小直径盾构施工中管片纵向应力监测研究

孙肖辉， 马孝春, *， 黄 峰， 金 奕， 马军英， 任红涛

(1. 中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083； 2. 北京城建集团有限责任公司， 北京 100088； 3. 中地华北(北京)工程技术研究院有限公司， 北京 100198)

小直径盾构施工中管片纵向应力监测研究

孙肖辉1， 马孝春1, *， 黄 峰1， 金 奕2， 马军英2， 任红涛3

(1. 中国地质大学(北京)工程技术学院， 北京 100083； 2. 北京城建集团有限责任公司， 北京 100088； 3. 中地华北(北京)工程技术研究院有限公司， 北京 100198)

为了探索小直径盾构法隧道在施工过程中管片纵向应力的变化规律，对北京槐房再生水厂污水隧道管片纵向应力进行了现场监测： 将第976环、第1 054环管片分别设为第1和第2监测断面， 2监测断面各预埋5个纵向应力计，各监测断面从本监测断面管片安装后即开始监测，当盾构掘进至第1 129环时停止监测。研究表明： 1)在管片离开盾尾50环后，其纵向应力波动值小于管片拼装期间应力值的5%。2)在盾构掘进期间，管片距离盾构越远，其纵向压应力值越小。3)在管片拼装期间，管片距离盾构越远，其纵向压应力经历了先增大后减小的过程。4)管片距离盾构108环后，该管片纵向压应力趋近于0.2～0.3 MPa。5)随着盾构推进，管片纵向应力经历了4个阶段的变化过程，即周期性剧烈波动阶段—动态稳定阶段—逐渐衰减阶段—趋于稳定阶段。

小直径盾构； 隧道施工； 管片纵向应力； 监测

0 引言

近年来国家大力推动地铁、海绵城市及地下综合管廊等基础设施建设。与地铁施工类似，污水管道施工也越来越多地使用盾构技术，但与地铁盾构隧道不同的是污水管道的渗漏将严重污染地下水资源和环境。盾构隧道施工完成后，隧道内管片纵向应力对衬砌管环间渗漏水防治和纵向变形控制至关重要。同时，中间工作井的开挖，负环管片的拆除时机等也都需要对施工过程中管片纵向应力的变化规律有一个清晰的认识。

目前针对盾构隧道施工期间管片应力的研究多集中在管片的环向方向。梁霄等[1]通过对扬州瘦西湖盾构隧道的监测研究，分析了施工阶段同步注浆对隧道衬砌结构受力的影响，总结了隧道衬砌结构荷载和内力在施工阶段随时间的变化规律。唐孟雄等[2]通过对广州地铁2号线进行实测,分析了在不同工况下管片环向钢筋应力的变化规律。陈俊生等[3]在三维数值模型中加入与施工阶段相对应的注浆压力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用，分析了盾构隧道的变形特点及应力分布。梁禹等[4]通过对长沙湘江隧道管片衬砌在施工期及后期所受外荷载和结构内力的现场监测分析，总结了衬砌结构外荷载和内力随时间的变化规律。张恒等[5]通过对深圳城市轨道交通 5号线区间盾构隧道管片衬砌在施工中的力学行为监测，分析了隧道下穿软硬不均地层、黏土地层和上覆建筑物的全风化花岗岩层中衬砌所承受的环向轴力和弯矩。

而当前关于盾构隧道纵向问题的研究，大部分是针对纵向沉降及纵向刚度的。叶飞等[6]根据相似理论对通缝、错缝及匀质圆筒模型进行了纵向模型试验研究，得出了盾构隧道纵向变形性能及抗弯刚度有效率的取值。殷建国等[7]采用盾构隧道纵向等效连续化模型，分析了盾构隧道纵向沉降对隧道纵向等效刚度的影响。张军等[8]通过数值模拟和理论计算相结合的方法,分析了河床冲淤引起过江隧道纵向变形的机制,并提出了控制纵向变形的建议。Huang等[9]基于室内试验数据，提出了考虑地层参数变异的纵向变形简化计算方法。张子新等[10]通过建立三维有限元模型，系统地研究了多种因素对异形盾构纵向力学性能的影响。

已有研究极少关注小直径盾构法隧道施工中管片纵向应力的变化规律。与隧道纵向受力研究最为相关的是一些关于负环管片拆除时机[11-12]、软土盾构隧道纵向应力松弛规律[13]等方面的研究，其文献数量较少且无成型的理论可用。

