盾构法施工中土洞围岩压力的观测与分析

卢 兵

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 概况

小浪底引黄工程干线隧洞全长59.6km，其中桩号0+000—47+350段为岩石洞，桩号47+350—59+594段为土洞。土洞采用盾构法开挖施工，断面为圆形，内径5.5m。衬砌管片为预制的宽1.5m、厚0.35m的圆弧状矩形或梯形混凝土块，每圈由6片型式各异的管片拼接而成，见图1所示。为对管片所受到的围岩压力以及管片混凝土和钢筋的应力应变进行观测，在桩号52+700断面处的管片内安装了传感器，传感器类型有土压力计、钢筋计、应变计和测缝计等。

图1 管片拼接和传感器安装位置图

2 围岩土压力特征分析

2.1 围岩压力应力观测

盾构法是一种先进高效的隧洞开挖工艺，主要适用于松散岩地层内的隧洞开挖。盾构法施工时衬砌管片是即时安装的，能够最大程度保证开挖后围岩的稳定，减小塑性变形，保证施工安全。但由于衬砌管片与围岩之间存在约15cm的间隙，所以管片与围岩并不是在第一时间就能够充分接触，只有等盾构机经过后，再进行围岩与管片间的接触灌浆，围岩压力才能充分施加到管片之上，管片才能真正发挥支撑作用。

当管片与围岩充分接触后，洞周土层因应力释放和塑性变形而产生的围岩压力就施加到管片上，管片中的各类传感器就可以观测到相应的变形。图2是三支分别安装于洞顶（E201）、洞腰（E202）和洞底（E203）的土压力计所观测的围岩压力过程线。

图2 隧洞各部位围岩压力过程线

该断面的管片安装时间为2017年5月19日，接触灌浆的时间为6月29日，从过程线可以看出，在接触灌浆之前，围岩压力均在0值附近，即围岩压力尚未施加到管片。通常情况下，接触灌浆24～48h之后即可观测到围岩压力。围岩压力的发展变化过程可分为骤升段、缓升段和平稳段三个阶段。

2.2 围岩压力应力分析

从管片各部位的土压力平稳段所达到的压力特性分析，管片所发挥的支撑力与灌浆质量有较大关系。由于该断面管片所预留的灌浆孔位于洞腰部位，所以洞腰处的围岩压力最大达到841.9kPa，洞底处围压最大达到452.5kPa，但洞顶围压最大仅为179.5kPa。从隧洞各部位围岩压力过程线的走势特征分析，该断面处的接触灌浆的浆液到达洞顶较为困难，洞顶管片与围岩并未充分接触。

盾构法施工的土洞，其围岩压力特征符合Terzaghi松散体理论和普氏塌落拱理论，所以可先用Terzaghi和普氏公式计算出最大围岩压力，然后用塑性扩展理论的Fenner公式计算出最大支护抗力，用于验证观测数据。计算公式如下：

式中：Pi——支护抗力，kPa；

P——隧洞周围地应力，kPa；对松散覆盖层P=γh，h为上覆土层厚度，m；

γ——为上覆土的重量体积比，kN/m3；

H——隧洞高度，圆形洞为直径，m；

H1——塌落拱高度，m；

r0——隧洞半径，m；

R0——塑性扩展区半径，m；

C——围岩的凝聚力，kPa；

φ——围岩的内摩擦角，°。

参考该断面的地质资料，上覆土层为低液限粘土、卵石混合土和级配不良砂等，总厚度52m，平均重度为21.5kN/m3，隧洞半径2.75m，有效应力抗剪强度的凝聚力C＇平均为19.8kPa，φ＇平均为15.5°。经计算，完全产生塑性扩展后，理论计算的最大围岩压力为772.2～863.5kPa，但实际观测的支护抗力为179.5～841.9kPa。从围岩压力过程线分析，围岩充分塑性扩展的时间在12～14个月。

为探求围岩压力与管片中的钢筋应力的相关关系，我们首先对比了围岩压力与钢筋应力的过程线，参见图3。

图3 各部位管片中钢筋应力过程线

从中可以发现，随着围岩塑性扩展变形的增加，围岩压力及支护抗力的增大，钢筋应力也随之增大。围岩的塑性变形充分扩展后的实际观测的最大钢筋应力达到48.3MPa，围岩压力、支护抗力的理论计算值与实际观测值的对比结果见表1。

表1 隧洞围岩压力、支护抗力的计算值与观测值对比表

3 结论

通过对盾构法施工的土质隧洞围岩压力和支护抗力的理论计算，并与观测数据进行了对比分析，可以得出初步结论：实际观测的支护抗力最大值略小于理论计算的围岩压力值，而平均值比理论值小很多，说明目前隧洞支护处于安全和稳定状态，同时也说明管片结构的设计较为合理，并偏安全。另外可以发现，影响管片支护抗力的因素包括地质因素、隧洞规模、施工方法和施工质量等多个方面，而对本工程而言，较为突出的影响因素有两个：一是管片与围岩的接触紧密程度，即接触灌浆的质量；二是管片制作工艺及材料质量。