蔣向陽

(中國鐵建投資公司，100855，北京∥高級工程師)

盾構由于其諸多優(yōu)點，近年來在隧道建設中使用越來越廣泛。然而，盾構隧道設計的理論基礎仍不成熟，目前主要以土力學理論、結構理論、連續(xù)介質理論為指導［1］。地下結構的理論計算方法有荷載結構法和地層結構法［2］，荷載結構法是目前隧道結構理論計算用的最多的一種方法［3］。管片是盾構隧道的重要組成部分，由于其復雜的力學特性，在施工過程中經常會出現(xiàn)管片結構的破壞，例如出現(xiàn)錯臺、破損、滲漏水等問題［4-5］。研究已經證實，盾構隧道施工階段和運營階段管片襯砌結構的受力特性存在很大的差異［6］。在隧道運營階段，其受力特性一般被簡化為平面應變問題，相關的研究也較為成熟;而在施工階段，管片襯砌結構受到千斤頂推力、注漿壓力、盾殼作用力、上浮力、拼裝荷載，以及其他多種荷載的共同作用，具有典型的三維特性，不能簡化為平面模型。目前，由于進行管片力學特性的現(xiàn)場監(jiān)測工作比較困難，因此，對于施工階段管片結構受力分析的研究多局限于數(shù)值分析或者模型試驗［7］，理論研究遠遠滯后于工程實踐的發(fā)展。

近年來，眾多的盾構隧道工程實踐表明，施工荷載及其對管片造成的影響和破壞，已不容忽視，因為這往往是管片破損、裂縫、錯臺、滲漏水的原因所在。對盾構隧道管片施工期所受荷載的研究以及各種施工荷載對管片襯砌結構的影響研究和防治，已經愈發(fā)迫切。

本文以揚州瘦西湖隧道為研究對象，針對大直徑泥水盾構隧道施工期管片襯砌所受荷載情況和力學特性開展研究，并在此基礎上討論施工期管片結構的保護措施。

1 工程概況

1.1 地質條件

揚州市區(qū)位于長江北岸，處在長江三角洲頂端，由一級階地、高砂平原和長江河漫灘組成，地貌類型屬長江下游流水地貌，地勢稍有起伏，地面標高3.35～40.26 m［8］。本工程盾構段土層空間分布呈層狀，土層起伏情況和厚度較穩(wěn)定。本路段地基土層厚度、頂板標高及圍巖分級詳見表1。

表1 盾構段地基土層分布表

1.2 瘦西湖盾構隧道

揚州瘦西湖隧道是目前國內在建的第一座位于國家5A 級風景名勝區(qū)內的雙層雙向行車的隧道。隧道由湖東明挖段、湖東風塔、湖東工作井(始發(fā)井)、盾構段、湖西工作井(接收井)、湖西風塔、湖西明挖段等組成［9］。揚州瘦西湖隧道是揚州市城市總體規(guī)劃中的重要城市交通通道之一。該項目西自維揚路與楊柳青路的交叉口，東至漕河西路與史可法路的交叉口，含瘦西湖隧道及瘦西湖東西兩側的地面接線道路配套工程，包括主體隧道工程、附屬工程、機電設備工程、匝道工程及地面接線道路工程。工程位置及范圍示意圖如圖1所示。

瘦西湖隧道采用盾構法施工，隧道外徑14.5 m，內徑 13.3 m。管片厚度 60 cm，環(huán)寬 2.0 m，管片布置采用“7 +2 +1”形式，采用1/3 錯縫方案進行拼裝。

圖1 揚州瘦西湖隧道工程位置及范圍示意圖

相鄰管片在環(huán)、縱縫面采用螺栓連接，環(huán)縫面安裝剪切銷。典型斷面管片布置形式如圖2所示。

圖2 典型斷面管片布置形式

盾構段(K0 +897～K2 +175)全長1 278 m，工作井分別設置在稅務總局黨校操場內和長春路東側，長春路工作井為始發(fā)井，稅務局黨校內工作井為接收井。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測斷面設計

根據盾構隧道穿越地層的工程地質與水文地質條件，以及管片布置形式、隧道結構設計方案，確定布設4 個監(jiān)測斷面監(jiān)測管片結構受力情況。監(jiān)測斷面分別位于始發(fā)井洞門處、江中最深覆土處、江中超淺埋處和接收井洞門處。

