盾构下穿高铁路基模型试验系统设计

张春雷, 刘 勇, 吴薪柳, 樊浩博

(1.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308;2.石家庄铁道大学 土木工程学院, 河北 石家庄 050043)

随着城市轨道交通的发展,出现了很多下穿工程。盾构下穿高铁路基相比于其他普通建筑,其案例较少,为保证地铁施工正常进行,同时保证上方高铁顺利运行,对盾构施工提出了更高的控制要求。

目前,关于盾构下穿既有建筑物的研究方法主要为理论解析[1-2]、数值模拟[3-5]以及模型试验。理论解析法简化许多条件,所得数学公式只能预测一般规律,但也具有一定实用性;由于地层条件复杂,数值模拟法对地层条件模拟单一,因此只能得到一般规律,但其高效性远优于模型试验;模型试验相比于理论解析及数值模拟,更具真实性与直观性,是解决地下施工问题的一大重要手段。

张子新等[6]采用自主研发微型盾构平台研究软土条件盾构掘进土体稳定性,发现地层影响范围约为1倍洞径。朱合华等[7-9]为研究土压平衡盾构在软土地层中施工的适应性,以相似理论为依据,采用Φ400 mm模型盾构机在2.4 m×2.4 m×1.2 m的试验土箱中开展了软土地层下的盾构掘进试验,得出土仓压力与排土效率、单位时间排土量与推进速度、排土效率与地表位移、推力和扭矩之间的内在联系,以及隧道埋深、刀盘开口率、推进速度对推力和扭矩的影响。何川等[10-12]采用Φ520 mm土压平衡式盾构模型机,实现了完整意义上的掘进模拟,并先后使用该盾构机开展了盾构开挖对邻近桩基础、既有盾构隧道结构以及黄土地层扰动的研究,研究了盾构开挖引起的既有结构物的内力及变形的发展规律,从地层沉降、地层沉降时程曲线以及地层损失参数出发研究了盾构掘进对地层扰动的特点。魏纲等[13-15]采用相似比模型试验,探究类矩形隧道施工在连续管线、非连续管线、非连续破损管线3种不同既有管线工况下的土体纵向变形情况;并采用抽管法模型试验,验证在正交、斜交、重叠以及夹穿4种工况下,类矩形隧道施工对土体的纵向变形影响。罗维平等[16]依托于武汉地铁8号线,建立模型试验,探究不同埋深下隧道施工对地层扰动的范围,并研究支护力过大过小对土体扰动范围影响。金大龙等[17]通过大型离心模型试验研究了高水压下开挖面坍塌失稳破坏模式和土、水应力变化规律。梁荣柱等[18]为探究地表堆载下盾构隧道纵向受力变形特性,采用3D打印技术制作盾构隧道模型,可以真实反映盾构隧道管片结构特点。

以石家庄地铁4号线下穿京广高铁京石段高铁路基为研究背景,相似理论为基础设计了室外模型试验,其内容包括试验箱的搭建、地层与结构相似材料配制、盾构机及隧道模型。本室外模型试验的设计方法可为以后相似类型试验提供参照。

1 工程概况

拟建石家庄市地铁4号线一期工程涉铁段(AK14+000～AK17+700),与京石高铁交角120°。地层主要由杂填土、新黄土、粉质黏土、细砂、中砂和粗砂层组成。其中,杂填土层厚2.4 m,新黄土层厚2.5 m。粉质黏土层厚13.8 m,其黏聚力25 kPa左右。细砂黏聚力10 kPa左右,中粗砂层黏聚力近乎为0,细砂、中粗砂和粗砂总厚15 m,盾构隧道主要从细砂、中砂、粗砂层中穿越。京石高铁该段地基采用管桩加固,桩长18 m,管桩正方形布置,桩间距2.4 m。桩顶铺设0.15 m厚碎石垫层,垫层顶设0.7 m厚C30钢筋混凝土U型槽。地铁与高铁位置关系如图1所示。

2 模型试验相似关系

本次相似试验所涉及的主要物理量:①土体特性。含水率w、土体压缩模量Es、黏聚力c、内摩擦角φ、土体重度γ。②“盾构-土体-既有结构”系统。既有结构与盾构间土体厚度H、盾构直径D、盾构开挖的地层损失率ξ、盾构推进速度v、既有结构厚度d、刚度EI。③因变量。既有结构竖向变形δ。

