李 雪，周順華，王培鑫，李曉龍

（同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804）

1 引言

城市地鐵盾構(gòu)隧道中襯砌上的土壓力是非常重要的巖土工程問題，土壓力作為隧道結(jié)構(gòu)承受的主要荷載，是隧道設(shè)計(jì)的基本依據(jù)之一[1]。然而，由于隧道問題牽涉到許多復(fù)雜的因素，特別是與施工方法相關(guān)的因素難于在計(jì)算中反映，一直沒有成熟的解決方法，與其他國家一樣，盾構(gòu)隧道理論研究明顯落后于工程實(shí)踐，尤其是對(duì)盾構(gòu)周邊土壓力的分析研究尚不夠深入。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)作用在盾構(gòu)管片上的土壓力研究多偏重于經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)。研究方法分為3種：理論計(jì)算[2，2－5]、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)。理論計(jì)算包括基于松弛土壓力的概念和應(yīng)力重分布的概念2種，分別對(duì)應(yīng)荷載結(jié)構(gòu)法和地層結(jié)構(gòu)法中土壓力的計(jì)算。國內(nèi)外以模型試驗(yàn)研究居多，Potts等[6]、Cording等[7]通過常規(guī)小比例尺隧洞的物理模型試驗(yàn)表明，地基初始靜壓力系數(shù)K0不僅影響隧洞周圍土體的塑性變形形態(tài)，而且影響位移總量。周小文等[8－9]、張?jiān)频萚10]通過離心試驗(yàn)對(duì)砂土地層中盾構(gòu)周邊土壓力進(jìn)行了研究?，F(xiàn)場(chǎng)量測(cè)方面，Koyama[11]闡述了日本盾構(gòu)隧道的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了管片長(zhǎng)期土壓力分布規(guī)律。Atkinson等[12]通過現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)土壓力，對(duì)幾個(gè)斷面進(jìn)行檢測(cè)，分析了管片的受力情況。孫鈞等[13]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)盾構(gòu)隧道周邊土壓力，實(shí)測(cè)結(jié)果垂直地層壓力為（0.6～1.07） Hγ，側(cè)壓力系數(shù)K為0.91～1.18，提出在軟土地基中圓環(huán)受力比較均勻，截面處于小偏心受壓狀態(tài)。周濟(jì)民等[14－15]，何川等[16]、江英超等[17]、張厚美等[18]、肖中平等[19]對(duì)盾構(gòu)隧道施工期現(xiàn)場(chǎng)管片受力進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，對(duì)施工期和穩(wěn)定的盾構(gòu)管片周邊土壓力分布及規(guī)律進(jìn)行研究。

盾構(gòu)隧道周圍土壓力是一個(gè)土-結(jié)構(gòu)相互作用的問題，土壓力的大小和分布取決于土-結(jié)構(gòu)相互作用形態(tài)，包含了許多復(fù)雜的因素，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土壓力分布和規(guī)律指導(dǎo)設(shè)計(jì)荷載是較為可行的辦法。為了探究不同地層中作用在盾構(gòu)管片土壓力行為，本文以國內(nèi)外為數(shù)不多的工程實(shí)測(cè)土壓力為基礎(chǔ)，對(duì)作用在盾構(gòu)隧道管片上的土壓力規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，包括施工期土壓力變化及長(zhǎng)期穩(wěn)定后土壓力分布規(guī)律，定性分析了管片土壓力影響因素。

2 不同地層盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定土壓力分布規(guī)律

按照結(jié)構(gòu)荷載法的理論，地層作用于結(jié)構(gòu)的壓力分為初始的主動(dòng)荷載以及隨后為抵抗結(jié)構(gòu)變形的被動(dòng)抗力[20]。主動(dòng)荷載與地層的特性及施工對(duì)地層的擾動(dòng)有關(guān)，地層抗力與結(jié)構(gòu)的尺寸、地層的特性以及結(jié)構(gòu)與地層的剛度比有關(guān)[21]。

在大量的盾構(gòu)隧道建設(shè)工程中僅有很少一部分工程實(shí)例中對(duì)盾構(gòu)隧道所受的土壓力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，盾構(gòu)周邊土壓力通過在管片背后埋設(shè)土壓力盒來量測(cè)。量測(cè)的土壓力包括土壓力和水壓力，土壓力盒直接量測(cè)的周邊土壓力，也稱為總土壓力。作用在管片上的有效土壓力不包括水壓力，即總土壓力值減去相應(yīng)位置處水壓力。另有一些實(shí)例中隧道周邊水壓力是設(shè)置水壓力計(jì)量測(cè)，通過調(diào)研國內(nèi)外盾構(gòu)隧道周邊土壓力現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析長(zhǎng)期作用下盾構(gòu)隧道周邊水土壓力的分布規(guī)律。

