孫 兵,仇文革

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處,西安 710043;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

雙孔盾構(gòu)隧道地表位移離心機(jī)模型試驗(yàn)研究

孫 兵1,仇文革2

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處,西安 710043;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

采用室內(nèi)離心模型試驗(yàn)?zāi)M雙孔盾構(gòu)隧道近接施工,通過定量控制隧道外套的水囊注放水的方式模擬盾構(gòu)隧道的地層損失。研究了橫斷面地表沉降的量值、分布規(guī)律以及隨盾構(gòu)推進(jìn)距離的變化規(guī)律,并提出相應(yīng)防護(hù)措施。結(jié)果表明：水囊注放水方法可以有效模擬盾構(gòu)隧道地層損失;盾構(gòu)推進(jìn)距離和隧道相對(duì)位置關(guān)系對(duì)地表沉降的量值和分布規(guī)律有顯著影響。

雙孔盾構(gòu)隧道 近接施工 離心模型試驗(yàn) 地表位移

0 前言

隨著城市的快速發(fā)展,大量地下工程及隧道的近接施工問題是不可避免的。目前,對(duì)于近接施工問題的設(shè)計(jì)和施工還無規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可循,結(jié)構(gòu)加固和防護(hù)措施要求往往過于嚴(yán)格,會(huì)造成施工困難和經(jīng)濟(jì)損失。再加上盾構(gòu)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,因此,研究盾構(gòu)隧道近接施工問題已成為當(dāng)務(wù)之急。目前,在盾構(gòu)施工引起的地表沉降的預(yù)測中,常規(guī)的方法有經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)。周小文等利用橡皮囊充氣再放氣的辦法進(jìn)行了多組南水北調(diào)引黃盾構(gòu)隧道的離心模型試驗(yàn),研究了隧洞內(nèi)支護(hù)壓力與地層位移的關(guān)系,施工間隙的影響,以及砂層穩(wěn)定與破壞的機(jī)理[1-2]。馬亮、劉慶舒等用融化石蠟的方法在離心機(jī)上模擬了礦山法隧道的開挖[3-4],對(duì)應(yīng)力場和滲流場耦合下的地表沉降進(jìn)行了研究。大量的研究和工程實(shí)踐表明,在盾構(gòu)施工中的地表沉降與地層損失直接相關(guān)。很多預(yù)測地表沉降的經(jīng)驗(yàn)公式均與地層損失建立了聯(lián)系,如 1969年P(guān)eck提出的高斯分布曲線[5],國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)提出的考慮施工間隙和固結(jié)因素的橫向沉降量 Peck修正公式[6],以及劉建航院士提出的預(yù)測縱向沉降的修正Peck公式等[7]。作者前期曾采用三維數(shù)值模擬方法,對(duì)三管盾構(gòu)隧道下穿鐵路引起的地表位移及其控制技術(shù)進(jìn)行了研究[8]。本文采用室內(nèi)離心模型試驗(yàn)方法,通過水囊注放水方法模擬盾構(gòu)隧道掘進(jìn)中的地層損失,對(duì)雙孔盾構(gòu)隧道在不同相對(duì)位置情況下所引起的地表沉降進(jìn)行了研究。分析了橫斷面地表沉降的量值、分布規(guī)律以及隨盾構(gòu)推進(jìn)距離的變化規(guī)律,并提出相應(yīng)的防護(hù)措施,保證工程的安全,為類似工程提供服務(wù),具有很強(qiáng)的學(xué)術(shù)和工程意義。

1 試驗(yàn)方案和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備為西南交通大學(xué)土工離心試驗(yàn)機(jī)。該設(shè)備主要參數(shù)如下：①100g?t;②有效半徑 2.7m;③模型箱有效尺寸 0.8 m×0.6 m×0.6 m,0.6 m×0.4 m×0.4m;④離心機(jī)的工作范圍 10～200g;⑤允許連續(xù)工作 12 h;⑥測量模式：傳感器 +放大器 +智能測量儀 +數(shù)據(jù)數(shù)字化并行傳輸 +集流環(huán) +數(shù)據(jù)接受和處理終端(計(jì)算機(jī));⑦通過攝像系統(tǒng)可以監(jiān)視和記錄試驗(yàn)全過程。

1.2 模型試驗(yàn)域及相似比的確定

選擇 0.6m×0.4m×0.4m的模型箱?？紤]到二個(gè)隧道的尺寸和空間位置,以及邊界效應(yīng)的影響,根據(jù)模型箱的尺寸,選定本次試驗(yàn)的幾何相似比為 1∶100,試驗(yàn)域的幾何尺寸如表 1所示。根據(jù)離心機(jī)模型試驗(yàn)的基本原理和 Buckingham的 π定理,各物理量相似比如表 2所示。

