城市地鐵隧道工作面開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律

1、目錄錯誤！未找到目錄項。城市地鐵隧道工作面開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律 摘要：基于深圳地鐵實測資料，系統(tǒng)地分析了隧道：工作面開挖的地層應(yīng)力分布特征，揭示了城市地鐵隧道上：作面圍巖應(yīng)力重分布的規(guī)律，提出了淺埋隧道圍巖應(yīng)力的分區(qū)概念。 關(guān)鍵詞：隧道工程：城市地鐵隧道；地層應(yīng)力；分布特征 1引言 采用淺埋暗挖法開挖城市地鐵隧道，其應(yīng)力臨測相對其變形觀測較少，尤其是用來完整分析地層應(yīng)力分布的量測資料十分匱乏。因此，城市地鐵隧道工作面開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律的系統(tǒng)研究，對地鐵隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工等具有重要意義。 本文利用深圳地鐵隧道現(xiàn)場測試資料，擬對城市地鐵隧道開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究。 2測試斷面的工程

2、概況 針對深圳地鐵淺埋暗挖法部分標(biāo)段，如雙洞雙線隧道的5，6和13標(biāo)及單洞重疊線隧道的3a和3c標(biāo)，地表沉降相對較大。本文選取6和3a標(biāo)作為重點觀測研究對象，其他標(biāo)段由施工方配合觀測。2.1 6標(biāo)段測試斷面概況測試斷面里程為左sk5+070。雙線隧道中心線距為13 m。隧道埋深為9.8 m，上覆地層依次為素填土、中砂、粘土和砂質(zhì)粘性土。其中富水砂層厚度為4.0 m，相對隔水層厚度為2.2 m。地下水埋深為2.5m，斷面為馬蹄形(6.5mx6.6m(寬高)。初期支護(hù)為22 mm格柵鋼架+6 mm鋼筋網(wǎng)(150mm150mm)+250mm厚c20噴射混凝土；超前支護(hù)為32mm3.25mm短注漿雙排

3、小導(dǎo)管，其布置布置在拱部150范圍。施工采用臺階法，臺階(核心土地)長度為8m。 2.2 3a標(biāo)段測試斷面概況 測試斷面里程為ski+487.5。隧道埋深為13m，上覆地層依次為素填土、軟土、中砂、礫砂和粉質(zhì)粘土。其中富水砂礫層厚度為5 m，相對隔水層厚度為26m。地下水埋深為15m。斷面為直墻拱形(6.8ml3m(寬高)。初期支護(hù)為25mm格柵鋼架+8mm鋼筋網(wǎng)(150mnl150mm)+300mm厚c20噴射混凝土。超前支擴(kuò)采用注漿小管棚76mm5mm加注漿小導(dǎo)管42mm4mm，其布置范圍為拱部。施工采用4步臺階法，3個臺階均設(shè)臨時橫撐。 3現(xiàn)場測試內(nèi)容與測點布置 圍巖應(yīng)力測試包括：(1)

4、超前小導(dǎo)管應(yīng)變測試；(2)圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力測試；(3)孔隙水壓力測試；(4)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力測試；(5)拱腳接觸應(yīng)力測試。 超前小導(dǎo)管應(yīng)變測試采用膠基箔式3 mmx5mm應(yīng)變片；接觸應(yīng)力采用1.0 mpa土壓力盒：孔隙水壓力采用0.2 mpa鋼弦式壓力計；結(jié)構(gòu)內(nèi)力采用鋼弦式鋼筋計。 超前小導(dǎo)管應(yīng)變測點布置是取32 mm2.5 m的小導(dǎo)管，上、下對稱布點各5個，安裝在拱頂和拱腰處(設(shè)置3根補償管)。6標(biāo)段應(yīng)力測點布置見圖1。3a標(biāo)段應(yīng)力測點布置基本同6標(biāo)，但因是重疊隧道，故測點數(shù)目有所增加。圖16標(biāo)段應(yīng)力測點布置 4工作面開挖的圍巖應(yīng)力變化 4.1 圍巖徑向接觸應(yīng)力分布規(guī)律 6標(biāo)段各測點圍

