复合地层对盾构隧道衬砌变形影响规律研究_张人志.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022复合地层对盾构隧道衬砌变形影响规律研究张人志1,张庆丰1,丛英学1,王强1,李超2(1.中交隧道工程局有限公司,北京 100102;2.贵州大学 土木工程学院,贵阳 550025)摘要:为了探究多层混合地层对衬变形行为的影响,本文采用物理相似试验模拟不同地层组合条件下隧道的弯矩、轴力与变形,再结合数值方法直观地对比隧道衬砌全段面连续的弯矩、轴力与变形分布规律。结果表明:土层性质不仅会影响衬砌变形,还会影响力矩和收敛的分布;组合地层中弯矩分布则由不同地层对弯矩分布影响的相互叠加;在本文试验试条件下,多层组合地层对衬砌轴力影响不特别明显;多层混合地层中,衬砌变形量会随着地层中黏土占比增加而增加,均质黏土层衬砌竖直方向上的收敛量较均质砂土层增加 60%;土层上下非均质分布会导致弯矩和变形也呈现不对称分布,但均质化假设模型无法预测力矩和收敛的不对称分布,因此在多层地层中的管片接头设计时需要更精细的模型。关键词:多层混合地层;衬砌变形;物理试验;盾构隧道中图分类号:TU43文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0737-06Study on the Effect of Multi-Layers on Lining Deformation in Shield TunnelZhang Renzhi1,Zhang Qingfeng1,Cong Yingxue1,Wang Qiang1,Li Chao2(1.CCCC Tunnel Engineering Company Limite,Beijing 100102,P.R.China;2.College of Civil Engineering Guizhou University,Guangzhou,Guiyang 550025,P.R.China)Abstract:In order to understand the influence of multi-layer stratum on the deformation behavior of the lining,this paper uses physical similarity tests to simulate the bending moment,axial force and deformation of the tunnel under different combination of multi-layers,and then the numerical methods is use to present the continuous distribution of bending moment,thrust force and convergence on the entire tunnel lining.The final experimental and numerical results show that the bending moment,thrust force and deformation of lining is influenced by the property of soil layers.The bending moment in the combined formation is superimposed by the influence of different individual formations.However,under the discussed experimental conditions,the multi-layer stratum has no significant influence on the thrust force.Generally,the deformation of lining will increase as the proportion of clay in the stratum,and the vertical convergence of the homogeneous clay layer increases by 60%compared with the homogeneous sand layer.In addition,the heterogeneous distribution of soil layers will result in asymmetrical distribution of bending moments and deformations.However,the homogenization hypothesis model cannot predict such asymmetrical distribution of bending moment and convergence,so a more detail model is required for the design of segment joints in multi-layered formations.Keywords:multi-layer stratum;lining deformation;experiment test;shield tunnel收稿日期:2021-08-19(修改稿)作者简介:张人志(1979),男,湖南新邵人,硕士,高级工程师,主要从事铁路、市政、机电工程等施工技术及管理工作。E-mail:55235838 通讯作者:李超(1990),男,贵州都匀人,博士,讲师,主要从事地下工程的研究工作。E-mail:chaoliclee 基金项目:国家自然科学基金(52104076)0引言目前,我国的基础设施建设步伐不断加快,越来越多的隧道建设工程采用盾构法施工1。