城地鐵隧道工作面開挖的地層應(yīng)力分布規(guī)律

1、目錄錯(cuò)誤！未找到目錄項(xiàng)。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(shí)測(cè)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(cè)相對(duì)其變形觀測(cè)較少，尤其是用來(lái)完整 分析地層應(yīng)力分布的量測(cè)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(duì)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工等具有重要意義。本文利用深圳地鐵隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料，擬對(duì)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(cè) 試 斷

2、 面 的 工 程 概 況 針對(duì)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(duì)較大。本文選取6和3A標(biāo)作為重點(diǎn)觀測(cè)研究對(duì)象，其他標(biāo)段由施工方配合觀測(cè)。2.1 6標(biāo)段測(cè)試斷面概況測(cè)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(zhì)粘性土。其中富水砂層厚度為相對(duì)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(hù)為$22 mm格柵鋼架+Q6 mm鋼筋網(wǎng)(150mm150mm)+250m厚C20噴射混凝土

3、；超前支護(hù)為 $32mm3.25mm短注漿雙排小導(dǎo)管，其布置布置在拱部150°范圍。施工采用臺(tái)階法，臺(tái)階(核心土地)長(zhǎng)度為8m 。2.2 3A 標(biāo) 段 測(cè) 試 斷 面 概 況測(cè)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5m，相對(duì)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(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$76mm5mr加注漿小導(dǎo)管$42mm4mm其布置范圍為拱

4、部。施工采用4步臺(tái)階法，3個(gè)臺(tái)階均設(shè)臨時(shí)橫撐。3 現(xiàn) 場(chǎng) 測(cè) 試 內(nèi) 容 與 測(cè) 點(diǎn) 布 置圍巖應(yīng)力測(cè)試包括： (1) 超前小導(dǎo)管應(yīng)變測(cè)試； (2) 圍巖與初期支護(hù)接觸應(yīng)力測(cè)試； (3) 孔 隙水壓力測(cè)試； (4) 初期 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力測(cè)試； (5) 拱腳接觸應(yīng)力測(cè)試。超前小導(dǎo)管應(yīng)變測(cè)試采用膠基箔式3 mmX5mn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(jì)；結(jié)構(gòu)內(nèi)力采用鋼弦式鋼筋計(jì)。超前小導(dǎo)管應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置是取$32 m論2.5 m的小導(dǎo)管，上、下對(duì)稱布點(diǎn)各5個(gè)，安裝在拱頂和拱腰處(設(shè)置3 根補(bǔ)償管 ) 。6 標(biāo)段應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖1。3A標(biāo)段應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

5、基本標(biāo)，因是重疊道，點(diǎn)數(shù)目有增加16i-JU巖4.1圍巖26標(biāo)段各測(cè)點(diǎn)圍巖向應(yīng)力歷變化勢(shì)見圖各測(cè)點(diǎn)圍i-JU巖向應(yīng)變化趨圖2中橫坐標(biāo)觀測(cè)時(shí)間的正號(hào)表示已封閉成環(huán)， 負(fù)號(hào)表示未封閉， 以下同由所測(cè)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(shí)測(cè)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?yàn)镻抑拱P拱部P邊墻;(2) 對(duì)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?yàn)?3A標(biāo)設(shè)臨時(shí)

6、仰拱且斷面下部分處 于風(fēng)化巖上，圍巖變形相對(duì)較小，故由“ 地層- 支護(hù)”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(shí)測(cè)應(yīng)力值較小，隨時(shí)間延長(zhǎng)，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)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(tái)階開挖至斷面里程時(shí)，開挖邊墻 前后的壓力值產(chǎn)生了較大的改變。此時(shí)，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(gè)“平臺(tái) ”( 壓力大小不變 )或“卸荷”( 壓力略有下降 ) 現(xiàn)象，隨整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力調(diào)整和再分配，拱部壓力

7、又重新進(jìn)入一個(gè)緩慢增長(zhǎng) 直至穩(wěn)定的過程； (6) 邊墻與仰拱處的壓力變化趨勢(shì)基本相同，不同的是斷面封閉成環(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(zhǎng)速率相對(duì)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(shí)曲線見圖3。由圖 3 以及在 3A，3C 標(biāo)等的量測(cè)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(shì)，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

