秦璐

摘要：為研究地裂縫對(duì)盾構(gòu)隧道受力和變形特性的影響，依托鄭州4號(hào)線項(xiàng)目，基于相似準(zhǔn)則進(jìn)行了模型試驗(yàn)。考慮到6種不同地裂縫工況對(duì)隧道縱向變形、管片襯砌內(nèi)力和管片環(huán)間錯(cuò)動(dòng)的影響。結(jié)果表明：地裂縫的存在使得盾構(gòu)隧道變形主要分為3個(gè)階段，依次為整體沉降階段、不均勻沉降階段和穩(wěn)定階段。拱頂和拱腰的錯(cuò)動(dòng)主要發(fā)生在地裂縫位置處，由地裂縫位置處由大到小對(duì)稱分布，呈現(xiàn)出隨著地裂縫錯(cuò)動(dòng)量增加拱頂和拱腰錯(cuò)動(dòng)增大的一般性規(guī)律。地裂縫的存在使得拱頂位置處出現(xiàn)不均勻受力，受力更為復(fù)雜；在拱底位置則使得其內(nèi)力增大?？紤]到混凝土抗拉性能較差，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)受拉位置處進(jìn)行局部加強(qiáng)。地裂縫上盤4環(huán)和下盤3環(huán)出現(xiàn)較大的管片錯(cuò)動(dòng)，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)該位置處的接頭進(jìn)行必要加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：地裂縫，盾構(gòu)隧道，模型試驗(yàn)，管片錯(cuò)動(dòng)

中圖分類號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9545（2023）03-0047-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.010

1引言

隨著城市化的推進(jìn)和地下工程的發(fā)展，隧道工程越來(lái)越多，隧道變形和受力特性的一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)^[1-4]。

王祖賢等^[5]考慮到了非勻質(zhì)地基的影響，通過(guò)有限差分法研究了非勻質(zhì)地基中的盾構(gòu)隧道縱向變形，結(jié)果表明，非勻質(zhì)地基會(huì)導(dǎo)致隧道出現(xiàn)更大的差異沉降。李媛^[6]依托實(shí)際工程案例，對(duì)隧道下穿鐵路工況下的地層預(yù)處理技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。韋宗科等^[7]通過(guò)二維有限元軟件研究了臨近基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響。冀榮華^[8]基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道洞門的變化特征和受力機(jī)制，并根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的防治措施。馮宇等^[9]通過(guò)數(shù)值模擬手段，基于高海拔隧道開(kāi)挖實(shí)例，研究了不同開(kāi)挖方式對(duì)隧道支護(hù)內(nèi)力和變形的影響。馮國(guó)輝等^[10]提出了一種新的預(yù)測(cè)下穿臨近隧道變形方法，并根據(jù)實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法與傳統(tǒng)方法相比，更接近于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

地裂縫的存在使得隧道施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)增加。苗晨陽(yáng)等^[11]依托實(shí)際工程西安地鐵5號(hào)線項(xiàng)目，通過(guò)有限元法研究了存在地裂縫時(shí)盾構(gòu)隧道下穿既有管廊的影響，分析了管廊的受力和變形特征。邵帥等^[12]分析了地裂縫的存在對(duì)上下盤變形的影響，并提出了相應(yīng)的防止措施。

為研究地裂縫對(duì)盾構(gòu)隧道受力和變形特性的影響，文章依托鄭州4號(hào)線項(xiàng)目，基于相似準(zhǔn)則進(jìn)行了模型試驗(yàn)，考慮到了6種不同工況對(duì)隧道縱向變形、管片襯砌內(nèi)力和管片環(huán)間錯(cuò)動(dòng)的影響。

2模型試驗(yàn)概況

2.1工程概況

依托鄭州地鐵4號(hào)線項(xiàng)目，該項(xiàng)目工程多次穿越地裂縫帶。地質(zhì)條件主要為雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等，表1展示了各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。盾構(gòu)埋置深度為18.6m，基坑深度約為16.5m。管片襯砌材料為C50混凝土，內(nèi)徑為5.3m，外徑為6.0m，幅寬1.5m，厚度為35cm，共包含3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2個(gè)鄰接塊和1個(gè)封頂塊，如圖1所示。該線路與地裂縫間的夾角為75°左右。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和幾何尺寸，進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)，試驗(yàn)幾何相似比設(shè)為12，重度相似比設(shè)為1，表2展示了基于相似理論得出的各物理量的相似關(guān)系。