2.1 黏性土地層

選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土壓力和水壓力的3個(gè)工程實(shí)例，穿越地層均位于黏土地層中，外徑分別為3.95、4.95 m和6.2 m，隧頂上覆土厚度分別為22、13 m和12 m。黏土地層3個(gè)工程案例水土壓力沿管片環(huán)向分布情況如圖1所示。從圖1（a）、1（b）可以看出，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，作用在襯砌管片上的土壓力隨時(shí)間在逐漸變動(dòng)，日本學(xué)者[11]認(rèn)為產(chǎn)生這種變化的原因可能是大氣溫度影響的結(jié)果。同時(shí)，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以得出，盾構(gòu)隧道處于黏土地層中，襯砌周邊總土壓力很快穩(wěn)定，總土壓力分布整體上對(duì)稱分布，且較均勻。從圖1（c）、1（d）可以看出，作用在襯砌周邊水土壓力分布規(guī)律類似，作用在襯砌上的有效土壓力（總土壓力減去水壓力）值較小，總土壓力分布接近對(duì)稱分布。黏性土地層中盾構(gòu)隧道周邊總土壓力荷載主要為水壓力，有效土壓力較小。

圖1 黏土地層水土壓力沿管片環(huán)向分布圖[11，19]（單位：kPa）Fig.1 Distribution of earth pressure in clayey layers[11，19](unit:kPa)

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2.2 砂性土地層

選取盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地層為砂土的3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)土壓力分布的工程實(shí)例進(jìn)行分析。所選案例盾構(gòu)隧道外徑分別為5.10、9.8、6.2 m，隧頂上覆土厚度分別為17、19、12 m。砂土層中3個(gè)工程案例水土壓力沿管片環(huán)向分布圖如圖2所示。圖2（a）、2（b）分別為前兩個(gè)隧道穩(wěn)定后水土壓力分布圖，其中土壓力表示管片所受總土壓力（土壓力盒量測(cè)結(jié)果）。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)穩(wěn)定結(jié)果可以看出，砂土地層中土體滲透系數(shù)較大，作用在襯砌上水壓力占主導(dǎo)作用，有效土壓力很小，總土壓力接近對(duì)稱分布。從圖2（c）、2（d）可以看出，作用在襯砌管片的水壓力相比總土壓力而言，分布更均勻?qū)ΨQ。同樣可以看出總土壓力中有效土壓力很小，作用在襯砌上的荷載以水壓力為主。

圖2 砂土層水土壓力沿管片環(huán)向分布圖[11，16]（單位：kPa）Fig.2 Distribution of earth pressure in sand layers[11，16](unit:kPa)

2.3 砂卵石地層

選取盾構(gòu)掘進(jìn)地層為砂卵石的3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)水土壓力工程實(shí)例，所選工程案例盾構(gòu)隧道外徑分別為3.35、6.20、4.75 m，隧頂上覆土厚度分別為25、10、12 m。施工穩(wěn)定后砂卵石地層中水土壓力沿管片環(huán)向分布情況如圖3所示。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)作用在襯砌上的穩(wěn)定水土壓力結(jié)果來看（見圖3（a）），砂卵石地層中有效土壓力約占總土壓力的30%，同樣作用在襯砌上的穩(wěn)定荷載仍然以水壓力為主。從穩(wěn)定水土壓力（見圖3（b））來看，很大的有效土壓力作用在盾構(gòu)隧道襯砌上，原因?yàn)樵撍淼赖貙拥叵滤惠^低，靜水壓力較小，從圖中可以看出，有效土應(yīng)力占主導(dǎo)，在一定程度上隧道襯砌周邊總土壓力分布較不均勻，呈現(xiàn)上大下小的特征。圖3（c）實(shí)測(cè)結(jié)果的表明，作用在盾構(gòu)隧道襯砌上的荷載只有水壓力，有效土壓力幾乎為0，總土壓力分布均勻且對(duì)稱。

圖3 砂卵石地層水土壓力沿管片環(huán)向分布圖[11]（單位：kPa）Fig.3 Distribution of earth pressure in gravel layers[11](unit:kPa)

2.4 黃土地層

所選盾構(gòu)隧道穿越地層為具有結(jié)構(gòu)均勻無層理、疏松、大孔隙、垂直節(jié)理發(fā)育等特點(diǎn)的黃土地層，所選工程實(shí)例盾構(gòu)管片外徑為6.0 m，隧頂上覆土厚10 m，地層中地下水位位于隧道起拱線處。黃土地層現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)作用在盾構(gòu)襯砌環(huán)上穩(wěn)定土壓力分布情況如圖4所示。從圖中可以看出，由于地下水位較低，上部土壓力以有效土壓力為主，穩(wěn)定后土壓力分布不均勻，呈現(xiàn)中間大兩端小的分布形態(tài)，起拱線下部土壓力為總土壓力，穩(wěn)定后土壓力分布相對(duì)上部較均勻。從量值上可以看出，作用在襯砌上的土壓力小于采用上覆土柱計(jì)算的土壓力。