監(jiān)測內容包括管片襯砌和地層間應力、管片在荷載作用下的鋼筋應力和混凝土變形。表2 為各斷面監(jiān)測傳感器布置情況。

表2 各斷面監(jiān)測傳感器布置表 個

2.2 傳感器布設

目前，國內外用于管片結構受力監(jiān)測的傳感器多采用先進的光柵傳感技術。該技術的最大優(yōu)勢是可實現(xiàn)多傳感器的級聯(lián)復用，從而能大幅度降低單個傳感器的布設成本。同時，該技術還具有耐久性好、無電磁干擾等優(yōu)勢［10］。

2.2.1 柔性土壓力計

弦式柔性土壓力計用于監(jiān)測盾構管片外側土壓，每塊管片外側設置1 個，每個斷面布設10 個。圖3 為單個管片土壓力盒安裝示意圖。

圖3 土壓力計安裝示意圖

安裝步驟為:在鋼筋籠上焊接托架;將柔性土壓力計固定于托架上;在管片內側預埋接線盒;將柔性土壓力計的導線引入接線盒內，并對導線做好保護。圖4 為布設完成的土壓力計。

圖4 布設完成的土壓力計

2.2.2 光柵鋼筋應力計

光柵鋼筋應力傳感器用于監(jiān)測:①管片主筋應力。每塊管片內外側各設置1 個，每個斷面布設20個。②管片縱向鋼筋應力。每個斷面F 和B4 塊管片內外側各設置1 個，每個斷面布設4 個。圖5 為單個光柵鋼筋應力計的安裝示意圖。

圖5 光柵鋼筋應力計安裝示意圖

安裝光柵鋼筋應力計時，要注意做好保護措施，以免光柵在混凝土澆筑、振搗和拆模等施工過程中被損傷。

安裝步驟為:

(1)打磨。為了保證光柵鋼筋計與鋼筋的充分接觸，避免光柵彎曲導致傳感器誤差，應首先用銼刀對待測鋼筋進行拋光，然后用砂紙打磨，使鋼筋表面平整光滑。

(2)清洗。用脫脂棉球沾丙酮將打磨處擦洗干凈，避免粉塵、油污對鋼筋表面的污染。

(3)黏貼。光柵鋼筋計沿著鋼筋待測應變方向縱向布設，用502 膠水將光柵鋼筋計與鋼筋平整黏貼。

(4)保護。考慮到光柵鋼筋計的緩沖與防潮，采用環(huán)氧樹脂(AB 膠)進行封裹，用紗布纏裹進行密封、緩沖保護。引出段需用護套保護。

(5)鋪設傳感器光纜。光柵鋼筋計光纜沿縱向從鋼筋下表面引出，保證光纜在混凝土澆筑、振搗等施工過程中不被直接磨損。在混凝土的澆筑、振搗等過程中，傳輸光纖很容易受到沖擊，所以應盡量減少傳輸光纖在混凝土內部的布設長度。一般在距離傳感器較近的模板上開洞，將傳輸光纖沿著鋼筋內側引出，容易被破壞的地方可加護套保護;引出時應盡量避免光纖彎折過大，否則會造成反射的光信號很弱，甚至沒有信號。

2.2.3 光柵混凝土應變計

光柵混凝土應變傳感器用于監(jiān)測:①管片混凝土環(huán)向應變。每塊管片內外側各設置1 個，每個斷面布設20 個。②管片混凝土縱向應變。每個斷面F 和B4 塊內外側各布設1 個，每個斷面布設4 個。光柵混凝土應變計的安裝示意圖及布設后的效果圖如圖6 和圖7所示。

2.3 數(shù)據采集

在監(jiān)測管片環(huán)拼裝前，記錄各傳感器的初始讀數(shù)，在管片環(huán)拼裝完成后開始現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測管片環(huán)拼裝完成后不同時間段的讀數(shù)頻率見表3。

表3 監(jiān)測管片環(huán)拼裝完成后不同時間段的讀數(shù)頻率

圖6 光柵混凝土應變計安裝示意圖

圖7 布設及包扎好的混凝土應變計

3 監(jiān)測結果

隧道監(jiān)測環(huán)第75 環(huán)里程號為K2 +010，圖8 為該斷面在2013年4月28日到5月11日各管片承受土壓力的變化曲線圖。圖9 為該時間段內各管片溫度變化曲線圖。圖10 為該段時間內各管片鋼筋應變的變化曲線圖。所有傳感器初始值于管片安裝前統(tǒng)一采集。

