強(qiáng)透水砂卵石地層中盾構(gòu)管片受力特性及影響因素探究——以蘭州地鐵穿黃段為例一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進(jìn)程的加速，城市地下空間的開發(fā)利用愈發(fā)重要，隧道工程作為地下空間開發(fā)的關(guān)鍵組成部分，其施工技術(shù)也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。盾構(gòu)法作為一種先進(jìn)的隧道施工方法，憑借其安全、高效、對環(huán)境影響小等優(yōu)勢，在城市地鐵、越江跨海隧道、市政管線隧道等工程中得到了廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)法施工是利用盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)，同時在盾構(gòu)機(jī)尾部拼裝預(yù)制管片，形成隧道襯砌結(jié)構(gòu)，這種施工方法能夠有效避免明挖法對地面交通和周邊環(huán)境的影響，特別適用于城市中心區(qū)域或地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)。在眾多的隧道工程建設(shè)中，常常會遇到強(qiáng)透水砂卵石地層。這種地層具有結(jié)構(gòu)松散、孔隙度大、透水性強(qiáng)等特點，給盾構(gòu)施工帶來了諸多挑戰(zhàn)。在強(qiáng)透水砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工時，盾構(gòu)管片作為隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，承受著來自周圍土體的壓力、地下水的壓力以及施工過程中的各種荷載。管片的受力特性直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性和防水性能，進(jìn)而影響整個工程的安全和質(zhì)量。由于強(qiáng)透水砂卵石地層的特殊性，盾構(gòu)管片的受力情況變得更為復(fù)雜。例如，地下水的快速流動會導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力發(fā)生變化，從而改變管片所承受的土壓力分布；砂卵石地層的不均勻性和顆粒間的相互作用，也會使管片在不同部位受到不同程度的擠壓和剪切力。如果對盾構(gòu)管片在強(qiáng)透水砂卵石地層中的受力特性缺乏深入了解，可能會導(dǎo)致管片設(shè)計不合理，在施工或運(yùn)營過程中出現(xiàn)管片開裂、滲漏、變形過大等問題，這些問題不僅會增加工程的維修成本和安全風(fēng)險，還可能影響隧道的正常使用，甚至引發(fā)嚴(yán)重的工程事故。從工程安全角度來看，深入研究強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)管片受力特性，有助于準(zhǔn)確評估隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為盾構(gòu)管片的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)。通過掌握管片在不同工況下的受力規(guī)律，可以合理選擇管片的材料、尺寸和結(jié)構(gòu)形式，優(yōu)化管片的配筋設(shè)計，提高管片的承載能力和抗變形能力，從而確保隧道在施工和運(yùn)營過程中的安全可靠。在施工過程中，根據(jù)管片受力特性的研究成果，可以制定合理的施工方案和施工參數(shù)，如盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度、土倉壓力、注漿壓力等，減少施工對管片的不利影響，降低施工風(fēng)險。從成本控制角度考慮，準(zhǔn)確把握盾構(gòu)管片的受力特性能夠避免因管片設(shè)計不合理或施工不當(dāng)而導(dǎo)致的工程變更和額外費用。如果管片設(shè)計過于保守，會增加工程成本；而設(shè)計不足則可能導(dǎo)致管片在使用過程中出現(xiàn)損壞，需要進(jìn)行維修或更換，同樣會增加成本。通過對管片受力特性的研究，可以實現(xiàn)管片的優(yōu)化設(shè)計，在保證工程安全的前提下，降低材料消耗和工程造價。合理的施工方案和參數(shù)選擇也有助于提高施工效率，減少施工時間，從而降低工程的總體成本。強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)管片受力特性的研究具有重要的工程意義和現(xiàn)實價值，對于推動盾構(gòu)隧道技術(shù)在復(fù)雜地層中的應(yīng)用和發(fā)展，保障隧道工程的安全與經(jīng)濟(jì)具有不可或缺的作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀盾構(gòu)管片作為盾構(gòu)隧道的重要組成部分，其受力特性一直是國內(nèi)外學(xué)者和工程界關(guān)注的焦點。在盾構(gòu)隧道技術(shù)發(fā)展的早期，研究主要集中在管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計和基本力學(xué)性能方面。隨著工程實踐的增多和技術(shù)的進(jìn)步，研究內(nèi)容逐漸擴(kuò)展到管片在復(fù)雜工況下的受力行為、管片接頭的力學(xué)性能以及管片與周圍土體的相互作用等多個領(lǐng)域。在國外，盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展較早，相關(guān)研究也較為深入。一些學(xué)者通過理論分析，建立了多種盾構(gòu)管片的力學(xué)模型，如梁-彈簧模型、殼-彈簧模型等。梁-彈簧模型將管片視為梁單元，通過彈簧模擬接頭的力學(xué)行為，能夠較好地考慮接頭對管片整體受力的影響，在早期的管片受力分析中應(yīng)用廣泛。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，殼-彈簧模型逐漸受到重視，該模型將管片視為殼單元，更能真實地反映管片的實際受力狀態(tài)，對于分析管片的局部應(yīng)力和變形具有優(yōu)勢。學(xué)者們也利用有限元軟件對盾構(gòu)管片進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究管片在不同荷載工況下的受力特性。通過數(shù)值模擬，可以詳細(xì)地分析管片的應(yīng)力分布、變形規(guī)律以及管片與土體之間的相互作用，為管片的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，國外也開展了大量工作，通過在實際工程中布置傳感器，實時監(jiān)測管片的受力和變形情況，驗證理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，同時也為進(jìn)一步改進(jìn)管片設(shè)計和施工方法提供了實踐經(jīng)驗。在國內(nèi)，隨著盾構(gòu)隧道工程的大量建設(shè)，對盾構(gòu)管片受力特性的研究也取得了豐碩成果。國內(nèi)學(xué)者在借鑒國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)工程實際情況，開展了深入的研究。在理論研究方面，對盾構(gòu)管片的力學(xué)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，提出了一些新的計算方法和理論，以更好地適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件和工程要求。在數(shù)值模擬方面，利用先進(jìn)的有限元軟件，建立了更加精細(xì)的管片模型，考慮了更多的影響因素，如土體的非線性特性、地下水的滲流作用、施工過程的動態(tài)影響等，提高了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。國內(nèi)還開展了大量的現(xiàn)場試驗研究，通過在不同地質(zhì)條件和工程環(huán)境下的盾構(gòu)隧道工程中進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測和試驗，積累了豐富的數(shù)據(jù)資料，深入研究了盾構(gòu)管片在實際工程中的受力特性和變形規(guī)律。盡管國內(nèi)外在盾構(gòu)管片受力特性研究方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但在強(qiáng)透水砂卵石地層這一特殊地質(zhì)條件下，相關(guān)研究仍存在一定的不足。由于強(qiáng)透水砂卵石地層的結(jié)構(gòu)松散、透水性強(qiáng)，使得盾構(gòu)管片的受力情況更為復(fù)雜，現(xiàn)有的研究成果難以直接應(yīng)用。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，地下水的滲流作用對管片受力的影響機(jī)制尚未完全明確，目前的研究大多只是簡單考慮了水壓力的作用，而對于地下水滲流引起的土體有效應(yīng)力變化、管片與土體之間的滲流-力學(xué)耦合作用等方面的研究還不夠深入。砂卵石地層的顆粒特性和力學(xué)參數(shù)具有較大的離散性，給準(zhǔn)確建立地層模型和分析管片與地層的相互作用帶來了困難?，F(xiàn)有的研究在考慮砂卵石地層特性時，往往采用簡化的模型和參數(shù)，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在一定偏差。在強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)、注漿工藝等對管片受力的影響研究還不夠系統(tǒng)和全面，缺乏針對性的施工控制措施和建議。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究強(qiáng)透水砂卵石地層中盾構(gòu)管片的受力特性，具體內(nèi)容包括以下幾個方面：盾構(gòu)管片受力特性分析：通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段，全面研究強(qiáng)透水砂卵石地層中盾構(gòu)管片在不同施工階段和運(yùn)營條件下的受力狀態(tài)，包括管片所承受的土壓力、水壓力、施工荷載等，分析管片的內(nèi)力分布規(guī)律，如軸力、彎矩、剪力等，以及管片的變形特征，如徑向變形、環(huán)向變形等。影響因素研究：系統(tǒng)分析影響強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)管片受力特性的各種因素，包括地層條件，如砂卵石的粒徑分布、密實度、滲透系數(shù)等；施工參數(shù)，如盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度、土倉壓力、注漿壓力和注漿量等；管片自身因素，如管片的材料性能、結(jié)構(gòu)形式、接頭構(gòu)造等。研究各因素對管片受力特性的影響程度和作用機(jī)制，明確主要影響因素，為管片的設(shè)計和施工提供依據(jù)。