接收變形頻率。
2．2測試內容及測點位置圖
2．2．1作用在隧道結構體上的土水壓測試
測試的目的主要為探明盾構管片在實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律。

2．2．3 管片鋼筋內力測試
測試目的為研究在實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內力值及變化過程。
2．2．3 管片接縫張開度測試
測試目的是為了具體考察管片在實際受到地層的作用后，環縫的具體張開度及在施工中受力后的變化規律。
3 作用于管片的土水壓力及內力分布規律
3.1孔隙水壓力作用與分布規律
測點孔隙水壓分布規律從現場測試得到的典型的水壓力分布曲線(見圖5)可以明顯看到，伴隨著管片的脫環過程，水壓力很快的上升到一個峰值，但隨著時間的推移，水壓力有一個明顯的下降過程，并逐漸趨于一個穩定的數值。
這一峰值現象反映了在盾構法施工的進程中，管片在脫環的瞬間承受盾尾存在由于注漿壓力的存在而形成一個局部的水壓力場，其壓力量值大于該施工段的靜水壓，由于受測試條件的制約，測得的孔隙水壓力比實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。
在管片脫環的瞬間測到的孔隙水壓，實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，也就是說測得的孔隙水壓實際上是孔隙水向四周滲透的滲透壓力。實際的注漿壓力將超過這一數值，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律：由于注漿壓力的存在，在盾尾形成一個局部的較高的滲透水壓力場，在盾構管片在脫環的瞬間迅速作用在管片上，在之后的一段時間，隨著盾構向前推進，這一壓力也逐步衰減，直至衰減到該在段的靜水壓力場。

注：因受施工因素制約，水壓力測點5的初始部分量值無法測得。
圖5 水壓力分布與作用規律圖
3．2 測試土壓力的分布規律
測試土壓力在脫環過程中，迅速增長，這與測試孔隙水壓的增長非常相像。在注漿這一過程中，土壓力伴隨著水壓力上升，同時作用于管片，隨著盾構機的向前推進，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的。

注：因受施工因素制約，土壓力測點5的初始部分量值無法測得。
圖6 土壓力分布與作用規律圖
由此不難從中得出結論，由于注漿的作用，在盾尾有一個較高的土壓力區，在盾構管片在脫環的瞬間，作用在管片上。隨著盾構向前推進，這一土壓力在孔隙水的擴散，逐漸壓密，孔隙率降低，土壓力也逐漸衰減。
3．3盾構管片在土水壓力作用下的軸力分布規律
從測點的軸力的增長曲線來看，在脫環的過程中增長較快，多點的增長量達到了最終軸力的80％～90％，這反映了由于注漿壓力的存在，致使盾構管片受荷較快的特性。脫環結果后，管片的軸力仍有一定的增長，這說明地層在這一段時間內仍有一定的變形變位，并且逐漸趨于穩定。本圖的時間軸上的脫環過程歷時較長，是因在施工過程中因發生盾構機具故障，導致脫環過程延長。

圖7 軸力分布與增長曲線
從典型的軸力增長分布的曲線來看，在脫環開始到1／3～2／3的過程，軸力的增長躍性較大，主要是由于管片的受壓不均勻，變形不穩定，縱向接頭在這一過程中，承受的剪力也表現為不穩定，它也體現了管片在這一過程中受力及內力增長的復雜性。但在管片脫環完成之后，軸力的分布就表現為穩定增長，但這一增長的量值只有軸力量值的10％左右。由此，在管片脫環前后，受地下水和土壓的聯合作用過程，是復雜，是受力較為不利的。但脫環完成后，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律
正彎點的彎矩增長在脫環過程完成后，各點增長量基本達到總增長量的80％～90％，這與管片脫環瞬間受到的土水壓力相對應，很好地反映了脫環后的注漿壓力的影響，軸力在瞬間增長至一個很大的量值。負彎點的增長在脫環過程中的一個較大的增長，曲線較為陡峭；在脫環之后彎矩仍有一個較大的增長，在圖上顯示是—個相對緩和的增長曲線。這說明在脫環的過程完成后，負彎矩的增長分為兩個有差異的增長過程。相對地較快的過程，與脫環瞬間的土水壓力和脫環過程的軸力增長相對應；后期的相對緩和的增長則與地層的變形、變位相對應，這表明在盾構管片在受力后，周圍地層有一個相對緩慢的變形過程。

盾構在脫環后，由于受注漿壓力的存在，致使在盾尾形成一個較高的土水壓力區，在管片脫環的瞬間作用在管片上，隨著盾構的向前推進，這一土水壓力也逐漸衰減。在這一過程中，管片的軸力彎矩在脫環的瞬間增長很快，其中軸力在瞬間的增長量達到最終軸力的80％-90％。同對彎矩的增長分為兩部分，正彎矩脫環瞬間的增長量達到最終彎矩的80％～90％，此后逐漸趨于穩定；而負彎矩的增長在脫環瞬間的迅猛增長之后，由于受地層變形變位的影響，彎矩在逐漸發展，而在這一過程中軸力的增長量很小。
4 結論分析
根據在透水性良好的砂性土地層的現場測試分析，可得出如下初步結論：
(1)在盾構施工過程中由于受注漿壓力的影響，在盾尾部存在一個近于等值的土水壓力場，這一壓力場的量值大約在0．2MPa左右，在管片脫環時，瞬間作用在管片上，使管片的軸力猛增至800-1000m，此時管片的彎矩增長遠不如軸力明顯。但此過程中的徑向壓力所引起的軸力迅速增長是對管片的受力是有利的。按目前施工中采用的同步注漿壓，對隧道結構無不良影響。
(2)隨著盾構機推進，盾構隧道上作用的壓力值逐漸衰減，向靜水場和土壓力共同組成的壓力模式下發展。這一過程中伴隨的是軸力的微量增長及負彎區逐漸增大，但其絕對量值并未超過極大的正彎點而成為控制設計的內力值。設計可不計及施工期間注漿壓是偏于安全的。
(3)穩定后的軸力和彎矩值與9m埋深土柱壓力(1．5倍的洞徑)的理論計算彎矩及軸力值接近，
且實測值良好地反映出了管片拼裝的錯縫效應，即附加彎矩及軸力分布的不連續性。與理論分析的結果趨勢一致。說明在類似的地層條件下，應按土水分離的計算方式，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算。