盾构隧道施工过程中管片内力的研究
2010-12-14 20:51
盾构隧道施工过程中管片内力的研究
【摘 要】在北京地铁5号线北新桥-雍和宫左线区间隧道试验段,选取3个不同地质情况的测试断面,进行盾构施工过程中管片内力研究。结果表明,在盾构施工过程中,从管片结构形成局部稳定状态到最终与地层之间形成平衡状态,管片的内力不断调整、变化;管片在尾板保护范围之内时,管片在左右45°方位和拱底处轴力较大;管片脱离尾板保护后,土体和填充浆液对管片产生作用,使管片内力迅速增加,增幅最大达30%~40%,此时是装配式管片单层衬砌安全的关键时刻之一;地质情况对管片轴力有较大影响,在粉土层中管片轴力大,在砂土和卵石地层中管片轴力较小;地质情况对管片弯矩的影响不明显;注浆效果对脱离尾板保护管片的内力有直接影响,提高注浆效果可使管片受力均匀,提高管片的耐久性。
【关键词】管片内力;盾构隧道;施工过程;地下铁道
由于盾构法修建隧道对周边环境影响小[1-6],因此在现代都市的地铁建造中越来越广泛地使用盾构法。北京地铁5号线是北京地区首次采用盾构法施工的地铁工程[7]。为掌握盾构隧道在施工中及施工后管片内力的变化规律,为设计参数进一步优化提供依据,在地铁5号线沿线设置试验段,通过现场测试,研究不同地质情况下盾构施工过程中管片的内力。
1、现场试验简介
试验段选取北新桥—雍和宫左线区间隧道,全长1 688 m,隧道顶埋深9·68~15·26 m,主要穿越的地层有粉细砂层、中粗砂层和黏土层,试验段的地层剖面如图1所示。地下水位埋深约为14·5m。试验段采用德国海瑞克生产的直径6·2 m土压平衡盾构机施工。盾构隧道采用圆形装配式管片单层衬砌,内径为5·4 m,外径为6 m,管片厚度0·3 m,管片环宽1·2 m,环向分为6块,采用螺栓连接,错缝拼装,其断面如图2所示。
管片内力通过振弦式钢筋应力计测试相应位置钢筋应力间接得到。
根据试验段的地质状况,选取3个断面(位置见图1)进行盾构隧道施工过程管片内力测试。测试时间选取能代表各施工阶段管片受力的2环安装完毕、过1环、过2环、过3环、过4环和距测试环60 m的时刻。被测环的里程及地理位置见表1。为使测试数据具有典型性和代表性,在每一被测环的内、外侧均匀布设8个钢筋应力计,测点具体位置如图2所示。
2、结果及分析
图3、图4和图5分别给出了3个被测环各测点随盾构向前推进到不同位置时的测试结果,规定拉应力为正,压应力为负。
2·1 管片与地层之间的相互作用
由图3、图4和图5可知,随着盾构机的推进,管片内力在时间和空间上都发生着改变, 从管片结构形成的局部稳定状态到最终地层与结构之间的平衡状态需要1个过程。每个测点测试数据的变化都存在加速段、减速段和再加速段。当管片拼装完毕形成整环、且在尾板保护范围之内时,管片自身内力平衡,此时管片内力变化不大。当管片脱离尾板保护时,土体及填充浆液对管片产生作用,管片外部压力骤然加大,管片内力也随之增加,此时为加速段,变化速率最大,最高增加幅度达30%~40%左右,是管片整个受力过程的关键时刻之一。随着管片外部注浆压力值恒定,外部压力保持平衡,压应力缓和,结构自身进行调节,内力重新分布,管片内力值出现小幅回落,形成减速段,甚至持续稳定一段时间,即管片结构形成局部稳定状态。随着管片内力调整,周围地层也产生变形,而且向上逐渐传递,作用在管片上的地层荷载增加,管片内力也随之加大,进入再加速段。从监测结果来看,再加速段需要持续较长时间(2~3个月以上),才能达到稳定状态,即最终的地层与结构的平衡状态。
2·2 管片内力
依据测点的测试结果,可以求得对应测点位置处的管片轴力和弯矩。钢筋应力乘以其截面积可以得到钢筋轴力,取内、外侧钢筋轴力的平均值作为管片的轴力,内、外钢筋轴力差乘以二者之间距离得相应测点位置处管片弯矩。对于测点之间的管片内力,采用三次样条插值进行确定,这样不仅保证曲线连续,而且曲线的曲率也连续(具有连续二阶导数)[8]。图6、图7和图8分别给出了3个被测环管片的轴力及弯矩分布。
由图6—图8可以得到以下几点。