5、巖徑向應(yīng)力歷時變化趨勢見圖2。圖26標(biāo)各測點圍巖徑向應(yīng)力歷時變化趨勢 圖2中橫坐標(biāo)觀測時間的正號表示已封閉成環(huán)，負(fù)號表示未封閉，以下同。 由所測的圍巖徑向應(yīng)力并結(jié)合3a，3c(與3a緊鄰，工程條件相同)等標(biāo)段的實測資料可得，其應(yīng)力分布規(guī)律如下：(1)拱腰和仰拱處的圍巖徑向應(yīng)力較大：而拱頂與仰拱底處的圍巖徑向應(yīng)力均較小，相比較而言，最小值產(chǎn)生在兩側(cè)墻，其大小排序為p抑拱p拱部p邊墻；(2)對雙線隧道，由于右線開挖影響，在仰拱部位，總的表現(xiàn)特征是仰拱右側(cè)處的徑向應(yīng)力大于其左側(cè)；(3)3a標(biāo)段斷面的徑向應(yīng)力較6標(biāo)為大，原因為3a標(biāo)設(shè)臨時仰拱且斷面下部分處于風(fēng)化巖上，圍巖變形相對較小，故由“地層-支護(hù)

6、”特征曲線可知，其必然導(dǎo)致徑向應(yīng)力大；(4)在結(jié)構(gòu)未封閉成環(huán)之前，拱部變形過大，實測應(yīng)力值較小，隨時間延長，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及強度提高，其支護(hù)抗力逐漸增大，反映為圍巖施加于支護(hù)的徑向應(yīng)力也隨之變大，這符合“地層-支護(hù)”特征曲線的原理；(5)拱部壓力在下臺階開挖至斷面里程時，開挖邊墻前后的壓力值產(chǎn)生了較大的改變。此時，拱頂壓力增大，而兩拱腰卻稍有下降。隨下半斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，整體剛度提高，拱部壓力存在一個“平臺”(壓力大小不變)或“卸荷”(壓力略有下降)現(xiàn)象，隨整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力調(diào)整和再分配，拱部壓力又重新進(jìn)入一個緩慢增長直至穩(wěn)定的過程；(6)邊墻與仰拱處的壓力變化趨勢基本相同，不同的是斷面封

7、閉成環(huán)后，隨著結(jié)構(gòu)的逐步穩(wěn)定，應(yīng)力的調(diào)整和再分配，仰拱的壓力值增長速率相對較大，從而使仰拱部位承受了較大的圍巖壓力。 4.2 孔隙水壓力分布特征 孔隙水壓力的歷時曲線見圖3。由圖3以及在3a，3c標(biāo)等的量測資料可知，孔隙水壓力的分布特征為：(1)初期支護(hù)未封閉成環(huán)前，孔隙水壓力隨工作面推進(jìn)有降低的趨勢，表明工作面處的孔隙水壓力為最小值，而隨著斷面的封閉，孔隙水壓力逐漸增加，至一定值后漸趨穩(wěn)定；(2)拱頂部位孔隙水壓力為負(fù)值，表明該處土體處于松馳狀態(tài)，為剪性張拉區(qū)；(3)仰拱處的孔隙水壓力為最大，其次為下臺階的右下側(cè)和左下側(cè)：(4)孔隙水壓力分布與圍巖徑向應(yīng)力分布特征基本類似。圖3孔隙水壓力的歷

8、時曲線 4.3 初期支護(hù)格柵鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)力 由所測的格柵鋼架主筋的截面軸力和彎矩的變化趨勢通過結(jié)構(gòu)簡化而計算，見圖4和5。 由圖4，5可知，(1)在觀測斷面安裝后7d(開挖工作面距測試斷面1.39d)，初期支護(hù)的上半斷面軸力，在封閉后符號變異。封閉成環(huán)后，上、下斷面的截面軸力有增加的趨勢，然后呈穩(wěn)定態(tài)勢且拱部略有下降。(2)上半斷面結(jié)構(gòu)的軸力在剛安裝時為壓力，其后變?yōu)槔?。拱部軸力在封閉成環(huán)后，變?yōu)閴毫?，兩拱腰也由受拉變?yōu)槭軌海幌掳霐嗝孀笥覂蛇厜σ约把龉皟蓚?cè)軸力均為壓力，而在仰拱底處由開始的拉拉逐漸趨變?yōu)閴毫顟B(tài)。上述特征與設(shè)計的整個結(jié)構(gòu)斷面皆受壓不相一致。(3)結(jié)構(gòu)所受彎矩的分布狀態(tài)為：在封閉

