小半径曲线盾构隧道研究的几个问题与初探

2020-06-01沈臻鑫杨果林张沛然

水利与建筑工程学报 2020年2期

沈臻鑫，王灏，杨果林，张沛然，虢彪

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南长沙 410004； 2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

近年来，随着我国城镇化建设进程的快速推进，地下空间的开发与建设力度持续增强，而作为暗挖法推选的盾构法地下工程施工技术应用面不断扩大。国内外学者对盾构施工存在的相关问题开展了大量研究，极大地推动了盾构法的应用与实践。其中，侯学渊等[ 1]总结了国内外盾构隧道沉降预估的理论与经验。结合上海隧道工程的实践，对包括隧道沉降的阶段性预测和专家系统的应用等进行了分析研究。孙钧等[ 2]讨论了城市地铁区间隧道盾构掘进中对土体的施工扰动及引起地层移动和地表变形沉降的力学机理，概括了施工扰动影响的主导因素。于宁等[ 3]针对地下结构传统的简化计算方法的不足，采用适应性较强的有限元法，对盾构隧道施工过程中的施工步骤、管片与土层接触面以及开挖过程中地应力释放等进行了有限元模拟，为盾构隧道衬砌的设计和施工提供了有益的参考。徐永福等[ 4]和张云等[ 5]通过盾构施工的现场监测，分析了盾构掘进对周围土体的影响程度；根据土体应力状态变化分析了土体的扰动程度，并提出了应力扰动度的定义，用室内试验方法研究了土体应力状态变化对其力学性质的影响。蒋洪胜等[ 6]通过在地下污水管道周围的地层中测定地层的超孔隙水压力和土层的移动，研究发现，在盾构掘进接近、穿越以及远离测孔区3个施工阶段，隧道周围不同区域的土层呈现出各自不同的移动特征。张海波等[ 7]在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素的基础上，提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性有限元模拟方法，分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律。朱伟等[ 8]利用能够考虑大变形的拉格朗日有限差分计算程序，对砂土地层土压平衡式盾构施工中开挖面支护应力不足引起开挖面的变形及破坏问题进行了分析研究，探讨了隧道开挖面变形及破坏问题。上述研究主要针对于直线形或大曲率盾构隧道，对小半径曲线形盾构隧道的研究较少。

以未来城市地下工程建设的发展趋势，以及结合日本等盾构技术发达国家的隧道设计和使用情况综合分析，可以初步判断小半径盾构隧道将在我国的适用面不断扩大[ 9-11]，以满足日益复杂的城市环境和盾构隧道使用要求。为了迎接小半径曲线盾构隧道在我国设计和应用的广阔未来，本文就小半径盾构隧道在我国研究和应用中存在的几点问题进行分析和思考，以期通过本文的“抛砖”可以起到相关研究推进和成果层出的“引玉”之效，促进小半径曲线盾构隧道在我国的研究和实践。

1 盾构隧道曲线半径的取值与思考

为了管理和促进地下交通工程的健康有序发展，国家相关部门自1992年出台《地下铁道设计规范》(GB 50517—1992)[ 12](以下简称92规范)以来，在2003年对其修正，形成了《地铁设计规范》[ 13](GB 50517—2003)(以下简称03规范)，2013年对03版再次修订与完善，形成了《地铁设计规范》[ 14](GB 50517—2013)(以下简称13规范)，为地铁轨道交通的建设和发展发挥了重要作用。三版规范中对线路平面最小曲线半径做出了明确规定，如表1所示。

表1 《地铁设计规范》线路平面最小曲线半径规定变化统计表

注：1.表中辅线包括辅助线(92规范)、联络线和出入线(03和13规范)；2.括号内数字为车速。

由表1可以看出曲线半径的取值和线路的分类(正线、辅线和车场线)有关，其中03版规范中还针对A、B型车的速度做出了不同取值规定。比较看来，正线的最小曲线半径不应小于250 m，辅线不应小于150 m，值得注意的是13版规范对车场线在困难地段的曲线半径不做明确性规定，具体的曲线半径应具体分析。由于盾构隧道在我国的设计和建设历史较短，因而针对于各行各业的具体盾构隧道设计规定主要参考或者依据《地铁设计规范》，由此造成了许多未基于实际使用服役环境工况的设计规定，如《电力电缆隧道设计规程》[ 15](DL/T 5484—2013)中7.1.2条的规定——盾构隧道的平面线形宜选用直线和大曲率半径曲线，而从电力电缆的使用环境来看，很多时候需要设立(增设)出线井，因而以线路沿线供电需求出发，曲线形电缆隧道走向更加具有经济性[ 16-17]，可以尽可能充分发挥地下空间的优越性。