盾构法施工具有对施工周围环境产生的影响较小、自动化程度较高、施工效率高、施工成果质量好等特点。其受到地下隧道行业的关注,具有开阔的应用发展前景2-3。隧道中衬砌在土压力和水压力的作用下会发生变形4-5,过大的变形会影响隧道日常使用,甚至威胁到人生财产安全。衬砌变形是隧道设计中一个重要设计指标。隧道衬砌变形的影响因素多且复杂,主 要 包 括 地 层 物 理 特 性、埋 深、地 下 水等3,6-8。在浅层盾构隧道中,隧道断面往往会同时穿过复杂的多层地层9-12。而地层间迥异的变形特性会增加隧道设计的难度。通常在隧道设计中,通过采用一个较大安全系数将复杂的多层地层简化成均质地层来考虑变形。但是,仅仅通过安全系数简化复杂地层并没有考虑地层间的拓扑关系对衬砌变形的影响,使得设计过程中存在诸多不确定性。盾构隧道的衬砌是由单块管片拼接而成的,对于比变形更为敏感。因此,研究多层地层对隧道衬砌变形影响对于简化均质假设的适用性。本文采用物理相似试验模拟不同地层组合条件下隧道的变形,测量了衬砌变形过程中隧道不同点的弯矩、轴力与变形。再结合数值模拟方法探究了隧道衬砌全段面连续的变形规律。1物理相似试验1.1试验装置本文采用 2 m2 m2 m 的箱体构建相似物理模型。试验示意如图 1 所示,混凝土预制的圆形衬砌被放置在箱体中间,然后衬砌四周分层回填地层土并夯实。试验箱限制了模型四周包括底边的法向变形,然后通过顶部千斤顶施加逐步增加荷载直至预定荷载并保持恒定,待变形稳定后再测量衬砌的变形量。试验装置如图 2 所示,数据通过电脑自动收集。1.2地层模型物理相似试验中采用黏土和砂模拟两个具有不同变形特性的地层,黏土变形能力强于砂。图 3显示了 5 种不同的地层组合。例 1 和例 2 是由黏土和砂分别组成均质地层。例 3 是由黏土和砂由图 1试验示意图与边界条件Fig.1Schematic of test and boundary condition图 2实验装置Fig.2Test apparatus and data collection上至下分布组成的双层地层,分界面水平地穿过衬砌中心。例 4 和例 5 是由砂和黏土交错分布组成的地层,其主要区别是地层的分布位置,例 4 中黏土层穿过 l 衬砌中心,而例 5 中则是砂穿过衬砌中心。上述两个例子中地层厚度等于衬砌外径一半。图 3不同的地层组合Fig.3Different combination of stratus1.3衬砌结构文中 以 浙 江 桐 庐 盾 构 隧 道 的 管 片 结 构 为例(图 4),由 3 块标准块、两块邻接块和一块封顶块组成。管片外径为 6.2 m,管片厚度为 0.35 m。相似试验中,采用外径为 160 mm、厚度为 10 mm的预制混凝土模拟衬砌结构,对应的管片拼接位置837地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷有一个缺口管片间的接口。预制混凝土管片由顶部到底部沿逆时针方向每 30位置内外都贴有应变片,总共 14 个应变片被贴在靠中间环数上测量管片在加载过程中的变形。并且在衬砌上下左右四个位置对称地安装了 4 个位移千分表用于监测衬砌的收缩变形。图 4衬砌结构图与尺寸Fig.4Profile and dimension of lining structure profile1.4相关参数预制 衬 砌 采 用 C30 混 凝 土,其 弹 性 模 量 取30 GPa,泊松比取 0.25。相关材料参数如表 1 所示,。黏土层的变形能力强于砂,因此沙的弹性模量是黏土的 3 倍。假设隧道埋深在 10 m,按容重25 kN/m3可 以 换 算 出 模 型 顶 部 最 终 荷 载 为250 kPa。黏土与砂的摩擦角分别为 21与 35,黏土黏聚力为 20 kPa。表 1相关材料参数Table 1Related material parameters名称衬砌管片黏土层砂弹性模量/Pa30101050107150108泊松比0.250.30.25容重/(kNm-3)251625内摩擦角/()-2135黏聚力/kPa-2002试验结果待加载变形稳定后,分别读取不同位置的应变数据,然后根据式(1)和(2)计算出衬砌的弯矩与轴力。若无特殊说明,下列结果都以相似模型尺度数据呈现,以压力为正。根据相似性原理,模型值弯矩和轴力间换算比例系数分别为 1.07105和2.26105,变形值的比例系数为 1.0。M=EI(in-ou)/w(1)F=EA(in+ou)/2(2)式中:M 是弯矩,Nm;F 是轴力,N;E 是弹性模量,Pa;EI 是惯性矩,m4;A 是衬砌界面积,m2。图 5 显示了不同地层组合的弯矩值,弯矩从0180值由正转负再转正,正负极大值都出现在均质黏土地层(例 1),而正负极小值则出现在均质砂地层(例 2)。对比均质的黏土与砂地层(例 1 和列 2)还可以发现,在衬砌顶部和底部处,黏土地层所受的弯矩超过均质砂土地层一倍多。但是在衬砌腰部位置砂质地层的弯矩值则反超了黏土地层,达到了-48.5 Nm。由于地层 3-5 是由黏土和砂为基础组合而成的组合地层,其主要集中于例 1-2 中值所围成的区间。在 0 30与 150 180位置区间,弯矩值大概分布规律是:例 1例 4例例 5例2。由于例 3 中组合地层上下岩层性质的非对称性造成例 3 的例外。而在靠近衬砌腰部位置,上述规律出现了反转。总体上来说,弯矩图以 90为中心上下对称,但是还是存在一些差异,是由试验黏土与砂回填并非完全均匀和测量误差造成。图 5不同角度下的弯矩分布Fig.5Distribution of bending moment at different angles图 6 中对比不同地层组合中衬砌内轴力分布。相较于与弯矩,轴力分布更为规律,在 0 90位置区间内基本上遵循例 1例 5例 4例 2,在 90 180位置