大直径泥水盾构隧道管片结构力学特性研究

2015-06-28蒋向阳

城市轨道交通研究 2015年10期

蒋向阳

(中国铁建投资公司，100855，北京∥高级工程师)

盾构由于其诸多优点，近年来在隧道建设中使用越来越广泛。然而，盾构隧道设计的理论基础仍不成熟，目前主要以土力学理论、结构理论、连续介质理论为指导［1］。地下结构的理论计算方法有荷载结构法和地层结构法［2］，荷载结构法是目前隧道结构理论计算用的最多的一种方法［3］。管片是盾构隧道的重要组成部分，由于其复杂的力学特性，在施工过程中经常会出现管片结构的破坏，例如出现错台、破损、渗漏水等问题［4-5］。研究已经证实，盾构隧道施工阶段和运营阶段管片衬砌结构的受力特性存在很大的差异［6］。在隧道运营阶段，其受力特性一般被简化为平面应变问题，相关的研究也较为成熟;而在施工阶段，管片衬砌结构受到千斤顶推力、注浆压力、盾壳作用力、上浮力、拼装荷载，以及其他多种荷载的共同作用，具有典型的三维特性，不能简化为平面模型。目前，由于进行管片力学特性的现场监测工作比较困难，因此，对于施工阶段管片结构受力分析的研究多局限于数值分析或者模型试验［7］，理论研究远远滞后于工程实践的发展。

近年来，众多的盾构隧道工程实践表明，施工荷载及其对管片造成的影响和破坏，已不容忽视，因为这往往是管片破损、裂缝、错台、渗漏水的原因所在。对盾构隧道管片施工期所受荷载的研究以及各种施工荷载对管片衬砌结构的影响研究和防治，已经愈发迫切。

本文以扬州瘦西湖隧道为研究对象，针对大直径泥水盾构隧道施工期管片衬砌所受荷载情况和力学特性开展研究，并在此基础上讨论施工期管片结构的保护措施。

1 工程概况

1.1 地质条件

扬州市区位于长江北岸，处在长江三角洲顶端，由一级阶地、高砂平原和长江河漫滩组成，地貌类型属长江下游流水地貌，地势稍有起伏，地面标高3.35～40.26 m［8］。本工程盾构段土层空间分布呈层状，土层起伏情况和厚度较稳定。本路段地基土层厚度、顶板标高及围岩分级详见表1。

表1 盾构段地基土层分布表

1.2 瘦西湖盾构隧道

扬州瘦西湖隧道是目前国内在建的第一座位于国家5A 级风景名胜区内的双层双向行车的隧道。隧道由湖东明挖段、湖东风塔、湖东工作井(始发井)、盾构段、湖西工作井(接收井)、湖西风塔、湖西明挖段等组成［9］。扬州瘦西湖隧道是扬州市城市总体规划中的重要城市交通通道之一。该项目西自维扬路与杨柳青路的交叉口，东至漕河西路与史可法路的交叉口，含瘦西湖隧道及瘦西湖东西两侧的地面接线道路配套工程，包括主体隧道工程、附属工程、机电设备工程、匝道工程及地面接线道路工程。工程位置及范围示意图如图1所示。

瘦西湖隧道采用盾构法施工，隧道外径14.5 m，内径 13.3 m。管片厚度 60 cm，环宽 2.0 m，管片布置采用“7 +2 +1”形式，采用1/3 错缝方案进行拼装。

图1 扬州瘦西湖隧道工程位置及范围示意图

相邻管片在环、纵缝面采用螺栓连接，环缝面安装剪切销。典型断面管片布置形式如图2所示。

图2 典型断面管片布置形式

盾构段(K0 +897～K2 +175)全长1 278 m，工作井分别设置在税务总局党校操场内和长春路东侧，长春路工作井为始发井，税务局党校内工作井为接收井。

2 监测方案

2.1 监测断面设计

根据盾构隧道穿越地层的工程地质与水文地质条件，以及管片布置形式、隧道结构设计方案，确定布设4 个监测断面监测管片结构受力情况。监测断面分别位于始发井洞门处、江中最深覆土处、江中超浅埋处和接收井洞门处。