上述设计不尽合理的原因是多方面的，其中包括我国盾构隧道的建设水平、地铁车辆的使用性能(满足最小转弯半径的速度和安全要求)、地铁线路的运营维护成本等[ 18]。有理由相信的是，随着我国盾构隧道建设、车辆机械制造水平、运营管理水平的全面提高和完善，上述问题将得到有效解决(三版规范中最小曲线半径取值的降低就是证明)，隧道的曲线半径将不断降低，小半径曲线隧道的适用范围将进一步扩大，以充分发挥和利用小半径曲线隧道的优势。

与此同时，随着我国快速的城市化建设步伐，高层建筑、高架桥等工程往往采用桩基础，因而使得地下空间在开发时面临合理有效利用的问题。传统的直线形或大曲率半径隧道走向布局难以实现相关线路规划设计目标，由此小半径曲线线路(隧道)因布线的灵活性其应用性将得到充分体现，有理由相信在城市复杂环境下小半径曲线盾构隧道的建设热度将悄然升起。

如图1所示，为某省首条电力隧道，分为南北两条单线隧道，北线长3 068.062 m，南线长2 859.950 m，采用土压平衡盾构施工。隧道衬砌管片外径为4 100 mm，内径为3 600 mm，厚度为250 mm，管片宽1 200 mm和1 000 mm。全长区间隧道平面曲线半径最小半径为150 m。隧道主要沿既有地面高压线走向布局，与城市主干道高架桥相平行，设计时为避免对邻接建筑物和桩基的扰动影响，以及满足沿线多处用电需求，线路采用多处小半径(R300、R150)曲线走向，并形成了几处连续小半径S形转弯段。

图1 某小半径S形曲线电力盾构隧道

在本盾构隧道的建设中存在若干新的技术问题，依据现有直线形盾构隧道的基本理论和技术经验难以克服解决。笔者以本工程为背景，结合盾构建造技术在小半径曲线隧道建设中存在的几点问题进行梳理，并期许通过同行的重视、不断的研究和全面总结逐步予以解决。

2 小半径曲线盾构隧道管片行为

作为隧道的重要衬砌结构，管片的行为及状态直接关系到隧道在施工期间和长期服役环境下的安全。曲线盾构隧道，特别是受小半径盾构隧道掘进施工的影响，相较直线形或者大曲率半径隧道而言，其具有复杂的力学行为[19]，主要体现在两个方面：一是施工作用荷载问题；二是曲线盾构隧道服役期中可能存在的两类土拱效应及土压力计算问题。本文主要讨论施工作用荷载对小半径曲线隧道管片的行为影响问题。

2.1 小半径曲线盾构隧道管片施工期受力问题

盾构在曲线段隧道掘进施工时，为了实现设计线路目标，盾构机沿曲线走向转弯，盾构机掘进姿态的控制主要通过设定不同区的千斤顶油压大小而实现。而施工期盾构机不平衡千斤顶推力的反向作用荷载使盾构千斤顶推力方向与管片走向轴线存在一定夹角，当曲线半径越小，二者的夹角将不断增大，因而使管片承受一个水平分力，引起管片的非均衡受力。这种由施工产生的不平衡推力使管片承受一定的集中挤压作用[20]，特别是在管片环接缝位置，如图2所示，其表现主要为管片的错台、挤压破碎及错台渗水流砂等病害。上述病害的出现严重影响隧道的安全施工及后期盾构隧道的服役工作性能。因而对于(小半径)曲线盾构隧道而言，如何合理控制管片所承受的不平衡推力成为关键性技术问题，并由此产生亟需在理论和试验等方面研究上予以解释的问题。

图3为某电力盾构隧道小半径段和直线段总推力变化情况，为减小其他因素对分析值的影响，所列数据为曲线段和直线段连续段，各取16环管片。从图可以看出，小半径曲线段总推力的平均值和最大值均大于直线段。特别是基于每环管片推进开挖过程中的总推力统计数据，即从概率直方图可以发现，直线段总推力小于7 000 kN的占99.5%以上，而小半径曲线段大于7 000 kN的占50%以上，充分说明盾构在小半径曲线段掘进施工时，总推力水平远高于直线段。