圖8 土壓力值變化曲線圖

從圖8 可見，監(jiān)測環(huán)管片安裝就位后，從4月28日到5月11日，各管片所受土壓力值在100～300 kPa 之間，壓力值隨隧道進尺而緩慢下降;在開挖面距離監(jiān)測斷面超過約30 m 后，曲線趨于平穩(wěn)。從圖9 可見各管片溫度值在18～25 ℃之間，溫度變化平穩(wěn)。從圖10 可見，鋼筋承受的壓應力在緩慢增大。

圖9 溫度變化曲線圖

4 計算模型

為便于進行理論值與實測值的對比分析，建立隧道在拼裝階段及運營階段的有限元模型，對試驗環(huán)在拼裝階段及正常運營階段的管片結構內力進行有限元分析。計算分析中，千斤頂推力考慮為管片拼裝階段襯砌結構承受的最主要外部荷載，該階段總推力介于50 000～80 000 kN 之間;推力作用于千斤頂撐靴覆蓋的區(qū)域;推力分布考慮了各組千斤頂實際推力的大小并最終簡化為梯形分布，頂部小底部大(如圖11所示)。此外，根據現(xiàn)場實測，承受水土壓力和注漿壓力等作用力的荷載值介于150～300 kPa 之間。隧道轉入正常運營階段后，由于千斤頂引起的隧道縱向軸力受到地層變形影響將逐步削弱，因此考慮水土壓力荷載為主要荷載。模型頂部超載考慮了平均水位2.1 m 的影響。運營階段的有限元模型如圖12所示。

圖11 拼裝階段的有限元模型

圖12 運營階段的有限元模型

管片結構在正常運營階段承受的軸力和彎矩如圖13、14所示。圖中標注的數(shù)值點分別代表試驗環(huán)監(jiān)測點布設部位的管片內力的計算值(軸力以管片受壓為正，受拉為負;彎矩以管片內弧面受拉為正，外弧面受拉為負)?？梢?，在正常運營階段，受水土壓力荷載、接頭位置、環(huán)間變形協(xié)調等因素的綜合影響，管片結構的軸力沿隧道斷面的豎向軸線近似對稱，腰部軸力最大，拱底次之，拱頂最小，軸力基本處于6 000～11 000 kN 之間。與正常運營階段管片結構承受的軸力類似，彎矩沿隧道斷面的豎向軸線近似對稱，彎矩值介于-1 350～1 300 kN·m 之間，腰部最大，拱頂、拱底次之，兩肩最小。

圖13 軸力理論計算值

圖14 彎矩理論計算值

5 分析與討論

試驗監(jiān)測的主要對象為4 個典型管片環(huán)的結構荷載及內力在施工期的變化。本次研究分析主要以75 環(huán)展開。

5.1 荷載的分布規(guī)律

該試驗監(jiān)測的結構荷載是指柔性土壓力計的監(jiān)測結果，其中75 環(huán)的結構荷載與時間的關系如圖15所示。從圖中可以看出，隨著工序的推進，結構荷載逐漸變小直到數(shù)值趨于平穩(wěn);同步注漿1 周之后，注漿所帶來的高荷載效應基本消散［11］;75 環(huán)完成后的240 d，進入荷載平穩(wěn)狀態(tài)。

監(jiān)測結果顯示，注漿所帶來的結構荷載超載達70～100 kPa。為對實測最大結構荷載、穩(wěn)定荷載以及計算荷載進行對比，選取監(jiān)測斷面典型區(qū)域進行對比分析。結果表明(具體數(shù)值見表4)，L1、B1(位于監(jiān)測斷面右上方)的計算結果較實測值偏小，B4、B6 以及B7(位于監(jiān)測斷面左下方)的計算結果較實測值偏大。而所有監(jiān)測區(qū)域的計算結果均大于穩(wěn)定荷載，穩(wěn)定荷載與計算荷載之比在0.7 左右;B4 的穩(wěn)定荷載與計算荷載之比為0.88，較其他試塊偏大。