圖4 黃土地層土壓力沿管片環(huán)向分布[17]Fig.4 Distribution of earth pressure in loess layers[17]

3 襯砌結(jié)構(gòu)幾何尺寸和剛度對(duì)管片土壓力的影響

國外學(xué)者[21]提出采用地層襯砌剛度系數(shù)α 反映管片剛度對(duì)周邊土壓力大小的影響?？偨Y(jié)國內(nèi)6個(gè)對(duì)管片周邊土壓力進(jìn)行量測(cè)的盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，盾構(gòu)幾何尺寸及穿越土層情況見表1。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)少，還不足以進(jìn)行定量分析，因此定性分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)豎向土壓力、水平穩(wěn)定土壓力隨地層襯砌剛度系數(shù)α 的變化規(guī)律：

式中：Es為土的壓縮模型；R為管片半徑；EI為管片截面剛度。

Pv/Pv0和地層襯砌剛度系數(shù)α 之間的關(guān)系，見圖5（a），Pv為盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)拱頂穩(wěn)定豎向土壓力；Pv0為隧道上覆總土壓力。由圖中可以看出，實(shí)測(cè)拱頂土壓力大小與地層襯砌剛度系數(shù)α 有關(guān)，Pv/Pv0與地層襯砌剛度系數(shù)α 呈2次相關(guān)，當(dāng)?shù)卅?<1.5時(shí)，Pv/Pv0隨α 增大而減小，說明地層剛度和襯砌剛度相差越大；Pv/Pv0就越大，但從實(shí)測(cè)結(jié)果看，Pv僅為上覆總土壓力的1/2；當(dāng)?shù)卅?>1.5時(shí)，Pv/Pv0隨著地層襯砌剛度系數(shù)的增大，逐漸增大。從結(jié)構(gòu)受力角度分析，當(dāng)?shù)貙右r砌剛度系數(shù)為1.5左右時(shí)，隧道頂部土壓力值最小，結(jié)構(gòu)受力越小。

Ph/Pv和地層襯砌剛度系數(shù)α 之間的關(guān)系如圖5（b）所示，其中，Ph為盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)隧道拱腰處穩(wěn)定土壓力。由圖中可以看出，實(shí)測(cè)Ph/Pv與地層襯砌剛度系數(shù)α 有關(guān)。側(cè)壓力系數(shù)與地層襯砌剛度系數(shù)為2次相關(guān)，實(shí)測(cè)結(jié)果側(cè)壓力系數(shù)范圍為0.4～1.0之間，主要集中在0.4～0.8之間。

表1 盾構(gòu)及穿越地層基本情況Table 1 Descriptions of shield tunnel and geology conditions

圖5 盾構(gòu)周邊土壓力與地層剛度襯砌系數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationships between earth pressure and the stiffness ratio

4 盾構(gòu)施工臨時(shí)荷載對(duì)管片土壓力的影響

4.1 同步注漿對(duì)盾構(gòu)管片土壓力的影響

為了研究盾構(gòu)隧道施工過程中同步注漿壓力及注漿量對(duì)盾構(gòu)隧道管片短期及長(zhǎng)期作用下土壓力大小及分布特征，日本學(xué)者[11]通過一工程實(shí)例論證了同步注漿對(duì)管片周邊土壓力的影響。該盾構(gòu)隧道外徑為5.3 m，試驗(yàn)選取地層分別為黏土層及粉砂層。試驗(yàn)方案基本情況見表2，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

表2 同步注漿對(duì)管片土壓力影響試驗(yàn)方案Table 2 Backfill grouting of the test

圖6 不同同步注漿方案管片周邊土壓力分布（單位：kPa）Fig.6 Distribution of earth pressure under different grouting schemes(unit:kPa)

圖6（a）為黏性土層試驗(yàn)結(jié)果，圖6（b）為砂性地層試驗(yàn)結(jié)果。由圖中可以看出，無論是在黏性地層還是砂性地層，如果同步注漿壓力較低，同步注漿率較小，作用在盾構(gòu)管片上的總土壓力分布就較小，也較均勻。相反，如果同步注漿壓力大，同步注漿率大，作用在盾構(gòu)管片上的總土壓力較大且分布及不均勻。原因可能為作用在管片周邊和地層之間的同步注漿漿液，大的注漿壓力和較大的注漿率使盾構(gòu)管片承受更大的荷載，尤其在敏感地區(qū)對(duì)管片的受力不利，這種現(xiàn)象在室內(nèi)試驗(yàn)也被證實(shí)。

