膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究.pdf

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膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究1 膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究2 膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究3 膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究4 膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究5 膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究6
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—文章编号:10094539(2018)07-0060一05・隧道/地下工程・膨胀土地层大直径盾构隧道健康监测与分析研究张斌(中铁十四局集团有限公司山东济南250014)摘要:膨胀土地层受地下水影响较大,具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形性能,若处理不当容易给穿越该区的隧道工程带来巨大的技术难题,极易出现地面开裂、塌陷、隆起等工程病害。为了探究膨胀土地层对大直径盾构隧道结构的影响,以扬州瘦西湖盾构隧道穿越膨胀土地层为背景,通过对盾构隧道的健康监测与数据分析,结合膨胀土的试验结果,开展膨胀土地层大直径盾构隧道地层变形规律、管片内力及所受土压力变化研究。研究结果发现膨胀土性质极大地影响了土压及地层沉降变化。扬州瘦西湖盾构隧道健康监测的主要成果能够为今后类似工程提供可靠的分析评价资料和科学的安全预测依据。关键词:膨胀土地层大直径盾构盾构隧道健康监测数据分析中图分类号:1)456.3文献标识码:ADOI:10.3969/j.isan.1009.4539.2018.07.017HealthMonitoringandDataAnalysisofLargeDiameterShieldTunnelinExpansiveSoftLayerZhangBin(CenaBailway14凼BureauGroupCo.Ltd.,JinanShandong250014。China)Abstract:Theexpansivesoillayer,whichisgreadyaffectedbygroundwater,hasconsiderabledeformationperformanceofwaterswellingandwatershrinking.ItwillverisetogreattechnicMdifficultiesinthetunnelingworkscrossingtheexpansivesoillayerifhandledimproperly,andwilleasilycauseengineeringdiseasessuchascracking,collapseandupliftoftheground.Inordertoexploretheinfluenceofexpansivesoillayerontheconstructionoflarge-diametershieldtunnel,theSlenderWestLakeshieldtunnelinYangzhouistakenasan‰example.gIIthehealthmonitoringanddataanalysisoftheshieldtunnel,andcombinedwiththetestresultsofexpansivesoil。