圖15 襯砌結構荷載隨時間變化圖

表4 實測荷載與計算結構荷載比較 kPa

為研究結構荷載沿管片環(huán)向的分布情況，特選擇75 環(huán)2 個時間點(同步注漿和襯砌完成1 個月后)的襯砌結構荷載分布進行研究。通過數(shù)據分析可以看出(見圖16)，在同步注漿階段，相鄰管片F(xiàn)以及L1 分別為結構荷載最大值(250 kPa)處與最小值(160 kPa)處。而襯砌完成1 個月后，荷載分布均勻，呈頂?shù)状笞笥倚〉姆植紶顟B(tài)。

圖16 襯砌結構荷載的分布圖

通過以上數(shù)據分析可以看出，注漿壓力會導致局部管片結構荷載驟升，從而造成荷載分布不均的現(xiàn)象。

5.2 結構內力的分布規(guī)律

該監(jiān)測試驗的結構內力通過光柵混凝土應變計的監(jiān)測數(shù)據計算得來。計算時，假設管片為簡單的偏心受壓構件。結構彎矩以內側受拉為正，結構軸力受壓為正。圖17 為75 環(huán)部分管片鋼筋應力隨時間變化曲線。

通過數(shù)據分析可以看出，在襯砌完成初期，鋼筋應力小;隨著注漿工序的開展，鋼筋應力增大;完成200 d 后，鋼筋應力逐漸趨于穩(wěn)定。這一變化趨勢與襯砌結構荷載隨時間變化趨勢一致。穩(wěn)定時期的鋼筋應力較注漿階段的鋼筋應力最大值增長20 MPa。同時，管片受拉受壓區(qū)域的分布與理論相似。

圖17 鋼筋應力隨時間變化圖

圖18、圖19 分別為第75 環(huán)部分管片塊的彎矩監(jiān)測圖和軸力監(jiān)測圖?？梢钥闯觯{階段的結構彎矩呈較為強烈的波動狀態(tài);在注漿結束后的穩(wěn)定時期，結構彎矩增大并逐漸趨于平穩(wěn);管片受拉受壓區(qū)域的分布與理論相似。

結構軸力在注漿后會有一個增大的趨勢，隨后軸力降低，趨于穩(wěn)定。其變化的時間節(jié)點與趨勢均與結構荷載相類似。最大軸力是穩(wěn)定軸力的1.7倍，由此可見注漿對軸力的影響。

圖18 部分管片塊結構彎矩隨時間變化圖

圖19 部分管片塊結構軸力隨時間變化圖

通過以上的數(shù)據分析可以看出，注漿對結構內力影響較大，其變化的時間節(jié)點與結構荷載相吻合。其中，管片結構彎矩的變化是先增大，后趨于穩(wěn)定;機構軸力在經歷注漿階段的增大時期后會先降低一段時間，最后才趨于穩(wěn)定。注漿階段對彎矩以及軸力均會產生一段波動時期。

6 結 論

為了確保盾構隧道施工安全、加快施工進度和降低施工成本，本文采用管片受力監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法，對大直徑盾構隧道管片結構受力進行了實測和理論計算。采用柔性土壓力計、光柵鋼筋應力計、光柵混凝土應變計對管片結構受力實施監(jiān)測，實時掌握各管片受環(huán)境地質作用與管片結構的力學響應，對確保施工階段工程的順利實施有著重要意義。取得的主要研究成果如下:

(1)本文中采用的監(jiān)測方法能夠較為準確地反映結構荷載與內力分布變化情況，監(jiān)測方案設計較為成功。

(2)計算結果表明，注漿階段，管片結構的軸力沿隧道斷面的豎向軸線近似對稱，腰部軸力最大，拱底次之，拱頂最小，軸力基本處于6 000～11 000 kN之間。

(3)注漿壓力會明顯增加管片結構荷載，并造成不均勻分布的現(xiàn)象。在監(jiān)測設計時，應當注意注漿孔與結構設計的對應關系。

(4)注漿階段的結構內力會出現(xiàn)明顯的波動現(xiàn)象，其中結構軸力最容易受到注漿作用的影響。

本文選擇的試驗監(jiān)測斷面，因施工情況處在單一可控狀態(tài)，因此僅從注漿的角度進行分析。今后的研究可以綜合復雜施工情況，考慮地下水位以及周邊土體環(huán)境變化對管片結構荷載以及內力等各方面的影響。

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