本文结合北京市槐房再生水厂工程，对隧道管片纵向应力进行现场监测，分析小直径盾构法隧道在施工过程中管片纵向应力的变化规律，以期为小直径盾构隧道的纵向设计及管环渗漏水防治提供依据。

1 工程概况

1.1工程简述

北京市槐房再生水厂再生水及污水盾构管线工程： 施工区间为1#盾构始发井至4#盾构接收井(槐房再生水厂—草桥国际文化城)，其中包括4座中间工作井。工程平面布置如图1所示。

图1 工程平面简图

施工时采用土压平衡盾构先掘进污水隧道，隧道区间覆土厚度为7～9 m，隧道最大纵坡为0.06%，最小曲率半径为150 m。盾构隧道为圆形隧道，隧道结构如图2所示。管片环采用“5+1”(A1—A3、B1、B2、K)通用楔形环方式，环间错缝拼接，管片及管环间采用双头弧形螺栓连接，管环内径3.5 m，外径4.0 m，厚0.25 m，宽1.2 m。盾构采用14组千斤顶推进，在环向上均匀分布，图2中阴影位置为千斤顶撑靴位置。管片混凝土强度等级为C50。

图2 隧道结构及内部布置(单位： mm)

1.2监测区间工程地质及水文地质条件

监测区间位于北京市南四环公益西桥—草桥国际文化城污水盾构区间的中段，如图1所示，监测区间的工程地质剖面如图3所示。盾构管道埋深约7 m，绝大部分位于砂卵石地层中，其主要物理力学指标见表1。地下水位高程低于21 m，且水位年变幅一般为1～3 m，不会对盾构隧道施工产生影响。

图3 工程地质剖面简图

表1 盾构隧道地层主要物理力学指标

2 现场试验

2.1试验仪器

试验传感器采用预埋式JTM-V1000D型振弦式应力计，监测数据采集使用JTM-MV20A系列智能型振弦式传感器采集箱；同时，使用JTM-MS100系列智能型采集系统管理软件进行数据管理操作。

应力计应力与频率的换算公式为：

(1)

式中：σ为应力，MPa；K为率定系数，MPa/Hz2；fi为应力计实时采集频率值，Hz；f0为应力计初始频率值，Hz。

2.2应力计安装位置

在监测区间内共设置了2个断面(第976环、第1 054环)作为监测断面，将第976环定为第1监测断面、第1 054环定为第2监测断面，具体位置见图1和图3。盾构首先掘进通过第1监测断面，然后通过第2监测断面。为便于施工及监测，在监测环上除最底端管片外的每块管片环向中部沿纵向方向各布置1个应力计(每环5个)，应力计环向布置位置及编号如图4所示。

(a) 第976环

(b) 第1 054环

2.3试验仪器安装

2.3.1 应力计管片厂预埋

应力计及其现场预埋如图5所示。先将应力计用细铁丝固定于管片钢筋笼的设计位置处(应力计轴向平行于隧道轴线方向)，然后通过浇筑混凝土的方式使应力计完全固定。

(a) 应力计

(b) 应力计预埋

图5应力计

Fig. 5 Stress meters

2.3.2 采集系统安装

本工程监测数据采集系统的安装及实时数据采集如图6所示。管片拼装完成后随即进行实时数据采集，盾构掘进至第1 129环时终止数据采集。

(a) 传感器采集箱

(b) 实时数据采集

图6数据采集

Fig. 6 Data acquisition

3 监测区间施工参数

3.1盾构总推力

盾构掘进时千斤顶总推力的大小直接决定了盾构隧道纵向初始应力的大小。该工程施工过程中，正常掘进段以6 000 kN为上限控制盾构千斤顶总推力，管片拼装时盾构总推力在1 400 kN左右。在各环掘进阶段的实际盾构总推力如图7所示。

3.2注浆体

同步注浆浆液为水泥砂浆，其化学性质直接决定了隧道纵向应力的衰减速度。同步注浆浆液配比如表2所示，浆液初凝时间一般为10 h。

4 试验结果及分析

监测试验中第2监测断面采集到的数据前期规律更为明显，故先分析第2监测断面，而第1监测断面监测距离更长，后期趋势更为清晰。

图7 盾构掘进时总推力变化曲线

表2 同步注浆浆液配比

4.1第2监测断面(第1 054环)

