梁 霄， 官林星， 溫竹茵， 孫 巍， 柳 獻

(1. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092； 2. 同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092)

矩形盾構(gòu)隧道管片襯砌施工期結(jié)構(gòu)性能的現(xiàn)場試驗研究： 結(jié)合上海虹橋臨空11-3地塊地下連接通道工程

梁 霄1， 官林星1， 溫竹茵1， 孫 巍1， 柳 獻2，*

(1. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司， 上海 200092； 2. 同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092)

本文以國內(nèi)首條矩形盾構(gòu)隧道工程為背景，對矩形盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)在整個施工期的荷載及結(jié)構(gòu)響應進行現(xiàn)場追蹤測試，探索襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的主要受力階段、結(jié)構(gòu)外荷載及其響應隨時間的變化規(guī)律，以全面掌握矩形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的受力行為。研究結(jié)果表明： 1)襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的受力可劃分為自重階段、脫出盾尾階段、同步注漿階段和穩(wěn)定荷載階段； 2)脫出盾尾階段和同步注漿階段的結(jié)構(gòu)外荷載分別為穩(wěn)定荷載階段的1.5～3.0倍和1.5～2.5倍，為襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的2個不利受力階段； 3)穩(wěn)定荷載階段的結(jié)構(gòu)外荷載及其分布與理論計算較為吻合； 4)襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的內(nèi)力基本滿足左右對稱，內(nèi)力分布特征與運營階段基本一致。

矩形盾構(gòu)隧道； 襯砌結(jié)構(gòu)； 受力階段； 現(xiàn)場試驗； 力學行為

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程加快，長距離、大斷面地下通道在大城市交通發(fā)展中扮演著越來越重要的角色。相比傳統(tǒng)的圓形隧道，矩形隧道在空間占用率、淺埋深施工、施工中斷面切削量和建設工期等方面均具有發(fā)展優(yōu)勢，更符合現(xiàn)代化都市核心區(qū)大斷面地下通道的建設要求[1-2]。

關(guān)于矩形盾構(gòu)隧道，目前僅在日本有工程實例，如千葉縣習志野市菊田川2號干線采用的矩形排水隧道、日本京都高速鐵路東西線采用的大斷面矩形盾構(gòu)隧道等[2-4]，而國內(nèi)尚沒有矩形盾構(gòu)隧道的應用實例。由于盾構(gòu)隧道通常需要穿越大量建筑物、地下管線以及各類復雜地層，施工面臨嚴峻挑戰(zhàn)，施工期管片襯砌的受力特性可歸納為典型三維特性、不確定性和不可忽視性[5-6]。因而，對矩形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的受力性能進行研究具有重要意義。

針對圓形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工期受力行為的研究，國內(nèi)外學者開展了較為廣泛的現(xiàn)場試驗。Mashimo等[7]通過盾構(gòu)隧道現(xiàn)場測試，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析管片上的實際荷載，研究得到設計中管片恒定荷載的取值；何川等[8]以南京地鐵1號線穿越砂性地層盾構(gòu)隧道為研究對象，通過現(xiàn)場試驗研究，得出盾構(gòu)隧道盾尾注漿、水壓力、千斤頂頂力等對砂性地層中管片受力影響較大，施工影響范圍為5～7環(huán)；唐孟雄等[9]分析了廣州地鐵2號線赤崗—鷺江區(qū)間隧道管片結(jié)構(gòu)在施工期各種工況下的受力特性，結(jié)果表明注漿壓力對管片的受力影響較大，設計時應考慮注漿壓力等施工荷載；葉冠林等[10]以上海長江隧道工程為依托，進行了施工荷載的現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明盾尾注漿引起的附加荷載在管片受到的各種荷載當中是最大的，施工荷載的最大值大于或接近設計水土壓力，但其分布比設計值均勻；周濟民等[11]以獅子洋水下盾構(gòu)隧道為背景，對管片襯砌在施工期和后期所受外荷載和內(nèi)力進行長期現(xiàn)場追蹤測試，總結(jié)了襯砌結(jié)構(gòu)外荷載和內(nèi)力隨時間的變化規(guī)律。

已有研究較為深刻地分析了圓形盾構(gòu)隧道施工荷載對結(jié)構(gòu)受力的影響以及結(jié)構(gòu)在施工階段的受力特性，其研究方法和思路對研究矩形盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在施工期的受力行為具有借鑒作用；另外對襯砌結(jié)構(gòu)在施工全過程以及不同受力階段的結(jié)構(gòu)受力和聯(lián)系性方面尚需進一步深入研究。

