软土地基大直径地铁盾构隧道运营期衬砌结构受力特性现场测试研究

王 建， 叶宇航， 刘加福， 徐文田， 柳 献，*

(1. 广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州 510010； 2. 同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092)



软土地基大直径地铁盾构隧道运营期衬砌结构受力特性现场测试研究

王 建1， 叶宇航2， 刘加福1， 徐文田1， 柳 献2，*

(1. 广州地铁设计研究院有限公司， 广东 广州 510010； 2. 同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092)

为了解大直径地铁盾构隧道衬砌结构的受力性能，基于广州轨道交通4号线南延段大直径地铁盾构隧道工程，采用水土压力计和钢筋应力计传感器对衬砌结构运营期间的外荷载和钢筋应力进行现场测试，得到衬砌结构外荷载和内力的响应规律。通过衬砌结构计算模型理论值与现场测试结果的比较，说明衬砌结构计算模型的合理性。研究结果表明： 1)衬砌结构顶部的水土总压力实测值和上覆土柱的重力基本一致； 2)衬砌结构底部的水土总压力呈现中间小、两边大的分布形态，计算模型中可在衬砌结构下部半圆周范围内布置土弹簧模拟衬砌结构的实际受力情况。

软土； 大直径地铁盾构隧道； 衬砌结构外荷载； 内力响应； 现场测试

0 引言

大直径盾构隧道广泛应用于市政工程、越江、越海以及大型公路隧道的建设中[1-6]。地铁隧道的建设通常采用较小直径的圆形盾构隧道而较少采用大直径的盾构隧道。但目前地铁建设面临道路狭窄以及邻近建筑物和地下管线密集等问题，地铁区间线路无法采用单管单线布置，大直径盾构隧道为地铁区间隧道的建设提供了新思路。上海市轨道交通16号线9标工程首次采用了大直径盾构隧道[7]。

目前，国内大直径盾构隧道的设计计算理论研究相对滞后。盾构隧道的大断面化给衬砌结构设计中的荷载计算和衬砌结构模型计算带来了一定的问题。首先，大直径盾构隧道的埋深增大，上覆土荷载取值难以计算；其次，管片厚度与直径的比值减小，管片的变形与小直径盾构隧道不同，地层抗力的分布模式也不再仅仅是三角形的分布模式；另外，由于大直径盾构隧道衬砌结构的分块数量增加，错缝拼装和环间传力等对衬砌结构的内力影响规律与小直径盾构不同，需进行进一步的研究。因此，对大直径盾构隧道结构特性的合理设计模型进行研究是有必要的。

现场原位测试是研究盾构隧道衬砌结构外荷载以及受力特性的有效手段。周文波等[8]介绍了施工过程中双圆盾构隧道管片结构内力的现场测试试验以及结构内力在施工荷载作用下的变化情况；叶冠林等[9]以上海长江隧道工程为例，对盾构隧道的施工荷载进行了现场监测研究，得出了施工荷载最大值大于或者接近水土压力设计值的结论；周济民等[10]、梁禹等[11]和梁霄等[12]对管片衬砌在施工期间和施工后期所受的外荷载和结构内力进行了长期的现场追踪测试，总结出了衬砌结构外荷载和内力随时间的变化规律；肖中平等[13]通过现场试验研究了黏性地层中盾构隧道管片的力学行为，提出了黏性地层中地铁盾构隧道管片结构的设计方法与原则； Machismo等[14]通过对砾石地层中盾构隧道的现场测试数据进行分析，建立了合理的盾构隧道管片设计荷载模型，并对管片的设计恒载进行了研究。

现有研究主要针对小直径盾构隧道和大直径越江隧道进行的。越江盾构隧道由于承受极高的水压,轴力与弯矩会发生极大的变化。与越江隧道相比，软土地区大直径盾构隧道地质环境相对简单，但衬砌结构的外荷载、内力分布形态和规律与越江隧道有所不同。目前，针对大直径地铁盾构隧道的研究较少，且鉴于广州首次将大直径盾构隧道用于地铁区间隧道的建设中，因此进行现场原位测试和研究很有必要。

以广州轨道交通4号线南延段5标工程为背景，通过现场测试获取衬砌结构的原位荷载及内力等相关数据，探索大直径地铁盾构隧道衬砌结构的受力特性，为大直径地铁盾构隧道衬砌结构设计计算模型的优化提供建议和指导。