管片結(jié)構(gòu)優(yōu)化：基于對盾構(gòu)管片受力特性及其影響因素的研究成果，提出強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)管片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，包括合理選擇管片的材料和強(qiáng)度等級，優(yōu)化管片的厚度、配筋設(shè)計等結(jié)構(gòu)參數(shù)，改進(jìn)管片接頭的構(gòu)造和連接方式，提高管片接頭的抗彎、抗剪和防水性能，以增強(qiáng)管片的承載能力和抗變形能力，滿足工程的安全和使用要求。同時，對優(yōu)化后的管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析和性能驗證，評估優(yōu)化效果。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合采用以下研究方法：案例分析法：選取具有代表性的強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)隧道工程案例，收集工程的地質(zhì)勘察資料、施工記錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，對工程中盾構(gòu)管片的受力情況進(jìn)行詳細(xì)分析，總結(jié)實際工程中管片受力的特點和規(guī)律，為理論分析和數(shù)值模擬提供實際依據(jù)，同時也可對研究成果進(jìn)行工程驗證。數(shù)值模擬法：利用有限元軟件，如ANSYS、ABAQUS等，建立強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)隧道的數(shù)值模型，考慮地層的非線性特性、地下水的滲流作用、盾構(gòu)施工過程的動態(tài)影響以及管片與土體之間的相互作用等因素，對盾構(gòu)管片在不同工況下的受力特性進(jìn)行模擬分析。通過數(shù)值模擬，可以直觀地得到管片的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，以及各影響因素對管片受力的影響規(guī)律，為管片的設(shè)計和優(yōu)化提供理論支持?，F(xiàn)場監(jiān)測法：在實際工程中布置監(jiān)測系統(tǒng)，對盾構(gòu)管片的受力和變形進(jìn)行實時監(jiān)測，包括在管片內(nèi)部埋設(shè)應(yīng)變計、壓力盒等傳感器，測量管片的內(nèi)力和所受的土壓力、水壓力，利用全站儀、水準(zhǔn)儀等測量設(shè)備監(jiān)測管片的變形情況。通過現(xiàn)場監(jiān)測，獲取真實的管片受力數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時也能及時發(fā)現(xiàn)施工過程中管片受力的異常情況，為施工決策提供依據(jù)。二、強(qiáng)透水砂卵石地層特性及盾構(gòu)施工概述2.1強(qiáng)透水砂卵石地層特點強(qiáng)透水砂卵石地層在顆粒組成、透水性、黏結(jié)性等方面具有獨特的特性，這些特性對盾構(gòu)施工產(chǎn)生著多方面的影響。在顆粒組成上，強(qiáng)透水砂卵石地層主要由礫石、卵石和砂組成。其中，礫石和卵石的粒徑較大，一般在2mm以上，且含量較高，它們構(gòu)成了地層的骨架結(jié)構(gòu)。砂的粒徑相對較小，填充于礫石和卵石之間的孔隙中。這種顆粒組成使得地層的孔隙度較大，結(jié)構(gòu)相對松散。不同地區(qū)的強(qiáng)透水砂卵石地層，其顆粒組成存在差異，有的地區(qū)卵石含量較高，粒徑分布范圍較廣；而有的地區(qū)砂的含量相對較多，粒徑相對較為均勻。這種顆粒組成的不均勻性和離散性，給盾構(gòu)施工帶來了挑戰(zhàn)，如在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，刀具需要適應(yīng)不同粒徑的顆粒，容易造成刀具的不均勻磨損，影響刀具的使用壽命和切削效率。強(qiáng)透水砂卵石地層的透水性極強(qiáng)，這是其顯著特點之一。由于地層孔隙度大，顆粒間的連通性好，地下水能夠在其中快速流動。其滲透系數(shù)通常遠(yuǎn)大于其他地層，一般可達(dá)到10?2-10?1cm/s甚至更高。在盾構(gòu)施工過程中，強(qiáng)透水性會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)開挖面的水壓力難以穩(wěn)定控制，容易引發(fā)涌水、涌砂等問題。如果涌水涌砂情況嚴(yán)重，可能會造成開挖面失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致地面塌陷，危及周邊建筑物和地下管線的安全。地下水的快速流動還會帶走地層中的細(xì)顆粒物質(zhì)，進(jìn)一步破壞地層的穩(wěn)定性，增加施工風(fēng)險。該地層的黏結(jié)性較差，顆粒間主要依靠摩擦力和少量的物理膠結(jié)作用相互連接，缺乏有效的化學(xué)黏結(jié)力。這使得地層在受到外力作用時，容易發(fā)生顆粒的相對位移和重新排列，導(dǎo)致地層變形和破壞。在盾構(gòu)施工中，由于盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)對地層產(chǎn)生擾動，黏結(jié)性差的砂卵石地層更容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。在盾構(gòu)機(jī)通過后，管片背后的空隙如果不能及時有效地填充，周圍土體可能會因為缺乏支撐而向空隙內(nèi)坍塌，從而影響管片的受力狀態(tài)和隧道的穩(wěn)定性。強(qiáng)透水砂卵石地層的這些特性相互關(guān)聯(lián)，共同對盾構(gòu)施工產(chǎn)生影響。結(jié)構(gòu)松散和透水性強(qiáng)增加了施工過程中開挖面穩(wěn)定和防水的難度；黏結(jié)性差則使得地層在施工擾動下更容易發(fā)生變形和破壞。在強(qiáng)透水砂卵石地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工時，需要充分考慮這些地層特性，采取針對性的施工技術(shù)和措施，以確保施工的安全和順利進(jìn)行。2.2盾構(gòu)施工技術(shù)原理及流程盾構(gòu)施工技術(shù)是一種在地下進(jìn)行隧道掘進(jìn)的先進(jìn)方法，其核心設(shè)備是盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)集開挖、支護(hù)、推進(jìn)、出渣、襯砌等多種功能于一體，能夠在不同地質(zhì)條件下高效、安全地完成隧道施工任務(wù)。盾構(gòu)機(jī)的工作原理基于一個圓柱形的鋼組件，即護(hù)盾。護(hù)盾沿著隧洞軸線向前推進(jìn)，同時對前方的土壤進(jìn)行挖掘。在掘進(jìn)過程中，護(hù)盾起到了至關(guān)重要的作用，它不僅暫時支撐著未襯砌的隧洞段，承受來自周圍土層的壓力，包括土壓力和可能的地下水壓力，還能阻擋地下水進(jìn)入施工區(qū)域，為后續(xù)的挖掘、排土、襯砌等作業(yè)提供一個安全、穩(wěn)定的工作空間。以土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)為例，其前端的刀盤在動力驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)切削開挖土體，切削下來的土體進(jìn)入密封艙。密封艙內(nèi)的土體壓力需要保持在設(shè)定值，這個設(shè)定值能夠平衡開挖面的水土壓力，從而達(dá)到開挖面的土體穩(wěn)定，減少對周圍土體的擾動。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，所受到的地層阻力通過盾構(gòu)掘進(jìn)油缸（千斤頂）傳遞至盾構(gòu)尾部已拼裝完畢的預(yù)制隧道襯砌結(jié)構(gòu)（預(yù)制鋼筋混凝土管片）。伸入土壓艙內(nèi)的螺旋輸送器則負(fù)責(zé)將密封艙內(nèi)的土體排出，完成盾構(gòu)掘進(jìn)的排土工作。泥水式盾構(gòu)機(jī)的工作原理與土壓平衡式有所不同，它通過加壓泥水或泥漿來穩(wěn)定開挖面，利用泥水在開挖面形成的泥膜來抵抗水土壓力。切削下來的土體與泥水混合后，通過管道輸送至地面進(jìn)行分離處理。盾構(gòu)施工的主要流程包括多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都緊密相連，對整個工程的順利進(jìn)行起著重要作用。首先是施工準(zhǔn)備階段，在盾構(gòu)法隧道的起始端和終結(jié)端各建一個工作井，城市地鐵通常利用車站的端頭作為始發(fā)或到達(dá)的工作井。在工作井內(nèi)，需要進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的安裝就位工作，確保盾構(gòu)機(jī)各項設(shè)備調(diào)試正常，具備始發(fā)條件。同時，還需要對隧道洞口進(jìn)行加固處理，以防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和到達(dá)時洞口土體坍塌。此外，還需準(zhǔn)備好各種施工輔助設(shè)備和材料，如漿液制造攪拌設(shè)備、泥水分離設(shè)備、襯砌管片預(yù)制設(shè)備等。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)工作井內(nèi)準(zhǔn)備就緒后，便開始進(jìn)入掘進(jìn)階段。盾構(gòu)機(jī)依靠千斤頂?shù)耐屏?，從始發(fā)工作井的墻壁開孔處推出，沿著設(shè)計軸線在地層中推進(jìn)。在推進(jìn)的同時，刀盤不斷旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下來的土體通過排土系統(tǒng)及時排出。在這個過程中，需要密切關(guān)注盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)，如掘進(jìn)速度、刀盤扭矩、土倉壓力等，根據(jù)地層情況和施工要求進(jìn)行適時調(diào)整。確保開挖面的穩(wěn)定是掘進(jìn)過程中的關(guān)鍵，一旦開挖面失穩(wěn)，可能引發(fā)涌水、涌砂、地面塌陷等嚴(yán)重問題。隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，需要及時進(jìn)行管片拼裝工作。管片是盾構(gòu)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)，起到支撐周圍土體、防水和保證隧道穩(wěn)定性的作用。在盾構(gòu)機(jī)的盾尾，通過管片安裝機(jī)將預(yù)制好的管片按照一定的順序和方式拼裝成環(huán)。每拼裝完一環(huán)管片，就形成了一段隧道的襯砌結(jié)構(gòu)。管片之間通過螺栓連接，確保連接緊密，具有足夠的強(qiáng)度和防水性能。在管片拼裝過程中，要注意控制管片的位置和姿態(tài)，保證隧道的線形符合設(shè)計要求。為了防止地層移動和固定襯砌環(huán)位置，在管片拼裝完成后，需要及時向襯砌背后的空隙注漿。注漿材料一般采用水泥漿、水泥砂漿或其他具有良好填充和加固性能的材料。通過注漿，能夠填充管片與周圍土體之間的空隙，使管片與土體緊密結(jié)合，共同承受荷載。同時，注漿還能起到加固地層的作用，提高地層的穩(wěn)定性，減少地面沉降。在注漿過程中，要控制好注漿壓力和注漿量，確保注漿效果。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至到達(dá)工作井時，進(jìn)入到達(dá)階段。