本文依托國內(nèi)首條矩形盾構(gòu)隧道工程，對矩形襯砌結(jié)構(gòu)在整個施工過程的荷載及結(jié)構(gòu)響應進行現(xiàn)場追蹤測試，探索襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的主要受力階段、結(jié)構(gòu)外荷載及其響應隨時間的變化規(guī)律和分布規(guī)律，以全面了解矩形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的受力行為，為矩形盾構(gòu)隧道的設計和施工提供指導和借鑒。

1 工程簡述

1.1 工程概況

本試驗依托上海虹橋臨空11-3地塊地下連接通道工程，該連接通道采用矩形盾構(gòu)法施工，為國內(nèi)首條大斷面矩形盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道長約30 m，覆土厚度約為6 m，其縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道工程縱斷面圖(單位： m)

1.2 工程地質(zhì)條件與管片形式

隧道工程地質(zhì)條件與襯砌結(jié)構(gòu)見圖2，地層參數(shù)見表1。隧道主要通過的地層為③2灰色砂質(zhì)粉土和④灰色淤泥質(zhì)黏土。

隧道采用通縫拼裝方式。結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸為9.75 m×4.95 m，管片厚度為0.55 m，環(huán)寬1.0 m。管片間共布置28根縱向螺栓，各管片塊接縫處布置4根環(huán)向螺栓。

該矩形盾構(gòu)隧道采用鋼-混凝土組合管片結(jié)構(gòu)，管片內(nèi)外表面及端面均為鋼板，內(nèi)部充填混凝土。

圖2 隧道工程地質(zhì)條件與襯砌結(jié)構(gòu)(單位： mm)

地層厚度/m重度/(kN/m3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)壓縮模量/MPa比貫入阻力/MPa②2．118．52019．55．160．66③11．917．51217．53．190．77③21．6518．74299．042．41④1216．811112．210．64

1.3 施工流程

該隧道工程的施工流程可概括為“盾構(gòu)推進、出土—管片塊吊裝—管片拼裝—螺栓施擰”的循環(huán)過程，如圖3所示。隧道施工中，盾構(gòu)出土過程是由運土車將渣土運出隧道，盾構(gòu)處于停機狀態(tài)。

(a) 盾構(gòu)推進、出土

(b) 管片塊吊裝

(c) 管片拼裝

(d) 螺栓施擰

圖3 隧道施工流程

Fig. 3 Tunnel construction process

根據(jù)隧道施工流程，可以將某一管片環(huán)由推進、拼裝到其脫出盾尾定義為一個施工循環(huán)。該施工循環(huán)包括若干施工工序，在每一施工工序下，盾尾附近各管片環(huán)的狀態(tài)如圖4所示。

(a) 13環(huán)推進

(b) 13環(huán)拼裝、螺栓施擰

(c) 14環(huán)推進，13環(huán)接觸盾尾刷

(d) 14環(huán)拼裝、螺栓施擰

(e) 15環(huán)推進，13環(huán)逐漸脫出

(f) 15環(huán)拼裝、螺栓施擰盾尾，14環(huán)接觸盾尾刷

(g)16環(huán)推進，13、14環(huán)逐漸遠離

(h) 16環(huán)拼裝、螺栓施擰盾尾，15環(huán)接觸盾尾刷

圖4 施工循環(huán)中各管片環(huán)的狀態(tài)示意圖

Fig. 4 Status of different segments during tunnel construction cycle

2 測試方案

2.1 測試內(nèi)容與數(shù)據(jù)采集方法

現(xiàn)場試驗測試斷面選取原則： 1)地基承載力較小處； 2)隧道周邊地層變化較大處； 3)隧道上方作用荷載最不利處。根據(jù)以上原則，本次試驗共選取3個測試斷面，分別為第13環(huán)(標準斷面)、第19環(huán)(位于雨水管下方)和第26環(huán)(處于隧道進洞土體加固區(qū))，其具體位置見圖1。

試驗主要測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)采集頻率見表2。

表2 測試內(nèi)容及數(shù)據(jù)采集頻率

為得到施工期結(jié)構(gòu)外荷載及其響應的高密度數(shù)據(jù)，以對矩形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工期受力行為的分析提供全面數(shù)據(jù)支撐，現(xiàn)場試驗采用無線實時測試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集通過設置在傳感器連接端的一臺數(shù)據(jù)采集發(fā)生器完成，無線傳輸則分為2個部分完成(第1部分是隧道的數(shù)據(jù)采集發(fā)生器通過Zigbee協(xié)議無線傳輸數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)采集接收終端；第2部分為數(shù)據(jù)采集接收終端再將采集的數(shù)據(jù)通過中國移動GPRS無線上傳至技術(shù)中心的數(shù)據(jù)處理中心)，從而保證試驗數(shù)據(jù)的高密度連續(xù)采集與穩(wěn)定實時傳輸。

