宋博 劉俊巖 劉燕 宋享樺 扈萍 李春林 張亮亮 孫文昊

文章編號：1671-3559（2024）01-0029-09DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20230322.003

摘要：為了解決現(xiàn)行盾構(gòu)工作井的設(shè)計(jì)缺乏對超大地面荷載作用的驗(yàn)算問題，通過開展室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)，研究盾構(gòu)工作井從施工期到服役期在超大地面荷載下地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻所構(gòu)成疊合結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，并考慮盾構(gòu)工作井周圍土體中地下水的作用，探討土體抗剪強(qiáng)度減小對超大地面荷載最大值的影響。結(jié)果表明：在超大地面荷載作用下，盾構(gòu)工作井中隔墻的抗壓剛度較大，以受壓的形式承擔(dān)了大量的荷載效應(yīng)，導(dǎo)致疊合結(jié)構(gòu)上部容易發(fā)生低應(yīng)力水平下的整體水平位移，進(jìn)而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部發(fā)生失穩(wěn)，導(dǎo)致整體破壞；主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻在施工期的初始撓度及疊合結(jié)構(gòu)整體水平位移使得疊合結(jié)構(gòu)中地下連續(xù)墻承擔(dān)了大部分內(nèi)力；通過觀測室內(nèi)縮尺模型中疊合結(jié)構(gòu)的變形量，由模型數(shù)據(jù)換算得到盾構(gòu)工作井頂部極限超載為445.5 kPa，遠(yuǎn)大于盾構(gòu)工作井周圍土體地基承載力特征值130 kPa，驗(yàn)證了采用地基承載力對超大地面荷載下地面硬化進(jìn)行設(shè)計(jì)的安全、可靠性。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)工作井；疊合結(jié)構(gòu)；超大地面荷載；模型試驗(yàn)；地基承載力

中圖分類號：TU921

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

開放科學(xué)識別碼（OSID碼）：

Mechanical Response of Composite Structure in

Shield Working Shafts Under Very Heavy Ground Loads

SONG Bo1， LIU Junyan1， LIU Yan1， SONG Xianghua1， HU Ping1，

LI Chunlin2， ZHANG Liangliang3， SUN Wenhao3

（1. School of Civil Engineering and Architecture， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

2. Jinan City Construction Group Co.， Ltd.， Jinan 250014， Shandong， China;

3. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， Hubei， China）

Abstract： To solve the problem of lack of verification for effects of very heavy ground loads in current design of shield working shafts， an indoor scale model test was carried out to research mechanical response of composite structure in shield working shafts composed of underground diaphragm walls and main structure inner walls under very heavy ground loads from constructing period to service period. Considering effects of ground water in soil around shield working shafts， impacts of soil shear strength loss on the maximum very heavy ground load was discussed. The results show that under the very heavy ground loads， the middle wall in the shield working shaft has a large compressive stiffness and bears a large amount of load effect in the form of compression. An integral horizontal displacement at a low stress level is therefore prone to occur at upper composite structure， and an integral collapse due to instability occurs at lower supporting structure. The underground diaphragm wall in the composite structure bears most of the internal force due to the initial deflection of main structureinnerwallsduringconstructingperiodandtheintegralhorizontaldisplacementofcompositestructure.

收稿日期：2022-10-14????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間：2023-03-23T11：54：59

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51979122）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR202111100198）

第一作者簡介：宋博（1996—），男，山東濟(jì)南人。碩士研究生，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail： 1024552201@qq.com。

通信作者簡介：劉燕（1978—），女，山東濟(jì)南人。副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閹r土與地下空間工程。E-mail： liuyan322@163.com。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230322.1403.006.html

Byobserving the deformation of composite structure in the indoor scale model， the ultimate overload at the top of the shield working shaft conversed from model data is 445.5 kPa， which is much greater than the subsoil bearing capacity characteristic value of 130 kPa of soil around the shield working shaft. Safety and reliability of ground hardening design under very heavy ground loads according to subsoil bearing capacity are therefore verified.

