地铁隧道盾构施工对新装环管片受力的影响

赵永正 何 平 梁英俊 赵 杰

(北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心 北京 100044)

目前，我国主要大中型城市地铁的修建普遍采用的是较矿山法更加高效、安全的盾构工法，这一工法中的基本结构单元衬砌管片在生产、施工以及正常使用过程中的受力情况与隧道的质量和使用寿命密切相关。其中，施工阶段对管片受力的影响尤为明显。对于土压平衡式盾构机来说，施工时是依靠其自身的刚性支护和开挖面土压力的平衡装置进行开挖推进的，盾构推进及盾尾同步注浆对管片受力影响较大。

盾构隧道施工过程中对管片的内力研究近些年来进行了很多，杨广武、李兴高等在北京地铁5号线某区间选取了3个测试断面，研究了从管片结构形成局部稳定状态到最终与地层之间形成平衡状态过程中的管片内力［1］;宋克志、袁大军等基于盾构施工阶段管片的受力特点，构建了施工阶段的管片力学模型，且以某盾构工程施工参数为例，对该力学模型按不同工况进行了数值模拟，并与现场实测结果进行了对比分析［2］。在实际工程中，相关技术人员也总结出了一些经验。例如，在广州地铁1、2号线和南京地铁2号线的建设中总结出盾构施工导致管片开裂的原因主要有:总推力过大、管片环面不平整和千斤顶撑靴重心偏位、二次注浆压力过大等［3－4］。

随着计算机技术的发展，数值分析法已取代解析法成为隧道内力的分析方法。张志强、何川等依托南京地铁区间盾构隧道工程，建立了盾构机模拟掘进的三维有限元力学模型，研究了随盾构顶进引起的地表沉隆变形以及隧道围岩、管片变形，为接下来的施工及监测提供了参考［5］。同时，其他一些有效的分析方法也逐步引入，卢海林、赵志民等根据地层损失与注浆量的空间分布规律，应用镜像方法原理，对盾构法隧道推进产生的土体位移与应力进行空间分析，得到了较理想的结果［6］。

目前，对隧道施工过程中管片力学性状的原位测试研究已经进行了很多［7-9］，大多采用钢筋计对环向主筋进行应力监测，并进行了相关分析，取得了较丰富的成果。

笔者以苏州轨道交通1号线某区间隧道工程为背景，通过在管片钢筋笼上布设应变片的方式，量测了盾构施工过程中主筋和分布筋的应力变化情况，并进行客观的对比分析。通过主筋的应力反推环向截面的内力，分析同步注浆的影响，并通过分布筋应力的变化分析盾构反推力的影响。

1 实验概述

实验衬砌环预制管片环外径6.2 m，内径5.5 m，纵向宽度1.2 m，环向分为6块，采用螺栓连接，错缝拼装。钢筋采用HPB235和HRB335钢，钢筋主筋外保护层厚度为50 mm，内保护层厚度为40 mm。箍筋、分布筋和构造筋的保护层厚度不小于20 mm。

实验环所在位置土层分布情况如下:① -1杂填土，平均层厚2.15 m;①-2素填土，平均层厚1.10 m;① -2a淤泥，平均层厚1.85 m;③粉质黏土，平均层厚7.32 m;④-1粉土，平均层厚2.22 m;④-2 粉砂，平均层厚5.84 m;⑤-粉质黏土，平均层厚11.55 m;⑥粉质黏土，平均层厚11.35 m;⑦粉土，平均层厚5.87 m;⑧-粉质黏土，平均层厚38.65 m。实验环拱顶埋深9.6 m，拱底埋深15.8 m，实验环断面约1/2位于土层③，1/3位于土层④-1，1/6位于土层④-2。

实验环钢筋笼主筋和分布筋上的内外侧一共布置了56个测点，具体布设位置见以下各节，通过测出的钢筋应变值换算出钢筋的应力。

2 主筋部分受力分析

2.1 主筋应变片布设方案

应变片采用单片的布置形式，其中在管片A1、A2、A3、B1、B2每个钢筋笼主筋上布置4个测点:内侧2个(数字编号，下同)，外侧2个(字母编号，下同)。在K管片钢筋笼上布置2个测点:内侧1个，外侧1个，具体分布情况见图1及图2。

图1 内侧主筋布点

图2 外侧主筋布点

2.2 主筋应力测试结果及分析

实验环为第849环，未推时的数据在第851环推进前的间隙期采集，在推进第851环和第852环的过程中分多组各采集两次数据。图3给出了主筋各测点应力随盾构推进的变化情况，在安装过程中部分测点有损坏，绝大多数完好。

