五四广场站—南京路站区间起自青岛地铁3号线已施作的五四广场站 (青岛地铁2号线与3号线换乘站) , 沿香港中路东行, 至香港中路与南京路交叉口处南京路站。左线全长774.882m, 右线全长745.569m, 均为单洞单线隧道, 结构采用复合式衬砌。

五四广场站—南京路站第四系厚4~8m, 第四系由全新统人工填土 (Q₄^ml) 、全新统洪冲积层 (Q^al+pl4) 、上更新统洪冲积层 (Q₃^al+pl) 组成。场区内基岩以燕山晚期粗粒花岗岩为主, 煌斑岩、花岗斑岩呈脉状穿插其间, 同时揭露了构造破碎带。由于长期受内外地质力作用, 场区内岩体物理力学性质在空间上发生了不同程度的变化, 自上而下形成了性状各异的风化带。不同岩性由于其矿物成分、结构构造不同, 受内外动力作用改造的程度不同, 导致其风化程度及风化带特征也有较大差异。

本区间围岩级别以V, VI级为主, 选取监测断面围岩级别为Ⅴ级和Ⅵ级, 2个Ⅴ级围岩断面里程分别为YSK30+703.796, YSK30+698.647 (右线) , 埋深分别为10.854m和10.912m, 2个Ⅵ级围岩断面里程为YSK31+90.714, YSK31+85.562 (右线) , 埋深分别为10.346m和10.442m, 均为浅埋隧道。Ⅴ级和Ⅵ级围岩二次衬砌厚度均为300mm, 钢筋混凝土强度等级为C45。

五四广场站—南京路站区间各地层物理力学参数如表1所示。

根据选取的4个监测断面, 每个断面布置16个测点, 其中9个测点用于监测初期支护与二次衬砌之间的接触压力, 7个测点用于监测二次衬砌混凝土内部钢筋应力。具体布置如图1所示。

初期支护与二次衬砌间接触压力采用上海凯岩检测设备有限公司生产的ZKYL-8型振弦式双模土压力盒, 二次衬砌内钢筋应力监测采用ZKGL-20型振弦式钢筋计。

根据隧道现场实际情况, 为了不破坏防水板, 振弦式双模压力盒布设在防水板与内层钢筋之间, 将压力盒固定;振弦式钢筋计通过焊接在内层主钢筋上, 使钢筋计与主钢筋之间牢固结合。具体布设情况如图2所示。

所选围岩断面初支与二次衬砌间接触压力如图3, 4所示, 其中坐标轴上的0为二次衬砌浇筑完成的时刻。

1) 由图4可知, 初期支护与二次衬砌之间的接触压力随着浇筑完成后时间的增长呈先增大、再减小、再增大、最后趋于稳定的趋势。

2) 二次衬砌浇筑完成后, 随着混凝土强度和刚度的迅速增加, 初期支护与二次衬砌间接触压力随着浇筑完成后时间的增长而不断变大, 由于模板台车的支撑作用 (提供了一定的支反力) , 初期支护与二次衬砌间接触压力一直不断增大, 达到一个峰值。

3) 随着模板台车的拆除, 初期支护与二次衬砌间接触压力急剧减小, 这是因为拆除模板台车后, 相当于解除了模板台车提供给二次衬砌的支反力作用, 由原来的三向受力状态转变为两向受力状态, 因此呈现出急剧减小的情况。

4) 当初期支护与二次衬砌间接触压力随着模板台车的拆除减小一定数值后, 随着后期混凝土强度和刚度不断增加, 初期支护与二次衬砌间接触压力又呈现出不断增大的趋势。

5) 当初期支护与二次衬砌间接触压力增大到一定数值后, 随着二次衬砌混凝土强度和刚度增长缓慢或不再增长后, 初期支护与二次衬砌间接触压力不再继续增大而逐渐趋于稳定。

6) 由图4可以看出, 在整个过程中, 初期支护与二次衬砌间接触压力达到顶峰时的最大压力为130k Pa左右, 最后达到稳定后接触压力值为20~100k Pa, 远小于按规范计算所得的压力值。

7) 由于岩石介质本身的流变特性以及二次衬砌模筑混凝土拆模后刚度的缓慢增大, 初支、二次衬砌间接触压力缓慢增大。一般来讲, 在二次衬砌拆模后大约2周的时间初期支护与二次衬砌间接触压力变化基本不大, 但还没达到稳定状态。

8) 由图5可知, 花岗岩地铁区间隧道浅埋段二次衬砌是受力的, 并且二次衬砌断面上的围岩压力由拱顶到拱墙下部呈现递减的变化, 拱顶处承受的围岩压力基本最小, 两侧拱墙下部接近拱脚部位承受的围岩压力最大, 但均远小于按规范计算所得的压力值。