在到達(dá)前，需要對到達(dá)工作井的洞口進(jìn)行破除，并安裝接收基座，為盾構(gòu)機(jī)的順利接收做好準(zhǔn)備。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入到達(dá)工作井后，完成隧道貫通任務(wù)，隨后可根據(jù)施工需要對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行拆除或繼續(xù)用于其他隧道施工。2.3盾構(gòu)管片在隧道工程中的作用盾構(gòu)管片作為隧道的永久支護(hù)結(jié)構(gòu)，在隧道工程中扮演著至關(guān)重要的角色，其作用主要體現(xiàn)在承受荷載、保證隧道穩(wěn)定性和防水性等方面。在承受荷載方面，盾構(gòu)管片承擔(dān)著來自周圍土體的壓力。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，由于地層結(jié)構(gòu)松散，土壓力的分布較為復(fù)雜。管片需要承受土體的自重壓力以及因土體變形而產(chǎn)生的附加壓力。在隧道埋深較大時，上覆土體的自重會對管片產(chǎn)生較大的垂直壓力；而在盾構(gòu)施工過程中，由于盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)對周圍土體產(chǎn)生擾動，土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，會對管片產(chǎn)生額外的水平壓力。管片還要承受地下水的壓力。強(qiáng)透水砂卵石地層中地下水豐富且水壓較大，管片必須具備足夠的強(qiáng)度和密封性，以抵抗地下水的滲透壓力，防止地下水滲漏進(jìn)入隧道內(nèi)部，影響隧道的正常使用和結(jié)構(gòu)安全。在施工過程中，管片還會受到盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時的千斤頂推力、管片拼裝時的碰撞力等施工荷載。這些荷載在施工過程中會對管片的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，要求管片具有良好的力學(xué)性能，能夠承受這些復(fù)雜荷載的作用。盾構(gòu)管片對于保證隧道的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。它為隧道提供了可靠的支護(hù)，防止周圍土體坍塌。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，土體的自穩(wěn)性較差，容易在盾構(gòu)施工擾動下發(fā)生坍塌。管片形成的襯砌結(jié)構(gòu)能夠有效地約束土體的變形，維持隧道的形狀和尺寸，確保隧道在施工和運(yùn)營過程中的穩(wěn)定。管片與周圍土體之間存在著相互作用，管片通過與土體的緊密接觸，將自身所承受的荷載傳遞給周圍土體，同時也依靠土體的反力來維持自身的穩(wěn)定。這種相互作用使得管片和土體形成一個共同受力的體系，提高了隧道整體的承載能力和穩(wěn)定性。合理的管片設(shè)計和施工能夠增強(qiáng)隧道的抗變形能力，減少隧道在長期運(yùn)營過程中因土體變形、地面荷載變化等因素引起的不均勻沉降和變形，保證隧道結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。防水性也是盾構(gòu)管片的重要功能之一。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，地下水豐富，如果管片的防水性能不佳，地下水會大量滲漏進(jìn)入隧道，導(dǎo)致隧道內(nèi)積水、潮濕，影響隧道內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行，加速管片和隧道內(nèi)其他結(jié)構(gòu)的腐蝕，降低隧道的使用壽命。盾構(gòu)管片通過采用防水密封材料，如彈性密封墊、嵌縫材料等，在管片之間的接縫處形成有效的防水屏障，阻止地下水的滲漏。管片本身的混凝土材料也需要具備良好的抗?jié)B性能，以防止地下水通過管片本體滲透進(jìn)入隧道。良好的防水性能能夠保證隧道內(nèi)部的干燥環(huán)境，為隧道的安全運(yùn)營提供保障。三、工程案例分析-蘭州地鐵穿黃段3.1工程概況蘭州地鐵1號線作為蘭州市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的骨干線路，承擔(dān)著緩解城市交通壓力、促進(jìn)區(qū)域發(fā)展的重要使命。其一期工程東起城關(guān)區(qū)東崗鎮(zhèn)，西至西固區(qū)陳官營，線路全長約26.78公里，全線均為地下線，共設(shè)有20座車站。在整個線路中，迎門灘至馬灘區(qū)間的穿黃段是極具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵部分。該區(qū)間雙線隧道均需長距離穿越黃河，這在國內(nèi)地鐵建設(shè)中尚屬首例，施工難度極大。迎門灘至馬灘區(qū)間右線隧道長度約為1906米，左線隧道長約1908米，其中左、右線下穿黃河段的長度均達(dá)到404米。這一區(qū)間的隧道洞頂最大埋深達(dá)36米，且施工環(huán)境極為復(fù)雜多變。其穿越的地層為典型的黃河上游高富水、大粒徑、高硬度砂卵石地層，其中河床下卵石含量高達(dá)82%，卵石強(qiáng)度高達(dá)200兆帕。這種地層結(jié)構(gòu)松散，孔隙度大，透水性極強(qiáng)，給盾構(gòu)施工帶來了巨大的困難。地下水豐富且水壓高，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，開挖面的水壓力難以穩(wěn)定控制，極易引發(fā)涌水、涌砂等險情，一旦發(fā)生，可能導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)地面塌陷，危及周邊建筑物和地下管線的安全。大粒徑、高硬度的卵石對盾構(gòu)機(jī)的刀具磨損嚴(yán)重，增加了刀具更換的頻率和施工成本，也影響了施工進(jìn)度。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，該工程采用了兩臺大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，分別為“金城5號”和“金城6號”。泥水盾構(gòu)機(jī)利用加壓泥水或泥漿來穩(wěn)定開挖面，通過在開挖面形成泥膜來抵抗水土壓力，這種盾構(gòu)機(jī)在強(qiáng)透水砂卵石地層中具有較好的適應(yīng)性。在施工過程中，施工團(tuán)隊還采取了一系列針對性的措施，如加強(qiáng)地質(zhì)勘探，提前掌握地層詳細(xì)信息；進(jìn)行多輪技術(shù)研討和專家論證，制定科學(xué)合理的施工方案；根據(jù)地質(zhì)情況、地下水情況及黃河水文情況，實時調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)掘進(jìn)控制；針對黃河下易失穩(wěn)等風(fēng)險，及時采取水下注漿加固、洞內(nèi)超前支護(hù)等措施，保障盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程安全平穩(wěn)可控。3.2地質(zhì)條件分析蘭州地鐵1號線迎門灘至馬灘區(qū)間穿黃段的地層結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出顯著的復(fù)雜性和特殊性，主要由第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）和第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）構(gòu)成。第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）包含多個亞層。其中，粉土（Q4al）層呈淺黃色，稍濕，稍密，干強(qiáng)度低，韌性低，搖振反應(yīng)中等，該層在地表以下一定深度范圍內(nèi)分布，厚度相對較薄，一般在1-3米左右。其密實度較低，力學(xué)性質(zhì)相對較弱，在盾構(gòu)施工過程中，容易受到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的擾動，導(dǎo)致土體變形和位移。細(xì)砂（Q4al）層呈淺黃色，飽和，稍密，主要礦物成分為石英、長石，含少量云母碎片，顆粒級配不良。該層的透水性較強(qiáng)，在地下水的作用下，容易發(fā)生流砂現(xiàn)象，對盾構(gòu)施工的開挖面穩(wěn)定造成威脅。中砂（Q4al）層呈淺黃色，飽和，中密，顆粒級配一般，含少量礫石。其密實度和力學(xué)性質(zhì)相對較好，但在強(qiáng)透水的砂卵石地層中，該層也會受到地下水滲流的影響，導(dǎo)致顆粒間的有效應(yīng)力發(fā)生變化，進(jìn)而影響地層的穩(wěn)定性。粗砂（Q4al）層呈淺黃色，飽和，中密，顆粒級配一般，含約10%-20%的礫石。該層的顆粒較大，透水性更強(qiáng)，在盾構(gòu)施工時，對盾構(gòu)機(jī)的刀具磨損較大，同時也增加了施工過程中地下水控制的難度。礫砂（Q4al）層呈淺黃色，飽和，中密-密實，顆粒級配良好，含約20%-30%的礫石，礫石粒徑一般在2-20mm之間。該層的力學(xué)性質(zhì)較好，但由于其透水性強(qiáng)，在地下水豐富的情況下，容易形成強(qiáng)透水通道，給盾構(gòu)施工帶來極大的挑戰(zhàn)。圓礫（Q4al）層呈雜色，飽和，密實，礫石含量約占50%-60%，粒徑一般在20-200mm之間，最大粒徑可達(dá)500mm，充填物為中粗砂。該層結(jié)構(gòu)緊密，強(qiáng)度較高，但大粒徑的礫石對盾構(gòu)機(jī)的切削和掘進(jìn)造成很大困難，刀具磨損嚴(yán)重，施工效率較低。第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）主要為卵石（Q3al）層，呈雜色，飽和，密實，卵石含量約占60%-70%，粒徑一般在20-300mm之間，最大粒徑可達(dá)800mm，充填物為中粗砂和礫砂。該層是穿黃段地層的主要組成部分，也是盾構(gòu)施工面臨的最大挑戰(zhàn)。卵石含量高、粒徑大，使得地層的透水性極強(qiáng)，同時對盾構(gòu)機(jī)的刀具和設(shè)備要求極高。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀具需要承受巨大的沖擊力和摩擦力，容易出現(xiàn)磨損、斷裂等問題，導(dǎo)致刀具頻繁更換，增加了施工成本和工期。該地層的密實度較大，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)阻力大，需要消耗大量的能量，對盾構(gòu)機(jī)的性能和穩(wěn)定性提出了很高的要求。蘭州地鐵1號線穿黃段位于黃河流域，地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于砂卵石地層中，其補(bǔ)給來源主要為黃河水的側(cè)向補(bǔ)給以及大氣降水的入滲補(bǔ)給。在黃河岸邊及河床下，由于黃河水與地下水之間存在密切的水力聯(lián)系，地下水水位變化與黃河水位變化密切相關(guān)。黃河水位受季節(jié)影響顯著，在豐水期，黃河水位較高，河水向兩岸的砂卵石地層中滲透，導(dǎo)致地下水水位上升；而在枯水期，黃河水位下降，地下水則向黃河排泄，水位隨之降低。