盾构隧道错缝拼装施工对地表沉降影响的研究

王 哲,陈启功,张凯伟,王家炜,李 强,许四法*

(1.浙江工业大学建筑工程学院,浙江 杭州 310032；2.中铁十九局集团轨道交通工程有限公司)

盾构法修建隧道于1823年发明于英国的伦敦,至今已近200年的历史,由于其适应各种复杂地基和对地面干扰小的特点,使其在城市地下空间的开发中取得了巨大的成功,我国使用盾构隧道技术已有50余年的历史[1],在盾构隧道技术发展过程中,采用通缝衬砌拼装方式还是错缝衬砌拼装方式就一直存在着讨论,自20世纪60年代起,日本便大力发展盾构法隧道施工,日本学者村上博智、小泉淳[2]提出错缝拼装具有纵向加强效应后,日本在盾构隧道施工中便开始普遍采用错缝拼装方式。P.M.Donde(1992)[3]提出了分析错缝拼装衬砌的结构计算模型,模型中创造性的用一个虚拟连杆来模拟纵向螺栓,朱合华(2000)[4]为了探究错缝衬砌拼装和通缝衬砌拼装下环间接头纵向加强作用的不同,使用了梁—接头不连续剪切模型。刘建航[5]提出采用错缝衬砌拼装时,衬砌的接缝防水更易处理,错缝衬砌拼装是比通缝拼装是更优的衬砌拼装方案,而通缝拼装使圆环接缝连成一片,接缝分布不均匀,从而增大了接缝及整个结构的变形。廖少明[6]认为在受到相同外力条件下,错缝拼装衬砌比通缝拼装衬砌的接头变形要小的多,所以在达到同等变形下,错缝拼装衬砌有更大的调整余地。

通过实践证明,采用错缝拼装衬砌的隧道在变形、防水控制方面有着独特的优越性,得到了较为广泛的应用。近年来杭州在大量的兴建地铁,计划到2020年,将建成10条地铁线,2条城际线,总里程达到将达到430公里,杭州城东及钱江新城地区存在着大量的粉砂土地区,在这种地区修建地铁较易引起地表变形等问题,为了研究错缝衬砌拼装方式对地表沉降的影响,本文选取了杭州代表性粉砂土作为试验用土,模拟盾构隧道施工过程,得出实验结果,并和有限元的模拟结果作了对比。

1 模型试验

1.1 试验相似比的选取

根据相似理论[7],制定隧道模型参数试验选取的相似比为：①几何相似比1∶38.75②模量相似比1∶29.36③弹性刚度系数相似比1∶1137.7,试验用土的内聚力、内摩擦角、泊松比保持不变,具体参数如表1所示：

表1 原型隧道、模型隧道参数

1.2 隧道模型的制作

弧形管片拼装成环,然后环与环相互连接形成盾构隧道的衬砌结构,衬砌的环与环和管片与管片之间通过螺栓或其它方式相连接[8]。隧道衬砌模型采用PE管模拟,PE管总长50cm,直径为16cm。等分为20环,每环2.5cm。同时再将每环等分为4份,每份圆心角为90°,环环之间,片与片之间用细铁丝(通过相似比的计算用细铁丝来替代螺栓)连接,错缝连接如图1所示。模型试验边界条件用钢化玻璃箱,尺寸规格为80×50×80(单位：cm),且在两面80×80(单位：cm)中间预留孔洞,孔洞尺寸半径为9cm。

图1 管片错缝连接模型装置图Fig.1 Stagger-jointed segmental lining device diagram

模型试验前,通过对原状粉砂土的实验,获取土体材料的物理力学指标,见表2所示。并制作一个圆柱形原木塞,长度为60cm。其中粗部分直径为17cm,长55cm,细部分作为手柄直径为5cm,长5cm,用来模拟施工中盾构机的推进,试验还需用到5个精度为0.01mm的百分表,配套五个精度0.001mm位移计的程控静态应变仪。

表2 土层的力学参数

1.3 试验过程及监测方案

将圆木塞装入玻璃箱预留的孔中,往玻璃箱中缓慢填土,重度的控制可采用落砂法来实现,即将砂土距离玻璃箱一定高度处(该高度应事先通过试验确定),落下,并均匀下落在土体表面[9],控制重度在19.35KN·m^(-3),直到将整只玻璃箱填满,埋土深度根据隧道直径D的1.5倍计算得出,因为管径为17cm所以埋深大致为25cm。缓缓抽动圆木塞,同时将组装好的PE管推入,每移动5cm的距离(用刻度尺控制每次移动的距离),记录一次沉降位移读数,推进过程中共记录10次。横向地表沉降监测的总监测布点如图2a、b所示,用带螺纹长钉布置15个沉降监测点,纵向监测点布置在隧道正上位置,如图3所示。

图2a 横向地表沉降监测示意图Fig.2a Cross-sectional observed surface settlements schematic diagram

图2b 横向地表沉降监测模型装置图Fig.2b Cross-sectional observed surface settlements device diagram

图3 纵向地表沉降监测示意图Fig.3 Longitudinal observed surface settlements schematic diagram

2 试验结果

2.1 隧道管片错缝布置下的各断面沉降图

采用错缝衬砌拼装的盾构隧道中,所选取的横断面3和纵断面地表沉降分别如图4,图5所示：

图4 断面3横向沉降槽曲线Fig.4 Traverse settlements trough at section 3

图5 纵向沉降槽曲线Fig.5 Longitudinal settlements trough

2.2 隧道管片通缝布置下的各断面沉降图

采用通缝衬砌拼装的盾构隧道,所取三个横断面地表沉降量大体一致,故只选取通缝布置下横断面2如图6所示：

图6 断面2横向沉降槽曲线Fig.6 Traverse settlements trough at section 2

随着木塞模拟盾构机的推进,采用错缝衬砌拼装的盾构隧道地表沉降值均匀增大,最终达到最大值,其中所取断面2的最大沉降值为0.98mm,断面3的最大沉降值为1.1mm。沉降槽的宽度为60cm,纵断面地表沉降为1.1mm。采用通缝衬砌拼装的盾构隧道横向断面地表沉降值逐渐变大,断面2的最大沉降值为1.31mm,沉降槽的宽度为60cm。错缝衬砌拼装的盾构隧道横断面地表沉降值要小于通缝衬砌拼装的盾构隧道横向断面地表沉降值,减小幅度为16%。

