0 引言
盾构隧道已成为当今轨道交通建设的首选形式，在以往中、小断面的盾构隧道基础上，盾构隧道超大直径趋势化愈加明显。盾构管片设计参数受隧道周边的荷载以及内力的影响，水、土压力是隧道管片周边的主要荷载组成，作用于衬砌上的荷载反映了隧道周边围岩与管片间的相互作用，水、土压力不仅与土层性质、管片的物理力学特征有关，还受隧道的尺寸、埋深、形状及施工过程的影响,现场实测数据的收集对综合分析盾构隧道周边荷载有着极其重要的作用。
盾构管片周边土压力的大小及其分布的影响因素，如管片接头形式、地下水位高低、水位变化等,已有众多学者对其进行研究。如周顺华等通过对隧道钢筋应变现场测试，考虑混凝土非线性性质及管片接头，提出更适用于荷载模式复杂且接头传力机制多变的大断面深埋高水压盾构隧道内力算法；李雪等根据大量现场实测土压力数据，分析了地下水位高低、不同地层、施工期临时荷载对盾构隧道土压力的分布规律；吴世明等、Schotte等通过对大直径过江盾构隧道的现场试验，分析了潮汐涨落水位变化对盾构隧道受力和变形的影响。
大直径过江盾构隧道中工程地质和水文地质条件复杂，管片直径越大，结构力学问题越多。因工程难度大，施工风险高，截止目前，国内外修建的大埋深、高水压、越江长距离的越江隧道可借鉴的工程实例较少，因此缺少结合长期监测数据对盾构隧道周边土压力变化规律的研究分析。基于此，亟需对大断面地铁越江盾构隧道周边水、土压力作用进行评价研究。本文在对南京地铁3号线盾构隧道管片进行长期的监测的基础上，对该工程盾构管片的周边荷载及钢筋应力进行现场实测研究，掌握其实际外荷载和结构受力情况，对隧道在不同埋深状态下水土压力以及管片内部应力的大小、分布等规律进行总结和分析，并对其变化原因进行解释，研究成果可为大直径盾构越江隧道管片设计、施工提供参考。
1 工程背景
南京地铁3号线越江区间线路全长约3.3 km, 江中段长约2.1 km, 盾构隧道为单洞双线形式，管片内径为10.2 m、外径为11.2 m、厚度为0.5 m、宽为2 m, 采用通用衬砌环，衬砌圆环分为8块，5标准块(SB)+2邻接块(SL)+1封顶块(SF),使用错缝拼装方式，隧道管片采用C60混凝土预制，管片接缝采用双道弹性密封垫防水。隧道地质纵断面及3个试验环位置如图1所示，各试验环地质剖面图如图2所示。
图1 南京地铁3号线穿越长江段隧道纵断面图
试验环号分别为第479、1 094环和1 384环，断面Ⅰ深埋隧道变形监测剖面位于479环，断面Ⅱ中埋隧道变形监测剖面位于1 094环，断面Ⅲ浅埋隧道变形监测剖面位于1 384环，其地质断面如图2所示，其中第479环位于岸边，1 094及1 384环为江中段，隧顶上覆土埋深分别为34.1 m、14.97 m、12.48 m, 3个典型断面位置处隧顶覆土埋深与盾构外径之比分别为3.04、1.34、1.11,覆土厚度大于(1～2)D(D为管片环外径),当覆土厚度和隧道外径相比较小时，一般不考虑土拱效应，采用全覆土压力作为垂直土压力。管片外荷载采用松弛土压力和全覆土土压力进行计算，采用水土分算法计算隧道衬砌承受的水土压力，盾构隧道穿越的土层多为粉砂、细砂。对探孔进行取样、统计分析，通过直剪快剪试验，采用多级荷重下的抗剪强度回归计算得到c、φ值，通过室内物理力学指标、杆长修正后的标准贯入锤击数N、重型动力触探锤击数标准值推荐确定土体的基本承载力值，此外根据土体固结试验数据加权平均得到弹性模量E,相应的主要物理力学指标见表1。