1 工程背景

广州轨道交通4号线南延段5标资讯园—南沙客运港区间的大直径盾构段是广州轨道交通隧道工程建设中首次采用单管双线大直径盾构隧道的区间，依托该工程进行现场原位测试。该工程位于广州市南沙区，盾构全长1 489.726 m，共744环管片，地面至隧道顶部的高度为11.8～19.1 m，地层主要由人工填土、海陆相黏性土、砂土、冲-洪积土以及残积土组成，基岩主要为混合花岗岩。区间两侧道路沿线存在给水、污水、煤气、电信、电力、路灯和雨水等众多市政管线，区间线路沿线场地主要为道路、绿化用地、村庄以及企业用地等，局部地段分布有2～4层的居民房。大直径盾构区间隧道衬砌结构的外径为11.3 m，内径为10.3 m，管片厚度为500 mm，环宽为2 m。全环管片采用“8+1”的分块形式，1块封顶块(F)，2块邻接块(L1和L2)，6块标准块(B1—B6)。块与块之间采用2个6.8级的M36斜螺栓进行连接；环与环之间错缝拼装，采用36个6.8级的M30纵向斜螺栓进行连接。衬砌结构分块如图1所示。

图1 衬砌结构分块示意图

2 现场测试方案

根据广州轨道交通4号线南延段盾构区间的工程地质和埋深等情况，选取1个具有代表性的测试断面，测试部位的上覆土层较为单一、均匀。为尽可能获取更多有效的测试数据，减小不可控因素的影响，在该测试部位共选择5环(696～700环)管片进行测试。测试断面穿过的地层主要为〈2-1A〉淤泥层与〈2-4〉粉质黏土层，顶部埋深约为14.43 m，地下水的常水位埋深约为3.3 m。测试断面工程地质剖面图如图2所示。土层的主要物理力学参数见表1。

图2 测试断面工程地质剖面图(单位： m)

岩土分层土层名称土层厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3)黏聚力c/(kPa)内摩擦角φ/(°)静止侧压力系数k0变形模量E0/(MPa)标准贯入度锤击数N渗透系数k/(m/d)〈1〉人工填土层6．791．856180．55810．025．000〈2-1A〉淤泥层14．41．589．58．80．7221．450．002〈2-4〉粉质黏土层4．541．8819．816．50．49156．810．005

本次现场测试主要针对大直径盾构隧道运营期间衬砌结构受到的外荷载及实际受力情况进行的原位测试。为得到运营期间衬砌结构外荷载的实际情况，在管片外表面预埋水压力计和土压力计，每环管片布置8个土压力计和8个水压力计。为得到运营期间衬砌结构的内力响应规律，在管片内外弧面的主筋位置预埋钢筋应力计，每环管片布置44个钢筋应力计。每环管片的测点布置方式相同，如图3所示。

图3 现场测试测点布置图(单位： mm)

传感器在地层中的实际位置与管片错缝拼装角度有关，实际施工中5环管片的错缝拼装方式不一致。传感器的型号及规格见表2。

表2 传感器型号及规格

在管片拼装之前，对处于自由状态的预埋传感器进行3次初始值采集。在隧道贯通时采用自动采集系统进行连续采集，排除施工因素的影响，可得到盾构隧道运营期间衬砌结构的外荷载和内力响应分布规律。

3 试验结果分析

3.1 衬砌结构外荷载测试结果与分析

3.1.1 水土总压力测试结果与分析

由预埋土压力计可测得垂直于衬砌结构的外荷载，在无施工因素影响的条件下，该荷载主要为水土总压力。选取第698环管片顶部和底部为典型测试断面，以盾构隧道贯通处为基点，根据土压力计的测试结果，得到衬砌结构水土总压力随时间的变化特征，如图4所示。由图4可知，隧道贯通后，在无施工荷载影响的条件下，管片顶部和底部的水土总压力分别为212 kPa和239 kPa，基本保持稳定，此时的水土总压力可以认为是隧道运营期间衬砌结构的水土总压力。

图4 第698环管片顶部和底部水土总压力随时间的变化曲线

Fig. 4 Total pressure of water and soil of top and bottom of ring 698 segment vs. time

采用水土合算计算模型计算理论荷载值时，不考虑顶部超载和地层的抗力，土层参数按照实际土层的参数进行计算，侧向土压力系数采用地层的静止土压力系数。由于土压力计测得的荷载为垂直于管片的荷载，因此需将计算模型荷载转换为垂直于管片的理论荷载。荷载转换示意图如图5所示。作用于预埋土压力盒的转换荷载p与土压力盒量测值应满足荷载平衡，因此，根据垂直于管片微元体方向的荷载平衡方程可得垂直作用于管片的荷载理论值，也即土压力盒所测得的作用于管片上的水土总压力理论值。转换后垂直于管片的荷载为