该断面的监测数据包含了盾构从第1 055环推进到第1 129环期间，第1 054环上各应力计记录的管片纵向应力的变化情况，如图8所示。传感器设置为3 min12 s采集一次数据，而盾构每环掘进时间及管片拼装时间存在差别(每环的正常掘进时间为15 min左右，管片拼装时间为1 h左右)，由于数据点是按时间均匀分布的，因而在横轴上对应的环数并非均匀分布。

如图8(a)所示，在每环管片拼装时，由于拼装时间较长，管片纵向应力曲线出现了较为平直的区段；而在盾构掘进时，由于盾构掘进时间较短，管片纵向压应力曲线未出现较为平直段。

从各应力计应力曲线图可以看出，自监测管环安装完成，随着盾构向前推进，应力计记录到的纵向应力差值(即波动值，见图8(b))由最初的1.6 MPa逐渐衰减甚至消失。经统计，各应力计波动值在盾构通过此监测断面50环左右时小于此位置管片拼装期间应力计值的5%(所采用的应力计精度误差为5%)。这是由于监测管片刚刚脱出盾尾时，周围的注浆体呈流塑态，管片与注浆体之间的摩阻力很小，故监测断面纵向应力波动值可达到1.6 MPa左右；随着监测管片与盾构之间距离的增加及注浆体的逐渐凝固，监测管片和盾构之间的管片与周围注浆体的摩阻力逐渐增大，使得监测断面纵向应力波动值逐渐减小。

如图8(d)所示，在盾构掘进期间，由于管片和注浆体之间的纵向摩阻力方向与盾构千斤顶顶力方向相反，使得监测断面距离盾构越远，应力计应力呈现逐渐减小的趋势；而在盾构管片拼装期间，随着监测断面远离盾尾，管片纵向压应力经历了先增大后减小的变化过程。这是因为在盾构掘进期间，距离盾构较近的管片纵向位移较大，使得管片与周围的注浆体之间发生了剪应变(静摩阻力)甚至相对滑动(动摩阻力)并伴随注浆体的塑性变形，而在管片拼装期间，管片整体回弹，使摩阻力方向发生了改变。上述过程与摩擦桩在加卸载过程中桩周摩阻力的变化过程[14-16]较为相似。同时，在盾构向前推进的过程中，监测断面管片受到逐渐减小的循环加卸载作用，并伴随周围注浆体性质及注浆压力的逐渐变化，以及隧道内部的施工(盾构后配套设施及管片、渣土运输车辆等)荷载的变化等多种因素的综合作用，使纵向应力产生这种变化趋势。

(a) Y6应力计

(b) Y7应力计

(c) Y8应力计

(d) Y9应力计

(e) Y10应力计

Fig. 8 Variation curves of stress collected from stress meters on monitoring cross-section 2

在该监测段施工过程中，由于盾构千斤顶顶力在管片环向上变化不大、污水管道直径较小以及砂卵石地层较为稳定(隧道在纵向上不易产生不均匀沉降)等因素综合作用，使得管片环向不同位置处应力计应力值在盾构推进同一环时并无明显变化。

4.2第1监测断面(第976环)

该监测断面的监测数据包含了盾构从第977环推进到第1 129环期间，第976环上各应力计记录的管片纵向应力的变化情况，如图9所示。该监测断面数据的前期规律与第1监测断面基本一致。管片纵向应力经历了4个阶段的变化过程： 周期性剧烈波动阶段—动态稳定阶段—逐渐衰减阶段—趋于稳定阶段。在盾构通过监测断面108环后，监测断面管片的纵向应力趋近于0.2～0.3 MPa(统计情况如表3所示)并逐渐达到稳定。可知在盾构通过监测断面108环后，管片会在较长距离上存在0.2～0.3 MPa的压应力。这是由于盾构距离监测面较远，它们之间的管片与注浆体间总的纵向摩阻力较大，盾构千斤顶推力对监测断面的影响消失，同时监测断面周围的注浆体达到较为稳定的状态，并且隧道内部施工荷载较少等多种因素使得其纵向应力趋于稳定。