Keywords： shield working shaft; composite structure; very heavy ground load; model test; subsoil bearing capacity

盾構(gòu)隧道工程的盾構(gòu)工作井因盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)直徑較大而具有超大、超深的特點(diǎn)。在盾構(gòu)始發(fā)和盾構(gòu)接收過程中，內(nèi)支撐已經(jīng)拆除，盾構(gòu)工作井結(jié)構(gòu)處于地下連續(xù)墻、環(huán)框梁及主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻協(xié)同受力的過程［1］。目前對盾構(gòu)工作井的設(shè)計(jì)主要采用成熟的理論方法、規(guī)范方法，并考慮盾構(gòu)工作井周邊地質(zhì)環(huán)境、平面規(guī)模以及深度等因素的限制［2］，結(jié)合數(shù)值模擬對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及疊合結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形預(yù)測，以達(dá)到設(shè)計(jì)目的，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為該地區(qū)其他類似工程提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)［3-4］。本文中的基坑專指盾構(gòu)工作井從開挖開始到主體結(jié)構(gòu)施工開始前的狀態(tài)。實(shí)際盾構(gòu)工作井在盾構(gòu)始發(fā)和盾構(gòu)接收過程中，為了達(dá)到盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在盾構(gòu)工作井內(nèi)進(jìn)行組裝和拆解的要求，必須將盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的刀盤、主驅(qū)動等重型核心部件吊入和吊出盾構(gòu)工作井，因此盾構(gòu)工作井的周邊必然受到超大地面荷載作用。超大地面荷載遠(yuǎn)超過施工期的設(shè)計(jì)活荷載，導(dǎo)致設(shè)計(jì)期的計(jì)算模型在服役期的應(yīng)用存在一定的局限性［5］。

盾構(gòu)工作井的基坑深度決定了盾構(gòu)工作井周圍地基土前期經(jīng)歷側(cè)向卸荷的程度，土體在側(cè)向卸荷過程中平均應(yīng)力減小，偏應(yīng)力增大，導(dǎo)致盾構(gòu)工作井周圍地基土的豎向附加應(yīng)力承載能力減弱。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)直徑的增大，盾構(gòu)工作井更深，周圍地基土側(cè)向卸荷比更大，豎向承載力更小，后期超大地面荷載更大，因此超大地面荷載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)坍塌風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。陳志波等［6］對粉質(zhì)黏土進(jìn)行先側(cè)向卸荷再軸向加荷的應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)，驗(yàn)證了基坑周邊地面超載工況下坑邊地基土抗剪強(qiáng)度介于軸向加荷與側(cè)向卸荷之間。計(jì)鵬等［7］結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行土體參數(shù)反演分析，論證了基坑周邊地面超載對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的重大影響。陳亞楠［8］利用單因素分析及正交試驗(yàn)對影響基坑變形的參數(shù)敏感性進(jìn)行分析，指出地面超載是影響基坑變形的最主要因素。張德成等［9］對某基坑因地面超載而出現(xiàn)的險(xiǎn)情進(jìn)行分析，指出基坑坑外長時(shí)間堆土是造成基坑險(xiǎn)情的重要因素，表明地面超載對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在時(shí)間效應(yīng)。Shoar等［10］通過對土釘墻支護(hù)的基坑進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，指出基坑地面超載會對地基土屈服面的演化產(chǎn)生影響。

在超大地面荷載作用期間， 由于主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻及環(huán)框梁取代內(nèi)支撐參與受力， 因此地下連續(xù)墻與盾構(gòu)工作井主體結(jié)構(gòu)之間存在內(nèi)力分配。 同時(shí)， 由于盾構(gòu)工作井內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)空間布局不同， 因此主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)所形成復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的受力還存在一定的空間效應(yīng)。 相比于理論計(jì)算和數(shù)值模擬， 基于真實(shí)重力場的室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)通過將室內(nèi)縮尺模型中水平位移、內(nèi)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)按相似比放大到原型中， 能更真實(shí)地對危險(xiǎn)性較大的工程進(jìn)行安全性驗(yàn)證， 對實(shí)際工程中土體及結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為反映更真實(shí)、直觀， 可以對理論分析及數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證， 對實(shí)際工程項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)意義［11］。 本文中以位于山東省濟(jì)南市某隧道南岸盾構(gòu)工作井為工程背景開展室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)， 取實(shí)際盾構(gòu)工作井平面的1/2進(jìn)行研究， 在考慮盾構(gòu)工作井施工期力學(xué)響應(yīng)的基礎(chǔ)上， 研究從基坑開挖到盾構(gòu)始發(fā)和盾構(gòu)接收時(shí)超大地面荷載的周期中超深盾構(gòu)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