(1)在2环安装完毕,过1环时,测试环处在尾板保护范围之内,由于管片拼装完毕,测试环已经封闭,管片在自身重力作用下,顶部0°位置处的水平轴力较小,结构自身重力传向两侧腰部,竖向力远远大于水平方向力,在左右45°方位处竖向轴力增大,拱底部180°位置附近受管片自重的影响,水平轴力较大, 1#被测环管片的最大轴力为-425·63 kN,位于315°处; 2#被测环管片的最大轴力为-63·56 kN,位于180°处; 3#被测环管片的最大轴力为1 114·85 kN,位于45°处。从相应弯矩图看, 1#被测环管片的最大正弯矩为26·38kN·m,位于180°处,最大负弯矩为26·45 kN·m,位于135°处; 2#被测环管片的最大正弯矩为8·31 kN·m,位于135°处; 3#被测环管片最大正弯矩为85·29 kN·m,位于45°处,最大负弯矩为38·8 kN·m,位于0°处。对比位于不同地层3个被测环管片内力的测试结果可以发现,地层变化对结构最大正、负弯矩和轴力的影响均较大,地层土质均匀时不同位置管片的内力差别小,地层土质软硬不均时管片不同位置内力差别大, 1#测试断面上的管片最大轴力为2#测试断面上管片最大轴力的6·7倍。
(2)在安放2环、3环时,管片已脱离尾板保护范围,从轴力图可以看出,土体和填充浆液对管片发生作用,使管片轴力加大,但顶部的水平轴力仍很小,结构自重及外部压力传向两侧腰部,竖向力大于水平方向力,在左右45°方位处竖向轴力增大,拱底部180°方位处轴力较大, 1#被测环管片的最大轴力为553·68 kN, 2#被测环管片的最大轴力为117·89 kN, 3#被测环管片的最大轴力为856·4 kN。从相应弯矩图看,同样也在上述3个部位出现大的数值, 1#被测环管片的最大正弯矩为28·64 kN·m,最大负弯矩为25·87 kN·m,2#被测环管片的最大正弯矩为10·12 kN·m,最大负弯矩为2 kN·m。由于测试断面3处注浆均匀,管片轴力变化不大。弯矩与轴力的表现基本相同,最大正弯矩为56·27 kN·m,最大负弯矩达34·15 kN·m。对比位于不同地层3个被测环管片内力的测试结果可以发现,地层变化对结构最大正负弯矩和轴力的影响都较大, 1#测试断面上的管片最大轴力为2#测试断面上管片最大轴力的4·7倍, 1#测试断面上管片的最大正弯矩为2#测试断面上管片最大正弯矩的2·8倍, 1#测试断面上管片的最大负弯矩为2#测试断面上管片最大负弯矩的13·0倍。这种结构内力的结果与不同类型地层中的实际注浆效果有关,卵石地层中注浆效果较好,结构内力较小,黏土地层注浆效果较差,则结构内力较大。
(3)在距测试环60 m时,填充浆液的压力已经基本恒定,在这期间,管片顶部0°方位处水平轴力小,两腰部轴力大,管片轴力出现拉力。弯矩仍是左右侧及底部弯矩值大, 1#被测环管片的最大正弯矩为24·71 kN·m,最大负弯矩为35·77kN·m; 2#被测环管片的最大正弯矩为13·75kN·m,最大负弯矩为10·95 kN·m; 3#被测环管片的最大正弯矩为57·92 kN·m,最大负弯矩达110·81 kN·m。在这一阶段,结构外荷载渐趋于稳定,由于地层垂向荷载大于水平方向荷载,结构出现拉应力。结构轴力和弯矩的表现基本上是上一阶段的延续。
3、结 论
(1)随着盾构机向前推进,管片内力在时间和空间上发生着改变,从管片结构形成的局部稳定状态到最终地层与结构之间的平衡状态需要1个过程。当管片脱离尾板保护,填充浆液对管片起到作用,管片外部压应力骤然加大,管片内力迅速增加,增加幅度最大达30%~40%左右,是整个受力过程的关键时刻之一,应当密切关注。
(2)从3个测试断面的结果来看,地层类型对管片轴力有较大的影响,粉土层中管片轴力大,砂土和卵石地层管片轴力较小;而不同类型地层中管片弯矩的改变不是十分明显。这一点对于管片配筋计算有重要参考价值。
(3)除地层类型外,注浆效果对管片内力有直接影响,可通过调节注浆保持管片均匀受力,改善管片受力环境,提高管片的耐久性。
参考文献
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