考虑地裂缝影响的盾构隧道变形破坏机制试验研究.pdf

考虑地裂缝影响的盾构隧道变形破坏机制试验研究秦 璐收稿日期:作者简介:秦璐()山东莘县 助理工程师 研究方向为岩土工程:(中铁十八局集团第一工程有限公司 河北保定)摘要:为研究地裂缝对盾构隧道受力和变形特性的影响 依托郑州 号线项目 基于相似准则进行了模型试验 考虑到 种不同地裂缝工况对隧道纵向变形、管片衬砌内力和管片环间错动的影响 结果表明:地裂缝的存在使得盾构隧道变形主要分为 个阶段 依次为整体沉降阶段、不均匀沉降阶段和稳定阶段 拱顶和拱腰的错动主要发生在地裂缝位置处 由地裂缝位置处由大到小对称分布 呈现出随着地裂缝错动量增加拱顶和拱腰错动增大的一般性规律 地裂缝的存在使得拱顶位置处出现不均匀受力 受力更为复杂 在拱底位置则使得其内力增大 考虑到混凝土抗拉性能较差 应在设计时对受拉位置处进行局部加强 地裂缝上盘 环和下盘 环出现较大的管片错动 在实际工程中应对该位置处的接头进行必要加强 关键词:地裂缝 盾构隧道 模型试验 管片错动 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/引言随着城市化的推进和地下工程的发展 隧道工程越来越多 隧道变形和受力特性的一直是相关领域研究的热点王祖贤等考虑到了非匀质地基的影响 通过有限差分法研究了非匀质地基中的盾构隧道纵向变形 结果表明 非匀质地基会导致隧道出现更大的差异沉降 李媛依托实际工程案例 对隧道下穿铁路工况下的地层预处理技术进行了优化研究 韦宗科等通过二维有限元软件研究了临近基坑开挖对既有隧道的影响 冀荣华基于现场监测数据 分析了在隧道开挖过程中 隧道洞门的变化特征和受力机制 并根据分析结果提出了相应的防治措施 冯宇等通过数值模拟手段 基于高海拔隧道开挖实例 研究了不同开挖方式对隧道支护内力和变形的影响 冯国辉等提出了一种新的预测下穿临近隧道变形方法 并根据实际工程监测数据对该方法进行了验证 结果表明 该方法与传统方法相比 更接近于实测数据地裂缝的存在使得隧道施工和运营风险增加苗晨阳等依托实际工程西安地铁 号线项目通过有限元法研究了存在地裂缝时盾构隧道下穿既有管廊的影响 分析了管廊的受力和变形特征邵帅等分析了地裂缝的存在对上下盘变形的影响 并提出了相应的防止措施为研究地裂缝对盾构隧道受力和变形特性的影响 文章依托郑州 号线项目 基于相似准则进行了模型试验 考虑到了 种不同工况对隧道纵向变形、管片衬砌内力和管片环间错动的影响 模型试验概况 工程概况依托郑州地铁 号线项目 该项目工程多次穿越地裂缝带 地质条件主要为杂填土、黄土、粉质黏土、粉细砂等 表 展示了各土层物理力学性质参数 盾构埋置深度为 基坑深度约为 管片衬砌材料为 混凝土 内径为 外 径 为 幅 宽 厚 度 为 年第 期 九江学院学报(自然科学版)()(总第 期)(.)共包含 个标准块、个邻接块和 个封顶块 如图 所示 该线路与地裂缝间的夹角为左右表 各土层的物理力学参数名称粘聚力/内摩擦角/重度/()泊松比变形模量/杂填土 黄土 粉质黏土 粉细砂 模型材料和相似关系根据实际地质情况和几何尺寸 进行了相似模型试验 试验几何相似比设为 重度相似比设为 表 展示了基于相似理论得出的各物理量的相似关系表 试验各物理量相似关系名称相似关系相似比名称相似关系相似比重度基础量弯矩几何基础量粘聚力应变应力 位移层厚轴力 摩擦角剪力模量 试验中的管片材料为石膏 配比为 按照刚度等效原则 环向主筋选择直径为 的钢丝 纵筋选择直径为 的铁丝 表 展示了模型试验中的管片物理力学参数与原型对比情况表 模型试验管片物理力学参数与原型对比参数模型值对应原型值原型值弹性模量/单轴抗压强度/根据相对位移原则 通过钢棒对管片环进行连接 通过在管片外侧设置凹槽来模拟环向接头通过抗弯刚度相似原则确定凹槽深度 依据前人研究成果 开槽圆心角设为 