試驗(yàn)中的管片材料為石膏，配比為1∶1.5。按照剛度等效原則，環(huán)向主筋選擇直徑為1.6mm的鋼絲，縱筋選擇直徑為1.0mm的鐵絲。表3展示了模型試驗(yàn)中的管片物理力學(xué)參數(shù)與原型對(duì)比情況。

根據(jù)相對(duì)位移原則，通過(guò)鋼棒對(duì)管片環(huán)進(jìn)行連接。通過(guò)在管片外側(cè)設(shè)置凹槽來(lái)模擬環(huán)向接頭，通過(guò)抗彎剛度相似原則確定凹槽深度。依據(jù)前人研究成果，開(kāi)槽圓心角設(shè)為4°。

2.3研究方法

試驗(yàn)主要研究的內(nèi)容是地裂縫對(duì)盾構(gòu)隧道力學(xué)和變形特性的影響。因此，該模型試驗(yàn)的荷載來(lái)自于土體。試驗(yàn)用土來(lái)自鄭州4號(hào)線施工現(xiàn)場(chǎng)的擾動(dòng)土，通過(guò)分層的方式進(jìn)行填筑，在每層填筑完畢后進(jìn)行重度和含水率測(cè)試，以期達(dá)到實(shí)際效果。

依據(jù)地裂縫特征，通過(guò)粉細(xì)砂對(duì)地裂縫進(jìn)行填充。根據(jù)實(shí)際情況，地裂縫與隧道軸線夾角設(shè)為75°，地裂縫傾角設(shè)為85°。

圖2為盾構(gòu)隧道模型示意圖。隧道縱向總計(jì)38環(huán)，上盤為1-18環(huán)，下盤為22-38環(huán)，與地裂縫相交為19-21環(huán)，總長(zhǎng)度為4.75m。在模型箱地表處布置大量位移計(jì)，在管片周圍布置有應(yīng)變片，包括環(huán)向應(yīng)變片和縱向應(yīng)變片。襯砌內(nèi)力通過(guò)所測(cè)得的應(yīng)變大小進(jìn)行計(jì)算。此外，在隧道拱頂和拱底外側(cè)布置有土壓力盒。地裂縫錯(cuò)動(dòng)量共6各分量，分別為0cm、1cm、2cm、3cm、4cm和5cm，以研究地裂縫的存在和錯(cuò)動(dòng)量大小對(duì)盾構(gòu)隧道受力和位移的影響。

3結(jié)果分析與討論

3.1隧道縱向變形

圖3展示了不同工況下各管片的拱頂豎向沉降情況，地裂縫位置為第20管環(huán)。從圖中可以看出，同一工況下，出現(xiàn)地裂縫后，盾構(gòu)隧道變形主要分為3個(gè)階段，以16、22環(huán)為分界，依次為整體沉降階段、不均勻沉降階段和穩(wěn)定階段。在整體沉降階段，各管片沉降值較大，且管片間的差異沉降較小。16環(huán)之后進(jìn)入不均勻沉降階段，在該階段，隨著管片環(huán)數(shù)的增大管片豎向沉降減小，各管片間存在沉降差異，即不均勻沉降發(fā)生。22環(huán)后進(jìn)入穩(wěn)定階段，各環(huán)的沉降較小，接近于未出現(xiàn)地裂縫的工況。隧道整體在縱向發(fā)生了彎曲變形，又因?yàn)樗淼拦芷g的螺栓存在，使得環(huán)與環(huán)之間容易出現(xiàn)相互錯(cuò)動(dòng)。