3 MIDAS有限元模拟

3.1 基本假定

在模型试验基础上,利用有限元软件MIDAS对盾构掘进过程进行了模拟[10-12]。对盾构掘进过程的数值模拟进行了一系列的假定,各项假定如下：

(1)地表面和各土层均呈均质水平层状分布；

(2)不考虑隧道岩体的构造应力,自重应力是唯一的初始地应力；

(3)不考虑地下水的存在,即不考虑渗流作用；

(4)忽略土体的固结和蠕变；

(5)盾构每次的掘进长度为2m；

(6)将隧道周围的围岩视为各向同性、连续的弹塑性体,土层材料的模型类型选择莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)进行计算。

3.2 数值模拟与模拟结果

模型的尺寸采用实际尺寸,模型的范围取地表为自由边界,其他五个面均限制其移动,采用位移边界条件,土体采用摩尔-库伦模型,衬砌管片采用弹性模型,自重采用钢筋混凝土管片的自重25KN·m-3,为了表现出管片的通缝错缝之间的沉降差异,管片设置为3D模型,管片与管片之间为咬合状态,对比模型试验,选取三个相同位置的横断面进行观察,采用通缝衬砌拼装的盾构隧道2、3横断面的沉降多步骤图,分别见图7～8所示,盾构隧道正上方纵向断面沉降多步骤图,见图9所示,开挖步距为2m。

图7 断面2横向沉降槽曲线Fig.7 Traverse settlements trough at section 2

图8 断面3横向沉降槽曲线Fig.8 Traverse settlements trough at section 3

图9 纵向沉降槽曲线Fig.9 Longitudinal settlements trough

采用错缝衬砌拼装的盾构隧道的1、3横断面沉降多步骤图分别见图10～11所示,盾构隧道正上方纵向断面沉降多步骤图,见图12所示,开挖步距为2m。

图10 断面1横向沉降槽曲线Fig.10 Traverse settlements trough at section 1

图11 断面3横向沉降槽曲线Fig.11 Traverse settlements trough at section 3

图12 纵向沉降槽曲线Fig.12 Longitudinal settlements trough

有限元模拟分十步进行掘进,由有限元结果可知,由衬砌拼装形式所影响的盾构隧道地表沉降,通缝管片(27mm)要大于错缝管片(23mm)。从图中可以看出,横向地表沉降随盾构的掘进,逐渐加大,但会出现增大不均匀的情况,此情况主要出现在所取断面处。当开挖掌子面离所取断面较远时,横向地表沉降槽的宽度和深度均匀增大,当开挖掌子面接近所取断面时,其横向地表沉降槽的宽度和深度增大幅值有所加大。原因是当开挖掌子面远离所取断面时,横断面上土体所受扰动较小,地表沉降增加相对均匀,当开挖掌子面靠近所取断面时,附近的土体受扰动较大,造成地表沉降有较为明显的增大。

4 结 论

通过三个断面的横向沉降槽曲线可以看出,采用错缝衬砌方式比通缝衬砌方式引起的地表沉降要小,错缝衬砌拼装形式对地表沉降影响较大。从纵向地表沉降曲线可以看出,通缝衬砌方式和错缝衬砌方式对纵向地表沉降影响差别不大,错缝拼装对盾构隧道掘进引起的纵向地表沉降影响并不明显。有限元软件分析和模型试验结果都表明了错缝衬砌拼装方式更能减小横向地表沉降。

[1]张凤翔,朱合华等.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社,2004：7-13．

[2]村上博智,小泉淳.シールドセダメトリンダの耐荷机构について[J].土木学会论文报告集,第272号,1978∶221-226．

[3]P.M.Donde,J.J.Wang.Shear transfer through bolts in segmental tunnel linings. Towards New Worlds in Tunnelling, Balkema,rotterdam,1992∶295～301

[4]朱合华,崔茂玉,杨金松.盾构法衬砌管片的设计棋型与荷载分布的研究[J].岩土工程学报,2000,22(2)：190～194．

[5]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社,1991∶4-5．

[6]廖少明,黄钟晖.关于盾构法隧道采用错缝拼装技术的探讨[J].现代隧道技术,2001(06)：19-23+28．

[7]袁文忠.相似理论与静力学模型试验[M].成都：西南交通大学出版社,1998∶112-119．

[8]刘建航,候学渊编.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社,1991：4-5．

[9]Yoo C,Shin H K. Deformation behavior of tunnel face reinforced with longitudinal pipes-laboratory and numerical investigation [J]. Tunneling and Underground Space Technology,2003,18∶303-319.

[10]王克忠,程青云,王玉培,林峰,沈一涛.粉质砂性土地基中盾构区间隧道开挖过程数值计算研究[J].浙江工业大学学报,2012,40(05)：587-590．

[11]丁伯阳,尹立奇.虚拟场地上杭州地铁隧洞开挖数值模拟对比[J].浙江工业大学学报,2009,37(06)：680-684．

[12]王克忠,王玉培,林峰,沈一涛.平行双隧道盾构法施工地表沉降仿真计算研究[J].浙江工业大学学报,2013,41(03)：300-303+308．