1? 工程背景

山東省濟(jì)南市某隧道南岸盾構(gòu)工作井工程平面為矩形，東西長度為49.4 m，南北寬度為30.2 m，基坑深度為35.4 m。 基坑支護(hù)形式為地下連續(xù)墻， 采用強(qiáng)度等級為C35的水下混凝土， 厚度為1 200 mm；坑內(nèi)設(shè)8道支撐， 第1、4、7、8道為混凝土支撐，其中第1、4、7道支撐具有環(huán)框梁， 第2、3、5、6道為鋼支撐。 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻、中隔墻及底板采用強(qiáng)度等級為C40的混凝土。 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚度為1 400 mm， 與地下連續(xù)墻構(gòu)成疊合結(jié)構(gòu)；中部沿南北寬度方向設(shè)置一道中隔墻， 厚度為1 200 mm；底板厚度為1 500 mm。 盾構(gòu)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)平面簡圖如圖1所示。盾構(gòu)工作井區(qū)域土體以黏質(zhì)粉土及粉質(zhì)黏土為主。

2? 室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)

2.1? 相似比確定

模型試驗(yàn)是在室內(nèi)條件下將長度、力（或質(zhì)量）和時(shí)間3個(gè)獨(dú)立的物理量的量綱進(jìn)行縮放處理，模擬論證實(shí)際工程在潛在的破壞性工況下結(jié)構(gòu)未知力學(xué)響應(yīng)的試驗(yàn)方法。模型試驗(yàn)的理論依據(jù)是相似第一定理即π定理。根據(jù)對重力加速度g的縮放與否，模型試驗(yàn)可分為離心模型試驗(yàn)和室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)。室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)在規(guī)定加速度（或重度）和密度的相似比為1的前提下指定長度的相似比。本文中采用室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)，規(guī)定長度的相似比為1/50，取盾構(gòu)工作井寬度的1/2進(jìn)行試驗(yàn)。室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)采用的各有量綱物理量的相似比如表1所示。

2.2? 相似材料

室內(nèi)縮尺模型（下文中在不至于引起歧義的情況下簡稱模型）相似材料自身的性質(zhì)使得相似材料不能對較多材料參數(shù)進(jìn)行相似。選取土體相似材料的參數(shù)為重度γ、直剪黏聚力cq及直剪摩擦角φq，其中重度γ為密度ρ與重力加速度g的乘積，即γ=ρg；地下連續(xù)墻和主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻相似材料選取板每延米抗彎剛度EI，而支撐和環(huán)框梁則分別選取軸向剛度EA和梁抗彎剛度EI，其中E為材料的彈性模量，A=bh為梁的橫截面積，b、h分別為梁的寬度、高度，對于環(huán)框梁，I=bh3/12為梁橫截面慣性矩，對于地下連續(xù)墻，I=d3/12為地下連續(xù)墻每延米橫截面慣性矩， d為板的厚度。

由于模型試驗(yàn)土體相似材料需要對黏聚力c按相似比為1/50進(jìn)行縮小， 因此需要配制模型土。 模型土分為2層， 上層用于對實(shí)際工程巖石層以上的土體進(jìn)行相似， 按土層厚度加權(quán)平均的方法確定上層土體的3個(gè)參數(shù)ρ、c、φ， 其中c為黏聚力， φ為內(nèi)摩擦角；下層用于模擬剛性的巖石層。 對上層土體的ρ、c、tan φ進(jìn)行按厚度加權(quán)平均計(jì)算， 得到上層土體的建議參數(shù)， 即ρ=1.91 g/cm3， c=0.526 kPa， φ=16.2°。 模型土采用商用洗潔精作為膠凝材料， 采用正交試驗(yàn)對模型土進(jìn)行配比， 確定當(dāng)采用中砂、粒徑為45 μm的重晶石粉、粒徑為125～180 μm的細(xì)石英砂、洗潔精的質(zhì)量比等于250∶25∶25∶1的配比時(shí)， 經(jīng)充分夯實(shí)后， 土體的參數(shù)為ρ=1.90 g/cm3， c=2.86 kPa， φ=13.2°。下層土作為剛性巖石層可只滿足重度相似，采用中砂、粒徑為45 μm的重晶石粉、粒徑為125～180 μm的細(xì)石英砂的質(zhì)量比等于10∶3∶1的配比，經(jīng)充分夯實(shí)后， ρ=1.99 g/cm3。