监测内容包括管片衬砌和地层间应力、管片在荷载作用下的钢筋应力和混凝土变形。表2 为各断面监测传感器布置情况。

表2 各断面监测传感器布置表个

2.2 传感器布设

目前，国内外用于管片结构受力监测的传感器多采用先进的光栅传感技术。该技术的最大优势是可实现多传感器的级联复用，从而能大幅度降低单个传感器的布设成本。同时，该技术还具有耐久性好、无电磁干扰等优势［10］。

2.2.1 柔性土压力计

弦式柔性土压力计用于监测盾构管片外侧土压，每块管片外侧设置1 个，每个断面布设10 个。图3 为单个管片土压力盒安装示意图。

图3 土压力计安装示意图

安装步骤为:在钢筋笼上焊接托架;将柔性土压力计固定于托架上;在管片内侧预埋接线盒;将柔性土压力计的导线引入接线盒内，并对导线做好保护。图4 为布设完成的土压力计。

图4 布设完成的土压力计

2.2.2 光栅钢筋应力计

光栅钢筋应力传感器用于监测:①管片主筋应力。每块管片内外侧各设置1 个，每个断面布设20个。②管片纵向钢筋应力。每个断面F 和B4 块管片内外侧各设置1 个，每个断面布设4 个。图5 为单个光栅钢筋应力计的安装示意图。

图5 光栅钢筋应力计安装示意图

安装光栅钢筋应力计时，要注意做好保护措施，以免光栅在混凝土浇筑、振捣和拆模等施工过程中被损伤。

安装步骤为:

(1)打磨。为了保证光栅钢筋计与钢筋的充分接触，避免光栅弯曲导致传感器误差，应首先用锉刀对待测钢筋进行抛光，然后用砂纸打磨，使钢筋表面平整光滑。

(2)清洗。用脱脂棉球沾丙酮将打磨处擦洗干净，避免粉尘、油污对钢筋表面的污染。

(3)黏贴。光栅钢筋计沿着钢筋待测应变方向纵向布设，用502 胶水将光栅钢筋计与钢筋平整黏贴。

(4)保护。考虑到光栅钢筋计的缓冲与防潮，采用环氧树脂(AB 胶)进行封裹，用纱布缠裹进行密封、缓冲保护。引出段需用护套保护。

(5)铺设传感器光缆。光栅钢筋计光缆沿纵向从钢筋下表面引出，保证光缆在混凝土浇筑、振捣等施工过程中不被直接磨损。在混凝土的浇筑、振捣等过程中，传输光纤很容易受到冲击，所以应尽量减少传输光纤在混凝土内部的布设长度。一般在距离传感器较近的模板上开洞，将传输光纤沿着钢筋内侧引出，容易被破坏的地方可加护套保护;引出时应尽量避免光纤弯折过大，否则会造成反射的光信号很弱，甚至没有信号。

2.2.3 光栅混凝土应变计

光栅混凝土应变传感器用于监测:①管片混凝土环向应变。每块管片内外侧各设置1 个，每个断面布设20 个。②管片混凝土纵向应变。每个断面F 和B4 块内外侧各布设1 个，每个断面布设4 个。光栅混凝土应变计的安装示意图及布设后的效果图如图6 和图7所示。

2.3 数据采集

在监测管片环拼装前，记录各传感器的初始读数，在管片环拼装完成后开始现场监测。监测管片环拼装完成后不同时间段的读数频率见表3。

表3 监测管片环拼装完成后不同时间段的读数频率

图6 光栅混凝土应变计安装示意图

图7 布设及包扎好的混凝土应变计

3 监测结果

隧道监测环第75 环里程号为K2 +010，图8 为该断面在2013年4月28日到5月11日各管片承受土压力的变化曲线图。图9 为该时间段内各管片温度变化曲线图。图10 为该段时间内各管片钢筋应变的变化曲线图。所有传感器初始值于管片安装前统一采集。