thestudyondeformationlawandinternalpressurechangeaswellaspressureofsoilunderlarge-diametershieldtunnelwillbecarriedout.Theresultsshowthatthepropertiesofexpansivesoilaffectthecruseofearthpressureandformationsubsidencegreatly,andthemainresultsofhealthmonitoringinYangzhouSlenderWestLakeshieldtunnelcouldprovidereliableanalysisandevaluationdataaswell踞scientificsafetypredictionbasisforsimilarprojectsinthefuture.Keywords:expansivesoillayer;large-diametershield;shieldtunnel;healthmonitoring;dataanalysis1引言在膨胀土地层中建造盾构隧道,地下水渗入、温度变化都有可能影响膨胀土的状态,对隧道结构——收稿日期:20180426基金项目:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目(12.C16)作者简介:张斌(1981一),男,高级工程师,主要从事工程测量及大直径盾构施工。造成影响,大量的工程实践表明,在膨胀土地层中修建工程建筑物往往产生不均匀的胀缩变形,造成…位移、开裂、倾斜甚至破坏。为保证在膨胀土地层中盾构隧道施工过程和长期运营的安全,针对盾构隧道结构、工艺、环境等工程特点,设计和实现隧道结构的健康监测是保障结构安全的主要方法心J。目前针对膨胀土地层中60铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018【07l万方数据・隧道/地下工程・隧道管片受力的研究已有不少。陶西贵等¨o采用三维非线性有限元方法模拟膨胀土层中开挖遇水膨胀的现象,得出土体本身膨胀性能对洞室稳定性的重要影响;薛建荣等Ho通过理论和试验深入分析膨胀岩土隧道结构的力学特性,提出设计过程中应对膨胀土地层盾构隧道结构底部进行耐久性设计;”林刚等1采用接触单元对膨胀接触压力和膨胀力的关系进行了研究,得出了膨胀接触压力与土层分布、厚度、结构刚度等的关系。研究发现,在膨胀土地层中盾构隧道的健康监测技术研究较少,尤其是大直径盾构在膨胀土地层中健康监测尚未见报道。本文以扬州瘦西湖隧道工程为例,通过采用二等水准测量观测地表沉降、采用光栅传感器监测结构受力以及膨胀土试验等方法来探讨大直径盾构在膨胀土地层中的健康监测。量增加和结构遭扰动后,其力学性质明显减弱。由于在泥水盾构掘进开挖土体浸水或泥浆时造成土粒间的结构联结和强度丧失,极易导致开挖面土体‘崩散解体6】。3监测断面布置与膨胀土试验3。1监测断面布置根据盾构隧道穿越地层的工程地质条件、管片布置形式及隧道结构设计方案,确定管片结构监测共设计4个监测断面,分别位于始发井洞门处、江中超浅埋处以及覆土最深处等位置,监测断面位置如图1所示,监测主要内容包括盾构段地表沉降监测、结构内力和土压力等。湖西工作井、/g瘦西湖寸州8l湖东董干l工作井皿卺一~瘦一前吲引万方数据・隧道/地下工程・353025蔷20域15簧105O一{含水率肱图2径向应变随含水率变化曲线3.2.2有荷载膨胀率试验为揭示膨胀土遇水膨胀特性,进行了有荷载的膨胀率试验(试验二),试验试样初始含水率为天然含水率(约为21%),各级荷载作用下土体膨胀率试验结果见图3,随着轴向荷载的不断增加,土体膨胀率不断减小,膨胀率基本符合以下模拟计算公式:6。,=650.28“xP抛(1)式中,艿。为某荷载下的膨胀率(%);P为荷载值(kPa)。荷栽/kPa图3膨胀率一荷载关系曲线3.2.3膨胀荷载模式模拟为了工程应用方便,采用将一部分膨胀荷载折减的办法,找到既适合工程使用,又能够准确计算、符合实际的膨胀荷载处理模式。考虑到膨胀土地层与一般地层的区别,采用不同的膨胀荷载处理模式,对于瘦西湖隧道,膨胀荷载分别采用5种荷载模式进行模拟:(1)将膨胀荷载均匀分布在隧道外表面;(2)左右两侧的膨胀荷载减少10%;(3)上下两侧的膨胀荷载减少10%,如图4所示;(4)上部膨胀荷载减少10%;(5)下部膨胀荷载减少10%。