原型地下連續(xù)墻在EI相似時(shí)， 根據(jù)原型實(shí)際配筋， 采用史世雍［12］提出的地下連續(xù)墻短期剛度計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算， 得到地下連續(xù)墻采用的作為相似材料的鋁合金板厚度為d=4 mm， E=70 GPa， EI=Ed3/12= 70 000×43/12×10-6=0.373 （kN·m2）/m。

原型主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻及中隔墻直接采用混凝土的彈性模量E及結(jié)構(gòu)的每延米慣性矩I的乘積作為相似指標(biāo)，并考慮到模型主體結(jié)構(gòu)需要自下而上施工，計(jì)算得到主體墻相似材料采用厚度為d=12 mm的楊木膠合模板，E=10 000 MPa， EI=Ed3/12=10 000×123/12×10-6=1.44 （kN·m2）/m。

模型支撐采用有機(jī)玻璃材料， 有機(jī)玻璃的彈性模量取為3.16 GPa；模型環(huán)框梁采用304不銹鋼方管材料， E=196 GPa。 在設(shè)計(jì)模型時(shí)， 忽略不作為環(huán)框梁的其他圍檁的影響。 根據(jù)實(shí)際工程中支撐的截面積， 以EA作為相似參數(shù)， 采用正方形截面有機(jī)玻璃棒作為支撐相似材料， 第1、8道模型混凝土支撐邊長為10 mm， 第4、7道模型混凝土支撐邊長為15 mm， 第2、3、5、6道模型鋼支撐邊長為5 mm。 原型環(huán)框梁采用強(qiáng)度等級為C30的混凝土， 截面長度、寬度分別為2.7、1.5 m， 相似后模型環(huán)框梁的EI=0.236 kN·m2。 模型環(huán)框梁相似材料采用邊長為15 mm、壁厚為1 mm的304不銹鋼方管， EI=0.360 kN·m2。圖2所示為模型基坑中支撐與環(huán)框梁的布局。 對混凝土支撐及鋼支撐分別采用相同的平面布局， 在第1、4、7道混凝土支撐處增設(shè)環(huán)框梁。 圖3所示為基坑支護(hù)體系安裝完成照片。

2.3? 監(jiān)測項(xiàng)目

模型監(jiān)測項(xiàng)目包含模型地下連續(xù)墻的水平位移以及模型地下連續(xù)墻、疊合結(jié)構(gòu)、環(huán)框梁的彎矩。由于本文中主要研究地下連續(xù)墻及主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的內(nèi)力分配，而超大地面荷載作用期間井內(nèi)支撐已全部拆除，因此不對支撐的軸力進(jìn)行測量。

采用張騰遙［13］提出的水平位移測量裝置測量模型地下連續(xù)墻水平位移。該裝置由外徑為10 mm、內(nèi)徑為8 mm的L形空心鋁管、直徑為0.2 mm的細(xì)鋼絲、螺栓、數(shù)字百分表及磁力吸座構(gòu)成，如圖4［13］所示。 L形空心鋁管內(nèi)壁光滑， 埋入土層內(nèi)， 一條邊固定于模型箱內(nèi)壁，靠近模型地下連續(xù)墻的一端與模型地下連續(xù)墻的距離約為2 cm；細(xì)鋼絲的一端在管內(nèi)與數(shù)字百分表相連，另一端與模型地下連續(xù)墻上的螺栓連接。測量前保證細(xì)鋼絲處于相對拉緊狀態(tài)。

采用電測法測量地下連續(xù)墻、疊合結(jié)構(gòu)、環(huán)框梁的彎矩。將規(guī)格為BX120-5AA的應(yīng)變片與應(yīng)變儀進(jìn)行半橋連接以測量彎矩，原理及接線圖如圖5所示，則應(yīng)變儀示數(shù)ε與測得彎矩M的關(guān)系式為

ε=MaEI×106 ，（1）

式中a為板的厚度或梁的高度。

2.4? 模擬施工

在開挖期，模型基坑周圍不設(shè)置地面超載。開挖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循先開挖、后支撐的原則，最大開挖深度位于模型支撐中心線以下1 cm處，相當(dāng)于原型的支撐以下超挖限值0.5 m，嚴(yán)禁進(jìn)一步超挖。模型支撐與模型地下連續(xù)墻、環(huán)框梁間采用硅酮密封膠即白膠黏結(jié)。應(yīng)在白膠充分固化后再進(jìn)行下一土層的開挖，開挖過程中切勿觸碰模型支撐。