图2 小半径曲线盾构隧道施工管片常见病害

如上所述，与直线形隧道盾构施工的不同处在于千斤顶推力因曲线行驶的需要而存在各油缸压力差值较大，因而管片在受到不平衡推力之后，其力学响应也较为复杂，与诸多施工指标参数存在关联，值得通过进一步的研究予以揭示。其中，盾构机不平衡推力作用、注浆(同步注浆、二次注浆)压力及注浆率、掘进地层物理力学状态及参数、隧道埋深、掘进速度、渣土改良技术及效果、曲线盾构隧道曲率等皆是不可忽视的关键性研究考虑因素，而盾构机施工参数(不平衡推力、注浆、掘进速度)及隧道曲线半径大小为重要因素[21-22]。例如，为了满足施工工期的要求，盾构施工速度往往较大，在曲线掘进段采用千斤顶连续掘进工作模式，使得管片承受的千斤顶推力连续累计，造成局部出现应力集中问题，已有的研究已部分提出曲线段采用分步多次施压-卸压掘进模式，可缓解管片不均匀受力程度和变形累计。再如，受盾构开挖存在于管片与开挖面之间的空隙多采用注浆实现有效填充，以控制土体位移沉降，而注浆体的填充率及初凝时间如果控制不及时，将在一定时间内使管片所承受的不平衡盾构推力未能及时传递于周围围岩体，造成管片的非正常破损变形，且随曲线盾构隧道的半径的减小而更为严重，因此对于小半径曲线盾构隧道而言，及时保证管片与围岩体之间空隙的有效注浆填充以及使注浆体早日达到一定强度成为重要的施工控制技术。

图3 盾构隧道小半径曲线段和直线段总推力对比分析图

目前，出现的克泥效或衡盾泥工艺为解决这一问题提供了有效途径，即可将具有一定流塑状、承载性能好的惰性注浆体通过盾体径向孔及时填充于盾体开挖间隙，作为管片与土体间的有效荷载传递体，并对控制地层扰动具有一定意义，因而这项技术工艺值得在小半径曲线隧道中推广应用。综合而言，目前对于小半径曲线隧道管片具体的相关施工技术指标参数的力学机制研究的还不是较为清晰，有必要进一步开展小半径曲线盾构隧道施工的管片荷载力学行为研究。

2.2 小半径曲线隧道中的两类土拱问题

在经典的盾构隧道中，认为隧道管片(衬砌)结构承受的主要荷载及形态如图4所示。可以看出其呈现基本的对称性，由此理论和认识可知管片结构的受力具有对称性，其管片结构的设计和计算相对较为明确，但是必须指出的是，该土压力荷载模型适用于直线形或大曲率盾构隧道，对于小半径曲线盾构隧道而言，其合理性值得商榷。同时，在土压力的计算方面，土拱效应始终是一个无法回避的问题，因为其涉及到管片结构的受力计算和设计，关系到盾构隧道的安全和造价等。相对而言，目前对于直线形或大曲率盾构隧道的土压力研究比较丰富，获得了一定的研究成果，指导和促进着盾构隧道的建设和发展，但是，面对小半径曲线盾构隧道，传统的土拱效应或者太沙基松动土压力是否合适值得商榷。太沙基通过滑动门试验所提出的太沙基松动土压力认为在开挖面上方土体沉降变形情况下，其与两侧土体的剪切面呈现对称性，当然这与滑动门试验有关。长期以来太沙基的滑动门和松动土压力理论指导着相关专业研究，具有重要意义。通过学者的研究基本达成一些认识，松动土压力的存在与否与隧道的埋深直径比相关，采用松动土压力计算管片结构的受力具有相较全覆土重的合理性和适用性[23-24]。而松动土压力的大小与土体的重度、含水率、强度等物理力学参数相关。但是深刻分析松动土压力的力学机制不难发现，还有许多问题值得进一步通过研究明确：

图4 土压力荷载模型示意图

(1) 在开挖面上方土体松动沉降变形以后，与两侧土体形成一定位移之差“启动”了两侧土体对开挖上方土体的位移约束，即以其剪切面的剪切力承受开挖面上方土体的部分自重荷载，由此也实现了开挖面上方土体荷载向两侧土体的转移，表现为中间土压力减小，而两侧土压力持续增大，这是太沙基滑动门试验揭示的基本规律和力学机理。但是，在计算松动土压力时，剪切面上的剪切力计算存在力学指标取值确定的问题，按照经典土力学，土的强度是在竖向土压力为最大主应力，水平土压力为小主应力的应力状态下计算获得的，但是由滑动门试验可以明确知道，当开挖面上方土体和两侧土体由彼此间的剪切面提供的剪切力达到位移稳定状态时，其两侧土压力明显大于松动土压力，引起两侧水平土压力的增大，开挖面附近部分土体发生主应力轴旋转，致使在滑动面附近的土体的应力状态将演变为水平土压力为最大主应力，而竖向土压力(松动土压力)为小主应力，如果再考虑到土体的各向异性，土体的剪切强度指标将发生明显变化，那么此时仍沿用以竖向土压力为最大主应力获取的力学强度计算滑动面的剪切力，进而确定松动土压力是否合适呢？值得深入思考和分析研究；