研究方法试验主要研究的内容是地裂缝对盾构隧道力学和变形特性的影响 因此 该模型试验的荷载来自于土体 试验用土来自郑州 号线施工现场的扰动土 通过分层的方式进行填筑 在每层填筑完毕后进行重度和含水率测试 以期达到实际效果依据地裂缝特征 通过粉细砂对地裂缝进行填充 根据实际情况 地裂缝与隧道轴线夹角设为 地裂缝倾角设为 图 为盾构隧道模型示意图 隧道纵向总计 环 上盘为 环 下盘为 环 与地裂缝相交为 环 总长度为 在模型箱地表处布置大量位移计 在管片周围布置有应变片 包括环向应变片和纵向应变片 衬砌内力通过所测得的应变大小进行计算 此外 在隧道拱顶和拱底外侧布置有土压力盒 地裂缝错动量共 各分量 分别为、和 以研究地裂缝的存在和错动量大小对盾构隧道受力和位移的影响图 盾构隧道模型示意图 结果分析与讨论 隧道纵向变形图 展示了不同工况下各管片的拱顶竖向沉降情况 地裂缝位置为第 管环 从图中可以看出 同一工况下 出现地裂缝后 盾构隧道变形主要分为 个阶段 以、环为分界 依次为整体沉降阶段、不均匀沉降阶段和稳定阶段 在整体沉降阶段 各管片沉降值较大 且管片间的差异沉降较小 环之后进入不均匀沉降阶段九江学院学报(自然科学版)年第 期在该阶段 随着管片环数的增大管片竖向沉降减小 各管片间存在沉降差异 即不均匀沉降发生 环后进入稳定阶段 各环的沉降较小 接近于未出现地裂缝的工况 隧道整体在纵向发生了弯曲变形 又因为隧道管片间的螺栓存在 使得环与环之间容易出现相互错动同一环数下 随着地裂缝错动量的增加盾构隧道拱顶沉降增大 拱顶沉降与地裂缝错动量呈现正相关关系 可见地裂缝的存在使得隧道变形增加 导致其安全性降低 与此同时 隧道拱顶沉降峰值小于地裂缝错动量 这种现象说明地层与隧道间的沉降并不同步 进一步增加了隧道的负载 导致出现一定的断裂风险图 不同工况下各管片的拱顶竖向沉降 管片衬砌内力管片的衬砌内力是通过测得的管片应变计算获得 计算公式如下:内外()()内外()()其中 表示管片衬砌的弹性模量 表示管片厚度 表示管片幅宽图 展示了沿隧道纵向隧道衬砌轴力变化情况 图 ()为拱顶轴力沿隧道纵向变化曲线图 ()为拱底轴力沿隧道纵向变化曲线从图 ()中可以看出 同一工况下 拱顶轴力在靠近地裂缝位置处较大 即拱顶轴力峰值普遍出现在 环上下 地裂缝之前隧道的上盘拱顶衬砌轴力普遍受拉 下盘受压 不同工况下未出现地裂缝错动量越大轴力数值越高的一般性规律 上盘轴力数值最大的为地裂缝错动量 工况 轴力峰值达到了 下盘轴力数值最大的为地裂缝错动量 工况 轴力峰值达到了从图 ()可以看出 同一工况下 拱顶轴力在靠近地裂缝位置处较大 与拱顶轴力相反拱底轴力在上盘受压 下盘受拉 相较之下 拱底轴力表现出了更为明显的规律性 错动量越高拱底轴力数值越大 上下盘轴力峰值最高的均为地裂缝错动 工况 且受力相对均匀 上盘峰值 下盘峰值为 从数值而言 拱底轴力数值相对于拱顶更大总体而言 地裂缝的存在使得拱顶位置处不均匀受力 使其受力更为复杂 而在拱底位置则使得其内力增大 在第 环的拱顶位置和第 环的拱底位置出现了较大的拉应力 考虑到混凝土抗拉性能较差 应在设计时进行必要的局部加强()拱顶()拱底图 沿纵向衬砌轴力变化曲线图 展示了不同工况下沿隧道纵向的衬砌弯矩变化曲线 图 ()为拱顶处弯矩纵向变化曲线 图 ()为拱底处弯矩纵向变化曲线第 期 秦璐 等:考虑地裂缝影响的盾构隧道变形破坏机制试验研究从图 ()中可以看出 同一工况下 上盘距离地裂缝位置越远 拱顶的弯矩数值越大 下盘距离地裂缝越近 拱顶弯矩数值越大 不同工况下 在同一管片处 地裂缝错动量越大弯矩越大 拱顶弯矩与地裂缝错动量呈现正相关关系从图 ()中可以看出 同一工况下 拱底弯矩值距离地裂缝位置较远时较小 随着管片环数的增加 环之后拱底弯矩值逐渐增大 在 环达到峰值 与拱顶相同 地裂缝错动量越大拱底弯矩越大 