在主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，首先向已整平的坑底放入加工的底板單元，單元與單元之間采用免釘膠或白膠黏結(jié)。主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的施工也采用單元黏結(jié)的方法，每個(gè)單元同時(shí)用白膠黏結(jié)固定于模型地下連續(xù)墻。 模型主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的右側(cè)是本文中的研究對象， 因此需要在模型主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的右側(cè)粘貼應(yīng)變片，以研究主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻與地下連續(xù)墻內(nèi)力的分配。模型盾構(gòu)工作井結(jié)構(gòu)施工完成后，以沙袋為配重， 向模型盾構(gòu)工作井對應(yīng)實(shí)際工程南或北側(cè)的一定范圍內(nèi)進(jìn)行2級加載， 超大地面荷載下盾構(gòu)工作井疊合結(jié)構(gòu)破壞的超大地面荷載模擬如圖6所示。 加載長度、寬度分別為1.2、0.6 m，長邊與模型基坑長邊平行。 取重力加速度為10.0 m/s2，第1級加載質(zhì)量為434.18 kg，壓強(qiáng)為6.03 kPa，原型地面荷載換算為301.5 kPa。第2級加載質(zhì)量為641.71 kg，壓強(qiáng)為8.91 kPa，原型地面荷載換算為445.5 kPa。先稱量每個(gè)沙袋的質(zhì)量，然后在加載面積上進(jìn)行堆積加載， 觀察數(shù)字百分表的水平位移示數(shù)變化。 當(dāng)水平位移示數(shù)變化超過一定值時(shí)， 結(jié)束超載， 并測量加載面積， 計(jì)算極限壓強(qiáng)。 盾構(gòu)工作井開挖、主體結(jié)構(gòu)施工及超大地面荷載全過程模擬工況如表2所示。

3? 結(jié)果與分析

3.1 ?地下連續(xù)墻彎矩

模型地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)的埋置深度分別為20、160、300、440、720 mm，模型地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)依次編號為1、2、…、5。模型環(huán)框梁彎矩、地下連續(xù)墻彎矩及地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測點(diǎn)正立面圖如圖7所示。圖8所示為模型地下連續(xù)墻彎矩隨工況的變化。

由圖8可知：在第5層土體開挖完成后，地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)1、2的監(jiān)測值出現(xiàn)一次較大的波動。此時(shí)對應(yīng)第4道邊長為15 mm的混凝土支撐及對應(yīng)的第2道環(huán)框梁開始受力。第4道混凝土支撐由于其軸向剛度比其上方的鋼支撐大得多， 因此對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的局部約束作用最大；與此同時(shí)，第1道混凝土支撐及第1道環(huán)框梁早在淺層開挖時(shí)即對圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂端變形產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致2道環(huán)框梁之間集中產(chǎn)生水平位移，靠近第1道環(huán)框梁的部分變形最顯著。按深度方向連續(xù)梁理論分析，模型地下連續(xù)墻在第1道環(huán)框梁的支座處及跨中出現(xiàn)彎矩突變，而在第2道環(huán)框梁附近地下連續(xù)墻變形與坑底處相差較小，因此在該支座處彎矩并無顯著突變。當(dāng)?shù)?層土體開挖完成后，第2道環(huán)框梁下方分擔(dān)了該道環(huán)框梁上方產(chǎn)生的部分變形，坑底以上形成完全的連續(xù)梁模型，地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)1、2的彎矩恢復(fù)正常水平。在最下層主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，這2個(gè)地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)的彎矩出現(xiàn)較大減幅，在第2層主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)又突然增大。需要注意的是，此時(shí)中隔墻未施工。彎矩減小產(chǎn)生的原因是第3道環(huán)框梁以下在經(jīng)過底板換撐后拆除了支撐并施作主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻，使得變形向該處主體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)移；而彎矩增大可能是由第2道環(huán)框梁以下支撐拆除并替換為主體結(jié)構(gòu)，使得第1、2道環(huán)框梁之間相對橫向變形增大而導(dǎo)致的。