表1 地层主要物理力学指标
图2 监测断面地质横剖面图
2 试验环监测方案
通过对南京地铁3号线过江隧道的长期监测，根据地质情况和监测方案的不同，分别选择覆土厚度不同的浅埋、中埋、深埋3个典型的隧道剖面进行研究。监测剖面上钢筋计在管片内外主筋处均匀布置，管片外侧应尽可能多地布置的水、土压力传感器，钢筋计测量最大压应力160 MPa, 最大拉应力250 MPa, 精度0.05%。土压力盒量程范围0～4.0 MPa, 测量精度0.08%。孔隙水压力测量范围0～4.0 MPa, 精度0.07%。混凝土浇筑时易损毁预埋的应变计，设计时应当在钢筋的内外侧位置进行绑扎，最后再进行混凝土浇筑施工，如图3所示。
为了获取管片环在安装稳定后其外部荷载及结构受力情况，本次监测内容包括周边土压力、水压力、管片内外侧主钢筋应变值，如表2所示。管片土压力通过预先埋设在管片上的土压力盒直接量测，水压力通过埋设在管片外侧的孔隙水压力计进行测量。此外，钢筋应变值通过频率接收传感器进行监测，定时测量。为了研究土压力以及钢筋应力的分布情况，传感器应尽量考虑沿圆周均匀布置，如图4所示，同时结合管片分块情况，尽可能使每块管片上都埋设有传感器。此外，通过在管片内部布置钢筋计，量测管片内钢筋应变进而反算管片内力，由于施工等因素的影响，部分传感器在施工过程中失效。
图3 土压力盒、应变计的安装
图4 测点布置图
表2 测量项目
3 管片现场实测数据分析
3.1 实测水土压力分析
通过现场实测，各断面的盾构隧道管片周边土压力随时间分布及大小如图5所示。从图中可以看出，不同断面的实测土压力典型位置相同，分别位于隧顶、隧底、起拱线处，实测水压力大致分布在隧底和隧顶。不同位置处管片脱出盾尾时土压力初值有所差异，断面Ⅰ为深埋隧道，穿越地层主要为粉砂、细砂，管片周边实测土压力较长时间才达到稳定状态，土压力在脱出盾尾后出现两个稳定期，第一次稳定出现在脱出盾尾2周至脱出盾尾2个月左右；第二次稳定出现在脱出盾尾4个月后，随时间变化逐渐趋于稳定，其中隧顶管片土压力最大值超过800 kPa, 第二次稳定相对于第一次来说隧顶土压力最大上升幅度达到60%,盾构管片周边土压力最终趋于稳定状态至少需4个月，隧顶土压力随时间的变化曲线和隧底土压力基本吻合，隧底、隧顶水压力在脱出盾尾后分别达到370 kPa、270 kPa左右，始终处于相对稳定状态。
断面Ⅱ中等埋深断面隧底土压力在脱出盾尾约40 d后开始稳定，约90 d后缓慢增加，最大值较稳定时超过40 kPa, 起拱线及隧顶土压力脱出盾尾后一直处于稳定状态，隧底、隧顶水压力在脱出盾尾后分别达到360 kPa、300 kPa, 隧顶土压力随时间的变化曲线和起拱线土压力基本吻合；断面Ⅲ浅埋隧道隧底土压力始终处于稳定状态，隧底和起拱线的周边土压力变化曲线相同，在稳定70 d左右后土压力开始下降，下降超过约60 kPa, 大约20 d后，隧底和起拱线土压力值重新恢复。
