盾構(gòu)隧道施工對(duì)近接管線影響模型試驗(yàn)研究

馬程昊　徐鵬舉　魏　超(．中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京　000; ．哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　50090;．中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京　00000)

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盾構(gòu)隧道施工對(duì)近接管線影響模型試驗(yàn)研究

馬程昊1徐鵬舉2魏超3
(1．中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京101300; 2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090;3．中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100000)

摘要:介紹了一種用于模擬盾構(gòu)隧道施工引起地層損失的模型試驗(yàn)方法，并采用該試驗(yàn)手段，對(duì)管隧垂直工況下土體的沉降與地下管線的彎矩響應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明:盾構(gòu)擾動(dòng)對(duì)其臨近上方土體的影響最大，對(duì)兩側(cè)土體的影響與土體同隧道中心水平距離相關(guān);管線的彎矩曲線基本呈現(xiàn)“W”形，并且隨著地層損失的增加彎矩響應(yīng)逐漸增大。

關(guān)鍵詞:模型試驗(yàn)，盾構(gòu)施工，沉降，彎矩

0　引言

地下隧道開挖引起的地層沉降，如對(duì)沉降控制不嚴(yán)格，會(huì)使埋置于隧道周圍的管線發(fā)生損壞、破裂，由此帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人民生命財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題［1-3］。因此，為了保證盾構(gòu)隧道施工安全，必須查明隧道場(chǎng)地周圍地下管線的分布情況，并且對(duì)具有重要影響的管線進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，以采取必要的防護(hù)措施［4-5］。然而，目前尚缺乏針對(duì)此問(wèn)題的可靠技術(shù)手段，究其原因在于目前工程界對(duì)該類工況條件下管線災(zāi)變機(jī)理尚不明確，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算文件，在工程研究領(lǐng)域也沒有較為合理的試驗(yàn)手段［6-8］。鑒于此，結(jié)合正在建設(shè)中的天津地鐵6號(hào)線盾構(gòu)隧道施工中的某一工況，提出了一種模擬盾構(gòu)隧道施工地層損失引起周圍地下管線力學(xué)行為變化的室內(nèi)模型試驗(yàn)方法。該方法可以模擬盾構(gòu)隧道施工推進(jìn)過(guò)程中各類工況下管線力學(xué)特性的變化，為系統(tǒng)研究盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中周圍地下管線力學(xué)行為的演化過(guò)程提供重要手段。限于篇幅原因，本文僅對(duì)管隧垂直工況下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

1　試驗(yàn)介紹

1．1工程概況介紹

研究表明，盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中引起周圍土體變形的主要原因在于隧道施工引起的地層損失。因此本模型試驗(yàn)中以地層損失作為變形原因進(jìn)行設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)以正在施工中的天津地鐵6號(hào)線南何莊站至大畢莊站地鐵軟土盾構(gòu)隧道工程為研究對(duì)象。該段工程采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道管片外徑為6．2 m，隧道管片頂部距離地表面約為9 m，在隧道正上方有一鋼質(zhì)輸油管道，管道直徑為400 mm，壁厚為10 mm，走向與盾構(gòu)隧道垂直，埋深約為地表面以下3 m。

1．2相似關(guān)系

模型試驗(yàn)的目的在于管線的附加應(yīng)力及變形，因此該系統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)中首先根據(jù)模型箱尺寸與原型尺寸確定幾何相似比為1∶N。鑒于模型箱尺寸限制，本文試驗(yàn)中所采用的相似比為1∶10，并按照該相似比設(shè)計(jì)地層分布厚度、隧道尺寸、隧道與地下管線空間關(guān)系。其中地下管線的尺寸及材料力學(xué)參數(shù)滿足如下相似關(guān)系:

按照上述關(guān)系確定合理的地下管線材料、直徑、壁厚以及管線埋深，具體模型參數(shù)見表1與表2。

表1　工程實(shí)際管線及隧道尺寸　m

表2　模型試驗(yàn)管線及隧道尺寸　m

1．3盾構(gòu)隧道施工伴隨地層損失過(guò)程的模擬

模擬隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中產(chǎn)生地層損失的模型裝置如圖1所示。首先按照隧道模型外徑加工環(huán)形液囊，液囊內(nèi)部充滿氯化鈣溶液后套在隧道模型外部，液囊的寬度根據(jù)隧道模型長(zhǎng)度及模型試驗(yàn)中盾構(gòu)掘進(jìn)步數(shù)確定。每一個(gè)液囊通過(guò)液管與相應(yīng)的電磁液閥相連，該電磁液閥可以控制液體開關(guān)，然后將電磁液閥通過(guò)相同液管與流量計(jì)相連，據(jù)此即可確定每一液囊中流出的氯化鈣溶液體積。

圖1　盾構(gòu)隧道施工伴隨地層損失模擬裝置

在進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工模擬時(shí)，根據(jù)地層損失率即可確定每一液囊中放出的氯化鈣溶液體積。按照掘進(jìn)方向，依次將每一液囊中放出相同體積的溶液，即可模擬伴隨相同地層損失的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程。將某一液囊依次放出等體積的溶液，即可模擬盾構(gòu)隧道施工引起不同地層損失率的工況。

1．4試驗(yàn)總體布置

按照前文確定的相似關(guān)系，制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ囼?yàn)所采用的模型箱長(zhǎng)寬高分別為3 m×1．6 m×1．7 m，隧道采用1．5 m長(zhǎng)、外徑0．6 m、壁厚0．07 m的鋼筋混凝土空心管模擬。地層損失采用上節(jié)所述裝置模擬，本試驗(yàn)中共采用3個(gè)液囊，每個(gè)液囊寬度為0．5 m，容積為20 L。安裝模型時(shí)，首先在模型箱底部鋪設(shè)0．4 m厚度的試驗(yàn)用天津軟土，然后將安裝有液囊的隧道模型吊裝至模型箱中間位置，最后將每個(gè)液囊充滿氯化鈣溶液(容積20 L)。如圖2所示，將液囊分別編號(hào)為1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)液囊。

圖2　模型試驗(yàn)記錄圖

1．5傳感器的布設(shè)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁贾糜谐两蛋迮c應(yīng)變傳感器，用于記錄試驗(yàn)過(guò)程中模型土體的沉降與地下管線的應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中共采用兩種材質(zhì)的管線，分別為PVC管和鋼管，每根管線上各粘貼有19對(duì)應(yīng)變傳感器，并遵循在盾構(gòu)隧道周圍密布，隨著距離增大逐漸變稀的原則進(jìn)行布設(shè)。管線周圍不同深度處設(shè)置了20個(gè)沉降傳感器。傳感器布置圖如圖3所示。

圖3　管線與隧道相對(duì)位置以及傳感器布置圖

1．6試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)中采取排液法來(lái)模擬隧道的地層損失，加載步驟為:

1)按液囊編號(hào)1～3(見圖2)的順序依次釋放各個(gè)液囊各5 L水，各個(gè)液囊排液的時(shí)間間隔為30 min，觀察土體表面變形情況，并在每次排液后采集數(shù)據(jù)3次，每次時(shí)間間隔為10 min。

2)按液囊編號(hào)1～3(見圖2)的順序依次釋放各個(gè)液囊至10 L水，各個(gè)液囊排液的時(shí)間間隔為30 min，觀察土體表面變形情況，并在每次排液后采集數(shù)據(jù)3次，每次時(shí)間間隔為10 min。

3)按液囊編號(hào)1～3(見圖2)的順序依次釋放各個(gè)液囊至15 L水，各個(gè)液囊排液的時(shí)間間隔為30 min，觀察土體表面變形情況，并在每次排液后采集數(shù)據(jù)3次，每次時(shí)間間隔為10 min。

1．7試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

試驗(yàn)中采用百分表記錄土體的沉降數(shù)據(jù)，采用應(yīng)變傳感器記錄管線的應(yīng)變數(shù)據(jù)。盾構(gòu)隧道施工地層損失引起的附加彎矩計(jì)算示意圖如圖4所示，計(jì)算公式如式(2)所示。