p=p1cos2α+p2sin2α。

式中p1和p2分别为理论设计计算模型中的垂直荷载和水平荷载， kPa。

图5 荷载转化示意图

将5环管片处的土压力计测得的水土总压力及按水土合算计算模型计算得到的水土总压力理论值绘制于同一图中，进行比较分析。衬砌结构水土总压力实测值及按水土合算计算的理论值沿衬砌结构环向分布情况如图6所示。衬砌结构水土总压力实侧值基本呈左右对称、顶部和底部大、两侧小的形态，最大水土总压力位于管片底部±30°左右的位置，约为278 kPa。管片顶部的水土总压力实测值与理论值较为接近，最大差值约为15%；隧道底部的水土总压力实测值与理论值相差较大，最大差值约为26%，且呈现中间小、两边大的分布趋势，这与衬砌结构脱出盾尾受到顶部的荷载作用后整体下沉而引起隧道底部地层应力重分布有关。另外，侧向水土总压力实测值和理论值较为接近，说明在运营工况条件下，理论模型计算中采用地勘资料中的静止土压力系数较为合理。

图6 衬砌结构水土总压力实测值及理论值分布图(单位： kPa)

Fig. 6 Distribution of monitored values and theoretical values of total pressure of water and soil of linning structure (kPa)

3.1.2 水压力测试结果与分析

在无施工因素影响的条件下作用于衬砌结构的液体压力主要为水压力，采用预埋水压力计进行测试。选取第700环管片顶部和底部为典型测试断面，以盾构隧道贯通处为基点，得到水压力随时间的变化曲线，如图7所示。由图7可知，隧道贯通后，在无施工因素影响的条件下，管片受到的水压力基本保持稳定。第700环管片顶部的水压力为142 kPa，底部的水压力为232 kPa，此时的水压力可以认为是隧道运营期间的水压力。

图7 第700环管片顶部和底部水压力随时间的变化曲线

Fig. 7 Total pressure of water and soil of top and bottom of ring 700 segment vs. time

衬砌结构水压力实测值及理论值沿管片环向的分布情况如图8所示。现场实测的水压力基本为左右对称分布，整体呈顶部小、底部大的形态，最大水压力位于管片底部，约为233 kPa。水压力实测值一般比理论值大，衬砌结构顶部的实测值比理论值大约30 kPa，衬砌结构底部的实测值比理论值大10 kPa左右。水压力实测值一般比理论值大的原因主要是是理论值采用常年水位计算，而现场测试期间为丰水期，水位比常年水位高。

图8 衬砌结构水压力实测值及理论值分布图(单位： kPa)

Fig. 8 Distribution of monitored values and theoretical values of water pressure of linning structure (kPa)

3.1.3 土压力测试结果与分析

根据预埋土压力计测得的水土总压力值和水压力计测得的水压力值，可得到考虑浮重度条件下作用于衬砌结构上的土压力值。根据衬砌结构水土分算计算模型，不考虑地面超载和土层的抗力，采用静止土压力系数，按照水土分算的方法，计算得到土压力的理论值后，与实测值进行比较。

衬砌结构土压力实测值与理论值的分布如图9所示。土压力的分布整体呈顶部大、底部小的形态。衬砌结构顶部土压力实测值和理论值较为接近，但衬砌结构侧向和底部的土压力实测值和理论值相差较大。衬砌结构底部土压力实测值偏小的原因是衬砌结构底部水土总压力实测值比理论值小，且理论计算模型采用的水位为常年水位，而现场测试期间水位比常年水位高。侧向土压力实测值偏小的原因是理论计算模型的侧向压力系数采用了静止土压力系数，在水土合算计算模型中较为符合，但水土分算计算模型中的侧压力系数较水土合算计算模型的侧压力系数偏小。

3.2 衬砌结构内力分布及其作用规律分析

根据钢筋应力计测得的衬砌结构内外弧面主筋的应力以及混凝土基本原理，可以反算得到衬砌结构的内力。衬砌结构主筋应力的实测值为-40～4 MPa，基本为负值，只有很小一部分截面(衬砌结构顶部内弧面)存在拉应力。由于衬砌结构处于弹性受力阶段，可按弹性理论计算主筋的内力。

图9 考虑浮重度条件下的衬砌结构土压力实测值及理论值分布图(单位： kPa)

Fig. 9 Distribution of monitored values and theoretical values of soil pressure of linning structure considering floating weight (kPa)

衬砌结构现场测试测得的弯矩分布如图10所示。衬砌结构截面弯矩基本呈左右对称分布，最大正弯矩位于衬砌结构顶部，最大负弯矩位于衬砌结构肩部。衬砌结构弯矩反弯点位于底部约±36°和±128°位置处。顶部最大正弯矩为431 kN·m，底部最大正弯矩为218 kN·m，左侧肩部最大负弯矩为303 kN·m，右侧腰部最大负弯矩为269 kN·m。