图9 第1监测断面各传感器应力计受力变化曲线

表3第1监测断面各应力计进入相对稳定区环数统计

Table 3 Statistic of ring numbers when stress meters go into stable area (monitoring cross-section 1)

应力计编号进入相对稳定区环数距离千斤顶环数均值Y11084108Y21084108Y3107498Y41087111Y51088112108

5 结论与建议

基于槐房再生水厂配套输水工程，通过对小直径污水盾构在砂卵石地层施工过程中管片纵向应力的现场监测及分析，结论如下：

1)随着盾构推进，监测断面管片纵向应力在盾构掘进期间与管片拼装期间的波动值不断减小，且在盾构通过监测断面50环后波动值小于此位置管片拼装期间应力值的5%。

2)随着盾构推进，在盾构掘进期间，监测断面管片纵向压应力在不断减小。

3)随着盾构推进，在盾构管片拼装期间，监测断面管片的纵向压应力经历了先增大后减小的过程。

4)在盾构通过监测断面108环后，监测断面的纵向压应力趋近于0.2～0.3 MPa。

5)随着盾构推进，管片纵向应力经历了4个阶段的变化过程： 周期性剧烈波动阶段—动态稳定阶段—逐渐衰减阶段—趋于稳定阶段。

由于盾构法隧道施工中纵向应力的综合性、复杂性及时变性，对于盾构法隧道的纵向应力变化规律，目前尚无完整清晰的理论。在下一步的研究中，建议对从注入到完全硬化期间注浆体性质的变化以及注浆体与管片及周围岩土体的接触面性质进行完整的室内试验，并参考摩擦桩的摩阻力机制进行整个系统的理论分析及数值模拟计算，以期为砂卵石地层小直径盾构隧道纵向设计提供科学依据。

[1] 梁霄，柳献，陈健，等. 扬州瘦西湖盾构隧道衬砌结构受力的现场试验研究[J]. 隧道建设, 2015, 35(7): 679.

LIANG Xiao, LIU Xian, CHEN Jian, et al. Field experimental study of mechanics of segment structure of Slender West Lake shield-bored tunnel in Yangzhou[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(7): 679.

[2] 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.

TANG Mengxiong, CHEN Rugui, CHEN Wei. Stress monitoring and internal force analysis of Guangzhou metro shield tunnel segment during construction[J].China Civil Engineering Journal, 2009, 42(3): 118.

[3] 陈俊生，莫海鸿. 盾构隧道管片施工阶段力学行为的三维有限元分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(增刊2): 3482.

CHEN Junsheng, MO Haihong. Three-dimensional finite element analysis of mechanical behaviors of shield tunnel segment during construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(S2): 3482.

[4] 梁禹， 苏文辉， 方理刚， 等. 大直径江底盾构隧道衬砌结构受力现场测试与分析[J]. 隧道建设， 2014， 34(7): 637.

LIANG Yu, SU Wenhui, FANG Ligang, et al. Field test and analysis of stress of lining of large-diameter river-crossing shield tunnel[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(7): 637.

[5] 张恒，陈寿根，谭信荣，等. 不同地层盾构隧道管片力学行为研究[J]. 地下空间与工程学报, 2015, 11(4): 845.

ZHANG Heng, CHEN Shougen, TAN Xinrong, et al. Research on mechanical behaviour of segmental structure of shield tunnel in different strata[J]. Chinese Jounal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(4): 845.

[6] 叶飞，杨鹏博，毛家骅，等. 基于模型试验的盾构隧道纵向刚度分析[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(1): 83.

YE Fei, YANG Pengbo, MAO Jiahua, et al. Longitudinal rigidity of shield tunnels based on model tests[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(1): 83.

[7] 殷建国，黄宏伟. 基于盾构隧道纵向沉降的纵向等效刚度反分析[J]. 岩土力学, 2015, 36(增刊1): 230.

YIN Jianguo, HUANG Hongwei. Back analysis of longitudinal equivalent rigidity of shield tunnel based on longitudinal settlement curve[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(S1): 230.

[8] 张军，张翅翔. 河床冲淤引起过江盾构隧道纵向变形的研究[J]. 隧道建设, 2009, 29(2): 152.

ZHANG Jun, ZHANG Chixiang. Study of longitudinal deformation of river-crossing shield-bored tunnel caused by riverbed scouring and siltation[J]. Tunnel Construction, 2009, 29(2): 152.

