城地鐵隧道工作面開挖的地層應力分布規(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力分布特征，揭示了城市地鐵隧道上：作面圍巖應力重分布的規(guī)律，提出了淺埋隧道圍巖應力的分區(qū)概 念。關鍵詞：隧道工程：城市地鐵隧道；地層應力；分布特征1 引 言采用淺埋暗挖法開挖城市地鐵隧道，其應力臨測相對其變形觀測較少，尤其是用來完整 分析地層應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力分布規(guī) 律的系統(tǒng)研究，對地鐵隧道的結構設計、施工等具有重要意義。本文利用深圳地鐵隧道現場測試資料，擬對城市地鐵隧道開挖的地層應力分布規(guī)律進行 研究。2 測 試 斷

2、 面 的 工 程 概 況 針對深圳地鐵淺埋暗挖法部分標段，如雙洞雙線隧道的5， 6 和 13 標及單洞重疊線隧道的3A和3C標，地表沉降相對較大。本文選取6和3A標作為重點觀測研究對象，其他標段由施工方配合觀測。2.1 6標段測試斷面概況測試斷面里程為左SK5+070b雙線隧道中心線距為13 m。隧道埋深4.0 m ，為 9.8 m ，上覆地層依次為素填土、中砂、粘土和砂質粘性土。其中富水砂層厚度為相對隔水層厚度為 2.2 m。地下水埋深為2.5m，斷面為馬蹄形(6.5mx6.6m(寬X高)。初期支 護為$22 mm格柵鋼架+Q6 mm鋼筋網(150mm150mm)+250m厚C20噴射混凝土

3、；超前支護為 $32mm3.25mm短注漿雙排小導管，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 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、礫砂和粉質粘土。其中富水砂礫層厚度為5m，相對隔水層厚度為2 . 6葉 地下水埋深為1. 5m=斷面為直墻拱形(6.8m X l3m(寬X高)。初期支護為 $25mm格柵鋼架+ $8mm鋼筋網 (150mnl150mm)+300mm厚C20噴射混凝土。超前支擴采用注漿小管棚$76mm5mr加注漿小導管$42mm4mm其布置范圍為拱

4、部。施工采用4步臺階法，3個臺階均設臨時橫撐。3 現 場 測 試 內 容 與 測 點 布 置圍巖應力測試包括： (1) 超前小導管應變測試； (2) 圍巖與初期支護接觸應力測試； (3) 孔 隙水壓力測試； (4) 初期 支護結構內力測試； (5) 拱腳接觸應力測試。超前小導管應變測試采用膠基箔式3 mmX5mn應變片；接觸應力采用1.0 MPa 土壓力盒：孔隙水壓力采用0.2 MPa鋼弦式壓力計；結構內力采用鋼弦式鋼筋計。超前小導管應變測點布置是取$32 m論2.5 m的小導管，上、下對稱布點各5個，安裝在拱頂和拱腰處(設置3 根補償管 ) 。6 標段應力測點布置見圖1。3A標段應力測點布置

5、基本標，因是重疊道，點數目有增加16i-JU巖4.1圍巖26標段各測點圍巖向應力歷變化勢見圖各測點圍i-JU巖向應變化趨圖2中橫坐標觀測時間的正號表示已封閉成環(huán)， 負號表示未封閉， 以下同由所測的圍巖徑向應力并結合3A, 3C(與3A緊鄰，工程條件相同)等標段的實測資料可得，其應力分布規(guī)律如下： (1) 拱腰和仰拱處的圍巖徑向應力較大：而拱頂與仰拱底處的圍巖徑向應力均較小，相比較而言，最小值產生在兩側墻，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，總的表現特征是仰拱右側處的徑向應力大 于其左側；(3)3A標段斷面的徑向應力較 6標為大，原因為 3A標設臨時

6、仰拱且斷面下部分處 于風化巖上，圍巖變形相對較小，故由“ 地層- 支護”特征曲線可知，其必然導致徑向應力大； (4) 在結構未封閉成環(huán)之前，拱部變形過大，實測應力值較小，隨時間延長，初期支護結構剛度及強度提高，其支護抗力逐漸增大，反映為圍巖施加于支護的徑向應力也隨之變大，這符合“地層-支護”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 支護結構的施作，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 ) 現象，隨整個支護結構的應力調整和再分配，拱部壓力

7、又重新進入一個緩慢增長 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，不同的是斷面封閉成環(huán)后，隨 著結構的逐步穩(wěn)定，應力的調整和再分配，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 標等的量測資料可知，孔隙水壓力的分布特征為： (1) 初期支護未封閉成環(huán)前，孔隙水壓力隨工作面推進有降低的趨勢，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值，表明該處土體處于松馳狀態(tài)，為剪性張