以相似第二定律量纲分析法作为相似准则,力F、长度L和时间T为基本物理量,牛顿、米和秒为基本单位,该模型试验中各物理量的关系为

δ=f(w,Es,c,φ,γ,H,D,ξ,v,EI,d)

(1)

(2)

式中,a1、a2、a3,…,a11分别为物理量w、Es、c,…,d的指数。

式(1)中各物理量的量纲为:[δ]=[L],[w]=[F0L0T0],[Es]=[FL-2],[c]=[FL-2],[φ]=[F0L0T0],[γ]=[FL-3],[H]=[L],[D]=[L],[ξ]=[F0L0T0],[v]=[LT-1],[EI]=[FL2],[d]=[L]。将各物理量的量纲代入式(2)中可得

[L]=[(FL-2)a2,(FL-2)a3,(FL-3)a5,La6,La7,(LT-1)a9,(FL2)a10,La11]

(3)

根据量纲均衡性原则,各指数量关系的联立方程

(4)

对式(4)进行变换可得

(5)

将式(5)代入式(2)可得

(6)

进一步变换式(6)可得

(7)

式(7)中各项都是无量纲的,并且式(7)右侧各项都是自变项,左侧是因变项。式(7)中的各项即为所求的相似判据,将其改写为函数形式为

(8)

根据白金汉定理,如果要保证模型与原型相似,则必有

(πi)p=(πi)m(i=1,2,3,…,10)

(9)

式中,下标p为原型;m为模型。

考虑到开挖直径1.2 m模型盾构机已制造完成,而实际工程中拟采用开挖直径6 m盾构机,因此确定试验几何相似比为1∶5。根据相似常数的概念,可得到试验涉及物理量相似比,见表1。

表1 试验涉及物理量相似比

3 模型材料制备

3.1 地层相似材料配制

实际施工过程时穿越的地层条件复杂多变,不易于在试验中复现,因此决定将实际地层等效为黏土层、中粗砂层及细砂层3种土层。根据相似关系换算后各土层物理性质见表2。

表2 地层物理性质

黏土采用试验箱开挖土、滑石粉、重晶石粉与水进行配制,配制过程中将模型土重度与含水率严格控制在表2要求范围内。不同黏土配比如表3所示。

表3 黏土试验配比

对表3中4种模型土进行直剪与侧限压缩试验,测得配比4模型土的内摩擦角为27°,黏聚力为4.1 kPa,压缩模量为2.1 MPa,满足试验条件要求。

在满足压缩模量条件下,对细砂与中粗砂进行直剪试验,测得细砂的内摩擦角为33.8°,黏聚力为1.4 kPa,中粗砂的内摩擦角为33.4°,黏聚力为5.86 kPa。

3.2 U型槽相似材料配制

实际工程中U型槽由C30混凝土与Φ28HRB400钢筋浇筑而成。经相似关系换算后,需要配制的相似材料弹性模量为6.3 GPa,强度为6.9 MPa。在常用的模型试验中,相似材料配制大多数都采用水泥砂浆来配制U型槽钢筋混凝土相似材料,水泥砂浆的强度与配制U型槽相似材料的强度最为接近,优先考虑用325R水泥和细砂来配制M7.5水泥砂浆,配制出的水泥砂浆经过实验室试验测出强度略低于6.9 MPa,但弹性模量远远大于6.3 GPa。为保证所配制的材料满足相似比,采用加入橡胶粉来降低材料弹性模量,但随着橡胶粉的加入,材料强度也随之降低,通过添加聚丙烯纤维来弥补强度损失。聚丙烯纤维可提升材料强度,并对弹性模量的影响不大。

不同配比水泥砂浆试件弹性模量及强度测定结果见表4。

表4 不同配比水泥砂浆试件测定结果

由表4可知,编号2配比试件弹性模量与强度最为接近试验要求,因此决定采用编号2配比作为结构相似材料配比。采用编号2配比,制成长6.5 m,侧面尺寸如图2所示U型槽模型。