各断面管片水、土压力变化原因：①施工扰动，盾尾脱出管片后，盾构掘进过程中会引起周边土体的扰动，并且管片后注浆以及施工时的临时荷载也会影响周边土压力的分布，当施工扰动减弱，注浆完成，临时荷载对周边土压力的影响逐渐消失，水土压力恢复稳定；②断面Ⅰ(H/D=3.04)在经历2个稳定期后最终稳定，隧底、隧顶水压力保持不变，隧底、隧顶土压力的跃增可能是由于施工期土体受到扰动，隧道与土体之间的压力也随之受到影响，其影响大约在50 d后逐渐减小，最后重新稳定，对钢筋应力的变化也有一定影响；③隧道埋深对水、土压力的大小有着较大影响，断面Ⅰ,上覆土层厚度大，水、土压力的波动较小，达到稳定时间较长，相较于断面Ⅱ(H/D=1.34)、断面Ⅲ(H/D=1.11),水头高度较大，断面Ⅱ、断面Ⅲ的水头高度高达42 m、37 m, 盾尾脱出后，由于注浆压力以及水土压力作用在管片上，实测水土压力波动较大，尤其是断面Ⅲ始终难以维持稳定；④断面Ⅱ、断面Ⅲ上覆土层厚度相对较浅，水压力作为上覆荷载的主要组成部分，管片周边荷载的大小受水压力的影响显著。断面Ⅲ中隧顶、隧底出现明显的水压力上升或下降时，相应部位的土压力随之下降或上升，可见水压力的浮动变化对土压力的显著影响。
3.2 实测钢筋应力分析
3个断面的盾构隧道管片内外侧钢筋应力随时间分布及大小如图5所示。从图中可以看出，不同断面的实测钢筋内外侧应力典型位置相同，分别位于隧顶、隧底、起拱线处，内、外侧主筋均处于受压状态。①断面Ⅰ管片在脱出盾尾后3～50 d内外侧钢筋应力都呈增长的趋势，从典型位置的变化曲线可以看出，钢筋应力变化出现两次稳定期，第一阶段从脱出盾尾30 d至80 d左右；第二阶段从管片脱出盾尾7周左右逐渐趋于稳定，第二个稳定阶段相对第一个来说各位置处钢筋应力的增幅低于10%左右；断面Ⅱ管片在脱出盾尾后各实测点位应力趋于稳定，除个别位置处数据变化异常，变化曲线无明显波动；断面Ⅲ水头高度相对较大，管片在脱出盾尾后16周左右内波动频繁，总体而言各位置处均有一个较小幅度的降低，尤其隧顶外弧面在40～60 d内变化明显，钢筋应力的降幅达到30%,60 d后钢筋应力恢复逐渐趋于稳定，断面Ⅱ、断面Ⅲ个别数据的突变可能是由于局部荷载过大或施工活动的影响，如局部的二次注浆、隧道内附属设备的安装等；②管片脱出盾尾后，钢筋应力初值较大，各个断面管片内外侧钢筋应力整体变化规律与水、土压力变化趋势基本相符，管片周边水土压力的稳定阶段与钢筋应力的稳定阶段有着一定的对应性，但钢筋应力的稳定阶段相对滞后；③断面Ⅰ、Ⅱ覆土埋深较大，管片脱出盾尾后注浆扰动和周边土体的变形较小，管片在接触土体后能充分的发挥承载能力，钢筋应力总体相对稳定。断面Ⅲ水头高度大，覆土埋深相对小，周边土体承载能力弱，水土压力的浮动变化致使钢筋应力曲线难以稳定；④断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的起拱线处的钢筋应力普遍较高，在外部荷载的作用下，管片顶部和底部表现为外侧压紧内侧张拉，可能是因为隧道顶部的水土压力较大，隧道穿越的土层主要为粉砂、细砂，水平抗力系数较大；⑤钢筋应力曲线的浮动变化范围较周边土压力偏小，管片的整体刚度较大，环形管片整体承受荷载时，即使土压力显著变化，分配到管片钢筋上荷载也相对较小。
图5 水土压力随时间变化曲线
对于长江中下游水位来说，其典型水位包括常水位、百年一遇和三百年一遇，本文在正常水文年进行施工监测，且各典型断面监测时间相对较短，监测期内水位的变化幅度小，故未分析长江水位的变化对各监测指标的影响。
4 管片实测内力与理论值对比分析