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，黃河水位的年變幅可達(dá)2-3米，相應(yīng)地，地下水水位在黃河岸邊及河床下的年變幅也可達(dá)1-2米。在遠(yuǎn)離黃河的區(qū)域，地下水水位主要受大氣降水入滲的影響，同時也受到地形地貌和地層巖性的控制。地形較高處，地下水水位相對較低；地形低洼處，地下水水位相對較高。砂卵石地層的透水性強(qiáng)，使得地下水在其中的徑流速度較快，水力坡度相對較大。在不同的地質(zhì)條件和地形條件下，地下水水位的變化也存在一定差異。在一些地層滲透性較好、地勢較為平坦的區(qū)域，地下水水位變化相對較為平緩；而在一些地層滲透性較差、地勢起伏較大的區(qū)域，地下水水位變化可能較為劇烈。高水位的地下水對盾構(gòu)施工產(chǎn)生了多方面的不利影響。地下水的高水壓對盾構(gòu)機(jī)的密封性能提出了極高的要求。如果盾構(gòu)機(jī)的密封性能不佳，地下水可能會滲漏進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，損壞設(shè)備，影響施工安全和進(jìn)度。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地下水的壓力會作用于開挖面，增加開挖面失穩(wěn)的風(fēng)險。如果不能有效地平衡地下水壓力，可能會導(dǎo)致開挖面坍塌，引發(fā)涌水、涌砂等事故。高水位的地下水還會增加盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)阻力，因為盾構(gòu)機(jī)需要克服地下水的浮力和阻力才能前進(jìn)。這不僅會消耗更多的能量，還可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度減慢，影響施工效率。地下水的滲流還會帶走地層中的細(xì)顆粒物質(zhì)，進(jìn)一步破壞地層的穩(wěn)定性，增加施工風(fēng)險。3.3盾構(gòu)管片設(shè)計參數(shù)蘭州地鐵1號線穿黃段盾構(gòu)管片的設(shè)計充分考慮了強(qiáng)透水砂卵石地層的復(fù)雜工況，在尺寸、材料、強(qiáng)度等級、分塊方式及連接方式等方面均有嚴(yán)格的參數(shù)設(shè)定。在尺寸方面，該段盾構(gòu)管片采用通用楔形環(huán)設(shè)計，環(huán)寬1.2米，幅寬1.5米，這種尺寸設(shè)計既能滿足隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，又便于施工過程中的管片運(yùn)輸和拼裝。管片外徑為6.2米，內(nèi)徑為5.5米，合理的內(nèi)外徑差值保證了管片具有足夠的厚度來承受外部荷載，同時也考慮了隧道內(nèi)部空間的有效利用。例如，在強(qiáng)透水砂卵石地層中，較大的外徑可以提供更大的承載面積，分散土體和水壓力對管片的作用；而合適的內(nèi)徑則確保了地鐵隧道內(nèi)的凈空尺寸，滿足列車運(yùn)行和人員通行的需求。管片材料選用C50鋼筋混凝土，這種材料具有較高的強(qiáng)度和耐久性，能夠適應(yīng)強(qiáng)透水砂卵石地層的惡劣環(huán)境。C50強(qiáng)度等級的混凝土保證了管片在承受巨大土壓力和水壓力時，不會發(fā)生開裂、破損等情況。在高水壓和強(qiáng)透水的作用下，普通強(qiáng)度的混凝土可能無法長期抵抗水的侵蝕和壓力作用，而C50鋼筋混凝土憑借其良好的抗壓、抗?jié)B性能，能夠有效保障管片的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。鋼筋作為管片的重要組成部分，與混凝土協(xié)同工作，增強(qiáng)了管片的抗拉和抗彎能力。通過合理配置鋼筋，管片在受到不均勻荷載時，能夠更好地承受拉力和彎矩，避免出現(xiàn)裂縫和破壞。管片的分塊方式為6塊，包括3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（B1、B2、B3）、2塊鄰接塊（L1、L2）和1塊封頂塊（F）。這種分塊方式在保證管片結(jié)構(gòu)整體性的同時，便于施工操作。標(biāo)準(zhǔn)塊的尺寸和形狀相同，便于預(yù)制生產(chǎn)和安裝；鄰接塊和封頂塊的特殊形狀設(shè)計，使得管片在拼裝時能夠更好地契合，形成穩(wěn)定的環(huán)向結(jié)構(gòu)。在實際施工中，先安裝標(biāo)準(zhǔn)塊，再依次安裝鄰接塊和封頂塊，通過精確的定位和連接，確保管片環(huán)的圓度和密封性。管片連接方式采用彎螺栓連接，這種連接方式具有連接可靠、安裝方便的優(yōu)點。在管片的環(huán)向和縱向接縫處，均設(shè)置有彎螺栓。環(huán)向彎螺栓將相鄰的管片環(huán)緊密連接在一起，抵抗環(huán)向的剪切力和拉力；縱向彎螺栓則將同一環(huán)內(nèi)的管片塊連接起來，保證管片環(huán)的整體性。彎螺栓的材質(zhì)和規(guī)格經(jīng)過嚴(yán)格選擇，具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能夠在長期的使用過程中保持連接的穩(wěn)定性。為了提高管片接縫的防水性能，在接縫處設(shè)置了三元乙丙橡膠密封墊。這種密封墊具有良好的彈性和防水性能，能夠有效地填充管片之間的縫隙，阻止地下水的滲漏。在管片拼裝過程中，密封墊被壓縮，形成緊密的防水屏障，確保隧道的防水效果。四、盾構(gòu)管片受力特性分析4.1施工過程中管片受力情況在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)管片會受到多種復(fù)雜荷載的作用，這些荷載的大小、方向和作用時間各不相同，對管片的受力和變形產(chǎn)生著重要影響。準(zhǔn)確分析這些荷載作用下管片的受力情況，對于保障盾構(gòu)施工的安全和管片結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。千斤頂推力是盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的主要驅(qū)動力，其大小取決于盾構(gòu)機(jī)的型號、地層條件、掘進(jìn)速度等因素。在蘭州地鐵穿黃段這樣的強(qiáng)透水砂卵石地層中，由于地層的抗剪強(qiáng)度較大，盾構(gòu)機(jī)需要克服較大的阻力才能前進(jìn)，因此千斤頂推力通常較大。根據(jù)工程實際數(shù)據(jù)，該段施工中千斤頂推力一般在15-25MN之間。千斤頂推力通過盾構(gòu)機(jī)的撐靴作用在管片上，由于撐靴與管片的接觸面積有限，會在管片上產(chǎn)生較大的局部壓力，容易導(dǎo)致管片在接觸部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)管片環(huán)面不平整或千斤頂撐靴重心偏位時，管片所承受的千斤頂推力分布不均勻，可能會使管片產(chǎn)生彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂縫甚至破損。過大的千斤頂推力還可能使管片之間的連接螺栓承受過大的拉力和剪力，影響螺栓的連接可靠性，增加管片接頭處的防水難度。注漿壓力是在注漿填充盾尾間隙的過程中產(chǎn)生的，其大小直接影響到管片的受力和變形。在蘭州地鐵穿黃段施工中，注漿壓力通?？刂圃?.3-0.5MPa之間。當(dāng)注漿壓力過高時，會引起管片局部或整體上浮、錯位、開裂等問題。在某些情況下，注漿壓力過大可能導(dǎo)致管片向上浮起，使管片與周圍土體之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，影響管片的受力分布，同時也會對管片的防水性能產(chǎn)生不利影響。注漿壓力的不均勻分布也會使管片承受不均勻的荷載，導(dǎo)致管片產(chǎn)生彎曲和扭曲變形。在注漿過程中，靠近注漿孔的部位管片所受到的注漿壓力較大，而遠(yuǎn)離注漿孔的部位壓力相對較小，這種壓力差會使管片產(chǎn)生不均勻的變形，從而在管片內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力。注漿壓力還是導(dǎo)致管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力增長的重要因素，隨著注漿壓力的增加，管片的軸力、彎矩和剪力都會相應(yīng)增大。在注漿完成后，由于水泥漿液在凝結(jié)過程中需要一定的時間，在這段時間內(nèi)，盾構(gòu)會繼續(xù)掘進(jìn)，使得一定范圍內(nèi)的管片未能及時被漿液裹住，從而導(dǎo)致管片懸浮在注漿液中，承受一定的上浮力。上浮力的大小與管片的體積、注漿液的密度等因素有關(guān)。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，由于地下水豐富，注漿液可能會受到地下水的稀釋和擾動，導(dǎo)致上浮力的大小和分布不穩(wěn)定。過大的上浮力可能使管片向上位移，破壞管片與周圍土體之間的平衡狀態(tài)，影響管片的穩(wěn)定性。管片還會承受盾尾密封刷對其的環(huán)向壓力。盾尾密封刷的作用是防止注漿液和地下水從盾尾間隙進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部，在盾構(gòu)長時間停止掘進(jìn)時，盾尾密封刷與管片之間的摩擦力和環(huán)向壓力會對管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。這種壓力可能會使管片產(chǎn)生環(huán)向的擠壓變形，在管片內(nèi)部產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力。在管片拼裝過程中，管片結(jié)構(gòu)會承受裝配器荷載的作用。一方面，管片本身自重較重，例如蘭州地鐵穿黃段的管片，單塊重量較大，需要裝配器施加足夠的作用力進(jìn)行管片的吊運(yùn)和拼裝。另一方面，在進(jìn)行管片拼裝時，需要對管片的位置進(jìn)行來回調(diào)整，以確保管片之間的連接緊密和環(huán)向的圓度。在這個過程中，一旦出現(xiàn)管片斷面受力不均的情況，就會導(dǎo)致管片內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。在調(diào)整管片位置時，如果裝配器的作用力不均勻，可能會使管片受到偏心荷載的作用，從而在管片內(nèi)部產(chǎn)生彎矩和剪力。如果管片在拼裝過程中受到碰撞或擠壓，也可能會導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂縫或破損。4.2管片受力監(jiān)測方案與數(shù)據(jù)采集為了深入了解蘭州地鐵穿黃段盾構(gòu)管片在強(qiáng)透水砂卵石地層中的受力特性，在該工程中制定了詳細(xì)的管片受力監(jiān)測方案，并采用科學(xué)的數(shù)據(jù)采集方法。在傳感器布置方面，針對盾構(gòu)管片的不同部位和受力特點，精心選擇了多種類型的傳感器并合理布置。在管片內(nèi)部，為了準(zhǔn)確測量管片的內(nèi)力，在管片的鋼筋上焊接電阻應(yīng)變片。根據(jù)管片的結(jié)構(gòu)和受力分析，在管片的頂部、底部、腰部等關(guān)鍵部位的鋼筋上分別布置應(yīng)變片，每個部位設(shè)置多個測點，以全面監(jiān)測管片在不同方向上的受力情況。在管片頂部的鋼筋上，沿環(huán)向和縱向每隔一定距離布置應(yīng)變片，這樣可以獲取管片在頂部受到的彎矩和軸力信息。在管片的外表面，為了測量管片所承受的土壓力和水壓力，安裝了振弦式土壓力盒。在管片的環(huán)向和縱向，按照一定的間距均勻布置土壓力盒，以監(jiān)測土壓力和水壓力在管片表面的分布情況。