在计算时,分别采用二62折减10%图4膨胀荷载模式示意铁道建筑技术维和三维模型,按照5种膨胀荷载模式进行计算,将隧道内力计算结果与监测结果对比,确定最为吻合的膨胀荷载模式。4监测成果分析4.1地表沉降成果分析4.1.1数据分析盾构隧道正上方测点沉降量显示了一种变化规律:在盾构掘进之前,沉降变化量都比较小,盾构—穿越过后56个月左右,地表沉降趋势缓慢趋于稳定。l(2+140断面随着盾构刀盘的靠近有较小的沉降量,盾构掘进通过与管片拼装完成后,地表有2次明显的向上隆起,随后经过4~5个月时间沉降趋势趋于稳定,如图5所示。监测El期图5断面1地表沉降折线在盾构掘进到达前,其余断面地表沉降先有较小的沉降趋势,盾构掘进通过后,先向上隆起,随后快速下沉,然后经过5~6个月,盾构隧道正上方地表沉降趋势缓慢趋于稳定,如图6所示。4’lo通一2簧_4—6—8监测时间,d图6典型断面地表沉降折线4.1.2原因分析典型断面在距离盾构掌子面较近时,因地层扰动,地下水位下降引起下沉,该数值较小。盾构掘RAlLWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(07122l1O0鋈畔餐鹭万方数据・隧道/地下工程・进通过后,由于膨胀土的特性,产生的弹塑性变形引起地层沉降;衬砌背后的填充注浆和膨胀土的膨胀特性则是地层隆起的主要原因。随着盾构隧道埋深的增加,其轴向荷载不断增加,而土体膨胀率不断减小,地表隆起变化趋势与有效荷载膨胀率试验(试验二)结果相一致。盾构通过该断面后长时间发生后续沉降,主要由于盾构掘进造成的膨胀土地层扰动、松弛及工后再次固结,引起地层应力释放导致地表长时间的缓慢下沉"qJ。根据工况结合监测数据分析,K2+140断面因为补充一次注浆未填充的部分并防止地层松弛范围扩大进而造成地表塌陷,对盾构扰动过的周边地层进行二次注浆加固,为地表二次隆起的主要原因。4.2管片土压力成果分析4.2.1数据分析断面l土压力监测数据在2013年8月份之前一直呈增大的趋势,如图7所示;8月份之后,逐渐减小并趋于平稳,与其余断面的趋势是基本吻合的。其余断面的土压监测数据如图8所示,管片背后注浆完成时,其受到的土压力最大,随后压力逐渐消散,在最后一次注浆5~6个月后逐渐趋于平稳。蛊1000趔800辩她0∥∥‘猡;雾黟?0鳓黟监测日期图7断面1管片土压力时程曲线监测日期图8典型断面管片土压力时程曲线瘦西湖盾构隧道顶部、底部、左侧和右侧检测到较大的土压力,左右两侧土压明显大于上下两侧,与一般地层盾构隧道不同。4.2.2原因分析断面l在2013年8月份之前一直呈增大的趋势,土压增大趋势与地表变化趋势相吻合,由于盾构建仓的原因在此长时间停机,在盾构通过该断面后,为保证隧道安全,进行了2次注浆加固,由于膨胀土的渗透系数较小、注浆压力不能很快消失,在盾构管片推出盾尾后的短时间内,作用在管片环上的水土压力均为注浆压力和水土压力的叠加值一J。其余3个断面在注浆完成时,其受到的土压力最大,也正是由于同步注浆的原因造成的。无论是膨胀土地层还是砂层,注浆压力是施工阶段主要的施工荷载,对管片受力影响很大¨0|。瘦西湖隧道土压缓慢变化阶段持续了5~6个月,与地表沉降监测数据反映趋势相吻合。在这个阶段,隧道周围土体含水率的增加造成土体内蒙脱石发生层间膨胀,使得土体原有空隙压实并导致整体膨胀,在隧道管片的约束下将对管片产生附加应力¨1|,在原有土压力基础上增加的土压力,导致左右侧土压大于上下两侧土压,与试验一及膨胀模式(3)模拟结果相一致,与一般地层盾构受到的典型土压分布明显不同。4.3管片温度与内力成果分析4.3.1管片温度成果分析对于管片温度的监测,是为了观测温度变化对管片受力与变形的影响,通过温度修正得到更为准确的管片受力与变形数据。管片监测温度的变化趋势与扬州当地气温变化趋势非常吻合,隧道内温度较外界气温稳定,但变化幅度也比较大,如图9所示。由图8可以看出膨胀土地层中盾构隧道土压力妒的变化十分复杂,但大致可分为3个阶段:初步稳定,缓慢变化,最终稳定。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY20181071监测日期图9扬州地方温度变化曲线万方数据・隧道/地下工程・4.3.2结构内力数据分析(1)由于膨胀土分布情况的不同,弯矩可能分布不对称,但弯矩分布形态的总体趋势仍然为隧道拱顶和拱底有比较大的正弯矩,而左右两个拱腰的位置有比较大的负弯矩;最大负弯矩值大于最大正弯矩值。