水位变化下盾构隧道管片纵向变形特征研究

曹鹏飞 郭小龙 胡宇琛 徐腾飞 章立辰

(1.南昌轨道交通集团有限公司 江西南昌 330038；2.中铁隧道集团二处有限公司 江西南昌 330209；3.华东交通大学土木建筑学院 江西南昌 330013；4.江西省港航建设投资集团石虎塘航电枢纽分公司 江西南昌 330008)

1 引言

地铁已然成为我国大型城市中主要的交通工具，隧道建设数量与总里程高居世界前列，但我国隧道建设起步较晚，地铁建设很大程度上受制于施工工艺、地质条件和隧道尺寸的影响，因其运行空间有限且客流量日渐繁重，一旦出现隧道结构安全问题将会造成巨大的经济损失，更严重情况下甚至会导致人员伤亡[1－3]。在施工过程中对隧道管片衬砌结构进行监测是保证后续安全投入使用的保障，因此开展隧道健康监测工作并及时反馈隧道安全隐患问题十分有必要。

目前国内大量学者就隧道管片衬砌结构安全性问题开展了大量研究。何春等[4]利用振弦式传感技术的可视化监测装置，在施工过程中对武汉地铁4号线2期工程隧道管片的钢筋应力和管片内部混凝土应变进行监测；唐孟雄等[5]依托广州地铁二号线某区间隧道，通过钢筋应力反算方法得出管片环向压力和弯矩的解析公式；张明聚等[6]依托北京地铁某区间隧道进行现场监测，总结得到先行隧道管片附加内力大小及变化规律；朱熔清等[7]以苏州地铁某段为背景，在后行隧道向前掘进过程中对先行隧道管片的径向及轴向附加应力进行监测并统计分析。当前对隧道管片衬砌结构变形监测不仅手段丰富，而且技术均十分成熟[8－10]。现场监测并结合数值模拟的研究手段是目前健康监测最常用的研究方式[11－12]，但关于水位变化下过江隧道管片结构纵向变形特征的研究相对偏少。

依托南昌轨道交通4号线安丰站－东新站盾构区间过江隧道工程，在盾构掘进穿过中风化泥质粉砂岩段对管片布设表贴式混凝土应变计，并采用ABAQUS模拟不同水位下管片衬砌结构内表面纵向受力情况，最后将数值模拟值与现场监测数据进行分析对比，归纳得出江面水位变化对过江隧道管片衬砌结构纵向变形影响规律。

2 工程背景

2.1 工程概括

该区间隧道江底段的隧道顶部最大埋深约为25.8 m，线路走向如图1所示。区间隧道在赣江西岸先后下穿淤泥质黏土、粉质黏土、砂砾及强风化、中风化泥质粉砂岩；过江段穿越全断面中风化泥质粉砂岩；东岸先后下穿中砂、粗砂、砂砾、中风化泥质粉砂岩。区间隧道主体处于中风化泥质粉砂岩中并下穿赣江，地层围岩质量以Ⅲ级为主。

图1 线路走向平面

2.2 气象条件

2020年7月起，江西突发持续性强降雨，数十个站点水位超出警戒线，由于受连日赣北强降雨及长江水位顶托影响，赣江水位出现持续上涨，鄱阳湖出现倒灌。截至7月7日，赣江水位南昌段已超出警戒水位0.44 m且仍处于上升状态。南昌地铁4号线过赣江段区间隧道在发生洪涝前不久实现贯通，水位持续上涨势必会对管片造成一定影响，一方面会导致江底隧道最深断面附近因无法及时排水而出现一定程度积水，另一方面管片衬砌结构受到高水压作用，会对服役期内盾构隧道衬砌管片结构产生一定影响。

3 现场监测及分析

3.1 监测断面选取

根据地形地貌条件及水文地质条件，考虑隧道多处于中风化泥质粉砂岩地层中且需研究赣江水位变化对隧道管片的受力影响情况，故选取里程为XK11＋928.607(834环)和XK11＋927.105(835环)处作为监测断面，在该相邻管片布设传感器，该测试断面位于赣江下，埋深约为20 m。监测断面地质剖面如图2所示。

图2 监测断面地质剖面

3.2 表贴式混凝土应变计工作原理

监测仪器采用WY-H3型频率读数仪和表贴式混凝土应变计。WY-H3型频率读数仪可测量实时温度值、应变值、应变差值、传感器编号及频率值(分辨率为0.1 Hz)。应变与频率的计算公式为A＝K·f2，其中A为应变值，f为振弦频率，K为标定系数。考虑到传感器需温度修正，应变计的温度系数为Kt，实测混凝土应变为εi，初始混凝土应变为ε0，实测温度为T，初始温度为T0，可得到修正后的混凝土应变表达式为:ε＝(εi－ε0) ＋Kt·(T－T0)。 最终根据应力应变的换算关系σ＝E·ε，将现场监测到的应变转化为应力。

3.3 测点布置

区间盾构隧道统一采用圆形断面，假定衬砌管片受力情况对称，故在布设表贴式混凝土应变计时，将其安装在第834环和第835环管片衬砌结构内表面一侧的拱底、拱腰及拱顶处。在每环监测管片衬砌结构内表面安装3个表贴式混凝土应变计，其中拱底处应变计编号分别为24449-07和47734-07，在拱腰处安装的应变计编号分别为46762-07和13029-07，在拱顶安装的应变计编号分别为00224-07和58302-07。为方便描述，将此命名为应变计1～应变计6。测试元件现场安装如图3所示。