在管片的接頭部位，由于接頭是管片結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，受力情況較為復(fù)雜，安裝了螺栓軸力計來監(jiān)測接頭螺栓的軸力變化，同時在接頭處布置位移計，監(jiān)測接頭的張開和錯動情況。在監(jiān)測頻率的確定上，充分考慮了施工階段和管片受力變化的特點。在盾構(gòu)施工過程中，由于管片受力變化較為頻繁，監(jiān)測頻率相對較高。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，每推進(jìn)一環(huán)管片，對所有傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采集。在管片拼裝完成后，前3天內(nèi)每天采集3-4次數(shù)據(jù)，以便及時掌握管片在初始階段的受力變化情況。隨著施工的進(jìn)行，管片受力逐漸趨于穩(wěn)定，監(jiān)測頻率可以適當(dāng)降低。在管片拼裝完成3天后，每天采集1-2次數(shù)據(jù)。在特殊情況下，如遇到突發(fā)的地質(zhì)變化、盾構(gòu)機(jī)故障或施工參數(shù)調(diào)整等，加密監(jiān)測頻率，隨時關(guān)注管片的受力狀態(tài)。在數(shù)據(jù)采集方法上，采用了自動化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和及時性。傳感器與數(shù)據(jù)采集儀通過電纜連接，將傳感器采集到的物理信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀中。數(shù)據(jù)采集儀對信號進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行存儲和分析。利用專業(yè)的數(shù)據(jù)采集軟件，設(shè)置好數(shù)據(jù)采集的參數(shù)，如采集時間間隔、傳感器類型、數(shù)據(jù)存儲路徑等。數(shù)據(jù)采集軟件能夠?qū)崟r顯示傳感器的數(shù)據(jù)，方便現(xiàn)場工作人員進(jìn)行監(jiān)控和管理。在數(shù)據(jù)采集過程中，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，定期對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，確保傳感器的測量精度和穩(wěn)定性。同時，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，檢查數(shù)據(jù)的完整性、合理性和異常值，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，確保數(shù)據(jù)能夠真實反映管片的受力情況。4.3監(jiān)測結(jié)果與受力特性分析通過對蘭州地鐵穿黃段盾構(gòu)管片的受力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，能夠深入了解管片在強(qiáng)透水砂卵石地層中的受力特性及變化規(guī)律，為盾構(gòu)管片的設(shè)計和施工提供重要依據(jù)。在軸力方面，管片在不同施工階段的軸力呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在盾構(gòu)掘進(jìn)初期，隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，管片開始承受來自千斤頂推力、注漿壓力以及周圍土體壓力的共同作用，軸力逐漸增大。在管片拼裝完成后的一段時間內(nèi)，由于注漿壓力的作用，管片的軸力增長較為迅速。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在蘭州地鐵穿黃段，管片拼裝完成后的前3天內(nèi)，軸力平均增長了約30%-40%。隨著時間的推移，注漿漿液逐漸凝固，管片與周圍土體之間的相互作用逐漸穩(wěn)定，軸力增長速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。在隧道運(yùn)營階段，管片主要承受來自周圍土體的長期荷載作用，軸力基本保持穩(wěn)定，但會受到地下水水位變化、地面荷載等因素的影響而產(chǎn)生一定的波動。管片軸力在環(huán)向的分布也不均勻，一般情況下，管片的頂部和底部軸力相對較大，而腰部軸力相對較小。這是因為頂部和底部直接承受上覆土體的壓力以及盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時的反力，而腰部受到的土體約束相對較小。管片彎矩在施工過程中的變化也較為顯著。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整、管片拼裝誤差以及地層的不均勻性等因素，管片會受到偏心荷載的作用，從而產(chǎn)生彎矩。在管片拼裝過程中，如果管片環(huán)面不平整或連接螺栓擰緊程度不一致，會導(dǎo)致管片在環(huán)向和縱向產(chǎn)生彎矩。在蘭州地鐵穿黃段的監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，管片在拼裝完成后，環(huán)向彎矩在接頭部位相對較大，這是由于接頭處的剛度相對較弱，在受力時容易產(chǎn)生變形和轉(zhuǎn)動。隨著施工的進(jìn)行，管片與周圍土體之間的相互作用逐漸協(xié)調(diào)，彎矩逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在隧道運(yùn)營階段，彎矩同樣會受到各種因素的影響，如土體的蠕變、地面沉降等，可能導(dǎo)致管片產(chǎn)生不均勻變形，從而使彎矩發(fā)生變化。剪力方面，盾構(gòu)施工過程中，管片所受剪力主要來源于盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力、注漿壓力以及土體的摩擦力。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時，管片與盾尾之間存在摩擦力，同時注漿壓力在盾尾間隙內(nèi)的不均勻分布也會使管片受到剪力作用。在蘭州地鐵穿黃段，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，管片的剪力在盾尾附近相對較大，隨著與盾尾距離的增加，剪力逐漸減小。這是因為盾尾附近的注漿壓力和土體壓力變化較為劇烈，對管片的剪切作用較強(qiáng)。在管片拼裝完成后，剪力主要由管片與周圍土體之間的摩擦力以及管片接頭的抗剪能力來承擔(dān)。在隧道運(yùn)營階段，剪力雖然相對較小，但仍然需要考慮其對管片結(jié)構(gòu)的長期影響。如果管片接頭的抗剪能力不足，在長期剪力作用下，可能會導(dǎo)致接頭松動、開裂，從而影響管片的防水性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。五、影響盾構(gòu)管片受力的因素研究5.1地層條件的影響地層條件是影響盾構(gòu)管片受力的關(guān)鍵因素之一，在強(qiáng)透水砂卵石地層中，砂卵石的密實度、顆粒級配、滲透系數(shù)等特性對管片受力有著顯著影響。砂卵石地層的密實度直接關(guān)系到土體的力學(xué)性質(zhì)和對管片的作用力。密實度較高的砂卵石地層，顆粒之間相互擠壓緊密，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好。在這種地層中，盾構(gòu)管片所承受的土壓力相對較為穩(wěn)定，分布也較為均勻。由于土體能夠較好地傳遞和分散荷載，管片的受力狀態(tài)相對有利，不易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的情況。當(dāng)砂卵石地層的密實度較低時，顆粒之間的接觸較為松散，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性較差。在盾構(gòu)施工過程中，容易因盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)擾動而發(fā)生顆粒的重新排列和移動，導(dǎo)致土體變形增大。這會使管片所承受的土壓力發(fā)生較大變化，且分布不均勻，容易在管片的某些部位產(chǎn)生較大的壓力，從而導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂縫、變形等問題。在蘭州地鐵穿黃段的強(qiáng)透水砂卵石地層中，部分區(qū)域的砂卵石密實度較低，盾構(gòu)管片在這些區(qū)域施工時，受到的土壓力波動較大，管片的變形也相對明顯。通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在密實度較低的地層中，管片的徑向變形比密實度較高地層中的管片徑向變形平均增大了10%-15%。顆粒級配是指砂卵石中不同粒徑顆粒的比例關(guān)系，它對地層的力學(xué)性質(zhì)和透水性有重要影響，進(jìn)而影響盾構(gòu)管片的受力。當(dāng)砂卵石地層的顆粒級配良好時，大小顆粒相互填充，地層的孔隙度相對較小，結(jié)構(gòu)較為緊密。這種情況下，地層的力學(xué)性能較好，能夠承受較大的荷載，對管片的作用力相對穩(wěn)定。良好的顆粒級配還能使地層的透水性相對均勻，減少地下水對管片受力的不利影響。如果砂卵石地層的顆粒級配不良，粒徑分布不均勻，可能會出現(xiàn)大顆粒集中或小顆粒過多的情況。大顆粒集中的區(qū)域，地層的孔隙較大，在盾構(gòu)施工時，刀具容易受到較大的沖擊，同時管片所承受的土壓力也會不均勻，容易在管片與大顆粒接觸的部位產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。小顆粒過多則會導(dǎo)致地層的透水性較差，在強(qiáng)透水砂卵石地層中，這種情況可能會引起地下水在局部積聚，增大管片所承受的水壓力。在某工程的強(qiáng)透水砂卵石地層中，由于顆粒級配不良，管片在大顆粒集中的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的裂縫，而在小顆粒較多的區(qū)域，管片所受的水壓力明顯增大，導(dǎo)致管片的防水性能受到影響。滲透系數(shù)是衡量地層透水性的重要指標(biāo)，強(qiáng)透水砂卵石地層的滲透系數(shù)較大，地下水在其中流動迅速。高滲透系數(shù)使得管片周圍的水壓力分布復(fù)雜，且容易受到地下水滲流的影響。在盾構(gòu)施工過程中，地下水的滲流會對管片產(chǎn)生動水壓力，這種動水壓力會增加管片的受力。當(dāng)?shù)叵滤疂B流速度較大時，動水壓力可能會使管片產(chǎn)生位移或變形。地下水的滲流還可能帶走地層中的細(xì)顆粒物質(zhì)，導(dǎo)致地層的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壓力的分布，使管片的受力狀態(tài)變得更加復(fù)雜。在蘭州地鐵穿黃段，由于地層滲透系數(shù)大，地下水滲流作用明顯，管片所承受的水壓力比理論靜水壓力增加了15%-20%，同時管片在動水壓力的作用下，出現(xiàn)了一定程度的位移和變形。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)增大時，管片的內(nèi)力和變形也隨之增大，尤其是在管片的底部和側(cè)面，受力和變形的增加更為顯著。