拱底弯矩与地裂缝错动量呈现正相关关系 从数值而言 拱底弯矩数值更大 接近拱顶弯矩的两倍 呈现出与轴力相近的趋势 即地裂缝的存在使得拱顶位置处出现受力不均匀拱底位置处出现更大弯矩()拱顶()拱底图 沿纵向衬砌弯矩变化曲线 管片环间错动图 展示了不同工况下环间竖向错动纵向变化情况 图 ()为拱顶位置处的竖向错动情况 图 ()为右拱腰位置处的竖向错动情况从图 ()中可以看出 同一工况下拱顶环间的竖向错动主要发生在地裂缝位置处 由地裂缝位置处由大到小对称分布 不同工况下 地裂缝错动量越大 拱顶的环间竖向错动越大 呈现出随着地裂缝错动量增加拱顶竖向错动增大的一般性规律 在地裂缝错动量为 工况下 其拱顶环间竖向错动达到了 此外 随着地裂缝错动量的增加 拱顶的竖向错动差异更大 即增加速率越来越高从图 ()中可以看出 与拱顶环间竖向错动规律相近 右拱腰环间的水平错动峰值亦为地裂缝位置处 大小由地裂缝位置处由大到小对称分布 并且数值与地裂缝错动量大小呈现正相关趋势 在地裂缝错动量为 工况下 其右拱腰环间水平错动达到了 从数值而言 同一工况下 拱顶的竖向错动较大 右拱腰的水平错动规律较为明显但数值不大 约为竖向错动的()拱顶竖向错动()右拱腰水平错动图 不同工况下环间错位纵向变化曲线整体而言 地裂缝的存在使得上盘 环和下盘 环出现较大的管片错动 在实际工程中应对九江学院学报(自然科学版)年第 期该位置处的接头进行必要加强 结论为研究地裂缝对盾构隧道的影响 依托郑州 号线项目 基于相似准则进行了模型试验 考虑到了 种不同地裂缝工况对隧道纵向变形、管片衬砌内力和管片环间错动的影响 得出主要结论如下:()地裂缝的存在使得盾构隧道变形主要分为 个阶段 依次为整体沉降阶段、不均匀沉降阶段和稳定阶段 在整体沉降阶段 各管片沉降值较大 且管片间的差异沉降较小 不均匀沉降阶段随着管片环数的增大管片竖向沉降减小 各管片间存在沉降差异 稳定阶段种各环的沉降较小 接近于未出现地裂缝工况()地裂缝在拱顶位置处造成了不均匀受力使其受力更为复杂 在拱底位置则使得其内力增大 考虑到混凝土抗拉性能较差 应在设计时对受拉位置处进行局部加强()拱顶和拱腰的错动主要发生在地裂缝位置处 从地裂缝位置处由大到小对称分布 地裂缝错动量越大 拱顶和拱腰的环间错动越大 呈现出随着地裂缝错动量增加拱顶竖向错动增大的一般性规律()地裂缝上盘 环和下盘 环出现较大的管片错动 在实际工程中应对该位置处的接头进行必要加强参考文献:邵珠山 席慧慧 乔汝佳 等.运营隧道衬砌裂损与治理修复措施研究综述/.现代隧道技术 ().刘波 章定文 杨文辉 等.基于多案例统计的基坑开挖引起的下卧既有隧道隆起量预测公式及其工程应用.中南大学学报(自然科学版)():.巩江峰 唐国荣 王伟 范磊.截至 年底中国铁路隧道情况统计及高黎贡山隧道设计施工概况.隧道建设(中英文)():.中国公路学报 编辑部.中国交通隧道工程学术研究综述.中国公路学报 ():.王祖贤 施成华 曹成勇 等.非均质地基中盾构隧道的纵向变形分析/.铁道科学与工程学报 ():.李媛.盾构隧道连续下穿多股铁路地层预处理技术研究.铁道建筑技术 ():.韦宗科 陈健 陈斌 等.软土基坑开挖对临近既有隧道变形影响研究.人民长江 ():.冀荣华.缓坡浅埋隧道洞门变形及治理措施研究.铁道建筑技术 ():.冯宇 唐世强 胡俊.高海拔特长隧道斜井上联络风道不同开挖方式对比分析.公路 ():.冯国辉 徐长节 郑茗旺 等.考虑轴向内力时盾构下穿引起的既有隧道变形响应分析.东南大学学报(自然科学版)():.苗晨阳 黄强兵 苟玉轩 等.地裂缝场地盾构隧道下穿施工对既有管廊的影响研究.现代隧道技术 ():.邵帅 邵生俊 佘芳涛 等.地裂缝对隧道衬砌结构的作用和工程措施.岩土工程学报 ():.(责任编辑 罗江龙)第 期 秦璐 等:考虑地裂缝影响的盾构隧道变形破坏机制试验研究