[9] HUANG H W, GONG W P, KHOSHNEVISAN S, et al. Simplified procedure for finite element analysis of the longitudinal performance of shield tunnels considering spatial soil variability in longitudinal direction[J]. Computers and Geotechnics, 2015, 64: 132.

[10] 张子新，朱叶艇，朱雁飞，等. 大断面异形盾构衬砌结构纵向力学性能[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2017, 45(5): 684.

ZHANG Zixin, ZHU Yeting, ZHU Yanfei , et al. Study of the longitudinal mechanical behavior of large shield lining structure with a special-shaped cross-section[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2017, 45(5): 684.

[11] 李涛, 刘波, 江玉生, 等. 盾构始发负环管片和反力架拆除时机的影响因素分析[J]. 中国铁道科学, 2012, 33(2): 48.

LI Tao, LIU Bo, JIANG Yusheng, et al. Analysis of the influence factors of the demolition timing for negative ring segments and reaction frame during shield originating[J]. China Railway Science, 2012, 33(2): 48.

[12] 杨春山, 莫海鸿, 陈俊生, 等. 盾构隧道先隧后井工法对管片张开量影响的研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(增刊1): 2870.

YANG Chunshan, MO Haihong, CHEN Junsheng, et al. Influence of shield tunneling with tunnels followed by well excavation on segment opening[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(S1): 2870.

[13] 廖少明, 门燕青, 肖明清, 等. 软土盾构法隧道纵向应力松弛规律的实测分析[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(5): 795.

LIAO Shaoming, MEN Yanqing, XIAO Mingqing, et al. Field tests on longitudinal stress relaxation along shield tunnel in soft ground[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(5): 795.

[14] SEED H B, REESE L C. The action of soft clay along frictional piles[J]. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 1957, 122: 731.

[15] 杨晓峰, 张陈蓉, 黄茂松, 等. 砂土中桩土侧向相互作用的应变楔模型修正[J]. 岩土力学, 2016, 37(10): 2877.

YANG Xiaofeng, ZHANG Chenrong, HUANG Maosong, et al. Modification of strain wedge method for lateral soil-pile interaction in sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37(10): 2877.

[16] 任宇. 长期竖向循环荷载作用下桩的变形特性试验及理论研究[D]. 杭州： 浙江大学， 2013.

REN Yu. Model test and theoretical study of deformation behavior of piles under long-term cyclic axial loading[D]. Hangzhou： Zhejiang University, 2013.

StudyofMonitoringofLongitudinalStressofSmall-diameterShieldTunnelSegmentduringConstruction

SUN Xiaohui1, MA Xiaochun1, *, HUANG Feng1, JIN Yi2, MA Junying2, REN Hongtao3

(1.SchoolofEngineeringandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.BeijingUrbanConstructionGroupCo.,Ltd.,Beijing100088,China; 3.ChineseAcademyofGeotechnicalEngineering,Beijing100198,China)

Site monitoring is carried out on longitudinal stress of segment of a small-diameter sewage shield tunnel of Huaifang Recycled Water Factory in Beijing. Five longitudinal stress meters are embedded in monitoring Cross-sections 1 and 2 respectively (ring 976 and 1 054); the monitoring data are collected right after stress meter installation and are stopped when boring to ring 1 129. The study results show that: 1) The longitudinal stress of segment after 50 rings behind shield tail is 5% less than that when segment assembling. 2) The longitudinal stress of segment decreases with the distance between segment and shield tail increase during shield tunneling. 3) The longitudinal stress of segment increases firstly and then decreases with the distance between segment and shield tail increase during segment assembling. 4) The longitudinal stress of the segment goes stable around 0.2-0.3 MPa after the distance between shield tail and the segment is 108 rings. 5) With shield tunneling, the longitudinal stress of segment goes through four variation phases, i.e. periodical sharp fluctuation phase, dynamic stability phase, gradually decay phase and stable phase.

small-diameter shield; tunnel construction; longitudinal stress of segment; monitoring

2017-06-20;

2017-09-19

孙肖辉(1992—)，男，河北武邑人，中国地质大学(北京)地质工程专业在读硕士，研究方向为岩土工程。E-mail: 2002150049@cugb.edu.cn。*通信作者： 马孝春， E-mail: mxc@cugb.edu.cn。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.012

U 45

A

2096-4498(2017)11-1436-06