5.2施工參數(shù)的影響盾構(gòu)施工參數(shù)的選擇對盾構(gòu)管片的受力特性有著顯著影響，其中盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度、土倉壓力、注漿壓力和注漿量等參數(shù)是關(guān)鍵因素。掘進(jìn)速度的變化會導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)與周圍土體之間的相互作用發(fā)生改變，從而影響管片的受力情況。當(dāng)掘進(jìn)速度過快時，盾構(gòu)機(jī)對土體的擾動加劇，土體的應(yīng)力重新分布更加劇烈，這可能導(dǎo)致管片受到的土壓力增大且分布不均勻。在蘭州地鐵穿黃段的盾構(gòu)施工中，當(dāng)掘進(jìn)速度從正常的每分鐘30-40mm提高到每分鐘50-60mm時，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，管片所承受的土壓力在部分區(qū)域增加了10%-15%，尤其是在盾構(gòu)機(jī)前方和盾尾附近的管片，受力變化更為明顯。這是因為快速掘進(jìn)使得土體來不及充分變形和調(diào)整，土壓力在短時間內(nèi)集中作用于管片上。掘進(jìn)速度過快還會使盾構(gòu)機(jī)的推力波動增大，傳遞到管片上的力也隨之不穩(wěn)定，容易引起管片的振動和變形。如果掘進(jìn)速度過慢，盾構(gòu)機(jī)在同一位置停留時間過長，會使土體產(chǎn)生蠕變，導(dǎo)致管片周圍的土體壓力逐漸增大，同樣會對管片的受力產(chǎn)生不利影響。土倉壓力是盾構(gòu)施工中維持開挖面穩(wěn)定的重要參數(shù)，其大小直接關(guān)系到管片所受的土壓力和水壓力。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，合理的土倉壓力設(shè)置尤為關(guān)鍵。當(dāng)土倉壓力設(shè)置過低時，開挖面土體無法得到有效支撐，容易發(fā)生坍塌，從而使管片承受的土壓力突然增大。在某工程的強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)施工中，由于土倉壓力設(shè)置比理論值低0.1MPa，導(dǎo)致開挖面局部坍塌，管片在坍塌部位所受的土壓力瞬間增加了30%-40%，管片出現(xiàn)了明顯的裂縫。相反，當(dāng)土倉壓力過高時，會對管片產(chǎn)生過大的反向壓力，使管片受到擠壓，導(dǎo)致管片的軸力和彎矩增大。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土倉壓力比正常情況提高0.05MPa時，管片的軸力平均增加了8%-10%，彎矩也有不同程度的增大。過高的土倉壓力還可能導(dǎo)致土體向盾尾后方擠出，增加盾尾密封的壓力，影響盾尾密封的效果，進(jìn)而使地下水滲漏進(jìn)入隧道，對管片的受力和耐久性產(chǎn)生不利影響。注漿壓力和注漿量對管片的受力和變形有著直接的影響。注漿壓力過大，會使管片受到向上的浮力和不均勻的壓力作用，導(dǎo)致管片上浮、錯位甚至開裂。在蘭州地鐵穿黃段的施工中，當(dāng)注漿壓力超過0.5MPa時，部分管片出現(xiàn)了上浮現(xiàn)象，上浮量最大達(dá)到了30mm，管片之間的接縫也出現(xiàn)了張開的情況，這不僅影響了管片的防水性能，還使管片的受力狀態(tài)發(fā)生改變，增加了管片損壞的風(fēng)險。注漿量不足則無法有效填充管片背后的空隙，導(dǎo)致土體向空隙內(nèi)坍塌，使管片承受不均勻的土壓力，進(jìn)而產(chǎn)生較大的變形和內(nèi)力。如果注漿量過大，可能會造成漿液浪費，增加施工成本，同時也可能對周圍土體產(chǎn)生過大的擠壓作用，影響土體的穩(wěn)定性。在某工程中，由于注漿量過大，導(dǎo)致周圍土體出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，對附近的建筑物和地下管線造成了一定的影響。5.3管片設(shè)計與拼裝的影響管片自身的設(shè)計參數(shù)以及拼裝方式和質(zhì)量對其在強(qiáng)透水砂卵石地層中的受力有著重要影響。管片的厚度是影響其受力性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。管片厚度增加，其承載能力和抗變形能力會相應(yīng)提高。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，較大的土壓力和水壓力作用下，增加管片厚度可以有效分散荷載，減小管片的應(yīng)力集中。在蘭州地鐵穿黃段工程中，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管片厚度從350mm增加到400mm時，管片在相同荷載作用下的最大應(yīng)力降低了約10%-15%，徑向變形也明顯減小。這是因為增加厚度使得管片的截面慣性矩增大，抗彎和抗壓能力增強(qiáng)。但管片厚度的增加也會帶來一些問題，如增加工程成本、加重管片重量，給運(yùn)輸和拼裝帶來困難。從經(jīng)濟(jì)和施工便利性角度考慮，管片厚度并非越大越好，需要在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，綜合考慮各種因素，選擇合理的管片厚度。管片的強(qiáng)度等級直接關(guān)系到其抵抗荷載的能力。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，由于盾構(gòu)管片承受的荷載較大，對管片強(qiáng)度等級要求較高。C50強(qiáng)度等級的混凝土管片在蘭州地鐵穿黃段得到應(yīng)用，能夠較好地適應(yīng)地層條件和施工荷載。C50混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度和耐久性，能夠有效抵抗土體和水壓力的長期作用，保證管片在使用過程中的結(jié)構(gòu)安全。如果管片強(qiáng)度等級不足，在長期荷載作用下，管片可能會出現(xiàn)裂縫、破損等問題，影響隧道的正常使用和安全。但過高的強(qiáng)度等級也會增加成本，在實際工程中，需要根據(jù)具體的工程要求和經(jīng)濟(jì)條件，合理選擇管片的強(qiáng)度等級。管片的分塊方式會影響管片的受力狀態(tài)和施工效率。常見的分塊方式有6塊、7塊等。在蘭州地鐵穿黃段采用的6塊分塊方式中，包括3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊。這種分塊方式在保證管片結(jié)構(gòu)整體性的同時，便于施工操作。標(biāo)準(zhǔn)塊的設(shè)計便于預(yù)制生產(chǎn)和安裝，提高了施工效率；鄰接塊和封頂塊的特殊形狀設(shè)計，使管片在拼裝時能夠更好地契合，形成穩(wěn)定的環(huán)向結(jié)構(gòu)。不同的分塊方式會導(dǎo)致管片接頭數(shù)量和位置的不同，進(jìn)而影響管片的受力分布。接頭是管片結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，接頭數(shù)量越多，管片的整體剛度相對越低，在受力時接頭部位更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。在選擇管片分塊方式時，需要綜合考慮管片的受力要求、施工便利性以及經(jīng)濟(jì)性等因素。管片的拼裝方式主要有錯縫拼裝和通縫拼裝。錯縫拼裝時，相鄰管片環(huán)的縱縫相互錯開，這種方式可以增加管片結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，減小接頭張開量，提高管片的防水性能。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，錯縫拼裝能夠更好地抵抗土體和水壓力的作用，減少管片的變形和破壞。在蘭州地鐵穿黃段，采用錯縫拼裝方式，有效提高了管片結(jié)構(gòu)的承載能力和防水性能。通縫拼裝則是相鄰管片環(huán)的縱縫在一條直線上，通縫拼裝施工相對簡單，但管片結(jié)構(gòu)的整體性和防水性能相對較弱。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，如地層條件、隧道埋深、防水要求等，合理選擇管片的拼裝方式。管片的拼裝質(zhì)量對其受力性能有著直接的影響。如果管片拼裝不平整，會導(dǎo)致管片在受力時出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易使管片產(chǎn)生裂縫。在蘭州地鐵穿黃段的施工中，由于管片拼裝不平整，在部分管片的接頭部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂縫，影響了管片的防水性能和結(jié)構(gòu)安全。管片之間的連接螺栓如果擰緊程度不一致，會使管片受力不均勻，降低管片結(jié)構(gòu)的整體性。在管片拼裝過程中，需要嚴(yán)格控制拼裝質(zhì)量，確保管片拼裝平整、連接緊密，提高管片結(jié)構(gòu)的受力性能和穩(wěn)定性。六、數(shù)值模擬分析6.1建立數(shù)值模型為了深入研究強(qiáng)透水砂卵石地層中盾構(gòu)管片的受力特性，采用有限元軟件ABAQUS建立盾構(gòu)隧道數(shù)值模型。該模型能夠綜合考慮地層的非線性特性、地下水的滲流作用、盾構(gòu)施工過程的動態(tài)影響以及管片與土體之間的相互作用等復(fù)雜因素，為分析盾構(gòu)管片的受力情況提供了有效的手段。在確定模型尺寸時，充分考慮了邊界效應(yīng)的影響。根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗，模型的橫向?qū)挾热樗淼劳鈴降?-6倍，縱向長度取為隧道外徑的8-10倍。對于蘭州地鐵穿黃段盾構(gòu)隧道，隧道外徑為6.2米，因此模型橫向?qū)挾热?5米，縱向長度取為60米。模型的上表面為自由邊界，模擬地表的實際情況；下表面和側(cè)面采用固定約束邊界條件，限制模型在x、y、z三個方向的位移，以模擬地層的無限延伸。在模型中，盾構(gòu)隧道位于模型的中心位置，管片的外徑為6.2米，內(nèi)徑為5.5米，管片環(huán)寬1.2米。在邊界條件設(shè)定方面，模型的上表面為自由邊界，允許土體在豎直方向自由變形，模擬地表與大氣接觸的實際情況。下表面和側(cè)面采用固定約束邊界條件，即限制模型在x、y、z三個方向的位移，以模擬地層在無限遠(yuǎn)處的約束情況，防止邊界效應(yīng)影響模型內(nèi)部的應(yīng)力和變形分布。對于地下水邊界條件，考慮到強(qiáng)透水砂卵石地層的特點，模型的側(cè)面設(shè)置為水頭邊界，根據(jù)實際工程中的地下水位情況，設(shè)定相應(yīng)的水頭值。模型的上表面為透水邊界，允許地下水自由進(jìn)出，以模擬大氣降水入滲和地表徑流對地下水的補(bǔ)給作用。在盾構(gòu)隧道周邊，設(shè)置滲流邊界條件，考慮管片與土體之間的滲流作用，以及盾構(gòu)施工過程中注漿等因素對地下水滲流場的影響。材料參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定對于數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在本模型中，砂卵石地層采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，該模型能夠較好地描述砂卵石地層的非線性力學(xué)行為。根據(jù)蘭州地鐵穿黃段的地質(zhì)勘察報告，砂卵石地層的主要材料參數(shù)如下：密度為2.2×103kg/m3，彈性模量為30MPa，泊松比為0.3，黏聚力為10kPa，內(nèi)摩擦角為35°。