着膨胀压力的增大,管片圈10典型断面不同施工衬砌结构弯矩稍有增大,但阶段弯矩分布(单位:kN・m)弯矩波动并不明显,虽然接触匪力在随时间变化,但各点的变化趋势相同,所以对隧道弯矩值影响不是很大。根据膨胀荷载模式模拟结果与实测数据分析对比,膨胀荷载采用模式(3)时,即上下两侧的膨胀荷载减少10%(见前面图4),数值模拟的结果是最接近实测值的,吻合良好,结果对比见表2。表2各断面上下折减10%的计算结果对比弯矩实测值/模拟值断面编号监测点位置(kN・m)弯矩/(kN・m)误差/%F一242.83—238.941.6012—202.23—192.594.77B1264.65246.636.81lB2372.35361.482.92134—286.70—281.431.84135—206.82一196.425.03137275.52279。791.55Ll436.45457.404.80BI一285.88—247.4113.462B3—527.5l一475.29.90B5288.67298.353.35B7—359.83—348.793.07F一161.66—144.4910.62L1—620.12—651.054.993B2152.11148.242.54B4—436.45—.410.365.98136378.20367.152.92F一336.18—353.605.18Ll一256.54—235.678.13Bl398.54403.351.204B3151.88160.4l5.6l134—285.27—293.802.99137263.17269.242.3l结合接触压力分布图(见前面图7、图8)分析发现,接触压力较大的位置在拱部的拱腰和底部的仰拱,并且一般来说拱腰位置的接触压力大于仰拱,所以导致拱腰最大负弯矩值大于拱顶的最大正弯矩值。(2)因为隧道全周均为膨胀土,其典型结构弯矩图大多为左右、上下对称,结合试验二可以发现,盾构注浆完成后,由于膨胀土对隧道结构的影响,导致管片结构弯矩分布形态由隧道拱顶正弯区向两侧偏移。这与前人研究弯矩分布规律相同¨2l。5结论(1)对于瘦西湖隧道,地表沉降及土压力缓慢变化阶段持续了5~6个月;膨胀土随着轴向荷载的不断增加,土体膨胀率不断减小。(2)注浆作用对衬砌结构压力监测影响较大;膨胀土地层中隧道左右两侧土压明显大于顶部和底部,与NATM隧道不同。(3)隧道顶部和底部检测到较大的正弯矩,而在隧道左侧和右侧检测到较大的负弯矩;最大负弯矩值大于最大正弯矩值。(4)考虑到膨胀土地层与一般地层的区别,采用不同的膨胀荷载处理模式,当盾构隧道处于膨胀土地层中时,可以将其荷载分为两部分处理:一般荷载按照通用模式处理,而对膨胀荷载进行折减,即上部90。和下部900范围内的膨胀荷载分别折减。参考文献[1]郭瑞,何川,方勇.膨胀土地层中盾构隧道管片结构受力分析与对策研究[J].现代隧道技术,2010,47(6):—1722.[2]马洪杰.软土地质地铁深基坑监测管理技术[J].铁道—建筑技术,2016(5):9699.[3]陶西贵,张耀.膨胀性软岩洞室支护效应三维有限元—分析[J].岩土工程技术,2004(6):303306.[4]薛建荣,张营营.基于膨胀岩土地层盾构隧道结构力—学分析研究[J].公路工程,2016,41(3):5559.[5]林刚,罗世培,郭俊,等.膨胀岩土地层盾构隧道结构力—学行为研究[J].现代隧道技术,2011,48(3):7479.[6]张亚洲,闵凡路,孙涛,等.硬塑性黏土地层泥水盾构停机引起的地表塌陷机制研究[J].岩土力学,2017,38(4):1141一1147.(下转第68页)铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(07J万方数据・隧道/地下工程・4.4合理刚度及强度支护控制隧道初期支护常采用型钢拱架和钢格栅拱架两种拱架结构形式。其中型钢拱架优点是:刚度大,早期支护强度高。但缺点也很明显,因为混凝土和型钢之间的热膨胀系数相差较大,所以容易在型钢拱架上产生裂缝,喷射混凝土和型钢拱架很难粘结成一个整体,这对初支的后期强度有很大的影响。