? 基于膨胀岩土地层盾构隧道结构力学分析研究 基于膨胀岩土地层盾构隧道结构力学分析研究
薛建荣， 张营营
(黄河水利职业技术学院， 河南 开封475001))
[摘要] 随着我城市建设高速发展，地铁在很多城市中不断出现，盾构工法也成为隧道施工的主要方法。从理论和试验两个角度分析膨胀岩土层盾构隧道结构的力学特性理，研究表明：岩土土压力数值在同一断面中的中心轴线上最大，越远离中心轴线数值边的越小，最大土压力大约为110 kPa；膨胀岩土层管片内壁底部的含水率增大时，膨胀岩土开始发生膨胀，管片底部的最中心位置出现最大变形1.18 mm，盾构底部出现最大负弯矩，其值为-0.46 kN·m；数值模拟结果显示最大弯矩出现的位置在膨胀岩土地层盾构隧道结构的底部，设计过程中要对该位置进行耐久性设计，本文的研究可以为膨胀岩土地层地区盾构隧道的设计、施工和管理提供参考。
[关键词] 膨胀岩土； 盾构隧道； 力学特征； 试验研究
0前言
随着我们土木工程的高速发展，城市建设的地上空间越来越紧张，合理的开发利用地下空间成为解决建设用地紧缺的最佳途径。工程中进行隧道施工会遇到膨胀岩土层，其对围岩周边环境较为敏感，不利于隧道工程的施工，开挖后的膨胀岩土隧道在重力作用下会出现膨胀、收缩的循环过程，造成隧道的向内积压以及位移，这种现象一般要经历较长时间的干湿交替才会出现，合肥地铁、昆明地铁在修建中都遇到了膨胀岩土工问题。因此，国内外很多学者针对膨胀岩土地层盾构隧道施工开展了很多的研究，Gould S [1] 研究了挪威的Chingaza引水隧道破坏形态；P.Rajeev [2]通过理论分析及数值模拟的方法研究澳大利亚某一个膨胀岩地层埋管工程，得到了水分增加对膨胀围岩中埋管的不利作用；T.Sato 等[3]研究日本中部泥岩对Tono矿山隧道的动力特性，分析开挖扰动对隧道围岩的内力影响。国内谢晶[4]在施工技术面优化了水量较多的膨胀土中的隧道施工技术；赵云峰()等[5]深入分析了膨胀岩土隧道施工要注意的事项，为工程施工提供了参考；张耀()[6]采用三维非线性有限元方法模拟膨胀岩洞室开挖遇水膨胀的现象。
研究发现，基于膨胀岩土地层盾构隧道结构的力学研究大部分只是施工技术总结，对膨胀岩土与盾构隧道方面的研究较少，本文在前人的研究基础上采用理论分析和数值模拟的方法对盾构隧道的整体力学性能进行分析，结合工程案例，分析膨胀岩土地层盾构隧道结构的力学特性。
1物理模型
建立盾构隧道底部为膨胀岩土层，上部为非膨胀岩土层的组合模型，由于是在室内进行模型试验设计，模型的尺寸要保持科学性，考虑经济等方面的原因建立合适的物理模型。模型的相似比需要考虑试验条件、经济因素以及可操作性，
① 相似第一定律。
原型物理量/模型物理量=相似常数。
原型与模型的几何尺寸的比例为几何相似常数用符号C表示，Cl=lp/lm；应力相似常数为Cσ=σp/σm；应变相似常数为Cε=εp/εm；位移相似常数为Cδ=δp/δm；弹性模量相似常数为CE=Ep/Em；泊松比相似常数为Cμ=μp/μm；体积力相似常数为
m；将各式代入弹性力学方程，相似比满足之后，模型与模型的物理方程、边界条件、相容方程等恒等。
② π定理。
弹性力学模型表达式：
其中，p的值为8，γ的值为2，本量纲的物理量为体积力X和长度1。
其中α=1，β=1，
故
，同理
；
；
，
根据力学相似准则得，
；
；
；
；
Cε=1；Cμ=1
③ 逆定理。
围岩应力σs为基本物理量，管片应力表达式为：σ管片=f(σs，l，δ，E，γ，μ，ε，θ)
其中，l为长度，δ为位移，E为弹性模量，γ为容重；μ为泊松比；ε为应变，θ为角位移。
本次模型是在环境发生器中进行，边界约束为试验坑的墙壁，考虑可操作性及黏贴应变计、百分表的可操作性，现在几何相似比CL=7.5，Cr=1，混凝土管片相似系数CE=7.5，模型管片外径为80 cm，内径72 cm，厚度为4 cm。
盾构管片结构的相似比：线位移：Cx=Cg·Cl=1×7.5=7.5；角位移、应变：Cθ=Cg=1；面积
；泊松比及内摩擦角为1，衬砌弹性模量、应力和强度为7.5，弯矩
，面荷载为1；
围岩底层：厚度Ch=Cl=7.5；粘聚力和变形模量为1；内摩擦角和应变为1；地应力Cσs=Cr·Cl=7.5。
模型管片的钢筋强度：