图3 主筋测点应力变化

整个主筋的应力分布在－110～230 MPa之间，在满足抗拉压要求的同时有一定的安全储备。从图3中可以看出在推进第851环时，测点测值变化不大，最大变化值在20 MPa左右。在推进第852环时部分测点变化明显，增长幅度较大的点如A1-5、B1-2、A3-d增大的幅度均在80 MPa左右。

通过内力反算得出了管片环向截面的轴力和弯矩分布，如图4、图5所示，从左至右依次为未推、推第851环和推第852环的受力情况。从整个变化情况来看，拱顶和拱底轴力较稳定，但在拱腰附近变化明显。在推进第851环的过程中，左偏45°处轴力有358 kN的增长，这可能与第850环的同步注浆有关，推进第852环时，第850环同步注浆已完成，拱腰附近轴力均有大幅减小，内力重新分布导致左下侧由受压变为受拉。从图5的弯矩分布变化可以看出，未推进时测点最大正弯矩为37 kN·m，最大负弯矩为－107 kN·m;推进第851环时测点最大正弯矩为40 kN·m，最大负弯矩为－134 kN·m;推进第852环时测点最大正弯矩为37 kN·m，最大负弯矩为－76 kN·m，相邻环的同步注浆导致弯矩在推进第851环时略有增大，注浆完成后有较大幅度的减小。

图4 环向轴力分布变化(单位:kN)

图5 环向弯矩分布变化(单位:kN·m)

3 分布筋部分受力分析

3.1 分布筋应变片布设方案

应变片采用单片的布置形式，其中在管片A1、A2、A3、B1、B2每个钢筋笼分布筋上布置6个测点:内侧3个，外侧3个。在K管片钢筋笼上布置2个测点:内侧1个，外侧1个。具体分布情况见图6及图7。

3.2 分布筋应力测试结果及分析

图8为分布筋各测点的应力变化，从整体来看，所有测点的应力在整个推进过程中变化范围在－75～30 MPa之间，安全储备较大。绝大部分测点处于受压状态，这是因为分布筋承担了盾构大部分的反推力。从整个变化趋势来看，在推进第851环时，测点值变化的幅度不大，但接下来推进第852环时，部分测点值变化较明显，如 B1-1、B1-4、B2-1、B2-b，A3-e，这些点分布在左右45°处附近，可能受到同步注浆完成后应力重新分布的影响。

4 结论

图6 内侧分布筋布点

图7 外侧分布筋布点

图8 分布筋测点应力变化

1)在隧道邻近环施工的过程中，新安装管片的受力是很复杂的，盾构的推进、管片的安装、壁后同步注浆等都是影响因素，管片左右45°，左右135°的拱腰附近受力变化尤为显著。

2)主筋的应力在邻近环施工过程中满足设计要求，通过反算的内力变化图可以看出，轴力和弯矩都有一个先增大后降低的过程，这是因为受相邻环同步注浆的影响，同步注浆完成后，影响减弱。

3)分布筋受盾构推进时反推力的影响很小，但是在邻近环注浆完成应力重新分布时，会承担一部分先前由主筋承担的荷载。

4)新装环在相邻环施工的过程中，主要受到其壁后同步注浆的影响，施工时应对注浆情况密切关注，保证管片受力均匀。

［1］杨广武，李兴高，吴晓军，等.盾构隧道施工过程中管片内力的研究［J］.中国铁道科学，2009，30(3):57-62.

［2］宋克志，袁大军，王梦恕.盾构法隧道施工阶段管片的力学分析［J］.岩土力学，2008，29(3):619-628.

［3］竺维彬，鞠世健.盾构隧道管片开裂的原因及相应对策［J］.现代隧道技术，2003，40(1):21-25.

［4］韩士钊.盾构隧道管片裂缝产生原因分析及处理措施［J］.西部探矿工程，2010(3):151-153.

［5］张志强，何川，佘才高.南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析［J］.铁道学报，2005，27(1):84-89.

［6］卢海林，赵志民，方芃，等.盾构法隧道施工引起土体位移与应力的镜像分析方法［J］.岩土力学，2007，28(1):45-50.

［7］唐孟雄，陈如桂，陈伟.广州地铁盾构隧道施工中管片受力监测与分析［J］.土木工程学报，2009，42(3):118-124.

［8］陈伟，彭振斌，唐孟雄.盾构管片工作性能试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(6):959-963.

［9］周文波，郑宜枫，滕丽，等.双圆盾构隧道施工过程中管片力学性状的原位测试研究［J］.力学季刊，2005，26(3):459-463.