图8 土压力值变化曲线图

从图8 可见，监测环管片安装就位后，从4月28日到5月11日，各管片所受土压力值在100～300 kPa 之间，压力值随隧道进尺而缓慢下降;在开挖面距离监测断面超过约30 m 后，曲线趋于平稳。从图9 可见各管片温度值在18～25 ℃之间，温度变化平稳。从图10 可见，钢筋承受的压应力在缓慢增大。

图9 温度变化曲线图

4 计算模型

为便于进行理论值与实测值的对比分析，建立隧道在拼装阶段及运营阶段的有限元模型，对试验环在拼装阶段及正常运营阶段的管片结构内力进行有限元分析。计算分析中，千斤顶推力考虑为管片拼装阶段衬砌结构承受的最主要外部荷载，该阶段总推力介于50 000～80 000 kN 之间;推力作用于千斤顶撑靴覆盖的区域;推力分布考虑了各组千斤顶实际推力的大小并最终简化为梯形分布，顶部小底部大(如图11所示)。此外，根据现场实测，承受水土压力和注浆压力等作用力的荷载值介于150～300 kPa 之间。隧道转入正常运营阶段后，由于千斤顶引起的隧道纵向轴力受到地层变形影响将逐步削弱，因此考虑水土压力荷载为主要荷载。模型顶部超载考虑了平均水位2.1 m 的影响。运营阶段的有限元模型如图12所示。

图11 拼装阶段的有限元模型

图12 运营阶段的有限元模型

管片结构在正常运营阶段承受的轴力和弯矩如图13、14所示。图中标注的数值点分别代表试验环监测点布设部位的管片内力的计算值(轴力以管片受压为正，受拉为负;弯矩以管片内弧面受拉为正，外弧面受拉为负)。可见，在正常运营阶段，受水土压力荷载、接头位置、环间变形协调等因素的综合影响，管片结构的轴力沿隧道断面的竖向轴线近似对称，腰部轴力最大，拱底次之，拱顶最小，轴力基本处于6 000～11 000 kN 之间。与正常运营阶段管片结构承受的轴力类似，弯矩沿隧道断面的竖向轴线近似对称，弯矩值介于-1 350～1 300 kN·m 之间，腰部最大，拱顶、拱底次之，两肩最小。

图13 轴力理论计算值

图14 弯矩理论计算值

5 分析与讨论

试验监测的主要对象为4 个典型管片环的结构荷载及内力在施工期的变化。本次研究分析主要以75 环展开。

5.1 荷载的分布规律

该试验监测的结构荷载是指柔性土压力计的监测结果，其中75 环的结构荷载与时间的关系如图15所示。从图中可以看出，随着工序的推进，结构荷载逐渐变小直到数值趋于平稳;同步注浆1 周之后，注浆所带来的高荷载效应基本消散［11］;75 环完成后的240 d，进入荷载平稳状态。

监测结果显示，注浆所带来的结构荷载超载达70～100 kPa。为对实测最大结构荷载、稳定荷载以及计算荷载进行对比，选取监测断面典型区域进行对比分析。结果表明(具体数值见表4)，L1、B1(位于监测断面右上方)的计算结果较实测值偏小，B4、B6 以及B7(位于监测断面左下方)的计算结果较实测值偏大。而所有监测区域的计算结果均大于稳定荷载，稳定荷载与计算荷载之比在0.7 左右;B4 的稳定荷载与计算荷载之比为0.88，较其他试块偏大。

图15 衬砌结构荷载随时间变化图

表4 实测荷载与计算结构荷载比较 kPa

为研究结构荷载沿管片环向的分布情况，特选择75 环2 个时间点(同步注浆和衬砌完成1 个月后)的衬砌结构荷载分布进行研究。通过数据分析可以看出(见图16)，在同步注浆阶段，相邻管片F以及L1 分别为结构荷载最大值(250 kPa)处与最小值(160 kPa)处。而衬砌完成1 个月后，荷载分布均匀，呈顶底大左右小的分布状态。