在工況14、15的加載環(huán)節(jié)中，模型地下連續(xù)墻的彎矩變化相對較小，由此可以推斷，在超大地面荷載過程中，中隔墻是盾構(gòu)工作井結(jié)構(gòu)中分擔(dān)超大地面荷載最多的構(gòu)件，以受壓的形式承擔(dān)超大地面荷載的大部分荷載效應(yīng)，顯示出較大的抗壓剛度。模型地下連續(xù)墻在吊裝階段的彎矩變化也顯示，實(shí)際工程的設(shè)計(jì)在超大地面荷載不超過一定范圍時(shí)是安全、可靠的。

3.2? 環(huán)框梁彎矩

圖9所示為模型環(huán)框梁彎矩隨工況的變化。 環(huán)框梁彎矩監(jiān)測點(diǎn)在每個(gè)階段的應(yīng)變儀示數(shù)負(fù)值表示坑內(nèi)為受拉狀態(tài)。 由圖可以看出：環(huán)框梁彎矩分布規(guī)律符合連續(xù)梁的彎矩分布， 即兩端彎矩與中間彎矩異號。 在主體結(jié)構(gòu)施工過程中， 第2道環(huán)框梁出現(xiàn)中間段坑外一側(cè)受拉的情況，表明與第2道環(huán)框梁對應(yīng)的第4道混凝土對撐約束變形的效果顯著， 發(fā)揮了較大的作用。 這種情況一直持續(xù)到中隔墻開始受力為止。 與此同時(shí)， 第1道環(huán)框梁彎矩的變化與所在位置附近地下連續(xù)墻彎矩的變化基本同步， 但是右側(cè)的彎矩變化明顯大于左側(cè)的。 這可能是由斜撐承受軸力的垂直分量小于對撐承受軸力的垂直分量， 環(huán)框梁兩端較中間缺乏剛性而導(dǎo)致的。 在工況14的1級地面超載后， 左側(cè)2個(gè)彎矩監(jiān)測點(diǎn)處向坑內(nèi)的彎矩同時(shí)變大。 結(jié)合模型地下連續(xù)墻在此期間繞水平軸彎矩的變化， 表明加載期間疊合結(jié)構(gòu)中部偏中隔墻的平面位置發(fā)生一定的整體水平位移。 在工況15中的2級地面超載后， 環(huán)框梁的彎矩變化不明顯， 表明環(huán)框梁最大彎矩可能隨著疊合結(jié)構(gòu)整體水平位移的增大而轉(zhuǎn)移至梁跨中部。

3.3? 主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻與地下連續(xù)墻的內(nèi)力分配

圖10所示為模型地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻彎矩隨工況的變化，其中主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻監(jiān)測點(diǎn)3位于第3道環(huán)框梁與井底之間的地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)4處，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻監(jiān)測點(diǎn)2位于第2、3道環(huán)框梁之間的地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)2處。從圖中可以看出：主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻彎矩的變化總體較小，并且相對于地下連續(xù)墻，所承擔(dān)的彎矩小很多。由此可以反推，在實(shí)際工程中的主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻施工時(shí)，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的初始撓曲線形狀與已受力的地下連續(xù)墻的基本相同，即在主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的內(nèi)力尚為0時(shí)就存在一個(gè)初始的變形量。當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻內(nèi)力變化較小時(shí)，初始變形的作用及疊合結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形使得主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的內(nèi)力基本在0附近變化。在工況12中施工第2道環(huán)框梁以上的主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻后，地下連續(xù)墻彎矩監(jiān)測點(diǎn)2、3的地下連續(xù)墻彎矩變化幅度明顯減小，表明在后期上部的主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻增大了結(jié)構(gòu)的剛度，并分擔(dān)了一定的內(nèi)力。

3.4? 地面超載期的結(jié)構(gòu)變形分析

在模型基坑的整個(gè)施工過程中，數(shù)字百分表的水平位移示數(shù)均沒有顯著變化，表明結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生過大的變形，原型的設(shè)計(jì)是安全、可靠的。