与之相反,钢格栅拱架刚度小,早期支护强度低,但钢格栅与混凝土接触面积较大,更容易形成一个整体结构,且钢格栅拱架周围不易产生收缩裂缝,后期强度不受影响,可以充分发挥柔性支护作用。鉴于两种钢架的特性,在软弱围岩隧道支护施“”工设计时建议采用钢格栅+钢拱架刚柔联合支护技术,如图7所示,该支护形式结合了两种拱架的优点,不仅能充分发挥格栅拱架的柔性支护特性,同时型钢拱架的刚性特性也得以利用。基于收敛一约束法研究表明,刚柔联合支护技术可以有效确保初期支护的早期和后期强度。该技术在实际工程中得到了现场应用验证,可有效控制软岩收敛变形。5结论图7刚柔联合支护(1)根据刚柔联合支护控制理念,提出了软岩隧道大变形系统控制体系。(2)掌子面后方3倍洞径之外的围岩拱顶沉降值渐趋于稳定值,掌子面处的拱顶沉降为最终沉降量的36%。(3)固定断面从产生位移到位移稳定大概需要30开挖步,在空间上大概是3倍洞径长度。(4)在软弱围岩隧道支护施工设计时建议采用“”钢格栅+钢拱架刚柔联合支护技术。(5)软岩隧道大变形控制体系中的施工方法及围岩支护方案,能够有效地控制软弱围岩的大变形,可为其他类似工程提供借鉴。参考文献[1]马士伟,韩学诠,廖凯,等.大断面软弱围岩隧道防塌方实时监测预警标准研究[J].铁道工程学报,2014,—3l(9):8892.[2]周阳宗.盾构吊装对初期支护条件下矿山法隧道的变—形影响分析[J].铁道建筑技术,2016(4):6163,114.[3]孙洋,左昌群,刘苗,等.加长锚杆在软岩隧道大变形控—制中的应用[J].现代隧道技术,2014,51(3):174180.[4]黄林伟.软岩隧道大变形力学行为与控制技术的研究—[D].重庆:重庆大学,2008:45.[5]孙兵.预切槽法开挖黄土隧道掌子面稳定方式研究—[J].铁道建筑技术,2017(10):1116.[6]张梅,何志军,张民庆,等.高地应力软岩隧道变形控制设计与施工技术[J].现代隧道技术,2012,49(6):—1322.69.[7]王非,缪林昌,王正兴,等.砂性土中隧道施工引起地层沉降分布特征的模型试验研究[J].岩石力学与工—程学报,2014,33(s1):33273332.[8]赖金星,樊浩博,来弘鹏,等.软弱黄土隧道变形规律—现场测试与分析[J].岩土力学,2015,36(7):20032012,2020.[9]苏晓整.隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究—[J].铁道工程学报,2012,29(3):6468.[10]马荣.隧道施工过程数值仿真及支护参数优化研究[D].长沙:中南大学,2008:3-4.[11]柳立峰.隧道施工安全管理及评价体系研究[D].重—庆:重庆大学,2008:23.[12]宋嘉辉.高地应力千枚岩地层隧道大变形控制措施探—讨[J].施工技术,2012,41(13):9092,95.————————————————————————————■———————‘一+一+一+卜+一++・++卜卜+-+一+-+++一+++一-+卜卜+++-+-+一+卜+一+-}一-卜卜+--一卜一。+-一+・(上接第64页)[7]魏纲,周洋,魏新江盾构隧道施工引起的工后地面沉降研究[J].岩石力学与工程学报,2013,32(S1):2891-2896.[8]郭李刚.全断面泥岩地层盾构施工管片上浮控制研究—[J].铁道建筑技术,2017(7):7577.[9]肖中平,何川,林刚,等.黏性地层地铁盾构隧道管片结—构力学特征研究[J].现代隧道技术,2006(6):1822.铁道建筑技术[10]唐孟雄,陈如桂,陈伟.广州地铁盾构隧道施工中管片受—力监测与分析[J].土木工程学报,2009,42(3):118124.[11]薛光桥.瘦西湖隧道下蜀黏土土水特征研究[J].铁道—建筑技术,2015(11):98101.[12]方勇,符亚鹏,齐春,等.膨胀岩土地层盾构隧道管片结构荷载及内力特征[J].中国铁道科学,2014,35(3):56-63.RAlLWAYcONSTRUCTloNTEcHNoLoGY2018(07l万方数据
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