为了进一步研究大直径越江盾构隧道的管片内力大小及分布，分别采用设计中较为常用的修正惯用法及梁-弹簧法计算隧道衬砌内力，模型的计算参数如表3所示，修正惯用法直接提取数值计算结果，为了消除边界影响，梁-弹簧法每断面选取3环管片进行计算，采用典型断面的中间环管片数值模拟结果。
图6 钢筋应力随时间变化曲线
表3 模型计算参数
通过对盾构管片脱出盾尾后钢筋计监测数据的提取分析，假设混凝土与钢筋不发生相对位移，对衬砌内力实测反算并与2种设计方法计算的管片内力进行对比分析。由于部分元器件在监测过程中损坏或测量数据偏差较大，管片部分位置处内力结果发生缺少。
结果表明，采用修正惯用法和梁-弹簧法计算大直径越江盾构隧道管片内力与根据实测反算的管片内力分布规律基本吻合，但数值上有一定差异，修正惯用法与梁-弹簧法在隧道顶部和底部设计计算的弯矩值相对偏小，而在起拱线位置处相对偏大，整体上各个断面的设计计算的管片轴力偏小。
图7 盾构隧道弯矩和轴力分布
由管片弯矩的计算结果对比分析可知，实测反算的管片弯矩与梁-弹簧法的计算结果在拱顶和起拱线位置处更为接近，断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在拱顶位置处的计算弯矩是实测反算弯矩的65%～75%左右，在起拱线位置实测弯矩约高于计算弯矩的66%,断面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ隧道顶部管片内侧明显受拉，断面Ⅰ隧道底部管片相较断面Ⅱ、Ⅲ受拉明显，各断面起拱线位置处均未出现明显受拉，可能是断面Ⅰ覆土埋深最大，断面Ⅱ、Ⅲ埋深相对较浅，隧道顶部和底部内侧受拉有所差异，且衬砌结构的整体刚度较大，各断面所穿越的土层多为粉砂、细砂，水平抗力大，水平方向的变形和弯矩较小。
由管片轴力的计算结果对比分析可知，2种方法的计算轴力基本吻合，而实测反算轴力是修正惯用法和梁-弹簧法计算轴力的2倍左右，与上海长江外径15 m的大直径公路隧道[7]的研究结果基本相同，隧道施工期以及施工后的一段时间实测轴力较计算轴力偏大，因此在大直径越江盾构隧道的设计和施工中要特别注意管片结构设计。
总体而言，通过实测反算内力与计算结果分析，梁-弹簧法计算的管片内力与实测结果更相符合，能够更真实地反映结构的受力状态，更适用大直径越江盾构隧道的计算。
5 结论
(1)大直径越江盾构隧道在施工期以及施工后一段时间管片土压力实测值变化明显，各断面在40～120 d左右开始进入土压力稳定期，管片后注浆以及施工时的临时荷载等对周边土压力的变化影响明显，水压力实测值随时间的变化幅度很小。
(2)管片脱出盾尾后，各断面钢筋应力初值较大，管片内外侧钢筋应力整体变化规律与水、土压力变化趋势基本相符，管片周边水土压力的稳定阶段与钢筋应力的稳定阶段有着一定的对应性，但钢筋应力的稳定阶段相对滞后，当上覆土层与覆水厚度相对较小时，钢筋应力的波动显著。
(3)采用修正惯用法和梁-弹簧法计算大直径越江盾构隧道管片内力与实测反算结果分布规律基本吻合，隧道顶部和底部设计计算的弯矩值相对偏小，而在起拱线位置处相对偏大，实测反算轴力是修正惯用法和梁-弹簧法计算轴力的2倍左右，在大直径越江盾构隧道的设计和施工中要特别注意管片的结构设计。总体而言，梁-弹簧法计算的弯矩和轴力与实测结果更相符合，能够更真实地反映结构的受力状态，更适用大直径越江盾构隧道的计算。
摘自《地下空间与工程学报 》