8、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和左下側： (4) 孔隙水壓力分布與圍巖徑向 應力分布特征基本類似。 圖 3 孔 隙 水 壓 力 的 歷 時 曲 線4.3初期支護格柵鋼架結構內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構簡化而計算，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） 上半斷面結構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?/p>

9、為受壓；下半斷面左右兩邊墻以及仰拱兩側軸力均為壓力，而在仰拱底處由開始的拉拉逐漸趨變?yōu)閴毫顟B(tài)。上述特征與設計的 整個結構斷面皆受壓不相一致。 （3） 結構所受彎矩的分布狀態(tài)為：在封閉成環(huán)后，除仰拱部以（4） 相比較而言，上半斷面承受了較及側墻為內側受拉外，其他實測的結果均與設計值不同。彎矩，說明上半斷面的支護結構為主要承受部位圖4圖5初次初次支擴支護結構結構截面截面軸力彎矩變化變化趨勢趨勢4.4超前支護體對超前小導管的應力分析采用拉（ 壓 ） 彎組合，以拱腰小導管為例，其拉（壓）應變及彎曲應變在 不同 開 挖 長度 時 ， 實測 應變 沿小 導管 長度 的 變 化趨 勢 見圖 6，7 。圖

10、6 小 導 管 的 拉壓 應 變 的 變 化 趨 勢圖 7 小 導 管 的 彎 曲 應 變 的 變 化 趨 勢 由圖 6， 7 及其他小導管的應變測試資料可得，超前支護小導管的應變變化特征為： (1) 隨 工作面。開挖，超前支護體上沿全長皆有應力分布，小導管的工作狀態(tài)是拉彎組合，即小導 管在圍巖荷載的作用下，產生彎曲的同時也伴隨有拉伸。 (2) 隨工作面推進，拉應力增加，其 應變增量有向下一測點遞增的趨勢。 (3) 當工作面推進長度大于小導管長度時，尤其是上下臺 階封閉成環(huán)后，小導管全部轉化為受壓，表明其超前作用消失。 (4) 由彎曲應變知，其承受地 層上覆荷載的能力隨小導管在土中剩余長度的減

11、小而減小。因此設計時應該考慮，必須保證 小導管在土中有一定的剩余長度。4.5 拱 腳 與 土 體 的 接 觸 應 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、右兩拱腳安設了土壓力盒。實測表明，拱腳處的接觸應力遠 超過土體的基本承載力 ( 實測值最大為 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封閉成環(huán)后，才能使拱頂下沉變 緩。5 淺 埋 隧 道 應 力 重 分 布 的 分 區(qū) 認 識8 的實線實測的圍巖徑向應力與上覆土柱荷載的比值隨隧道開挖而呈現的

12、分布規(guī)律如圖部分。而對工作面前方應力的分布狀態(tài)，可利用超前支護的應力量測資料作推斷。由本次超 前小導管的現場量測資料可知，圍巖壓力產生的最大應變點 （應力集中峰值 ） 距工作面的距離 約為1.2m。文11）對超前支護體的數值模擬也表明：有預加固時，隧道工作面前方約2. 5m處，其圍巖徑向力就等于原始地應力。若沒有預加固，則此距離可遠至工：作面前方15m。據此可繪出隨工作面開挖，其前后應力的分布規(guī)律如圖8（其中工作面前方應力分布 （無測點線）為推斷結果。L為推進長度，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力的分布特征見圖 9。由圖 9 可知，其與上

13、述實測和分析的 規(guī)律一致。上述隧道工作面圍巖應力重分布的規(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：隧道推進時，在上 覆地層中產生了 “壓力波形”。在工作面前方 49m處，圍巖中的應力與原始應力相比較， 逐漸增加7%18%。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 巖應力 分布 特征在工作面前 2 4m 處達到最大值，然后在工作面前方0.5 2.5m 距離處降低到原始應力，并在已安裝的襯砌處降到原始應力的40% 50%。在工作面處為原始應力的70%95 。 工 作 面 通 過 一 段 距 離 后 ， 圍 巖 壓 力 逐 漸 增 加 而 接 近 原 始 應 力 ?；趯崪y以及上述分析，可提出淺埋城市地鐵隧道工作面，沿隧道推進方向，其圍巖應力分布可分3個區(qū)域，如圖10。圖10中，I為原始地應力區(qū)，n為增壓區(qū)，川為應力降低區(qū) ( 減壓區(qū) 或卸 荷區(qū) ) 。 1