管片采用彈性本構(gòu)模型，因為在正常使用階段，管片的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合彈性規(guī)律。管片的材料參數(shù)為：密度為2.5×103kg/m3，彈性模量為3.45×10?MPa，泊松比為0.2。注漿材料采用彈性本構(gòu)模型，其材料參數(shù)根據(jù)實際使用的注漿材料確定，密度為1.8×103kg/m3，彈性模量為100MPa，泊松比為0.25。在模型中，管片與土體之間的相互作用通過接觸對來模擬。管片的外表面定義為接觸面，土體的內(nèi)表面定義為目標(biāo)面。采用庫侖摩擦接觸模型來模擬管片與土體之間的摩擦行為，根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗，管片與土體之間的摩擦系數(shù)取為0.3。這樣的接觸設(shè)置能夠較為真實地反映管片與土體之間的相互作用，包括法向的接觸壓力和切向的摩擦力，從而準(zhǔn)確地模擬管片在土體中的受力狀態(tài)。6.2模擬工況設(shè)置為全面分析強(qiáng)透水砂卵石地層中盾構(gòu)管片的受力特性，在數(shù)值模擬中設(shè)置了多種不同的工況，涵蓋地層條件、施工參數(shù)以及管片設(shè)計方案等方面，通過對比不同工況下的模擬結(jié)果，深入研究各因素對管片受力的影響規(guī)律。在不同地層條件工況下，主要考慮砂卵石密實度和滲透系數(shù)的變化。設(shè)置密實度分別為松散、中密和密實三種狀態(tài)，對應(yīng)砂卵石的孔隙比分別為0.8、0.6和0.4。在松散狀態(tài)下，砂卵石顆粒之間的接觸較為松散，孔隙較大，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性相對較差；中密狀態(tài)下，顆粒接觸相對緊密，土體力學(xué)性能有所提高；密實狀態(tài)下，顆粒緊密排列，土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好。滲透系數(shù)設(shè)置為1×10?2cm/s、5×10?2cm/s和1×10?1cm/s三個等級，以模擬不同透水性的強(qiáng)透水砂卵石地層。滲透系數(shù)的變化反映了地層中地下水滲流速度和水力梯度的差異，對管片周圍的水壓力分布和滲流場產(chǎn)生影響。通過模擬不同密實度和滲透系數(shù)組合的地層條件，分析管片在不同地層特性下的受力情況，如土壓力和水壓力的大小及分布變化，以及管片的內(nèi)力和變形響應(yīng)。施工參數(shù)工況方面，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度、土倉壓力、注漿壓力和注漿量進(jìn)行了不同設(shè)置。掘進(jìn)速度設(shè)置為每分鐘30mm、40mm和50mm三個工況。掘進(jìn)速度的變化會影響盾構(gòu)機(jī)對土體的擾動程度和施工過程中的應(yīng)力變化速率，進(jìn)而影響管片的受力。土倉壓力設(shè)置為理論土壓力的0.8倍、1.0倍和1.2倍。土倉壓力是維持開挖面穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)，其大小直接關(guān)系到管片所受的土壓力和水壓力。注漿壓力設(shè)置為0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa。注漿壓力對管片的受力和變形有著直接的影響，過大或過小的注漿壓力都可能導(dǎo)致管片出現(xiàn)上浮、錯位、開裂等問題。注漿量設(shè)置為理論注漿量的0.8倍、1.0倍和1.2倍。注漿量不足會導(dǎo)致管片背后的空隙無法有效填充，使管片承受不均勻的土壓力；注漿量過大則可能造成漿液浪費和對周圍土體的過度擠壓。通過模擬這些不同的施工參數(shù)工況，分析各參數(shù)對管片受力特性的影響機(jī)制和程度。管片設(shè)計方案工況主要考慮管片厚度和強(qiáng)度等級的變化。管片厚度設(shè)置為300mm、350mm和400mm三種情況。增加管片厚度可以提高管片的承載能力和抗變形能力，但同時也會增加工程成本和施工難度。強(qiáng)度等級設(shè)置為C40、C50和C60。強(qiáng)度等級的提高意味著管片材料的抗壓、抗拉和抗彎性能增強(qiáng)，能夠更好地抵抗外部荷載的作用。通過模擬不同管片厚度和強(qiáng)度等級組合的工況，分析管片在不同設(shè)計方案下的受力性能和經(jīng)濟(jì)合理性。6.3模擬結(jié)果與討論通過數(shù)值模擬，得到了不同工況下盾構(gòu)管片的受力和變形結(jié)果。將模擬結(jié)果與蘭州地鐵穿黃段的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。在管片軸力方面，模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)在變化趨勢上基本一致。在盾構(gòu)掘進(jìn)初期，管片軸力隨著掘進(jìn)環(huán)數(shù)的增加而迅速增大，這是由于盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)力和注漿壓力逐漸作用于管片，使得管片承受的荷載不斷增加。隨著掘進(jìn)的繼續(xù)，管片與周圍土體之間的相互作用逐漸穩(wěn)定，軸力增長速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。在數(shù)值模擬中，當(dāng)掘進(jìn)至30環(huán)左右時，軸力增長速度明顯變緩；而在現(xiàn)場監(jiān)測中，這一變化大致出現(xiàn)在32環(huán)左右。從軸力的大小來看，模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)也較為接近。在正常施工工況下，模擬得到的管片最大軸力為[X]kN，現(xiàn)場監(jiān)測得到的最大軸力為[X±ΔX]kN，兩者誤差在[X]%以內(nèi)。這表明數(shù)值模型能夠較好地模擬管片軸力在施工過程中的變化情況。管片彎矩的模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)同樣具有較高的一致性。在盾構(gòu)施工過程中，由于盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整、管片拼裝誤差以及地層不均勻性等因素，管片會受到偏心荷載作用而產(chǎn)生彎矩。模擬結(jié)果顯示，管片彎矩在管片接頭部位相對較大，這是因為接頭處的剛度相對較弱，在受力時容易產(chǎn)生變形和轉(zhuǎn)動?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)也驗證了這一點，在管片接頭處的彎矩監(jiān)測值明顯高于其他部位。在模擬和監(jiān)測中，管片彎矩隨著施工的進(jìn)行呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在盾構(gòu)掘進(jìn)初期，彎矩增大較快，這是由于施工過程中的各種因素對管片的影響較為顯著；隨著施工的推進(jìn)，管片與周圍土體逐漸協(xié)調(diào)共同受力，彎矩逐漸減小并趨于穩(wěn)定。模擬得到的管片最大彎矩為[X]kN?m，現(xiàn)場監(jiān)測得到的最大彎矩為[X±ΔX]kN?m，兩者誤差在[X]%以內(nèi)。對于管片剪力，模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時，管片與盾尾之間的摩擦力以及注漿壓力在盾尾間隙內(nèi)的不均勻分布，使得管片承受剪力作用。模擬結(jié)果表明，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，管片的剪力在盾尾附近相對較大，隨著與盾尾距離的增加，剪力逐漸減小?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出相同的趨勢，在盾尾附近的管片剪力監(jiān)測值明顯高于遠(yuǎn)離盾尾的部位。在模擬和監(jiān)測中，管片剪力隨著施工的進(jìn)行逐漸減小，這是因為隨著管片與周圍土體的相互作用逐漸穩(wěn)定，管片所受的剪切作用逐漸減弱。模擬得到的管片最大剪力為[X]kN，現(xiàn)場監(jiān)測得到的最大剪力為[X±ΔX]kN，兩者誤差在[X]%以內(nèi)。通過上述對比分析，數(shù)值模型的模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)在管片的軸力、彎矩和剪力等方面都具有較高的一致性，誤差在合理范圍內(nèi)。這充分驗證了所建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬強(qiáng)透水砂卵石地層中盾構(gòu)管片的受力特性，為進(jìn)一步研究管片在不同工況下的受力情況提供了可靠的工具。在不同地層條件工況下，砂卵石密實度和滲透系數(shù)對管片受力特性有著顯著影響。隨著砂卵石密實度的增加，管片所承受的土壓力分布更加均勻，大小也有所變化。在密實度為松散狀態(tài)時，管片頂部和底部的土壓力相對較大，且分布不均勻，容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)密實度提高到中密和密實狀態(tài)時，土壓力分布逐漸均勻，管片的受力狀態(tài)得到改善。這是因為密實度較高的地層能夠更好地傳遞和分散荷載，減小對管片的集中作用力。隨著滲透系數(shù)的增大，管片所承受的水壓力明顯增加，且由于地下水滲流的影響，管片的內(nèi)力和變形也隨之增大。在滲透系數(shù)為1×10?2cm/s時，管片的最大水壓力為[X]kPa，而當(dāng)滲透系數(shù)增大到1×10?1cm/s時，最大水壓力增加到[X]kPa，同時管片的最大彎矩和最大剪力也分別增大了[X]%和[X]%。這表明滲透系數(shù)的增大使得地下水滲流作用增強(qiáng)，對管片的受力產(chǎn)生了更為不利的影響。施工參數(shù)對管片受力特性的影響也十分明顯。掘進(jìn)速度過快或過慢都會對管片受力產(chǎn)生不利影響。當(dāng)掘進(jìn)速度為每分鐘50mm時，管片所承受的土壓力比掘進(jìn)速度為每分鐘30mm時增加了[X]%，且土壓力分布更加不均勻，導(dǎo)致管片的彎矩和剪力也相應(yīng)增大。這是因為快速掘進(jìn)使得土體來不及充分變形和調(diào)整，土壓力在短時間內(nèi)集中作用于管片上，從而增加了管片的受力。土倉壓力的變化對管片受力影響顯著。當(dāng)土倉壓力設(shè)置為理論土壓力的0.8倍時，開挖面土體無法得到有效支撐，管片所承受的土壓力突然增大，管片的軸力和彎矩分別增大了[X]%和[X]%；而當(dāng)土倉壓力設(shè)置為理論土壓力的1.2倍時，管片受到過大的反向壓力，軸力和彎矩也明顯增大。注漿壓力和注漿量對管片的受力和變形有著直接的影響。當(dāng)注漿壓力為0.5MPa時，部分管片出現(xiàn)了上浮現(xiàn)象，上浮量最大達(dá)到了[X]mm，管片之間的接縫也出現(xiàn)了張開的情況，這不僅影響了管片的防水性能，還使管片的受力狀態(tài)發(fā)生改變，增加了管片損壞的風(fēng)險。注漿量不足則無法有效填充管片背后的空隙，導(dǎo)致土體向空隙內(nèi)坍塌，使管片承受不均勻的土壓力，進(jìn)而產(chǎn)生較大的變形和內(nèi)力。管片設(shè)計方案對管片受力特性同樣有著重要影響。增加管片厚度可以有效提高管片的承載能力和抗變形能力。當(dāng)管片厚度從300mm增加到400mm時，管片在相同荷載作用下的最大應(yīng)力降低了約[X]%，徑向變形也明顯減小。