(2) 经典的隧道土压力荷载模型较为适用于直线形或大曲率线形隧道，对于小半径隧道而言存在值得商榷的地方。其基本认识如下，我们知道在盾构施工过程中，曲线外侧和内侧土体承受的盾构施工附加荷载状态不同，内侧土体存在不同程度的超挖问题，而外侧土体的挤压变形较为突出，这点从潘泓等[25]的现场监测试验的水平位移结果可以明确获知。由此造成内外侧土体的应力状态将发生变化，其后期固结沉降变形等也将同步产生差异(见下文实测试验数据)。虽然我们可以通过注浆等手段实现地表变形的控制，但是受扰动后土体的应力状态差异性已经造成。另外，对于小半径盾构隧道而言，在沿隧道走向轴线看来，存在一段曲弧，按照桩基工程或基坑工程中土拱效应的研究基础，此类曲弧的存在是土拱效应产生的重要前提，那么关于小半径隧道曲弧段内的土拱问题特征呈现什么规律呢？目前，缺少相关理论和试验方面的研究，就笔者看来，这类水平向土拱问题和传统的由太沙基所提出的竖向土拱问题二者共同构成小半径曲线隧道的两类土拱问题。而这两类土拱问题的解决有利于更加深刻合理的认识小半径盾构隧道衬砌结构受力特征，从而在管片设计计算方面更加合理。

2.3 管片荷载土压力反演

无论是施工期管片荷载还是长期服役环境下的管片受力特征，从研究方式上主要还是理论分析、试验研究、数值分析三种，其中理论分析是基础、数值分析是验证，而试验研究具备真实性和直接参考指导意义，是重要的研究途径。但是，受现场试验的各种不利条件、试验仪器误差以及各种不确定因素的影响，难免所获得的试验数据不能真实反映管片的受力特征。特别是管片外土水压力的监测分析试验，由于大量的土压力盒、水压力计位于管片外侧，与围岩体是否完全接触不能确定，因而在更多情况下，管片外侧所受到的土水压力，应该包括注浆荷载等，从这个意义上言，将所监测到土水压力试验值定义为管片荷载(包括水压力、土压力、注浆压力等)更为合理。而为了确定计算长服役环境下管片的荷载，可根据对管片的钢筋应力应变监测结果，结合数值模拟方法，定义最小回归分析模型，从而反演得到管片的荷载。目前，结合小半径盾构隧道这方面的反演研究还鲜有报道，值得开展相关方面试验进行分析。

3 小半径曲线盾构施工扰动效应及控制

盾构法因其相较其他开挖方法而言具有扰动较小的技术特征，因而广泛于城市地下工程建设。但是，不断出现的由盾构施工引起的地表塌陷、近接建筑物倾斜沉降开裂、地下管线破裂等工程扰动问题[26-27]层出不穷，究其原因在于未能合理评估和控制盾构施工的扰动行为。长期以来，学者围绕盾构施工的扰动效应(机理)和控制技术开展了大量研究，取得了一定结果。但是，受小半径曲线盾构隧道在我国设计和应用的不充分影响，对其扰动效应和控制技术的研究成果较少，不利于小半径盾构隧道的推广应用。如图5所示，为电力盾构隧道R150小半径曲线段和直线段施工期地表沉降变化情况，从图可以看出，在盾构从开挖面抵进监测面—监测面下放—远离开挖面过程中，地表沉降最大点经历了曲线外侧—拱顶—曲线内侧迁移变化途径，即在管片脱出盾尾以后，受内侧土体超挖等影响，土体竖向沉降不断向内侧迁移，最终发生最大沉降点位于曲线内侧的特征，而非直线段最大地表沉降始终处于拱顶位置。充分说明，小半径曲线隧道盾构施工扰动问题与直线段或大半径曲线隧道存在明显不同，值得引起注意，结合少有的研究结果，曲线盾构隧道施工扰动存在的问题可以概括为以下两点：

(1) 在小半径曲线隧道盾构施工中，如上所提及的，在转弯段曲线内外侧土体的应力状态不同，发生的位移变形特征也不尽相同。如图5所示，在盾构向左转弯过程中，隧道对应地表沉降最大点向左偏移，不再为拱顶位置，因而从施工监测角度而言，常规性的盾构隧道扰动监测应该对曲线段拱顶左右两侧一定范围进行全面监测，以此实现有效的监测，指导盾构施工。同时，结合监测数据对沉降较大区域(如左侧)进行针对性的注浆作业。

图5 小半径曲线和直线段隧道地表沉降曲线

(2) 由于曲线段内外侧土体应力状态的不同，对如地下管线、地下桩基等的影响特征也将有所区别。就曲线外侧而言，土体在开挖面到达之前承受挤压作用，因而近接建构筑物将受到一定的侧向水平地基抗力；而在曲线段内侧，由于超挖等原因，土体将产生一定的松弛沉降，对近接建构物的的挤压作用降低。因而，考虑到曲线隧道盾构施工的土体扰动效应的时变性、空间性等应对近接建构筑物进行科学合理的扰动控制，防止发生盾构扰动事故的发生。