4.2 盾尾刷及盾尾油脂壓力對(duì)管片周邊土壓力的影響

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾尾刷擠壓及盾尾油脂壓力會(huì)對(duì)盾構(gòu)管片造成擠壓，圖7為某盾構(gòu)掘進(jìn)過程中管片土壓力隨著盾尾刷位置不同時(shí)土壓力變化情況，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)盾尾刷通過管片時(shí)，作用在管片上的最大土壓力是該位置地層壓力的2倍左右。盡管壓力很大，但其持續(xù)時(shí)間較短，盾尾刷通過后作用在管片上的壓力迅速降低，因此管片設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮施工過程各因素對(duì)管片的影響，確保施工過程最大土壓力小于管片材料容許值，保證管片的結(jié)構(gòu)不受損壞。

圖7 盾尾刷對(duì)管片周邊土壓力影響Fig.7 Influence of tail brushes on the segments

5 盾構(gòu)管片土壓力隨時(shí)空的變化規(guī)律

某地鐵盾構(gòu)隧道周邊土壓力隨時(shí)間變化情況如圖8、9所示。該盾構(gòu)隧道外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，管片寬1.5 m，管片厚0.3 m。隧頂上覆土厚約10 m，地下水位在地面以下約3.3m?，F(xiàn)場(chǎng)采用土壓力盒量測(cè)管片所受總土壓力，其中包括土壓力和水壓力。從圖8中可以看出，管片周邊土壓力分為3個(gè)階段，第一階段管片拼裝完成到開始注漿階段，該階段，管片還未脫出盾尾，管片壓力以接觸壓力為主，量值較小；第二階段管片脫出盾尾后同步注漿階段，從開始注漿到注漿結(jié)束，這段時(shí)間管片周邊壓力變化量較大，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果來看，管片最大土壓力出現(xiàn)在注漿階段，注漿時(shí)管片所受最大土壓為穩(wěn)定時(shí)的約2～3倍，并且注漿時(shí)管片土壓力分布相對(duì)不對(duì)稱；第三階段注漿結(jié)束48 h以后，盾尾壁后漿液初凝之后總土壓力基本穩(wěn)定，48 h之后土壓力變化量就較小。總體上看，穩(wěn)定后管片所受土壓力較小，且管片處于偏壓狀態(tài)。

圖8 管片周邊土壓力隨施工空間變化圖Fig.8 Distribution of earth pressure with stages

圖9 管片周邊土壓力隨時(shí)間變化時(shí)程曲線Fig.9 Relationships between earth pressure and time

從圖9為管片周邊單個(gè)測(cè)點(diǎn)總土壓力隨時(shí)間的變化情況可見，土壓力變化分為4個(gè)階段。拼裝階段：由于管片未接觸周圍土體，土壓傳感器顯示值為初始應(yīng)力，其值較小不足20 kPa；注漿階段至初凝階段：盾尾脫出后，管片接觸到土體，同步注漿開始，此階段作用在管片上的土壓力波動(dòng)較大，注漿過程土壓力達(dá)到最大值，在120～170 kPa之間，土壓力分布很不均勻；漿液凝固階段：該階段土壓力開始逐漸回落，隨著同步注漿漿液凝固時(shí)間延長(zhǎng)管片周邊土壓力逐漸穩(wěn)定，該種類型土壓力穩(wěn)定時(shí)間大約為100 h；穩(wěn)定階段：作用與管片上的土壓力基本穩(wěn)定，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)小幅度變化，原因可能為大氣溫度影響的結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）地下水位較高時(shí)，作用在盾構(gòu)管片上的長(zhǎng)期穩(wěn)定土壓力以水壓力為主，有效土壓力較小，總土壓力沿環(huán)向分布均勻；地下水位較低時(shí)，作用在管片上的穩(wěn)定土壓力以有效土壓力為主，但土壓力沿環(huán)向分布不均勻，作用在管片上的總土壓力大小及分布與土層中靜水壓力大小不可忽略。

（2）作用在管片上的穩(wěn)定土壓力大小與地層襯砌剛度比有關(guān)，當(dāng)?shù)貙右r砌剛度系數(shù)為1.5時(shí)，盾構(gòu)管片土壓力最小，結(jié)構(gòu)受力較好。

（3）盾構(gòu)施工期臨時(shí)荷載同步注漿及盾尾刷對(duì)管片土壓力的影響不能忽略，尤其是地層差異較大地區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明較小的同步注漿壓力及同步注漿率有利于作用在管片上土壓力的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

（4）盾構(gòu)管片土壓力隨時(shí)空變化分為3個(gè)階段，同步注漿階段，漿液凝固階段，后期穩(wěn)定階段。其中同步注漿階段管片周邊最大土壓為穩(wěn)定土壓力的2～3倍。因此，施工期有效控制同步注漿壓力對(duì)減小管片受力是有利的。

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