其中Aps为原型钢筋面积；Apc为原型混凝土面积；fpy为原型钢筋抗拉强度；fpc为原型混凝土抗拉强度；Ams为模型钢筋面积；Apc为模型混凝土面积；fmy为模型钢筋抗拉强度；fmc为模型混凝土抗拉强度。
从而推导得到管片衬砌受力钢筋面积：
由于膨胀岩土层中隧道管片结构的受力变形较为复杂，很难满足全部的相似关系，一般采用一个主要的变形为主导推导相似准则，本文模型试验时将含水率为变量并施加膨胀力，在土体及管放置传感器测试应变，模型几何比1∶7.5，制作完成后模型(见图1)尺寸为5 m(长)×3 m(深)×1.60 m(高)。填土材料要控制每层土的参数，并埋设土压力盒和湿度传感器，将应变计黏贴在盾构管片中，百分百安装在管片内壁，测量膨胀岩中的结构力学特性。
图1模型图
Figure 1Model diagram
1.1力学传感器设计
本试验针对土压力变化和管片的内力进行数据测量，布置4个应变计截面、2个土压力盒截面和1个管片位置测试面，应变计并隔22.5°布置一个(见图2)，用量监测管片的应力和应变，每一个截面不住16个，钢筋应变计的布置方法和管片一致。数据采集系统采用DH3815N应变测试系统，能够智能化的进行数据采集，为监测管片的变形布置9个百分表，为了监测盾构管片下土地产生的膨胀力布置较多土压力盒，土压力数据采集设备为YKYJ-12应变仪(见图3)，土压力盒为YKTY-5203，其有0.3 MPa 的量程，72 cm的外径，精度小于1.0%F.S。
1.2模型制作及试验
膨胀岩土地区的的地铁盾构隧道的原型中，纵向受力基本不变，可以简化平面应变状态，模型边界为5.25倍的管片半径，边界的接触材料尽量采用摩擦系数小的材料，在本模型中侧壁墙体刷一层润滑油，然后粘贴两层聚四氟乙稀薄膜，这样可以较好的减小摩擦力。
图2应变计布置图
Figure 2The layout of strain gauge
(a)(b)
图3应变计
Figure 3The strain gauge
盾构管片为细钢筋网通过配置钢筋筋成型，然后用石膏与水泥的混合物浇筑完成，可以较好的利用石膏弹性模量灵活、泊松比接近混凝土、易成型、成本低的优点，地铁盾构管片的混凝土为C50，外掺剂为水泥，通过试验确定石膏配比掺量为石膏∶水∶泥=1∶1.3∶0.7。钢筋安装等强度原则配筋，将混凝土衬砌CES=7.5带入公式：
2 412.7=22.1(mm2)。
管片环向内圈3@50，外圈配筋32@65，纵向构造内侧钢筋18根直径3 mm，管片模型双层配筋。确定配镜数量之后，按照设计的图纸绑扎成型，然后黏贴应变计，并要做好相关的保护措施。
膨胀性围岩根据采用含水率、干密度进行回填制作，在南宁东站进行土样取样，并在取样的现场进行物理试验，结果见表1。
表1 土样物理力学指标Table1 Thephysicalandmechanicalindexessoilsample界限含水率土的物理性质直剪试验收缩试验不同压力(kPa)下的膨胀率/%塑限/%液限/%塑性指数密度/(g·cm-3)干湿含水率/%内摩擦角/(°)粘聚力/kPa膨胀力/kPa自由膨胀率/%缩限/%收缩系数0551102.236.819.61.92.216.420.9166.7117.4519.30.367.21.81.20.7
膨胀性岩土地层中的干密度和含水率对膨胀力的影响最大，本试验的干密度(干密度为1.80 g/cm3)，含水率从10%到23%变化，进行膨胀力随着含水率变化试验，试验结果见图4。
图4膨胀力和含水率关系曲线
Figure 4Expansion force curve and moisture content
从图4中拟合关系式为：
P=-387.2 ln(ω)+1 246.6，
式中：P为膨胀力，w为土的含水率。
1.3试验结果分析
① 膨胀岩土层压力变化。
在模型中布置了土压力传感器，主要用来进行土压力的测量，并通过29土压力盒将土的压力传递到数据系统中，经过一个多月的数据采集，随着的土的含水率的变化，接近管片位置的土压力有增大的现象，数据结果如图5所示。
图5土压力变化曲线
Figure 5The curves of soil pressure
从图5中可以看出：土压力数在同一断面中的中心轴线上最大，越远离中心轴线数值边的越小，其中T3传感器位于中心轴线上，其土压力大约为110 kPa，T2离中心轴线30 cm，土压力大约为120 kPa；T1由于离管片的中心轴线较远在50 cm左右，土压力的变化较小。在同一个的不同高度的位置，土压力变化最大的位置也是在接近盾构管片的地方，远离盾构管片土压力的数值变化较小。