同一環(huán)數(shù)下，隨著地裂縫錯(cuò)動(dòng)量的增加盾構(gòu)隧道拱頂沉降增大，拱頂沉降與地裂縫錯(cuò)動(dòng)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，可見(jiàn)地裂縫的存在使得隧道變形增加，導(dǎo)致其安全性降低。與此同時(shí)，隧道拱頂沉降峰值小于地裂縫錯(cuò)動(dòng)量，這種現(xiàn)象說(shuō)明地層與隧道間的沉降并不同步，進(jìn)一步增加了隧道的負(fù)載，導(dǎo)致出現(xiàn)一定的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.2管片襯砌內(nèi)力

管片的襯砌內(nèi)力是通過(guò)測(cè)得的管片應(yīng)變計(jì)算獲得，計(jì)算公式如下：

其中，E表示管片襯砌的彈性模量；h表示管片厚度；b表示管片幅寬。

圖4展示了沿隧道縱向隧道襯砌軸力變化情況。圖4（a）為拱頂軸力沿隧道縱向變化曲線；圖4（b）為拱底軸力沿隧道縱向變化曲線。

從圖4（a）中可以看出，同一工況下，拱頂軸力在靠近地裂縫位置處較大，即拱頂軸力峰值普遍出現(xiàn)在20環(huán)上下。地裂縫之前隧道的上盤拱頂襯砌軸力普遍受拉，下盤受壓。不同工況下，未出現(xiàn)地裂縫錯(cuò)動(dòng)量越大軸力數(shù)值越高的一般性規(guī)律。上盤軸力數(shù)值最大的為地裂縫錯(cuò)動(dòng)量3cm工況，軸力峰值達(dá)到了2642kN。下盤軸力數(shù)值最大的為地裂縫錯(cuò)動(dòng)量5cm工況，軸力峰值達(dá)到了1242kN。

從圖4（b）可以看出，同一工況下，拱頂軸力在靠近地裂縫位置處較大。與拱頂軸力相反，拱底軸力在上盤受壓，下盤受拉。相較之下，拱底軸力表現(xiàn)出了更為明顯的規(guī)律性。錯(cuò)動(dòng)量越高，拱底軸力數(shù)值越大。上下盤軸力峰值最高的均為地裂縫錯(cuò)動(dòng)5cm工況，且受力相對(duì)均勻，上盤峰值5341kN，下盤峰值為4872kN。從數(shù)值而言，拱底軸力數(shù)值相對(duì)于拱頂更大。

總體而言，地裂縫的存在使得拱頂位置處不均勻受力，使其受力更為復(fù)雜，而在拱底位置則使得其內(nèi)力增大。在第21-22環(huán)的拱頂位置和第18-19環(huán)的拱底位置出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，考慮到混凝土抗拉性能較差，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行必要的局部加強(qiáng)。

圖5展示了不同工況下沿隧道縱向的襯砌彎矩變化曲線。圖5（a）為拱頂處彎矩縱向變化曲線；圖5（b）為拱底處彎矩縱向變化曲線。

從圖5（a）中可以看出，同一工況下，上盤距離地裂縫位置越遠(yuǎn)，拱頂?shù)膹澗財(cái)?shù)值越大；下盤距離地裂縫越近，拱頂彎矩?cái)?shù)值越大。不同工況下，在同一管片處，地裂縫錯(cuò)動(dòng)量越大彎矩越大，拱頂彎矩與地裂縫錯(cuò)動(dòng)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

從圖5（b）中可以看出，同一工況下，拱底彎矩值距離地裂縫位置較遠(yuǎn)時(shí)較小，隨著管片環(huán)數(shù)的增加，17環(huán)之后拱底彎矩值逐漸增大，在21環(huán)達(dá)到峰值。與拱頂相同，地裂縫錯(cuò)動(dòng)量越大拱底彎矩越大，拱底彎矩與地裂縫錯(cuò)動(dòng)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。從數(shù)值而言，拱底彎矩?cái)?shù)值更大，接近拱頂彎矩的兩倍。呈現(xiàn)出與軸力相近的趨勢(shì)，即地裂縫的存在使得拱頂位置處出現(xiàn)受力不均勻，拱底位置處出現(xiàn)更大彎矩。

3.3管片環(huán)間錯(cuò)動(dòng)