表1 試驗(yàn)域取值 m

表2 參數(shù)的相似比(原型/模型)

1.3 試驗(yàn)材料選取

地層填料選用原狀土。地層多為黏土,材料力學(xué)參數(shù)見表 3。根據(jù)地勘報(bào)告中的相應(yīng)含水量進(jìn)行重塑,并在離心機(jī)上固結(jié)來完成,通過剪切試驗(yàn)控制其c、φ指標(biāo)。對(duì)于盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu),若采用原型混凝土材料導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過薄(3.5 mm),難以滿足要求。因此,按照等效剛度相似原則選用與鋼筋混凝土密度、泊松比相近,且物性穩(wěn)定的 LYZ型鋁材作為相似材料,經(jīng)計(jì)算所需鋁材模型襯砌的厚度為 2.5 mm,鋁材彈性模量E=70GPa,泊松比 μ=0.3,相似準(zhǔn)則推導(dǎo)參見文獻(xiàn)[2]。

表3 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

1.4 位移測試原件和測試點(diǎn)的布置

試驗(yàn)采用由北京鴻基點(diǎn)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的MDA-5系列直線位移傳感器。測桿形式為彈簧復(fù)位,量程 10 mm,精度 0.1%F?S,電源 ±12 VDC,輸出 0～5 VDC,共 5支。測試點(diǎn)布置在縱向中心斷面處,具體位置如圖 1所示。

1.5 地層損失及模擬方法

試驗(yàn)采用水囊注放水的方式模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的地層損失。水囊用高強(qiáng)度橡膠制作,單層厚 1 mm,外徑 64 mm,內(nèi)徑 62mm,每段長 60mm,每段設(shè) 1000 mm長導(dǎo)管,出口處設(shè)閥門。根據(jù)文獻(xiàn)[9],地鐵盾構(gòu)施工的地層損失率一般可取為 0.3%～0.6%,結(jié)合本工程實(shí)際情況,可取為 0.5%。由盾構(gòu)機(jī)的直徑 6.34 m,可算得每延米的地層損失量為 0.158 m3,由幾何相似比得到60mm長水囊的釋放水量為 0.95 ml,取為 1ml。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程—克拉伯龍方程,當(dāng)壓力增大到100倍,空氣將壓縮為原來的 1%,因此,注入水量以注滿為準(zhǔn),此時(shí)由空氣壓縮產(chǎn)生的影響將可以忽略。將注水后的水囊逐個(gè)套在隧道襯砌模型的外側(cè)。

圖1 工況一地層及傳感器布置示意(單位：mm)

1.6 試驗(yàn)工況及過程

如圖 2所示,根據(jù)兩隧道相對(duì)位置共有 4種工況。對(duì)于工況一、二,先施工左線隧道(1號(hào)隧道),再施工右線隧道(2號(hào)隧道),3號(hào)位移傳感器位于兩隧道中心正上方;對(duì)于工況三、四,先施工下線隧道(1號(hào)隧道),再施工上線隧道(2號(hào)隧道),3號(hào)傳感器位于 1號(hào)隧道中心正上方。

圖2 模型試驗(yàn)工況示意(單位：mm)

試驗(yàn)步驟如下：

1)關(guān)閉離心機(jī)室裝甲門,啟動(dòng)離心機(jī),逐漸增大其轉(zhuǎn)速使加速度至 100g,持續(xù)一小時(shí)(相當(dāng)于原型 417 d),以模擬土層固結(jié)。觀察各位移傳感器讀數(shù),如果讀數(shù)未進(jìn)入量程,記錄差值,待停機(jī)后調(diào)整位移傳感器位置,使讀數(shù)進(jìn)入量程。

2)減速至停止,打開裝甲門,用導(dǎo)管和注射器抽出1號(hào)隧道的 1、2號(hào)水囊中的 1 ml水,在 100g下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 10 s(相當(dāng)于原型 27.8 h),動(dòng)態(tài)采集的采樣頻率設(shè)為0.03 k,靜態(tài)采集存儲(chǔ)時(shí)間間隔為 1 s,記錄讀數(shù)。

3)減速至停止,打開裝甲門,用導(dǎo)管和注射器抽出 1號(hào)隧道的 3號(hào)水囊中 1 ml水,其余與(2)相同。

4)減速至停止,打開裝甲門,用導(dǎo)管和注射器抽出 1號(hào)隧道的 4號(hào)水囊中 1 ml水,其余與(2)相同。

5)減速至停止,打開裝甲門,用導(dǎo)管和注射器抽出 1號(hào)隧道的 5、6號(hào)水囊中各 1 ml水,其余與(2)相同。此時(shí),1號(hào)隧道施工模擬結(jié)束。