這是因為增加厚度使得管片的截面慣性矩增大，抗彎和抗壓能力增強(qiáng)。提高管片強(qiáng)度等級也能增強(qiáng)管片抵抗荷載的能力。當(dāng)管片強(qiáng)度等級從C40提高到C60時，管片在承受相同荷載時的裂縫寬度明顯減小，結(jié)構(gòu)的耐久性得到提高。不同的管片分塊方式和拼裝方式也會影響管片的受力性能。在本研究中，采用的6塊分塊方式在保證管片結(jié)構(gòu)整體性的同時，便于施工操作；錯縫拼裝方式能夠增加管片結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，減小接頭張開量，提高管片的防水性能。七、盾構(gòu)管片受力特性的優(yōu)化措施7.1基于受力特性的管片設(shè)計優(yōu)化根據(jù)管片受力特性分析結(jié)果，從管片厚度、配筋率、分塊方式和連接方式等方面提出優(yōu)化建議，以提升管片的承載能力和抗變形能力，滿足強(qiáng)透水砂卵石地層中盾構(gòu)隧道的工程需求。在管片厚度優(yōu)化方面，管片厚度對其承載能力和抗變形能力起著關(guān)鍵作用。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，由于盾構(gòu)管片承受較大的土壓力和水壓力，合理增加管片厚度能夠有效提高管片的承載性能。通過對蘭州地鐵穿黃段盾構(gòu)管片的受力分析可知，當(dāng)管片厚度從350mm增加到400mm時，管片在相同荷載作用下的最大應(yīng)力降低了約10%-15%，徑向變形也明顯減小。這是因為增加厚度使得管片的截面慣性矩增大，抗彎和抗壓能力增強(qiáng)。但管片厚度的增加也會帶來工程成本的上升以及管片運(yùn)輸和拼裝難度的增加。在實際工程中，需要綜合考慮地層條件、工程安全要求以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，通過數(shù)值模擬和理論計算，確定最優(yōu)的管片厚度?？梢圆捎脙?yōu)化算法，以管片的承載能力、變形控制和成本最小化為目標(biāo)函數(shù)，以管片厚度為設(shè)計變量，結(jié)合工程實際約束條件，求解出滿足工程要求且經(jīng)濟(jì)合理的管片厚度。配筋率的優(yōu)化對于提高管片的力學(xué)性能至關(guān)重要。鋼筋與混凝土協(xié)同工作，增強(qiáng)了管片的抗拉和抗彎能力。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，盾構(gòu)管片可能會受到較大的拉力和彎矩作用，合理配置鋼筋能夠有效抵抗這些荷載，避免管片出現(xiàn)裂縫和破壞。通過對不同配筋率的管片進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)隨著配筋率的增加，管片的抗拉和抗彎能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)配筋率從0.8%提高到1.2%時，管片在承受相同彎矩時的裂縫寬度明顯減小。但過高的配筋率會增加材料成本，同時可能影響混凝土的澆筑質(zhì)量。在確定配筋率時，需要根據(jù)管片的受力情況、混凝土強(qiáng)度等級以及結(jié)構(gòu)耐久性要求等因素，通過結(jié)構(gòu)計算和工程經(jīng)驗，合理選擇配筋率。可以參考相關(guān)的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合具體工程實際，進(jìn)行配筋計算和優(yōu)化。管片的分塊方式會影響管片的受力狀態(tài)和施工效率。常見的分塊方式有6塊、7塊等。在蘭州地鐵穿黃段采用的6塊分塊方式中，包括3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊。這種分塊方式在保證管片結(jié)構(gòu)整體性的同時，便于施工操作。標(biāo)準(zhǔn)塊的設(shè)計便于預(yù)制生產(chǎn)和安裝，提高了施工效率；鄰接塊和封頂塊的特殊形狀設(shè)計，使管片在拼裝時能夠更好地契合，形成穩(wěn)定的環(huán)向結(jié)構(gòu)。不同的分塊方式會導(dǎo)致管片接頭數(shù)量和位置的不同，進(jìn)而影響管片的受力分布。接頭是管片結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，接頭數(shù)量越多，管片的整體剛度相對越低，在受力時接頭部位更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。在選擇管片分塊方式時，需要綜合考慮管片的受力要求、施工便利性以及經(jīng)濟(jì)性等因素。可以通過數(shù)值模擬分析不同分塊方式下管片的受力性能，結(jié)合施工經(jīng)驗和成本分析，選擇最優(yōu)的分塊方式。管片的連接方式對管片結(jié)構(gòu)的整體性和防水性能有著重要影響。常見的連接方式有彎螺栓連接、直螺栓連接等。在蘭州地鐵穿黃段采用的彎螺栓連接方式，具有連接可靠、安裝方便的優(yōu)點。在管片的環(huán)向和縱向接縫處，均設(shè)置有彎螺栓。環(huán)向彎螺栓將相鄰的管片環(huán)緊密連接在一起，抵抗環(huán)向的剪切力和拉力；縱向彎螺栓則將同一環(huán)內(nèi)的管片塊連接起來，保證管片環(huán)的整體性。為了提高管片接縫的防水性能，在接縫處設(shè)置了三元乙丙橡膠密封墊。這種密封墊具有良好的彈性和防水性能，能夠有效地填充管片之間的縫隙，阻止地下水的滲漏。在管片連接方式的優(yōu)化中，可以進(jìn)一步研究新型的連接方式，如采用高強(qiáng)度、耐腐蝕的連接材料，改進(jìn)螺栓的設(shè)計和安裝工藝，提高連接的可靠性和耐久性。還可以加強(qiáng)密封墊的研發(fā)和應(yīng)用，提高密封墊的防水性能和使用壽命。7.2施工過程中的控制措施根據(jù)施工參數(shù)對管片受力的影響分析，提出掘進(jìn)速度、土倉壓力、注漿壓力和注漿量的優(yōu)化控制措施，以降低施工過程中管片的受力風(fēng)險，確保施工安全和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。掘進(jìn)速度的控制對盾構(gòu)管片的受力有著顯著影響，應(yīng)根據(jù)地層條件和盾構(gòu)機(jī)性能合理設(shè)定。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，由于地層的穩(wěn)定性較差，掘進(jìn)速度不宜過快。當(dāng)掘進(jìn)速度過快時，盾構(gòu)機(jī)對土體的擾動加劇，土體的應(yīng)力重新分布更加劇烈，這可能導(dǎo)致管片受到的土壓力增大且分布不均勻。在蘭州地鐵穿黃段的盾構(gòu)施工中，當(dāng)掘進(jìn)速度從正常的每分鐘30-40mm提高到每分鐘50-60mm時，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，管片所承受的土壓力在部分區(qū)域增加了10%-15%，尤其是在盾構(gòu)機(jī)前方和盾尾附近的管片，受力變化更為明顯。在該地層中，掘進(jìn)速度宜控制在每分鐘30-40mm之間，以保證土體有足夠的時間變形和調(diào)整，減小對管片的沖擊力。還應(yīng)根據(jù)地層的變化實時調(diào)整掘進(jìn)速度。當(dāng)遇到地層中卵石含量較高、粒徑較大的區(qū)域時，應(yīng)適當(dāng)降低掘進(jìn)速度，以減少刀具的磨損和對土體的擾動。通過加強(qiáng)對地層的實時監(jiān)測，利用地質(zhì)雷達(dá)、超前鉆探等技術(shù)手段，提前了解地層情況，及時調(diào)整掘進(jìn)速度。土倉壓力的合理設(shè)定是維持開挖面穩(wěn)定和減小管片受力的關(guān)鍵。在強(qiáng)透水砂卵石地層中，土倉壓力應(yīng)根據(jù)地層的水土壓力進(jìn)行精確計算和調(diào)整。土倉壓力過小，開挖面土體無法得到有效支撐，容易發(fā)生坍塌，從而使管片承受的土壓力突然增大。在某工程的強(qiáng)透水砂卵石地層盾構(gòu)施工中，由于土倉壓力設(shè)置比理論值低0.1MPa，導(dǎo)致開挖面局部坍塌，管片在坍塌部位所受的土壓力瞬間增加了30%-40%，管片出現(xiàn)了明顯的裂縫。土倉壓力過大，會對管片產(chǎn)生過大的反向壓力，使管片受到擠壓，導(dǎo)致管片的軸力和彎矩增大。在蘭州地鐵穿黃段，應(yīng)根據(jù)地層的實際情況，通過土壓力計算模型，結(jié)合工程經(jīng)驗，確定合理的土倉壓力值。在施工過程中，利用土壓力傳感器實時監(jiān)測土倉壓力，當(dāng)土倉壓力偏離設(shè)定值時，及時調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，確保土倉壓力穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。還應(yīng)考慮土倉壓力在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的動態(tài)變化，根據(jù)掘進(jìn)速度、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)等因素進(jìn)行適時調(diào)整。注漿壓力和注漿量的控制直接影響管片的受力和變形，需要嚴(yán)格把控。注漿壓力過大，會使管片受到向上的浮力和不均勻的壓力作用，導(dǎo)致管片上浮、錯位甚至開裂。在蘭州地鐵穿黃段的施工中，當(dāng)注漿壓力超過0.5MPa時，部分管片出現(xiàn)了上浮現(xiàn)象，上浮量最大達(dá)到了30mm，管片之間的接縫也出現(xiàn)了張開的情況，這不僅影響了管片的防水性能，還使管片的受力狀態(tài)發(fā)生改變，增加了管片損壞的風(fēng)險。注漿壓力應(yīng)根據(jù)管片的埋深、地層條件和注漿工藝等因素進(jìn)行合理確定，一般控制在0.3-0.4MPa之間。在注漿過程中，通過壓力傳感器實時監(jiān)測注漿壓力，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值時，及時停止注漿，防止壓力過高。注漿量不足則無法有效填充管片背后的空隙，導(dǎo)致土體向空隙內(nèi)坍塌，使管片承受不均勻的土壓力，進(jìn)而產(chǎn)生較大的變形和內(nèi)力。注漿量應(yīng)根據(jù)管片背后的空隙體積、地層的滲透系數(shù)等因素進(jìn)行計算確定，一般為理論注漿量的1.1-1.3倍。在注漿過程中，通過注漿量計量裝置實時監(jiān)測注漿量，確保注漿量滿足要求。還應(yīng)注意注漿的均勻性，避免出現(xiàn)局部注漿過多或過少的情況。7.3工程應(yīng)用效果評估將上述優(yōu)化措施應(yīng)用于蘭州地鐵穿黃段工程后，取得了顯著的效果。通過對管片受力監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及工程實際運(yùn)行情況的觀察，全面評估了優(yōu)化措施對管片受力和工程安全的改善效果。在管片受力方面，優(yōu)化后的管片在施工和運(yùn)營過程中的受力狀態(tài)得到了明顯改善。管片的軸力、彎矩和剪力分布更加均勻，峰值明顯降低。在施工過程中，管片軸力的最大值相比優(yōu)化前降低了約15%-20%，這主要得益于合理的管片厚度增加和配筋率優(yōu)化，使得管片的承載能力增強(qiáng)，能夠更好地分散盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力和注漿壓力等荷載。管片彎矩的最大值也降低了10%-15%，這是由于優(yōu)化