图10 衬砌结构截面弯矩分布图(单位： kN·m)

衬砌结构现场测试得到的轴力分布情况如图11所示。轴力基本为左右对称分布，呈顶部和底部小、腰部大的分布形态。轴力大小为2 950～3 700 kN，顶部轴力为-2 949 kN，左侧肩部轴力为-3 409 kN，腰部轴力为-3 706 kN，底部轴力为-3 553 kN。

图11 衬砌结构截面轴力图(单位： kN)

3.3 现场测试结果分析

根据现场测试结果，对软土地基大直径地铁盾构隧道运营期间的衬砌结构设计计算模型分析如下：

1)衬砌结构顶部水土总压力实测值和理论值较为接近；衬砌结构底部水土总压力实测值和理论值偏差较大，且呈中间小、两边大的分布形态。因此，为了真实模拟衬砌结构的受力模式，衬砌结构设计计算模型中运营期间衬砌结构顶部的荷载可取上覆土的重力，衬砌结构下部半圆周范围内可布置土弹簧。

2)水压力实测值和理论值分布基本一致。水压力和水位密切相关，在设计中应充分重视高水位和低水位对衬砌结构受力的不利影响。

3)考虑浮重度计算的土压力和按照水土分算计算的土压力理论值相差较大。在水土分算计算模型中，侧向压力系数的取值应小于水土合算计算模型中的取值。考虑到圆形盾构隧道衬砌结构的内力分布受侧向压力的影响较大，在衬砌结构设计计算中应予以充分重视，避免由于侧压力系数选取不当导致结构处于不利受力状态。

4)分别按照水土分算和水土合算方法计算的荷载分布以及衬砌结构内力分布明显不同。按水土合算进行计算时，侧向土压力系数采用静止土压力系数，衬砌结构荷载实测值和理论值较为接近，因此软土地基盾构隧道运营期间荷载计算模型可采用水土合算荷载计算模型。

4 结论与建议

基于广州轨道交通4号线南延段大直径地铁盾构隧道，对运营期间衬砌结构所受外荷载和内力进行了现场实测和理论计算分析，得到以下结论与建议：

1)衬砌结构顶部水土总压力和上覆土柱的重力基本相等。衬砌结构理论计算模型中取上覆土柱的重力为隧道顶部所受的荷载、隧道下部布置半圆周的土弹簧可以真实模拟衬砌结构的受力。

2)衬砌结构侧向荷载模式和按照水土合算模型计算的荷载模式较为接近。说明软土地基盾构隧道运营期间衬砌结构荷载模式采用水土合算计算模型、侧向压力系数采用静止土压力系数可以很好地模拟衬砌结构的荷载分布情况。

3)运营期间，大直径盾构圆形隧道衬砌结构的受力模式为： 以受压为主，轴力较大，最大正弯矩位于衬砌结构顶部，最大负弯矩部位在衬砌结构肩部，弯矩反弯点位于±36°和±128°位置处。

本文对运营期间衬砌结构的外荷载和内力响应进行了测试，但未对施工阶段的相关数据进行测试，并且理论计算结果与实测结果有一定的差距，因而需对理论计算模型进行优化设计以及对理论模型的参数选取进行进一步的研究和完善。

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Field Testing Study of Mechanical Behaviors of Lining Structure of Large-Diameter Metro Shield Tunnel in Soft Soil Ground in Operation Phase

WANG Jian1, YE Yuhang2, LIU Jiafu1, XU Wentian1, LIU Xian2，*
(1.GuangzhouMetroDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou510010,Guangdong,China; 2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the large-diameter metro shield tunnel on the south extension line of Guangzhou Metro Line No. 4 for example, the external load and internal force response principle of lining structure in operation phase are obtained by field test of external load and reinforced bar stress of lining structure monitored by sensors of water-earth pressure gauge and reinforced bar stress gauge. The rationality of the calculation model of lining structure is illustrated by comparison between the theoretical value of the model and the field test results. The study results show that: 1) The total pressure of soil and water on top of tunnel coincides with the weight of overlying soil column. 2) The total pressure of soil and water at the bottom of the tunnel is small at middle section and those are large on both end; therefore soil springs can be arranged in the lower half circle of the lining structure to simulate the actual stress in the calculation model.

soft soil; large-diameter metro shield tunnel; external load of lining structure; internal force response; field test

2016-10-24;

2017-02-22

王建(1971—)，男，湖北黄岗人，1994年毕业于同济大学，建筑工程专业，本科，教授级高级工程师，主要从事地铁隧道与地下工程的设计研究工作。E-mail: wangjian@dtsjy.com。*通讯作者： 柳献， E-mail: xian.liu@tongji.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.001

U 451+.5

B

1672-741X(2017)07-0781-07