6)～9)步為施工 2號(hào)隧道步驟,與 2)～5)步相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪出各測點(diǎn)地表沉降隨水囊釋放位置(盾構(gòu)推進(jìn)距離)的變化曲線,以及不同試驗(yàn)步驟下的地表橫斷面沉降曲線。如圖 3、圖 4所示,圖中水囊釋放位置 0～40(模型：cm,原型：m)為 1號(hào)隧道盾構(gòu)推進(jìn)距離,40～80(模型：cm,原型：m)為 2號(hào)隧道盾構(gòu)推進(jìn)距離。從圖中可以看出：

圖3 各工況測點(diǎn)地表沉降隨釋放水囊位置變化

圖4 各工況試驗(yàn)步驟地表沉降曲線

利用水囊注放水方法可有效模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的地層損失,從而研究盾構(gòu)施工所引起的地表沉降。

各測試點(diǎn)地表沉降隨盾構(gòu)推進(jìn)距離的增大而增大。

對(duì)于水平近接隧道,1號(hào)隧道施工時(shí),測點(diǎn) 1、2、3地表沉降增大較快,其中測點(diǎn) 2地表沉降最大。2號(hào)隧道施工時(shí),測點(diǎn) 3、4、5地表位移增大較快,且測點(diǎn) 3地表沉降超過測試點(diǎn) 2成為最大沉降。可知,最大地表沉降發(fā)生在兩隧道中心所對(duì)應(yīng)的地表處,且地表最大沉降隨兩隧道凈距的減小而增大。

對(duì)于上下重疊隧道,1號(hào)隧道施工時(shí),測點(diǎn) 3(隧道正上方)的地表沉降最大。2號(hào)隧道施工時(shí),測點(diǎn) 3附近地表沉降增大較快,且 2號(hào)隧道開挖所引起的地表沉降大于 1號(hào)隧道。工況四的地表最大沉降發(fā)生在2號(hào)隧道上方,其量值隨兩隧道相對(duì)位置的變化而變化,水平間距越大,地表最大沉降越小。

上下重疊盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降造成的影響大于水平盾構(gòu)近接隧道。

3 對(duì)策措施

鐵路部門提出的允許沉降是 10～30mm。因此,上述四種近接隧道施工造成的地表沉降均超限,特別是考慮到在粘土中的地層需要經(jīng)歷一個(gè)長期的固結(jié)和次固結(jié)過程。因此,為控制地表沉降,需進(jìn)行地層加固,提高地層的強(qiáng)度和防滲性能,進(jìn)而抑制盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)的松動(dòng)范圍,從而防止地層變位超限。施工過程中加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)壁后同步注漿,可以有效的填充盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)所造成的地層損失,確保隧道管片襯砌的早期穩(wěn)定,外力作用均勻,提高隧道的抗?jié)B性。同時(shí),施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表、建筑物和鄰近已建隧道的監(jiān)控量測,合理調(diào)整施工方法,從而達(dá)到在滿足工程進(jìn)度的同時(shí)確保地面和鄰近地下建筑物的結(jié)構(gòu)安全。還要與鐵路部門緊密配合,必要時(shí)結(jié)合鐵路的養(yǎng)護(hù)工作,通過起道調(diào)整線路平縱參數(shù)。

4 結(jié)論

通過對(duì)上述雙孔盾構(gòu)隧道地表位移離心機(jī)模型試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論：

1)利用水囊注放水方法可以有效模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的地層損失,從而研究盾構(gòu)施工所引起的地表沉降。

2)各測點(diǎn)地表沉降隨盾構(gòu)推進(jìn)距離的增大而增大。

3)對(duì)于水平近接隧道,最大地表沉降發(fā)生在兩隧道中心所對(duì)應(yīng)的地表處,且地表最大沉降隨兩隧道凈距的減小而增大。

4)對(duì)于上下重疊隧道,地表最大沉降發(fā)生在 2號(hào)隧道上方,其量值隨兩隧道相對(duì)位置的變化而變化,兩隧道水平間距越大,地表最大沉降越小。

5)上下重疊盾構(gòu)隧道施工對(duì)地表沉降造成的影響大于水平盾構(gòu)近接隧道。

6)為控制地表位移,要嚴(yán)格控制施工措施,同時(shí),施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地表、建筑物和鄰近既有隧道的監(jiān)控量測。

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TU455;TU317+.1

A

1003-1995(2010)02-0038-04

2009-09-09;

2009-09-30

國家自然科學(xué)基金資助(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：50578135)。

孫兵(1981— ),男,沈陽市人,博士研究生。

(責(zé)任審編 趙其文)