膨胀土地层中盾构管片内力探讨.pdfVIP

六、隧道施工控制与变形分析 膨胀土地层中盾构管片内力探讨 周伟天何川 晏启祥郭磊 (西南交通大学隧道与地下工程系 成都610031) 摘要以成都地铁2号线穿越膨胀土地层盾构隧道为研究对象，对所处的五种膨胀土分布形式 中的管片环进行研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁一弹簧模型进行理论计算，探讨了膨胀土地层 中采用梁一弹簧模型的管片内力计算模式，计算了不同的膨胀土分布形式对管片变形、内力等的分布和 变化规律的影响，得出了对实际工程有现实意义的结论，可为类似工程的设计与施工提供参考。 关键词膨胀土管片 梁一弹簧模型 1 引言 膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩、具有较大往复胀缩变形的特殊黏土，主要矿物成分为强亲水性 的蒙脱石和伊利石，天然状态下一般强度高、压缩性低，易被误认为是工程性质良好的土…。膨胀土本 身的遇水膨胀，失水收缩的特性对膨胀土隧道施工极为不利，围岩因开挖而产生变形，或者因浸水而膨 胀，或因风化而开裂等现象，使隧道的顶部及两侧向内挤入，底部鼓起，随着时间的增长导致围岩失稳， 支撑、衬砌变形和破坏，特别在地下水发育、地表降水渗透的条件下，隧道土体极易失稳，具体表现在收 敛急剧扩展、拱顶下沉加大，甚至坍塌。因而膨胀土围岩隧道施工中，必须通过隧道衬砌的环向闭合受 力来遏止围岩变形，进而保证施工安全。同时加强隧道地表排水处理，将地表水引至隧道影响范围外； 缩短开挖面与仰拱施工之间的间距，尽快使隧道形成环向受力。 采用盾构穿越膨胀土地层有利有弊，优点：①膨胀性围岩隧道除拱部承受很大围岩压力外，边墙和 底部也承受很大的膨胀压力，盾构法隧道保证了衬砌断面为圆形，能适应膨胀压力的出现。②盾构法施 工仰拱施工及时，能尽旱形成闭合结构可以立即发挥衬砌的整体承载能力，控制边墙变形和防止底鼓现 象。缺点：①盾构法隧道为一次性衬砌，且刚度较大，无法做到先柔后刚，先让后顶，分层支护；而复合式 衬砌则能刚柔并济，选择在合适的时机施做二次衬砌，使衬砌受力较小。②盾构法隧道防水性能良好， 且不设引水管或盲沟引水至洞内排水，地下水易渗流至底部，造成底鼓。 2工程概况 成都地铁2号线一期工程钢管厂站以东大部分线路覆盖层上部发育厚1—17m的黏性土，经勘察 取样试验，部分黏性土自由膨胀率F。=40％～47％，本区黏性土具弱一中等膨胀性。由全线总体考虑，此 膨胀土段仍采用盾构法施工。据成都2号线QJ标地质勘察报告，成都市大气影响急剧深度为1．35m， 大气影响深度为3．0m，鉴于区间隧道建成以后可能沿区间隧道外沿形成纵向汇水通道的可能设想，假 定计算过程中沿隧道走向外沿3．0m的区域内的膨胀土发生遇水膨胀情况。鉴于膨胀地层后期分布厚 度大小的不确定性，根据盾构穿越膨胀土地层，按以下几种膨胀土分布方式计算，见图1。MOO，无膨胀 土；Mol，衬砌下部90。范围内分布有膨胀土；M』2，衬砌下部180。范围内分布有膨胀土；M03，衬砌下 部2700范围内分布有膨胀土；M04，衬砌周围全部分布膨胀土。 244 膨胀土地层中盾构管片内力探讨 簇熟 ≮劫 吲1 膨胀二卜_分布力。式 盾构隧道内径为5 6 材料为5．6级钢。管片采用错缝拼装，前后环分别为左偏18。，右偏18。。 图2管片分块图(尺寸单位：mm) 3有限元数值模拟概况 3．1梁-弹簧模型 计算采用梁．弹簧模型，见图3。用弹簧模拟接头，梁模拟管片。目 前弹簧系数主要是根据接头受力试验确定，且大都把弹簧系数看成常 数。但实际上，接头的力学性能是很复杂的，各种弹簧的系数是变化 的。如接头的抗弯刚度系数，除了和接头构造、螺栓的预紧力有关外， 还和接头部位的轴力、弯矩等多项冈素有关。在一环管片衬砌内，具 体考虑环向接头的位置和接头的刚度，用梁单元模拟管片的实际状 况，用接头抗弯刚度K来体现环向接头的实际抗弯刚度。对于纵向接 头，其径向抗剪刚度K，和切向抗剪刚度K．按偏于安全方面考虑均取 为无穷大，即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。 3．2膨胀土接触压力 图3 粱一弹簧计算模型图 《岩土工程基本术语标准》(