2.2 測點布置

結(jié)構(gòu)外荷載、表面應變和螺栓軸力分別通過柔性土壓力計、鋼板計及應變片組合和螺栓軸力計進行測試，各測試斷面?zhèn)鞲衅鳒y點布置如圖5所示。

圖5 各測試斷面?zhèn)鞲衅鳒y點布置(單位： mm)

Fig. 5 Layout of monitoring points of sensors on different cross-sections (mm)

第13環(huán)管片外表面共布置12個柔性土壓力計，編號T1—T12(其中T9—T12安裝在第14環(huán)相應位置處，由于第13環(huán)和第14環(huán)埋深與地層條件相似，認為其可反映第13環(huán)相應位置的結(jié)構(gòu)外荷載)；第19環(huán)管片外表面布置8個柔性土壓力計，編號T201—T208；第26環(huán)管片外表面布置4個柔性土壓力，編號T301—T304。

在第13環(huán)和第19環(huán)均選取13個測試截面(結(jié)構(gòu)內(nèi)力最大的截面以及接縫兩側(cè)截面)，編號JM1—JM13，每個截面處管片內(nèi)外表面沿寬度方向均布置4個應變片，另外在管片內(nèi)表面沿寬度中心布置1個鋼板計。

在第13環(huán)和第19環(huán)均選取8個縱向螺栓軸力測點，測點選取以均勻布置、能夠反映結(jié)構(gòu)橫斷面縱向受力分布為原則；另外選取16個環(huán)向螺栓軸力測點，其中在受力較大的B、E縫分別布置4個測點，受力較小的A、C、D和F縫分別布置2個測點。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 施工期襯砌結(jié)構(gòu)的受力階段劃分

根據(jù)矩形盾構(gòu)隧道的施工過程，施工期襯砌結(jié)構(gòu)受力可劃分為4個主要階段，以測試第13環(huán)為例。

1)自重階段。第13環(huán)在拼裝完成后到開始脫出盾尾前的階段，如圖4中(a)—(b)所示。在該階段，襯砌結(jié)構(gòu)主要受到自身重力的作用，整個管片環(huán)和盾殼內(nèi)表面基本無接觸。

2)脫出盾尾階段。第15環(huán)推進，第13環(huán)由開始脫出盾尾到完全脫出盾尾的過程，如圖4中(d)—(e)所示，結(jié)構(gòu)由被盾尾刷和油脂包裹過渡到被漿液環(huán)完全包裹。

3)同步注漿階段。第16環(huán)推進，第14環(huán)逐漸脫出盾尾，第13環(huán)由剛脫出盾尾到其縱向距離盾尾1 m的過程，如圖4中(f)—(g)所示，結(jié)構(gòu)完全處于漿液環(huán)的包裹中。

4)穩(wěn)定荷載階段。第17環(huán)及后續(xù)管片環(huán)依次推進，第13環(huán)逐漸遠離盾尾，結(jié)構(gòu)外荷載及其響應趨于穩(wěn)定的過程。

3.2 主要試驗結(jié)果描述與分析

以測試第13環(huán)為例，結(jié)合3.1中劃分的受力階段對現(xiàn)場試驗的結(jié)果進行描述和分析。

3.2.1 結(jié)構(gòu)外荷載

分別在結(jié)構(gòu)頂部、兩側(cè)和底部選取部分代表測點對其所測結(jié)構(gòu)外荷載進行分析，不同位置處測點的結(jié)構(gòu)外荷載變化曲線如圖6所示。

(a) T1、T2測點(結(jié)構(gòu)頂部)

(b) T7、T9、T11測點(結(jié)構(gòu)兩側(cè))

(c) T4、T6、T10測點(結(jié)構(gòu)底部)

3.2.1.1 總體變化規(guī)律

由各測點在整個施工期的荷載變化曲線可知，結(jié)構(gòu)頂部、兩側(cè)和底部外荷載的變化趨勢基本一致，即盾構(gòu)施工因素對結(jié)構(gòu)不同位置處外荷載變化的影響基本一致。

結(jié)構(gòu)頂部的T1、T2測點處荷載值在大部分時間段內(nèi)比較吻合；結(jié)構(gòu)兩側(cè)的 T11處荷載相比T7和T9處偏小，T7和T9處荷載值在大部分時間段內(nèi)比較接近；結(jié)構(gòu)底部的T6處荷載相比T4和T10處偏小，T4和T10處荷載值在大部分時間段內(nèi)比較接近。