8、拉區(qū)； (3) 仰 拱處的孔隙水壓力為最大，其次為下臺(tái)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 時(shí) 曲 線4.3初期支護(hù)格柵鋼架結(jié)構(gòu)內(nèi)力由所測(cè)的格柵鋼架主筋的截面軸力和彎矩的變化趨勢(shì)通過結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而計(jì)算，見圖4 和 5。由圖4, 5可知，（1）在觀測(cè)斷面安裝后7d（開挖工作面距測(cè)試斷面1.39D），初期支護(hù)的上半斷面軸力，在封閉后符號(hào)變異。封閉成環(huán)后，上、下斷面的截面軸力有增加的趨勢(shì)，然 后呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì)且拱部略有下降。 （2） 上半斷面結(jié)構(gòu)的軸力在剛安裝時(shí)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(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(jì)的 整個(gè)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(cè)墻為內(nèi)側(cè)受拉外，其他實(shí)測(cè)的結(jié)果均與設(shè)計(jì)值不同。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圖5初次初次支擴(kuò)支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)截面截面軸力彎矩變化變化趨勢(shì)趨勢(shì)4.4超前支護(hù)體對(duì)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?cè)?不同 開 挖 長(zhǎng)度 時(shí) ， 實(shí)測(cè) 應(yīng)變 沿小 導(dǎo)管 長(zhǎng)度 的 變 化趨 勢(shì) 見圖 6，7 。圖

10、6 小 導(dǎo) 管 的 拉壓 應(yīng) 變 的 變 化 趨 勢(shì)圖 7 小 導(dǎo) 管 的 彎 曲 應(yīng) 變 的 變 化 趨 勢(shì) 由圖 6， 7 及其他小導(dǎo)管的應(yīng)變測(cè)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(zhǎng)皆有應(yīng)力分布，小導(dǎo)管的工作狀態(tài)是拉彎組合，即小導(dǎo) 管在圍巖荷載的作用下，產(chǎn)生彎曲的同時(shí)也伴隨有拉伸。 (2) 隨工作面推進(jìn)，拉應(yīng)力增加，其 應(yīng)變?cè)隽坑邢蛳乱粶y(cè)點(diǎn)遞增的趨勢(shì)。 (3) 當(dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度大于小導(dǎo)管長(zhǎng)度時(shí)，尤其是上下臺(tái) 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(zhǎng)度的減

11、小而減小。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮，必須保證 小導(dǎo)管在土中有一定的剩余長(zhǎng)度。4.5 拱 腳 與 土 體 的 接 觸 應(yīng) 力 對(duì)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(shí)測(cè)表明，拱腳處的接觸應(yīng)力遠(yuǎn) 超過土體的基本承載力 ( 實(shí)測(cè)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(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(shí)8 的實(shí)線實(shí)測(cè)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

12、分布規(guī)律如圖部分。而對(duì)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(cè)資料作推斷。由本次超 前小導(dǎo)管的現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)資料可知，圍巖壓力產(chǎn)生的最大應(yīng)變點(diǎn) （應(yīng)力集中峰值 ） 距工作面的距離 約為1.2m。文11）對(duì)超前支護(hù)體的數(shù)值模擬也表明：有預(yù)加固時(shí)，隧道工作面前方約2. 5m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(wú)測(cè)點(diǎn)線）為推斷結(jié)果。L為推進(jìn)長(zhǎng)度，D為隧道寬度）。針對(duì)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

13、述實(shí)測(cè)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(yàn)所驗(yàn)證。文11） 基于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，利用傳感器所測(cè)的隨工作面移動(dòng)，拱頂上部圍巖壓力的分布規(guī)律是：隧道推進(jìn)時(shí)，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(yīng)力 分布 特征在工作面前 2 4m 處達(dá)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(yīng)力，并在已安裝的襯砌處降到原始應(yīng)力的40% 50%。在工作面處為原始應(yīng)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(yīng) 力 。基于實(shí)測(cè)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(gè)區(qū)域，如圖10。圖10中，I為原始地應(yīng)力區(qū)，n為增壓區(qū)，川為應(yīng)力降低區(qū) ( 減壓區(qū) 或卸 荷區(qū) ) 。 1