圖6展示了不同工況下環(huán)間豎向錯(cuò)動(dòng)縱向變化情況。圖6（a）為拱頂位置處的豎向錯(cuò)動(dòng)情況；圖6（b）為右拱腰位置處的豎向錯(cuò)動(dòng)情況。

從圖6（a）中可以看出，同一工況下拱頂環(huán)間的豎向錯(cuò)動(dòng)主要發(fā)生在地裂縫位置處，由地裂縫位置處由大到小對(duì)稱分布。不同工況下，地裂縫錯(cuò)動(dòng)量越大，拱頂?shù)沫h(huán)間豎向錯(cuò)動(dòng)越大，呈現(xiàn)出隨著地裂縫錯(cuò)動(dòng)量增加拱頂豎向錯(cuò)動(dòng)增大的一般性規(guī)律。在地裂縫錯(cuò)動(dòng)量為5cm工況下，其拱頂環(huán)間豎向錯(cuò)動(dòng)達(dá)到了9.6mm。此外，隨著地裂縫錯(cuò)動(dòng)量的增加，拱頂?shù)呢Q向錯(cuò)動(dòng)差異更大，即增加速率越來(lái)越高。

從圖6（b）中可以看出，與拱頂環(huán)間豎向錯(cuò)動(dòng)規(guī)律相近，右拱腰環(huán)間的水平錯(cuò)動(dòng)峰值亦為地裂縫位置處，大小由地裂縫位置處由大到小對(duì)稱分布，并且數(shù)值與地裂縫錯(cuò)動(dòng)量大小呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。在地裂縫錯(cuò)動(dòng)量為5cm工況下，其右拱腰環(huán)間水平錯(cuò)動(dòng)達(dá)到了3.3mm。從數(shù)值而言，同一工況下，拱頂?shù)呢Q向錯(cuò)動(dòng)較大，右拱腰的水平錯(cuò)動(dòng)規(guī)律較為明顯但數(shù)值不大，約為豎向錯(cuò)動(dòng)的13。

整體而言，地裂縫的存在使得上盤4環(huán)和下盤3環(huán)出現(xiàn)較大的管片錯(cuò)動(dòng)，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)該位置處的接頭進(jìn)行必要加強(qiáng)。

4結(jié)論

為研究地裂縫對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，依托鄭州4號(hào)線項(xiàng)目，基于相似準(zhǔn)則進(jìn)行了模型試驗(yàn)?？紤]到了6種不同地裂縫工況對(duì)隧道縱向變形、管片襯砌內(nèi)力和管片環(huán)間錯(cuò)動(dòng)的影響。得出主要結(jié)論如下：

（1）地裂縫的存在使得盾構(gòu)隧道變形主要分為3個(gè)階段，依次為整體沉降階段、不均勻沉降階段和穩(wěn)定階段。在整體沉降階段，各管片沉降值較大，且管片間的差異沉降較小。不均勻沉降階段隨著管片環(huán)數(shù)的增大管片豎向沉降減小，各管片間存在沉降差異。穩(wěn)定階段種各環(huán)的沉降較小，接近于未出現(xiàn)地裂縫工況。

（2）地裂縫在拱頂位置處造成了不均勻受力，使其受力更為復(fù)雜；在拱底位置則使得其內(nèi)力增大?？紤]到混凝土抗拉性能較差，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)受拉位置處進(jìn)行局部加強(qiáng)。

（3）拱頂和拱腰的錯(cuò)動(dòng)主要發(fā)生在地裂縫位置處，從地裂縫位置處由大到小對(duì)稱分布。地裂縫錯(cuò)動(dòng)量越大，拱頂和拱腰的環(huán)間錯(cuò)動(dòng)越大，呈現(xiàn)出隨著地裂縫錯(cuò)動(dòng)量增加拱頂豎向錯(cuò)動(dòng)增大的一般性規(guī)律。

（4）地裂縫上盤4環(huán)和下盤3環(huán)出現(xiàn)較大的管片錯(cuò)動(dòng)，在實(shí)際工程中應(yīng)對(duì)該位置處的接頭進(jìn)行必要加強(qiáng)。

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（責(zé)任編輯 羅江龍）