② 盾构管片变形研究。
本次试验主要通过百分表测量不同土体膨胀力作用时候管片的变形情况，经过试验研究发现，盾构管片应变在含水率增大的情况下会增大，表明膨胀岩土层盾构变形增大，将所有的管片的累计变形整理得到如图6，图7所示的结果。
图6管片变形曲线
Figure 6The curves of segment deformation
图6为膨胀岩土层管片内壁在一个多月的时间内累计变形情况，正值表示向内收敛，负值为向外伸张，由图6可知：随着时间的推移，管片的变形是逐渐增大的，当增大到15 d后基本保持不变，B5的变形最大在1 mm左右，B4、B1、B2、B8、B6、B7、 B9、B3依次减小。膨胀岩土层管片内壁底部的含水率增大时，膨胀岩土开始发生膨胀，B5位置出现最大变形1.18 mm，也就是在管片底部的最中心位置。
③ 盾构管片内力变化研究。
为更好地分析盾构隧道结构的力学特征，图7给出管片的弯矩分布情况，将管片向内受拉设为负弯矩，受压为正弯矩。在本次试验中盾构底部出现最大负弯矩，其值为-0.46 kN.m。盾构隧道结构内外钢筋弯矩图和管片内外壁弯矩值基本差不多，但管片内外壁弯矩分布教文化合理，值略大一点。
图7管片累计变形图
Figure 7The figure of segment accumulated deformation
2膨胀岩土地层盾构隧道数值模拟研究
随着计算的高速发展，数值模拟技术在岩土工程中得到广泛的应用，其具有成本低、能求解非线性问题的优点，盾构隧道模拟应用最多的是有限单元法，该方法能够分析管片接头受力和环境影响等。本文采用数值计算方法计算膨胀岩土层盾构管片相互作用，研究膨胀岩土层盾构隧道结构的力学特征。
2.1计算参数设置
本文的计算模型的建立采用荷载-结构法，隧道为圆形，外径尺寸为6 m，内径尺寸为5.4 m，膨胀岩地层在盾构管片下部各个土层的参数见表2。
2.2膨胀力施加
研究表明，膨胀岩土地层盾构隧道管片主要是下部受膨胀力作用，在这种情况下弯矩和变形值都是不利的，本文主要分析这种情况，根据实际隧道工
表2 膨胀岩土层的计算参数Table2 Expansioncalculationparametersofrockandsoillayer材料粘聚力/kPa泊松比密度/(kg·m-3)土体弹性模量/MPa内摩擦角/(°)素填土170.281774泥岩380.2121004020泥质粉砂岩440.005020
程的特点，设定素填土和泥岩厚度之和为20 m，泥质粉砂岩的厚度为10 m。膨胀力对称、带状分布式的加载到盾构隧道结构上，并保持施加膨胀角的角度在15°～90°之间变化。
2.3结果分析
本文的膨胀力采用对称施加的方式，产生的弯矩值较大，最大弯矩出现的位置在膨胀力施加角度为30°～45°之间(见图8)，即膨胀岩土地层盾构隧道结构的底部，说明在实际工程中和运营过程中隧道底部最容易受到膨胀土的影响，如果施工和管理不当的话较容易发生破坏，设计过程中要对该位置进行耐久性设计，超越现在规范的标准，不断完整膨胀岩土地盾构隧道结构的设计。由图8可以看出同一膨胀力作用下，对称荷载作用下；两侧受到拉力的作用，底部情况弯矩需要格外注意。
图8弯矩值随膨胀力施加角度变化图
Figure 8Bending moment diagram of shield tunnel structure
3结论
本文较为深入的从理论和试验两个角度分析膨胀岩土层盾构隧道结构的力学特性理，结合实际工程调研的数据，研究膨胀岩土层压力变化、盾构管片变形及盾构管片内力变化，并通过数值模拟的方法对膨胀力对称、带状分布式的加载到盾构隧道结构的工况进行了研究，根据得到的试验现象和数据，并结合相应的理论研究成果，得出了以下主要的结论。
① 岩土土压力数值在同一断面中的中心轴线上最大，越远离中心轴线数值边的越小，最大土压力大约为110 kPa，在同一个的不同高度的位置，土压力变化最大的位置也是在接近盾构管片的地方，远离盾构管片土压力的数值变化较小。
② 膨胀岩土层管片内壁底部的含水率增大时，膨胀岩土开始发生膨胀，管片底部的最中心位置出现最大变形1.18 mm，盾构底部出现最大负弯矩，其值为-0.46 kN·m。盾构隧道结构内外钢筋弯矩图和管片内外壁弯矩值基本差不多，但管片内外壁弯矩分布教文化合理，值略大一点。