图2 U型槽侧面示意图(单位:mm)

3.3 管桩相似材料配制

石家庄地铁4号线下穿高铁路基段土层中采用外径40 cm、内径20 cm、长18 m管桩进行加固,管桩中心间距为2.4 m;管桩外径材料由C80混凝土制成,堵头部分则由C30混凝土制成。根据相似关系换算,试验用管桩外径应为8 cm,内径应为4 cm,长度应为3.6 m,中心间距为0.48 m。

考虑到试验操作便捷性,决定选用空心铝管桩作为管桩相似材料,铝管桩所需壁厚根据抗压刚度等效公式计算,公式为

CECA(E1A1+E2A2)=E3A3

(10)

式中,E1为管桩外径材料弹性模量;E2为管桩堵头材料弹性模量;E3为铝管弹性模量;A1为管桩外径材料面积;A2为管桩堵头材料面积;A3为铝管材料面积。

根据式(10)计算得出所需空心铝管桩厚度为2.135 mm,因此决定选用规格为外径8 cm、厚度2 mm、长3.6 m的空心铝管桩作为管桩相似材料。

4 模型试验设计

4.1 试验箱搭建

对场地尺寸、试验设备等条件进行综合考虑后,设计了长13 m、高8 m、宽7 m的模型试验箱。采用基坑开挖与钢板拼接方式搭建,箱体正面中间预留直径1.4 m孔洞为隧道所在位置,隧道模型底部距试验箱底部0.5 m,试验箱见图3。

图3 试验箱示意图及现场布置图(单位:mm)

4.2 盾构机及隧道模型

为更好地模拟盾构的掘进过程,尽量减小人为操作的影响,试验专门开发了一种模拟盾构开挖的半自动装置Φ1.2 m土压平衡盾构机。

Φ1.2 m土压平衡盾构机刀盘扭矩为35 kN·m,推进系统配置4条推进油缸,每条推力为375 kN,总推力达到1 500 kN,能够实现土体掘削、螺旋出土、盾构推进等功能。

试验主要考虑盾构掘进对既有U型槽的竖向影响,而隧道刚度对此影响较小,因此采用钢管片模拟隧道衬砌。钢管片间嵌入规格为7 mm×6 mm橡胶止水条,并采用高强度螺栓连接;钢管片上预留有注浆孔,用于盾尾脱出时向外注入水泥砂浆弥补地层损失。

4.3 材料填筑

以隧道拱顶距管桩底部0.6 m为例,将试验箱底部视为材料填筑起点。首先填筑1.7 m粗砂至预定管桩底部深度,在既定位置按0.48 m间距固定好管桩后填筑1.1 m细砂,再填筑2.5 m黏土并将U型槽吊装至既定位置,最后在U型槽两侧装填0.6 m黏土。

4.4 测点布置

模型试验测点分为地表测点、地中测点及结构测点3类。地中测点采用测管加测线的方式,将0.5 mm钢绞线、铁片与直径10 mm刚度足够大的铁管制成地中测量装置,钢管的作用是保护钢绞线,使其与土体不产生接触,刚度较大的钢管可以保证不会因为土压力而变形。地中测点埋置时,首先采用洛阳铲对预定测点位置钻孔至预定深度,其次将铁片紧挨测管放入孔洞,最后用土将孔洞填实。

地表测点与地中测点布置相似,在地表挖5 cm深坑埋置铁片即可。地表及地中测点布置完成后,将钢绞线顺着滑轮固定在横向放置的位移计尾部,由于钢绞线是竖向的,位移计是横向布置的,所以需布设一个滑轮,将钢绞线传递的沉降改变方向,位移计要与滑轮、钢绞线在同一平面保证其测量的准确性。

结构测点垂直布设在结构表面,由于结构表面凹凸不平,因此在结构测点布置前将结构表面打磨平整。

本次试验分别采用精度0.001 mm的YHD-5与YHD-10 2种型号位移计,地中测点采用YHD-10型,地表及结构测点采用YHD-5型。以隧道拱顶距管桩底部0.6 m为例,测点布置示意图见图4。

图4 测点布置示意图(单位:mm)