图3 隧道管片测试元件现场安装

3.4 监测计划及监测数据

自2020年8月初开始开展管片衬砌结构纵向应变监测工作，为不破坏管片结构，考虑到采用粘贴式混凝土应变计，其工作有效性很大程度受到隧道内灰尘及湿度影响，故计划总监测周期持续约两个半个月时间，在前一个半月监测频率为三天一次，而在监测周期内的最后一个月将监测频率调整为一个星期一次。监测记录数据包括温度、频率、应变值及赣江水位，自2020年7月6日起至2020年10月30日记录每日赣江水位南昌段实时数据，水位变化情况如图4所示。

图4 赣江南昌段水位变化曲线

由图4可知:自7月6日起由于连续的强降雨，导致赣江水位在短期内急剧上升，赣江南昌段水位于7月11日达到最高23.63 m，超出警戒水位0.63 m，自此水位逐渐下降，在监测周期结束时赣江水位降低至16.13 m。以监测周期内的现场实测数据作为总样本，6个应变计纵向应变变化如图5所示。

图5 管片内表面纵向应变历时变化曲线

通过对隧道纵向位移监测结果进行整理以及对监测数据进行分析，可以发现在监测周期初期时应变值变化幅度较大，主要是因为粘胶结硬过程中会对应变计产生一定内部力，但整体看仍可反映出应变变化规律。由应变历时曲线可知，水位变化对管片变形存在较大影响，水位越高，管片纵向应变愈大，混凝土管片沿隧道方向纵向应变历时曲线呈现出显著的偏相关特性，具体如下:

(1)在强降雨后赣江水位出现持续稳步的下降，在监测周期内水位由监测初期的近21 m降至16 m，在此期间内布设在拱底的应变计数值随着水位下降而降低，管片拱底区域受压，应变计1数值从2 880降至2 805，累计降低75；应变计2数值从3 047下降至3 005，共计降低42，在总体上体现下降趋势的同时，细节上表现出变化，具有非平稳性。

(2)随着水位逐渐下降，应变计3数值从2 533上升到2 603，且应变计4数值从2 799上升到2 862，应变累计变化分别增加70与63。由现场实测数据归纳可知水位降低会造成管片衬砌结构内表面拱腰区域纵向受拉。

(3)随着水位逐渐下降，应变计5数值从2 771降到2 607，且应变计6数值从3 324降至3 129，应变累计变化分别减少164和195。经现场实测数据分析发现水位降低会造成管片衬砌结构内表面拱顶区域纵向受压。

4 监测断面数值模拟分析

选取南昌轨道交通4号线过江隧道中的一段进行分析，利用有限元软件建立三维数值模型。隧道埋深为20 m，约为3倍管径，整体模型尺寸为(24×50×39)m(X、Y、Z向)。盾构模型具体参数如表1所示。

表1 盾构隧道模型参数

通过水位高度变化换算得到作用于模型顶部的均布作用力以及孔压，将此作用施加于模型可以得到不同水位下管片衬砌结构纵向应力模拟值，如图6～图8所示。应力为正值表示管片衬砌结构纵向受力方向与X轴正方向一致，即管片衬砌结构处于受拉状态，反之应力为负值时表示管片衬砌结构处于纵向受压状态。

图6 不同水位下监测管片内侧拱底处纵向应力模拟值

图7 不同水位下监测管片内侧拱腰处纵向应力模拟值

图8 不同水位下监测管片内侧拱顶处纵向应力模拟值

可以看出，在隧道纵向上管片整体受到一个沿隧道行进方向的剪应力作用，在隧道底部剪应力最大，隧道管片拱底区域受到的纵向应力在数值上比管片顶部和底部区域的纵向应力大约高半个数量级，且隧道管片顶部和底部区域受拉，而隧道管片拱腰处为受压状态。

水位从21 m降至16 m过程中，管片衬砌结构纵向应力数值降低，其中在834环管片处，管片拱底区域纵向应力由873 kPa降低至635 kPa，拱腰区域纵向应力由－562 kPa降低到－421 kPa，拱顶区域由295 kPa降至52 kPa。在835环管片处，管片拱底区域纵向应力由811 kPa降为613 kPa，拱腰区域纵向应力由－509 kPa降低到－387 kPa，拱顶区域由302 kPa降至80 kPa。可见当水位越高时，隧道管片受到的纵向应力在数值上会变大，虽然管片拱底区域受到的纵向应力最大，但在拱顶区域纵向应力受水位影响变化幅度最大，这是因为一方面水作为外荷载作用于隧道结构上，隧道顶部直接受到水位变化影响，由此产生的作用力变化不大，但变化幅值大，进而导致其在水位变化下管片拱顶处应变变化量比拱底及拱腰区域大；另一方面由于水位的上升，额外会对隧道结构产生一定的上浮力，此类上浮力主要作用于隧道结构拱底至拱腰区域，可导致管片拱底区域应力较大幅度增加，沿隧道纵向断面在上浮力的作用下有可能导致隧道结构发生不均匀沉降。

5 结论

以南昌地铁4号线区间过江隧道为工程背景，采用现场监测和数值模拟方法研究不同赣江水位对管片衬砌结构拱底、拱腰及拱顶处隧道纵向受力变形规律，得到主要结论如下:

(1)水位持续变化对管片衬砌结构内表面纵向位移影响偏小，但仍具有一定影响规律，水位降低会造成管片衬砌结构的拱底和拱顶区域出现受压现象，而在拱腰处表现为受拉状态，水位下降幅度越大，管片衬砌受拉或者受压作用愈严重。

(2)管片拱顶区域应变值变化受水位影响最大，在同等条件下拱底区域应变值受水位影响最小。在监测周期内当水位由21 m降至16 m后，监测管片拱底区域应变压缩量分别为75与42，拱腰区域应变值拉伸量分别为70与73，而管片拱顶区域应变值压缩量分别可达到164与195。