某海底盾构隧道结构外荷载的现场测试研究

屈兴兵

中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300130

摘要：结合某海底盾构隧道施工实例，通过对盾构管片周围水土压力进行现场测试，掌握水土压力的大小及其分布规律，可为类似工程的设计、施工提供借鉴。

关键词：盾构隧道；管片；监测；水土压力

1 工程概况

1.1 工程设计概况

某核电站的冷却水需要从电站南侧的岛屿取得，故设计了1号、2号两条取水隧道，通过取水隧道将洁净的海水引入核电站，解决核电站的循环冷却用水。1号、2号取水隧道为两条平行直线，隧道最大埋深约55.75m。部分岩石段采用钻爆法施工，其余段落采用盾构法施工。盾构隧道内径φ7.3m，外径φ8.7m，采用盾构管片和二次衬砌复合支护结构，其中盾构管片厚度0.4m，作为隧道的主体结构，二次衬砌厚度0.3m。隧道结构的安全等级为1级，设计使用年限100年，结构设计在满足强度和刚度的前提下，还同时满足防水、防腐蚀等要求。

1.2 地形地貌及工程地质情况

该引水隧道主要位于海域，近岸处多为基岩出露（岛屿）及人工堆积块石（陆地侧），离岸较远部位，属于滨海地貌，地形高程一般为-2.0m～-4.5m之间，水深在0.8m～4.8m之间，由西北向东南逐渐变深，在东南靠近岛屿和近岸处变浅。

工程区在大地构造上位于华南褶皱系（I级），粤东北—粤中坳陷带（II级），永梅—惠阳坳陷带（III级）北部。地质构造总体上以北东向构造为主，次为北西向构造，此外还有零星出露的东西向及南北向构造，它们相互切割、复合，构成了本区构造的基本格架。主要的构造形迹包括褶皱及断裂等。

1.3 管片设计及相关参数

1、2号取水隧道管片钢筋混凝土采用C50高性能混凝土，抗渗等级为S12，外径8700mm，内径7900mm，管片厚400mm，宽度1500mm，根据隧道埋深不同，分浅埋、中埋、深埋段等进行管片配筋。

2 盾构管片水土压力的现场监测与分析

盾构隧道衬砌管片设计理论的关键在于模型本身是否能反映工程的实际情况，能否正确地反映盾构管片与周围土体的相互作用。管片外荷载的大小和分布情况与隧道埋深、埋设地层的水文地质情况、施工方法、管片本身的刚度等有密切的关系。对于如此復杂的影响因素，简单的采用某一计算理论很难真实反映工程实际，因此，本项目通过现场监测的方法，利用土压力盒、孔隙水压力计等监测传感器直接监测作用在盾构隧道管片上的水土压力，对管片承受的水土压力的大小及其分布规律进行研究。

2.1监测断面的选择

本隧道监测主要目的是研究盾构管片周围水土压力大小及其分布规律，选择适合于该地层隧道衬砌结构受力计算模型，确保隧道主体结构的可靠度及安全性，因此监测断面应尽可能选择在覆土厚度、土层性质不同的地段。

1、2号取水隧道洞身主要通过粘土地层，局部为Ⅱ、Ⅲ级围岩。IV、V级及部分Ⅲ级围岩稳定性较差，而大部分Ⅲ级及Ⅱ级土层围岩自稳性一般较好，故监测断面拟在IV、V级围岩中选择。同时考虑到水压、埋深等对围岩压力的影响，据此选取2号洞429、845环管片处，1号洞1690环管片处。

2.2 监测断面的地质条件

监测断面Ⅰ位于2号隧洞管片429环，隧道顶板埋深14.8m，底板埋深23.5m，海水位深度约为2.21m。隧道全断面主要位于可塑～硬塑的⑨粘土层中，属IV级围岩。

监测断面Ⅱ位于2号隧洞管片845环，隧道顶板埋深22.2m，底板埋深30.9m，海水位深度约为2.74m。隧道全断面主要位于可塑～硬塑的粘土⑤层中，属IV级围岩。

监测断面Ⅲ位于1号隧洞管片1690环，隧道顶板埋深25.52m，底板埋深34.22m，海水位深度约为3.34m。隧道全断面主要位于可塑～硬塑的粘土⑧层中，属IV级围岩。

所选3个监测断面地层基本相同，从上到下依次为：暗黄色、饱和、流塑的淤泥土层②，灰色、饱和、流塑的淤泥③，灰黄、黄～黄褐色、饱和、松散～稍密的砾砂④-1，灰色，饱和，流塑～软可塑的淤泥质粘土④，灰色、灰黄色、灰白色，稍密～中密的粗砾砂⑥，灰色、灰黄色、可塑～硬塑的粘土⑦～⑨。

各层岩土的力学参数值见表1。

表1 岩土层主要物理参数统计表

层号 名称 密度

（g/cm3） 饱和重度 黏聚力

（kPa） 摩擦角

（°） 标惯试验

锤击数N

湿 干

② 淤泥 1.56 0.89 15.64 4 5.5 1

③ 淤泥 1.53 0.85 15.27 4.5 5.1 2

④ 淤泥质粘土 1.72 1.17 17.32 11 8.5 5

④-1 砾砂 2.05 1.79 21 — 29 9

④-2 粉砂混粉质粘土 2.00 1.64 20.18 12 20 7

⑤ 粘土 1.88 1.41 19.6 19 8.5 13

⑤-1 粗砾砂 2.07 1.80 21.7 — 29 11

⑥ 粗砾砂 2.07 1.82 21 — 30 18

⑦ 粘土 1.85 1.37 22 20 11.5 12

⑧ 粘土 1.95 1.53 22.2 22.5 7.0 15.2

⑨ 粘土 1.82 1.32 22.6 17.0 5.6 15.2

2.3监测点的布置及测试方法

2.3.1监测点的布置

为了研究管片外荷载分布情况，应尽可能多地沿管片外侧布置监测传感器。但埋设太多的传感器会削弱管片本体的强度，同时也会增加监测工作量和监测成本，故传感器也不宜太多。本工程盾构隧道管片是由“4个标准块+2个邻接块+1个K块”组成，根据管片组合形式，在隧道埋设了7处土压力盒和孔隙水压力计等监测传感器，其具体的埋设部位见图1。

图1 监测点布置断面图

2.3.2 测试方法

本次使用的传感器均为振弦式，测试数据使用JTM-V10B频率读数仪，数据采用手动采集。将传感器的两根引出线与频率读数仪的两根引出线分别相连，读出传感器钢弦的振动频率，根据预先标定好的频率—应力曲线即可推算出传感器的受力情况。

2.4 测试结果及分析

2.4.1水压力监测结果及分析

从水压力的断面分布图2可以看出，盾构管片水压力随隧道埋深增加而增大，水压力总体上呈现顶部低，下部高的规律，这与隧道区域渗流场的分布规律一致，隧道管片上的外水压力接近或等于静水压力。但由于隧道周边围岩土层渗透性差异，使得水压力的分布又具有一定随机性。

（a）429环水压力分布图；（b）845环水压力分布图；

（c）1690环水压力分布图

图2 水压力分布图（单位：MPa）