图16 衬砌结构荷载的分布图

通过以上数据分析可以看出，注浆压力会导致局部管片结构荷载骤升，从而造成荷载分布不均的现象。

5.2 结构内力的分布规律

该监测试验的结构内力通过光栅混凝土应变计的监测数据计算得来。计算时，假设管片为简单的偏心受压构件。结构弯矩以内侧受拉为正，结构轴力受压为正。图17 为75 环部分管片钢筋应力随时间变化曲线。

通过数据分析可以看出，在衬砌完成初期，钢筋应力小;随着注浆工序的开展，钢筋应力增大;完成200 d 后，钢筋应力逐渐趋于稳定。这一变化趋势与衬砌结构荷载随时间变化趋势一致。稳定时期的钢筋应力较注浆阶段的钢筋应力最大值增长20 MPa。同时，管片受拉受压区域的分布与理论相似。

图17 钢筋应力随时间变化图

图18、图19 分别为第75 环部分管片块的弯矩监测图和轴力监测图。可以看出，注浆阶段的结构弯矩呈较为强烈的波动状态;在注浆结束后的稳定时期，结构弯矩增大并逐渐趋于平稳;管片受拉受压区域的分布与理论相似。

结构轴力在注浆后会有一个增大的趋势，随后轴力降低，趋于稳定。其变化的时间节点与趋势均与结构荷载相类似。最大轴力是稳定轴力的1.7倍，由此可见注浆对轴力的影响。

图18 部分管片块结构弯矩随时间变化图

图19 部分管片块结构轴力随时间变化图

通过以上的数据分析可以看出，注浆对结构内力影响较大，其变化的时间节点与结构荷载相吻合。其中，管片结构弯矩的变化是先增大，后趋于稳定;机构轴力在经历注浆阶段的增大时期后会先降低一段时间，最后才趋于稳定。注浆阶段对弯矩以及轴力均会产生一段波动时期。

6 结论

为了确保盾构隧道施工安全、加快施工进度和降低施工成本，本文采用管片受力监测和数值模拟的方法，对大直径盾构隧道管片结构受力进行了实测和理论计算。采用柔性土压力计、光栅钢筋应力计、光栅混凝土应变计对管片结构受力实施监测，实时掌握各管片受环境地质作用与管片结构的力学响应，对确保施工阶段工程的顺利实施有着重要意义。取得的主要研究成果如下:

(1)本文中采用的监测方法能够较为准确地反映结构荷载与内力分布变化情况，监测方案设计较为成功。

(2)计算结果表明，注浆阶段，管片结构的轴力沿隧道断面的竖向轴线近似对称，腰部轴力最大，拱底次之，拱顶最小，轴力基本处于6 000～11 000 kN之间。

(3)注浆压力会明显增加管片结构荷载，并造成不均匀分布的现象。在监测设计时，应当注意注浆孔与结构设计的对应关系。

(4)注浆阶段的结构内力会出现明显的波动现象，其中结构轴力最容易受到注浆作用的影响。

本文选择的试验监测断面，因施工情况处在单一可控状态，因此仅从注浆的角度进行分析。今后的研究可以综合复杂施工情况，考虑地下水位以及周边土体环境变化对管片结构荷载以及内力等各方面的影响。

［1］汤漩，黄宏伟.盾构隧道衬砌设计中几个问题的研究［J］.地下空间，2003，(2):210.

［2］夏永旭.我国长大公路隧道建设中的问题与对策［C］∥中国公路学会2004年学术年会论文集.北京:中国公路学会，2004:5.

［3］罗衍俭.隧道结构设计的数值模拟与类比设计［J］.地下空间，1998，(1):35.

［4］官林星，朱合华，于宁.考虑荷载工况组合的盾构衬砌横向受力分析［J］.岩土力学，2004，(8):1302.

［5］叶飞.软土盾构隧道施工期上浮机理分析及控制研究［D］.上海:同济大学，2007.

［6］张海波.地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟［D］.南京:河海大学，2005.

［7］张海波，殷宗泽，朱俊高.盾构法隧道施工的精细模拟［J］.岩土力学，2004，(S2):280.