非常规覆土大盾构隧道管片施工荷载及土压力研究

非常规覆土大盾构隧道管片施工荷载及土压力研究随着城市地下空间开发的快速发展,盾构隧道埋深也从以往的常规覆土深度向浅覆土和深覆土等非常规覆土深度发展。但是,目前针对施工荷载对浅埋和深埋大盾构隧道管片的影响以及两种覆土深度下的隧道管片的水土荷载分布规律的研究还比较缺乏。因此,有必要开展相关研究,分析盾构隧道施工过程中,施工荷载对盾构隧道管片的影响规律以及浅埋和深埋隧道水土荷载分布规律,提出针对性的盾构隧道设计和施工建议,为盾构隧道管片的设计和施工提供理论依据和技术指导。本文首先对浅埋和深埋大直径盾构隧道外荷载进行了现场监测,得到了两种覆土深度下的盾构隧道施工荷载和水土压力大小及变化规律,并发现了以下两个问题:尾刷压力对浅埋盾构隧道管片的受力安全有极大的影响,现有盾构隧道管片设计方法应用于深埋盾构隧道偏保守。通过开展相关试验研究和数值分析,并与现场实测数据对比,提出了相应的盾构隧道管片的设计和施工建议。本文主要内容和结论包括:(1)采用柔性土压力计、孔隙水压计和钢筋计对浅埋和深埋盾构隧道进行现场监测,得到了浅埋和深埋盾构隧道在施工过程中以及工后阶段作用在管片上的施工荷载、水土压力以及管片内力分布和变化规律,发现了以下两个问题:尾刷压力特别是钢板刷压力是作用在浅埋盾构隧道管片上的最大荷载,对管片受力安全有极大的影响;深覆土条件下,实测水土压力、管片轴力和弯矩都小于现有盾构隧道管片设计理论值,即现有盾构隧道管片设计方法应用于深埋盾构隧道设计偏保守。(2)对目前盾构常用的盾尾密封钢丝刷和钢板刷进行加载试验,得到了钢丝刷和钢板刷的力-位移关系曲线。然后通过数值分析方法,采用假想的径向地基弹簧模拟管片环在盾构机内受到的支撑效果,将尾刷压力直接施加在隧道上,得到了不同盾尾姿态下的管片轴力和弯矩的大小以及分布规律。结果表明:对于10m级大盾构隧道,在压缩量相同的情况下,钢板刷产生的压力比钢丝刷的大,管片轴力和弯矩随着盾壳与管片间隙的减小而变大,钢板刷产生的最大弯矩将超过1000kN·m,严重影响管片的安全。(3)采用模型试验方法,开展了考虑同步注浆影响的砂土地层和粘土地层两种地层条件下不同埋深和不同注浆压力下的盾构隧道管片土压力研究,得到了不同地层、不同埋深下的土压力变化规律以及盾尾注浆对管片土压力的影响,分析了深覆土隧道水土压力分布机理。试验结果表明,盾尾注浆使作用在隧道上的水土压力分布趋于均匀,两种土层中的各个位置的水土压力值与隧道顶部的土压力值的比值在0.95-1.2之间。管片土压力的最终大小主要与地层性质、覆土深度等因素有关,与注浆压力关系不大。同时,在砂土和粘土地层中,当隧道埋深分别超过2D(D为隧道外径)和3D时,作用在隧道拱顶的垂直土压力小于全覆土压力。(4)针对尾刷压力对盾构隧道管片的影响问题,采用数值分析方法,分析了不同尾刷压力与不同覆土产生的管片内力以及盾构隧道管片所需配筋量之间的关系。研究发现,对于10m级大盾构隧道,当设计覆土深度小于25m时,不宜使用钢板刷进行盾尾密封,同时为了管片安全,在盾构施工过程中也应该控制盾壳与管片间隙d≥10mm;当设计覆土深度大于25m时,可以使用钢板刷,但是在盾构施工过程中要严格控制d≥10mm,以保证盾构隧道管片的安全。(5)针对深覆土盾构隧道水土压力大小和分布问题,基于现场水土压力和内力实测数据,从水平三角形地层抗力、垂直土压力、侧向土压力系数取值以及水土分、合算等方面对现有盾构隧道荷载分布模式的合理性进行了分析。结果表明:对于砂土地层,当覆土深度超过2D时,垂直土压力应该采用太沙基松动土压力,同时侧向土压力系数取值应该比地勘报告建议值大0.1-0.2;对于粘土地层,侧向土压力系数取值应该比地勘报告建议值大0.1。不管是砂土地层还是粘土地层,水土分算