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《粘性地层地铁盾构隧道管片结构力学特征研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、粘性地层地铁盾构隧道管片结构力学特征研究摘 要 以南京地铁一号线为工程背景,采用现场试验的研究手段对穿越粘性地层的盾构隧道管片结构在施工全过程和稳定期的力学行为进行了系统研究,同时采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型对其进行了有限元数值模拟分析,并将结果进行比较和综合,提出了粘性地层条件下地铁盾构隧道管片结构的设计原则与方法。关键词 盾构隧道 管片结构 现场试验 数值模拟 力学分析1前 言盾构隧道单层拼装式管片衬砌结构的内力及变形计算模型,通常采用均质圆环模型[1]及考虑管片接头效应的梁-弹簧模型[2,3]。虽然梁-弹簧模型考虑了管片接头效应,但实际的荷载模
2、式及结构与围岩的作用模式等都是建立在一定的假设基础上,结果随参数取值的不同而具有较大的差异,具体的作用模式还有待进一步研究确定[2]。为探明施工过程盾构隧道管片结构的力学行为特征,本文采用现场试验的研究手段对穿越粘性地层的盾构隧道管片结构在施工全过程和稳定期的力学行为进行系统研究,并将结果与梁-弹簧模型进行比较和综合,提出粘性地层条件下地铁盾构隧道管片结构的设计原则与方法。2试验概况2.1试验断面现场试验断面位于南京地铁一号线TA15标段桩号YK13+872处,洞身位于淤泥质粉质粘土中,隧道上覆约4m厚淤泥质粉质粘土,表层为粉砂夹细砂,隧道埋深9m左右,地质概况
3、如图1所示。地铁区间盾构隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片构筑衬砌环,管片环内直径5.50m,幅宽1.20m,厚0.35m。衬砌环由6块管片组成,封顶块圆心角21.5°,2个邻接块圆心角68.0°,3个标准块圆心角67.5°,每环管片设16处纵向接头,接头按22.5°等角度布置,管片环在纵向采用45°错缝式拼装,衬砌管片环拼装及试验断面如图2所示。2.2试验内容现场试验从管片衬砌托环瞬间开始一直到各测试项目稳定为止。试验内容包括作用在盾构隧道管片结构上的土压力、孔隙水压力以及管片结构的内力:采用量程为0.3MPa的XYJ-3型刚弦式土压力盒测试土压力;采用量程为0
4、.2MPa的XJS-2型孔隙水压力计测试孔隙水压力;采用量程为3000微应变的XJH-2型刚弦钢筋应变仪测试管片内、外侧应变,通过管片内、外侧应变再得出管片的内力。2.3测点布置在试验目标环内总共布置了8个土压力、8个孔隙水压力、16对管片内力测点。测点布置如图3。水压力随施工过程的变化情况如图4所示,从图4可以看出:从目标环托环开始到其后10环管片范围内的施工中,作用在目标环上的水压力值变化较大,当施工范围达到目标环20环以外后,作用在目标管片环上的水压力值才基本趋于稳定;从量值上看,作用在盾构管片环上的水压力局部达到0.28MPa,由于目标环处的最大埋深为9
5、m左右,由此可得,孔隙水压力计在目标环托环开始到其后10环管片范围内测得的水压力还应包括作用在目标环上的注浆压力等其它荷载,图5为注浆压力稳定后最终目标管片环上的水压力分布情况。3试验结果与分析3.1水压力变化与分布规律测试目标环托环后作用在目标环管片衬砌上的从上述可以得出:粘性地层条件下,由于粘性土的渗透系数较低,注浆压力不能很快消散,粘性地层条件下在盾构管片环托环后一定范围(本文认为15环左右)内施工时,作用在盾构管片环上的水压力为注浆压力和水压力的叠加值,当施工范围达到一定距离(本文认为40~50环)以后,随着注浆压力的逐渐减小,作用在盾构管片环上的水压力
6、逐渐稳定直至接近理论静水压力场的数值。3.2土压力变化与分布规律测试目标环托环后作用在目标环管片衬砌上的土压力随施工过程的变化情况如图6所示,从图6可以看出:与水压力的变化规律基本相同,从目标环托环开始到其后10环管片范围内的施工中,作用在目标环上的土压力值都较大,同时土压力值的变化幅度也都比较大,当施工范围达到目标环30环以后,作用在目标管片环上的土压力值才基本趋于稳定。图7为最终作用在目标管片环上的土压力情况。从上述可以得出:粘性地层特定条件下,管片衬砌受盾尾注浆压力及浆液硬化后形成的包裹层等因素的制约,盾构管片环托环后在一定范围(本文认为15环左右)内施工
7、时,作用在该管片环上的土压力值为注浆压力和土压力的叠加值,当施工范围达到一定距离(本文认为60环)以后,随着注浆压力的逐渐减小,作用在盾构隧道管片上的土压力才逐渐趋于稳定;也就是说粘性地层条件下,施工过程中地层基本稳定的基本条件是离施工环的距离达到60环以上,或者约12~14天以上。3.3管片内力变化及分布规律测试目标环托环后目标环管片内力(轴力和弯矩)随施工的变化情况如图8和图9所示,由图8和图9可以看出:目标管片环脱环后由于受千斤顶推力、注浆压力、地层压力和拼装方式等共同作用,在多数位置均有较大的内力,但随着盾构机不断向前推进,千斤顶顶力和注浆压力逐渐减小,
8、目标环管片内力值逐渐减小