③ 采用有限元计算程序，研究膨胀力对称、带状分布式的加载到盾构隧道结构力学特征，结果表明，最大弯矩出现的位置在膨胀岩土地层盾构隧道结构的底部，说明在实际工程中和运营过程中隧道底部最容易受到膨胀土的影响，如果施工和管理不当的话较容易发生破坏，设计过程中要对该位置进行耐久性设计，本文的研究可以为膨胀岩土地层地区盾构隧道的设计、施工和管理提供参考。
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Research on Mechanical of Shield Tunnel Structure Based on the Expansion of Rock Stratum
XUE Jianrong， ZHANG Yingying
(Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng， Henan 475001， China)
[Abstract] Along with the high-speed development of the urban construction，subway in many cities continue to emerge，shield method has become the main method of tunnel construction.This paper deeply from two aspects of theory and experiment analysis of expansive rock and soil mechanics characteristics of shield tunnel structure，study shows that：rock soil pressure of the central axis in the same section of the largest，farther away from the center axis numerical edge is small，the maximum soil pressure of about 110 kPa；the water swelling rock and soil segment the inner wall of the bottom of the rate increases，expansive soil began to swell，the center position of the segment at the bottom of the maximum deformation is 1.18 mm，the maximum negative moment appears at the bottom of the shield，its value is -0.46 kN·m；The results of numerical simulation show that the maximum bending moment occurs in expansive rock and soil layer at the bottom of the shield tunnel structure，design process durability design of the position，this research can provide a reference for the design of land area，the expansive rock layer of shield tunnel construction and management.
[Key words] expansive rock and soil； shield tunnel； mechanical characteristics； experimental study
[收稿日期] -01-14
[基金项目] 河南省科技厅科技攻关项目(152102110097)
[作者简介] 薛建荣(1969-)，男，陕西蓝田人，副教授，主要从事施工技术及造价投标教学与研究工作。
[中图分类号] U 455.43
[文献标识码] A
[文章编号] 1674-0610()03-0055-05