5 试验流程

(1)盾构始发阶段。盾构机吊装至盾构始发井,连接反力架,拼装负环管片,并安装限位块防止盾壳反转。预先注一罐膨润土泥浆,判断盾构机控制系统以及注浆泵是否工作流畅。保证土仓压力平衡,每掘进5 min注入膨润土泥浆,改善渣土的流动性与可塑性。

(2)管片拼装阶段。管片拼装采用5片钢管片拼装,并用高强度螺丝连接。利用橡胶条作为止水条,使用结构胶把橡胶条粘在管片的环缝上,起到密封作用。

(3)盾后注浆阶段。通过盾后注浆填充管片与土体之间的孔隙,防止后期沉降。注浆采用卧式注浆泵,浆液采用水泥砂浆搅拌罐进行搅拌,保证浆液混合均匀,并且防止浆液凝固。

(4)数据采集阶段。地面位移计布置完成后,将其电信号线连接至TZT38326E静态信号测试分析系统上,并用电脑软件实时显示信号,试验开始后每5 min自动记录一次数据。

(5)数据处理阶段。电信号传输至TZT38326E静态信号测试分析系统,对采集到的数据进行修正处理,得到测点位移数据,绘制出土体沉降折线图,分别分析U型槽结构底部、距拱顶1.8 m地层处、距拱顶0.5 m地层处的土体沉降规律。

6 试验结果分析

盾构试验结束后,经过数据处理阶段将位移计电信号处理为土体沉降数据。拱顶距桩底0.6 m工况最终沉降曲线如图5所示。

图5 拱顶距桩底0.6 m工况最终沉降曲线

根据图5和表5可知,距拱顶1.8 m地层、距拱顶0.5 m地层最终沉降皆为中间沉降大两边沉降小的“V”字型曲线,沉降规律与现有理论peck公式计算的地层沉降趋势基本吻合;在开挖轴线的纵断面上,土层距拱顶距离越远,沉降越小,且随着距离拱顶越近,沉降趋势越快;在距拱顶0.2 m处土层沉降最大,U1横向监测面上的最大沉降为1.201 mm,U2横向监测面上的最大沉降为1.278 mm。

表5 不同横向监测断面最大沉降对比 mm

7 结论

盾构施工下穿高铁路基对路基的影响是地铁施工中关注的重点。由于试验条件限制,盾构施工下穿高铁路基对路基影响的试验十分欠缺。为了更精确地模拟盾构下穿对高铁路基的影响,采用大比尺模型试验,设计了一套完整大比尺模型试验方案,包括材料选取、方案设计、监测系统选取,来模拟真实盾构开挖过程。通过试验方案设计,得出结论如下:

(1)为便于试验操作,对于大比尺模型试验,不局限于模型箱,可采用基层开挖加钢板拼接方式,为保证材料填筑及后期试验对试验箱不产生较大侧向变形影响,采用较大刚度材料制作。

(2)实际施工地层条件复杂,因此可将地层条件简化后再进行地层相似材料配制,在满足压缩模量条件下,配比为开挖土∶重晶石粉∶滑石粉∶水=75∶15∶15∶7时能够满足黏土相似条件。结构相似材料配制中以控制弹性模量为主,在大比尺模型试验中,为了更好地模拟混凝土相似性,同时考虑经济性原则,可采用性能稳定、经济性比较好的材料,比如水泥、中砂、橡胶粉、聚丙烯纤维等材料。配比为325R水泥∶中砂∶橡胶粉∶聚丙烯纤维∶水∶早强剂∶减水剂=250.6∶868.5∶130.275∶2.7∶297.56∶2.855∶0.501 2能够满足U型槽材料相似条件。

(3)为了监测盾构下穿高铁路基施工过程中地层沉降,采用设计钢绞线、钢管、位移计位移测点布置方案,此方案可为大比尺地层沉降模型试验中测点布置和方案选择提供借鉴。

(4)盾构施工距离是影响既有高铁路基竖向位移的重要因素。本试验中由于试验条件限制,分析了盾构拱顶距高铁路基桩底0.6 m处的土体纵向变形情况。为了更好地指导实际工程情况,在后续研究中将继续深入探究盾构拱顶距高铁路基桩底不同深度对高铁竖向位移的影响。