水平位移監(jiān)測點(diǎn)自上而下依次編號1、2、3， 2級地面超載期間模型地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測點(diǎn)數(shù)字百分表的水平位移示數(shù)如表3所示。 從表中可以看出， 在超載期間， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常顯著的變形， 記錄到的水平位移最大差值為1.482 mm，換算得到原型水平位移為74.1 mm，屬于大變形。結(jié)合3.1、3.2節(jié)中的彎矩分析可知，這種大變形屬于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體水平位移。由此得出：在具有中隔墻的超深盾構(gòu)工作井結(jié)構(gòu)體系中，中隔墻是承受超大地面荷載的最主要構(gòu)件；中隔墻替代疊合結(jié)構(gòu)以壓力的形式承擔(dān)了大量超大地面荷載效應(yīng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及疊合結(jié)構(gòu)將因盾構(gòu)工作井周邊地面荷載的增大而出現(xiàn)低應(yīng)力水平下的整體水平位移， 進(jìn)而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部發(fā)生失穩(wěn)而導(dǎo)致整體破壞。 需要指出的是， 本文中沒有考慮水的作用， 實(shí)際工程中的土體為粉土和粉質(zhì)黏土， 應(yīng)考慮孔隙水壓力的影響。 鄧堯［14］通過軟土側(cè)向卸荷試驗(yàn)指出， 初始孔隙水壓力的增大會引起土體強(qiáng)度指標(biāo)的減小， 因此當(dāng)盾構(gòu)工作井周圍土體存在地下水作用時(shí)， 土體強(qiáng)度指標(biāo)減小， 土體塑性變形能力更強(qiáng)， 盾構(gòu)工作井周邊相同的地面荷載會引起更大的疊合結(jié)構(gòu)整體側(cè)移。綜合考慮地下水的作用與圍護(hù)結(jié)構(gòu)疊合結(jié)構(gòu)整體水平位移，盾構(gòu)工作井周邊超大地面荷載應(yīng)限制在適當(dāng)?shù)乃街畠?nèi)。實(shí)際盾構(gòu)工作井工程中采取鋪裝路基箱、鋼筋混凝土硬化地面的方式，限制超大地面荷載對地面的作用，即地表黏質(zhì)粉土地基承載力特征值小于130 kPa，從側(cè)面表明采用地基承載力特征值對盾構(gòu)工作井大盾構(gòu)吊裝工況進(jìn)行設(shè)計(jì)是相對安全、可靠的。

4? 結(jié)論

本文中通過室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)研究了盾構(gòu)隧道超深盾構(gòu)工作井疊合結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)始發(fā)和盾構(gòu)接收時(shí)超大地面荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，得到以下主要結(jié)論：

1）在超大地面荷載作用下，盾構(gòu)工作井的中隔墻的抗壓剛度較大，以受壓的形式承擔(dān)了大量超大地面荷載效應(yīng)，因此在類似的工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量將超大地面荷載布置在中隔墻一端，并對中隔墻在壓力作用下的屈曲效應(yīng)進(jìn)行必要的驗(yàn)算。

2）在超大地面荷載作用下，盾構(gòu)工作井疊合結(jié)構(gòu)中地下連續(xù)墻和主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的相對水平位移較小，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻初始撓度導(dǎo)致地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻構(gòu)成的疊合結(jié)構(gòu)中地下連續(xù)墻承擔(dān)了大部分應(yīng)力。

3）中隔墻分擔(dān)的荷載效應(yīng)較多，疊合結(jié)構(gòu)上部易發(fā)生低應(yīng)力水平下的整體水平位移，進(jìn)而在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部發(fā)生失穩(wěn)而導(dǎo)致整體破壞。

4）圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞受到土體卸荷抗剪強(qiáng)度的影響，地下水的作用使土體的抗剪強(qiáng)度減小，進(jìn)而使得盾構(gòu)工作井周圍土體承擔(dān)超大地面荷載的能力減弱?；谑覂?nèi)縮尺模型試驗(yàn)得到盾構(gòu)工作井周邊極限荷載，當(dāng)盾構(gòu)工作井周圍受到超大地面荷載作用時(shí)，采用地基承載力對超大荷載下地面硬化進(jìn)行設(shè)計(jì)是安全、可靠的。

5）在大直徑盾構(gòu)工作井的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)吊裝作業(yè)中，必須考慮超大地面荷載對超深盾構(gòu)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的綜合力學(xué)響應(yīng)影響，盡量將超大地面荷載選址在盾構(gòu)工作井主體結(jié)構(gòu)剛度較大的部分，同時(shí)采用鋼筋混凝土硬化路基、敷設(shè)路基箱等剛性路基方式控制超大地面荷載對地面的壓強(qiáng)，并加強(qiáng)對主體結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測，預(yù)防主體結(jié)構(gòu)發(fā)生過大水平位移。

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（責(zé)任編輯：王? 耘）