9) 除此之外, 二次衬砌上承受的接触压力基本上是对称的, 即沿着中心线左右两侧的围岩压力值近似相等。

二次衬砌浇筑完成后, 二次衬砌内钢筋受力如图5, 6所示。

1) 由图6可知, 二次衬砌内钢筋应力随着浇筑完成后时间的增长呈先增大, 再减小, 最后趋于稳定的趋势。

2) 二次衬砌刚浇筑完成后, 混凝土还处于流动状态, 其强度和刚度几乎很小, 围岩和初期支护传来的压力主要由二次衬砌内钢筋来承担, 因此二次衬砌内钢筋应力呈不断增大的趋势。

3) 当二次衬砌内钢筋应力增长到一定数值后, 随着二次衬砌混凝土强度和刚度的不断增加, 围岩和初期支护传来的压力由二次衬砌混凝土和二次衬砌内钢筋共同承担, 二次衬砌混凝土与钢筋间的受力按其各自刚度来分配, 因此二次衬砌内钢筋应力呈现出减小的趋势。

4) 二次衬砌内钢筋应力减小到一定数值后就不再减小而逐渐趋于稳定, 这是因为二次衬砌混凝土强度和刚度增长缓慢或不再增长, 而二次衬砌内钢筋的刚度不变, 之间的刚度之比也基本保持不变, 由于钢筋之间按各刚度分配来承担压力, 故二次衬砌混凝土和二次衬砌内钢筋的受力基本上都趋于稳定。

5) 浇筑完成后, 二次衬砌有些部位的钢筋承受拉应力, 随着时间的增大又逐渐承受压应力, 最大压应力达到35MPa左右, 小于钢筋的容许应力 (180MPa) 。

6) 由图6可知, 花岗岩地铁区间隧道浅埋段二次衬砌内钢筋是受力的, 并且整个断面上二次衬砌内钢筋均是受压的, 同时沿整个断面上的钢筋应力由拱顶到拱墙下部呈现递减的变化, 拱顶处钢筋承受的应力基本上最小, 两侧拱墙下部接近拱脚部位的钢筋承受的应力最大, 均小于钢筋的容许抗压强度 (180MPa) 。

7) 由图6可知, 二次衬砌内钢筋应力沿着整个断面基本是对称, 即沿着中心线左右两侧二次衬砌内钢筋的受力近似相等。

8) 通过对花岗岩围岩浅埋段二次衬砌断面上各部位混凝土内钢筋的受力进行统计分析后, 得出不同部位钢筋应力与钢筋容许应力的比值, 发现二次衬砌内拱顶部位钢筋应力与钢筋容许应力的比值最小, 最小达到3.2%;二次衬砌内靠近两侧拱墙下部的钢筋应力与容许应力的比值最大, 最大达到18.34%。

9) 二次衬砌内钢筋应力与钢筋容许应力比值的平均值为9.8%, 远小于钢筋抗压的屈服强度, 所以Ⅴ级、Ⅵ级围岩浅埋段二次衬砌内钢筋虽然承受了一定压力, 但承受的压力较小, 钢筋的安全储备强度也非常大, 因此在实际设计过程中, 可以对二次衬砌内钢筋的用量进行适量减少, 以达到节省钢筋和降低造价的目的。

1) 初期支护与二次衬砌间接触压力随着浇筑完成后时间的增长呈先增大、再减小、再增大、最后趋于稳定的过程。

2) 花岗岩地铁隧道结构二次衬砌是受力的, 并且二次衬砌断面上的围岩压力由拱顶到拱墙下部呈现出递减变化, 拱顶处承受的围岩压力最小, 两侧拱墙下部接近拱脚的部位承受的围岩压力最大。

3) 二次衬砌上承受的接触压力和混凝土内钢筋应力基本对称, 即沿着中心线左右两侧受力近似相等。

4) 二次衬砌内钢筋应力随着浇筑完成后时间的增长呈先增大、再减小、最后趋于稳定的趋势。

5) 花岗岩地铁区间隧道浅埋段二次衬砌内钢筋是受力的, 并且整个断面上二次衬砌内钢筋均是受压的, 同时沿整个断面上的钢筋应力由拱顶到拱墙下部呈递减的变化, 拱顶处钢筋承受的应力最小, 两侧拱墙下部接近拱脚部位的钢筋承受的应力最大。

6) 二次衬砌内拱顶部位的钢筋应力与钢筋容许应力的比值最小, 达到3.2%;二次衬砌内靠近两侧拱墙下部的钢筋应力与容许应力的比值最大, 达到18.34%。

7) 二次衬砌内钢筋应力与钢筋容许应力比的平均值为9.8%, 远小于钢筋抗压的屈服强度。