下穿黄河盾构隧道管片衬砌结构受力特征模型试验

发布时间：2020-02-01 02:28

【摘要】：针对兰州地铁穿河段盾构隧道穿越强透水砂卵石地层和承受较高外水压的特点,首先研制了外水压加载装置,该装置在衬砌模型内部创造了一个封闭的负压环境,通过控制模型内外气压差来实现外水压的等效加载,同时结合隧道-地层复合模拟试验系统开展了几何相似比为1∶10的室内模型加载试验,实现了土压和水压的分别控制加载.研究了水压、土压、土体侧压力系数及拼装方式对管片受力特征的影响.研究结果表明,随着水压的增大,管片轴力明显提高,弯矩略有减小,偏心距则明显降低;随着隧道上覆土压的增大,管片衬砌结构的轴力、弯矩、偏心距均呈增大趋势,但总体上量值变化较小;在水压一定时,覆土厚度的增加对管片弯矩的影响越来越大,而轴力变化速率均比较稳定;正常水压条件下,随着土体侧压力系数的增大,管片衬砌结构的轴力增大,弯矩减小,偏心距减小,随着水压的增大,侧压力系数对于管片结构受力特征的影响越来越小;错缝拼装情况下,管片内力在部分环向及纵向接头处会产生较大突变,且管片内力较通缝拼装情况大.
【图文】：

地质剖面图,管片衬砌

湖南大学学报（自然科学版）２０１７年１工程概况兰州地铁１号线两次下穿黄河，是首条穿越黄河的地铁隧道工程．迎门滩～马滩区间在银滩大桥上游３８～４９ｍ处下穿黄河底部，区间长度１９０７ｍ，下穿黄河河床长度为４０４．０ｍ，其中黄河水面宽２００ｍ左右，水深一般为３～７ｍ，，最深处可达９ｍ．勘察期间，区间内黄河水面高程为１５１９．６～１５２１．１ｍ，隧道顶板水位高度为１２．４～２３．８ｍ．区间隧道主体均位于强透水砂卵石地层中，渗透系数约为５５ｍ／ｄ，标准顶板埋深１８．１～２４．１ｍ，均位于地下水位以下，各层土的埋藏条件及分布规律见区间地质剖面图１．图１迎门摊～马滩区间地质剖面图Ｆｉｇ．１ＧｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｆｉｌｅｏｆＹｉｎｇｍｅｎｔａｎ－Ｍａｔａｎｓｔａｔｉｏｎ穿河段盾构隧道管片采用通用楔形衬砌环，管片直径６．２ｍ，厚度０．３５ｍ，幅宽１．２ｍ，楔形量３７．２ｍｍ（双面楔形），衬砌环向分６块，即３块标准块（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，中心角６７．５°），２块邻接块（Ｌ１，Ｌ２，中心角６８．７５°），一块封顶块（Ｆ，中心角２０°），采用错缝拼装方式，每环纵缝采用１２根Ｍ３０弯螺栓连接，两环之间采用１６根Ｍ３０螺栓连接，衬砌圆环构造如图２所示．图２管片衬砌构造Ｆｉｇ．２Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｅｇｍｅｎｔａｌｌｉｎｉｎｇ１３４

颗粒级配曲线,颗粒级配曲线,粒径

物配比并进行压缩及直剪试验，最终确定模型土压缩模量为１１ＭＰａ，黏聚力为２．０ｋＰａ、内摩擦角为３７°．试验土样的内摩擦角及黏聚力基本满足相似，压缩模量不完全满足相似比．但现有研究表明［１４］，砂卵石地层中颗粒与颗粒之间通过点－点接触和点－点传力，颗粒级配对于砂卵石地层的传力机制影响较大，满足颗粒级配相似是实现模拟效果的关键．因此研究首先保证模型土与原型土颗粒级配相似，在此基础上尽可能保证其力学性质的相似．原型及试验配置土样颗粒级配曲线如图３所示．２）管片衬砌管片混凝土强度等级为Ｃ５０，采用质量比１∶１．１∶０．１的水、石膏、硅藻土复合材料来模拟，原型与模型材料参数见表３．表３管片混凝土物理力学参数Ｔａｂ．３Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓｏｆｔｈｅｓｅｇｍｅｎｔｌｉｎｉｎｇ项目原型值模型值模型对应原型值弹性模量／Ｐａ３５．５ｅ９３．４３ｅ９３４．３ｅ９单轴抗压强度标准值／Ｐａ５０ｅ６４．８７ｅ６４８．７ｅ６粒径／ｍｍ图３颗粒级配曲线Ｆｉｇ．３Ｇｒａｄｉｎｇｃｕｒｖｅ３）管片衬砌环向主筋管片衬砌环向主筋通过原型与模型的等效抗拉刚度ＥＡ完全相似的方法进行模拟．此处采用直径为０．７１１ｍｍ的＃２２铁丝，一环模型管片在内外侧分别布置７根铁丝模拟管片主筋．环向主筋物理参数见表４．表４环向主筋物理力学参数Ｔａｂ．４Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓｏｆｈｏｏｐｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ抗拉刚度原型值模型值对应原型值ＥＡ５．０２６ｅ８５．２７８ｅ５５．２７８ｅ８４）管片接

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