9、成環(huán)后，除仰拱部以及側(cè)墻為內(nèi)側(cè)受拉外，其他實測的結(jié)果均與設(shè)計值不同。(4)相比較而言，上半斷面承受了較大的軸力和彎矩，說明上半斷面的支護(hù)結(jié)構(gòu)為主要承受部位。圖4初次支擴(kuò)結(jié)構(gòu)截面軸力變化趨勢圖5初次支護(hù)結(jié)構(gòu)截面彎矩變化趨勢 4.4 超前支護(hù)體應(yīng)力 對超前小導(dǎo)管的應(yīng)力分析采用拉(壓)彎組合，以拱腰小導(dǎo)管為例，其拉(壓)應(yīng)變及彎曲應(yīng)變在不同開挖長度時，實測應(yīng)變沿小導(dǎo)管長度的變化趨勢見圖6，7。圖6小導(dǎo)管的拉、壓應(yīng)變的變化趨勢圖7小導(dǎo)管的彎曲應(yīng)變的變化趨勢 由圖6，7及其他小導(dǎo)管的應(yīng)變測試資料可得，超前支護(hù)小導(dǎo)管的應(yīng)變變化特征為：(1)隨工作面。開挖，超前支護(hù)體上沿全長皆有應(yīng)力分布，小導(dǎo)管的工作狀態(tài)是

10、拉彎組合，即小導(dǎo)管在圍巖荷載的作用下，產(chǎn)生彎曲的同時也伴隨有拉伸。(2)隨工作面推進(jìn)，拉應(yīng)力增加，其應(yīng)變增量有向下一測點遞增的趨勢。(3)當(dāng)工作面推進(jìn)長度大于小導(dǎo)管長度時，尤其是上下臺階封閉成環(huán)后，小導(dǎo)管全部轉(zhuǎn)化為受壓，表明其超前作用消失。(4)由彎曲應(yīng)變知，其承受地層上覆荷載的能力隨小導(dǎo)管在土中剩余長度的減小而減小。因此設(shè)計時應(yīng)該考慮，必須保證小導(dǎo)管在土中有一定的剩余長度。 4.5 拱腳與土體的接觸應(yīng)力 對淺埋暗挖法，隧道拱腳處土體的承載力將直接影響隧道拱頂下沉。為尋求減緩拱頂下沉的拱腳處理措施，分別在左、右兩拱腳安設(shè)了土壓力盒。實測表明，拱腳處的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)超過土體的基本承載力(實測值最大為

11、814.2 kpa，而土體的基本承載力僅為260 kpa)，倘不采取措施，必使拱頂下沉急劇增大，或者消極等待初期支護(hù)封閉成環(huán)后，才能使拱頂下沉變緩。 5淺埋隧道應(yīng)力重分布的分區(qū)認(rèn)識 實測的圍巖徑向應(yīng)力與上覆土柱荷載的比值隨隧道開挖而呈現(xiàn)的分布規(guī)律如圖8的實線部分。而對工作面前方應(yīng)力的分布狀態(tài)，可利用超前支護(hù)的應(yīng)力量測資料作推斷。由本次超前小導(dǎo)管的現(xiàn)場量測資料可知，圍巖壓力產(chǎn)生的最大應(yīng)變點(應(yīng)力集中峰值)距工作面的距離約為1.2m。文11)對超前支護(hù)體的數(shù)值模擬也表明：有預(yù)加固時，隧道工作面前方約25m處，其圍巖徑向力就等于原始地應(yīng)力。若沒有預(yù)加固，則此距離可遠(yuǎn)至工：作面前方15m。據(jù)此可繪出隨

12、工作面開挖，其前后應(yīng)力的分布規(guī)律如圖8(其中工作面前方應(yīng)力分布(無測點線)為推斷結(jié)果。l為推進(jìn)長度，d為隧道寬度)。針對深圳地鐵一期工程利用ansys有限元軟件分析的隧道工作面前方圍巖應(yīng)力的分布特征見圖9。由圖9可知，其與上述實測和分析的規(guī)律一致。 上述隧道工作面圍巖應(yīng)力重分布的規(guī)律也已被模型試驗所驗證。文11)基于實驗室試驗，利用傳感器所測的隨工作面移動，拱頂上部圍巖壓力的分布規(guī)律是：隧道推進(jìn)時，在上覆地層中產(chǎn)生了“壓力波形”。在工作面前方49m處，圍巖中的應(yīng)力與原始應(yīng)力相比較，逐漸增加718。圖8圍巖壓力與土柱荷載比值隨開挖的分布規(guī)律圖9工作面前方圍巖應(yīng)力分布特征 在工作面前24m處達(dá)到最大值，然后在工作面前方0.52.5m距離處降低到原始應(yīng)力，并在已安裝的襯砌處降到原始應(yīng)力的4050。在工作面處為原始應(yīng)力的7095。工作面通過一段距離后，圍巖壓力逐漸增加而接近原始應(yīng)力。 基于實測以及上述分析，可提出淺埋城市地鐵隧道工作面，沿隧道推進(jìn)方向，其圍巖應(yīng)力分布可分3個區(qū)域，如圖10。圖1