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城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律
摘 要:基于深圳地铁实测资料,系统地分析了隧道:工作面开挖的地层应力分布特征,揭示了城市地铁隧道上:作面围岩应力重分布的规律,提出了浅埋隧道围岩应力的分区概念。
关键词:隧道工程:城市地铁隧道;地层应力;分布特征
1 引言
采用浅埋暗挖法开挖城市地铁隧道,其应力临测相对其变形观测较少,尤其是用来完整分析地层应力分布的量测资料十分匮乏。因此,城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律的系统研究,对地铁隧道的结构设计、施工等具有重要意义。
本文利用深圳地铁隧道现场测试资料,拟对城市地铁隧道开挖的地层应力分布规律进行研究。
2 测试断面的工程概况
针对深圳地铁浅埋暗挖法部分标段,如双洞双线隧道的5,6和13标及单洞重叠线隧道的3A和3C标,地表沉降相对较大。本文选取6和3A标作为重点观测研究对象,其他标段由施工方配合观测。
6标段测试断面概况测试断面里程为左SK5+070。双线隧道中心线距为13 m。 m,上覆地层依次为素填土、中砂、粘土和砂质粘性土。 m, m。,断面为马蹄形((宽×高))。初期支护为φ22 mm格栅钢架+φ6 mm钢筋网(150mm~150mm)+250mm厚C20喷射混凝土;超前支护为φ32mm~,其布置布置在拱部150°范围。施工采用台阶法,台阶(核心土地)长度为8m。
3A标段测试断面概况
测试断面里程为SKi+。隧道埋深为13m,上覆地层依次为素填土、软土、中砂、砾砂和粉质粘土。其中富水砂砾层厚度为5 m,。。断面为直墙拱形(×l3m(宽×高))。初期支护为φ25mm格栅钢架+φ8mm钢筋网(150mnl~150mm)+300mm厚C20喷射混凝土。超前支扩采用注浆小管棚φ76mm~5mm加注浆小导管φ42mm~4mm,其布置范围为拱部。施工采用4步台阶法,3个台阶均设临时横撑。
3 现场测试内容与测点布置
围岩应力测试包括:(1)超前小导管应变测试;(2)围岩与初期支护接触应力测试;(3)孔隙水压力测试;(4)初期支护结构内力测试;(5)拱脚接触应力测试。
超前小导管应变测试采用胶基箔式3 mmX5mm应变片; MPa土压力盒: MPa钢弦式压力计;结构内力采用钢弦式钢筋计。
超前小导管应变测点布置是取φ32 mm× m的小导管,上、下对称布点各5个,安装在拱顶和拱腰处(设置3根补偿管)。6标段应力测点布置见图1。3A标段应力测点布置基本同6标,但因是重叠隧道,故测点数目有所增加。
图1 6标段应力测点布置
4 工作面开挖的围岩应力变化
围岩径向接触应力分布规律
6标段各测点围岩径向应力历时变化趋势见图2。
图2 6标各测点围岩径向应力历时变化趋势
图2中横坐标观测时间的正号表示已封闭成环,负号表示未封闭,以下同。
由所测的围岩径向应力并结合3A,3C(与3A紧邻,工程条件相同)等标段的实测资料可得,其应力分布规律如下:(1)拱腰和仰拱处的围岩径向应力较大:而拱顶与仰拱底处的围岩径向应力均较小,相比较而言,最小值产生在两侧墙,其大小排序为P抑拱>P拱部P>边墙;(2)对双线隧道,由于右线开挖影响,在仰拱部位,总的表现特征是仰拱右侧处的径向应力大于其左侧;(3)3A标段断面的径向应力较6标为大,原因为3A标设临时仰拱且断面下部分处于风化岩上,围岩变形相对较小,故由“地层-支护”特征曲线可知,其必然导致径向应力大;(4)在结构未封闭成环之前,拱部变形过大,实测应力值较小,随时间延长,初期支护结构刚度及强度提高,其支护抗力逐渐增大,反映为围岩施加于支护的径向应力也随之变大,这符合“地层-支护”特征曲线的原理;(5)拱部压力在下台阶开挖至断面里程时,开挖边墙前后的压力值产生了较大的改变。此时,拱顶压力增大,而两拱腰却稍有下降。随下半断面支护结构的施作,整体刚度提高,拱部压力存在一个“平台”(压力大小不变)或“卸荷”(压力略有下降)现象,随整个支护结构的应力调整和再分配,拱部压力又重新进入一个缓慢增长直至稳定的过程;(6)边墙与仰拱处的压力变化趋势基本相同,不同的是断面封闭成环后,随着结构的逐步稳定,应力的调整和再分配,仰拱的压力值增长速率相对较大,从而使仰拱部位承受了较大的围岩压力。