圖4　地下管線應(yīng)變片布設(shè)及計(jì)算簡(jiǎn)圖

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1土體沉降

圖5為埋深300 mm處盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中土體沉降曲線，可以看出曲線呈現(xiàn)中間大、兩頭小的拋物線形狀，這表明盾構(gòu)擾動(dòng)對(duì)其臨近上方土體的影響最大，對(duì)兩側(cè)土體的影響與土體同隧道中心水平距離相關(guān)，距離越大影響越小，在距離超出一定范圍時(shí)，土體基本不受影響;比較圖5a)，圖5b)，圖5c)三圖可以看出，隨著排液量的增加(即實(shí)際工程中地層損失的增加)，埋深300 mm處土體沉降逐漸增大，而且可以看出沉降并不是隨擾動(dòng)而發(fā)生瞬時(shí)變化，而是一個(gè)逐步變化的過(guò)程。地表處盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中土體沉降曲線見圖6。

圖5　埋深300 mm處盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中土體沉降曲線

圖7分別為隧道正上方埋深300 mm處與地表處沉降隨時(shí)間變化的曲線，兩曲線基本呈線性變化，開始階段斜率略小于后期。到完成最大排液后沉降的總值亦可以看出，地表處土體沉降要大于埋深300 mm處土體的沉降量。

圖8為三個(gè)液囊均排液10 L后地表處和埋深300 mm處土體的沉降曲線，可以看出位于地表的土體沉降要略大于埋深300 mm處，但均呈現(xiàn)相同的沉降趨勢(shì)。即表明:盾構(gòu)擾動(dòng)對(duì)正上方的土體的影響隨與同盾構(gòu)隧道距離的增大而增大，位于地表的土體沉降更明顯。

圖6　地表處盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中土體沉降曲線

圖7　地表處地層沉降隨盾構(gòu)隧道施工推進(jìn)過(guò)程中的變化圖

圖8　三個(gè)液囊排液10 L后不同埋深土體沉降對(duì)比圖

圖9　埋深300 mm處管道彎矩曲線

2．2地下管線彎矩反應(yīng)

圖9和圖10為管線與隧道垂直情形時(shí)管道的彎矩曲線，可以看出曲線基本呈現(xiàn)一個(gè)“W”形，即出現(xiàn)了三個(gè)正高峰，兩個(gè)負(fù)高峰，隨著排液的進(jìn)行各個(gè)峰值均在增加。這也表明在這種情形下管線的受力如同兩端簡(jiǎn)支的簡(jiǎn)支梁。

圖10　地表處管道彎矩曲線

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開展管隧垂直工況下盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有管線影響模型試驗(yàn)，得到如下結(jié)論:1)盾構(gòu)擾動(dòng)對(duì)其臨近上方土體的影響最大，對(duì)兩側(cè)土體的影響與土體同隧道中心水平距離相關(guān)，距離越大影響越小，在距離超出一定范圍時(shí)，土體基本不受影響。2)管線的彎矩曲線基本呈現(xiàn)“W”形，并且隨著地層損失的增加彎矩響應(yīng)逐漸增大。

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Experimental study on influence of shield tunneling model on underground pipeline

Ma Chenghao1Xu Pengju2Wei Chao3
(1．China Building Corporation Technology Center，Beijing 101300，China; 2．Harbin Institute of Technology Department of Civil and Engineering Institute，Harbin 150090，China; 3．China Construction Communications Engrg．Group．Ltd，Beijing 100000，China)

Abstract:A model test method for simulating the ground loss due to shield tunnel construction was presented，the settlement of soil and bending moment of pipeline(in the case of pipeline vertical with tunnel)were studied using this method which were caused by the construction of shield tunnel．The results showed that the soil located up the tunnel was disturbed seriously by shield，the influence on the two-sided soil is relevant to the horizontal distance of the tunnel center of the earthwork，the bending moment curves of pipeline was a“W”pattern，and as the increase of ground loss，the bending moment increased gradually．

Key words:model test，shield construction，settlement，bending moment

作者簡(jiǎn)介:馬程昊(1985-)，男，工程師;徐鵬舉(1967-)，男，副教授;魏超(1985-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-22

文章編號(hào):1009-6825(2016)01-0169-03

中圖分類號(hào):U455．43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A