結(jié)合上述規(guī)律和各測點位置可得，襯砌結(jié)構(gòu)在施工階段與運營階段的外荷載類別和大小不同，但其荷載分布特點近似，相同埋深處荷載相近，荷載與埋深呈正相關(guān)，且荷載呈左右對稱；襯砌結(jié)構(gòu)幾何形狀特征對荷載分布的影響，即結(jié)構(gòu)底部靠近兩側(cè)區(qū)域的荷載大于中心區(qū)域的荷載，與考慮地層結(jié)構(gòu)法的矩形框架結(jié)構(gòu)底部反力分布相似。

3.2.1.2 脫出盾尾階段

該階段對應第15環(huán)推進過程，結(jié)構(gòu)各部位測點處荷載均呈現(xiàn)較大波動，并有荷載明顯增大后減小的現(xiàn)象(如測點T1、T4、T6、T7、T9和T11處荷載曲線)，局部測點處荷載出現(xiàn)大幅度的振蕩現(xiàn)象(如測點T2處)。

根據(jù)3.1中受力階段的劃分，該階段同時作用到襯砌結(jié)構(gòu)上的外荷載種類較多，包括水土壓力、同步注漿壓力、盾尾刷擠壓力、油脂壓力以及臨時局部集中力；同時，不同的盾構(gòu)推進速度會影響同步注漿壓力和油脂壓力的大小，盾構(gòu)推進距離會影響各荷載的作用范圍，盾構(gòu)推進與出土(盾構(gòu)停止推進)的間歇進行會引起作用在結(jié)構(gòu)上的注漿壓力和油脂壓力的變化，盾尾姿態(tài)變化會引起結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生集中荷載(其大小和作用位置具有較大的隨機性)。

因此，襯砌結(jié)構(gòu)在該階段受力非常復雜，其荷載在宏觀上(測試結(jié)果)表現(xiàn)為較大的波動狀態(tài)。盾構(gòu)在停機出土過程中，已經(jīng)注出的漿液和油脂壓力逐漸消散引起結(jié)構(gòu)外荷載降低，再繼續(xù)推進時，隨著新的漿液和油脂注出，其壓力引起結(jié)構(gòu)外荷載相應增大；盾構(gòu)在推進過程中的姿態(tài)變化和調(diào)整，會引起盾尾與管片軸線位置的偏差，相應地在結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生大小、作用時間和位置不一的集中荷載，從而引起結(jié)構(gòu)外荷載整體出現(xiàn)較大的振蕩。

3.2.1.3 同步注漿階段

該階段對應第16環(huán)推進過程，在實際施工中，第16環(huán)分為2次推進完成。在中間間隔時間段(對應圖6中26～52 h)盾構(gòu)處于停機狀態(tài)。從圖6可以看出，在第16環(huán)開始推進時，結(jié)構(gòu)各測點處荷載均明顯增大，隨后呈先快后慢的趨勢減??；在間隔時間段，各測點處荷載基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

根據(jù)3.1中受力階段的劃分，該階段結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全脫離盾尾，外荷載主要為水土壓力和同步注漿壓力。在盾構(gòu)推進的同時進行注漿，較大的注漿壓力迅速作用到結(jié)構(gòu)上，引起荷載明顯增大，隨后盾構(gòu)停止推進(出土過程)，新的漿液不再注入，注漿壓力隨著漿液的擴散而逐漸消散，結(jié)構(gòu)外荷載降低；在間隔時間段，盾構(gòu)處于停機狀態(tài)，盾尾推進產(chǎn)生的同步注漿壓力已消散，此時作用在管片上的荷載為水土壓力，因而結(jié)構(gòu)外荷載在該時間段基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，同時，該時間段各測點的壓力值與最終穩(wěn)定后的壓力值相當，說明此時全部的水土壓力均已作用在管片上。

3.2.1.4 穩(wěn)定荷載階段

該階段對應第18環(huán)推進完成后，結(jié)構(gòu)荷載呈緩慢減小并最終趨于穩(wěn)定。根據(jù)3.1中受力階段的劃分，在該階段結(jié)構(gòu)已逐漸遠離盾尾，注漿壓力擴散不到測試管片環(huán)上，結(jié)構(gòu)與土體逐漸達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)外的水土壓力逐漸趨于穩(wěn)定。

3.2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變

分別在結(jié)構(gòu)頂部和兩側(cè)選取部分代表測試截面對其所測結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變進行分析，不同測試截面處的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變變化曲線如圖7所示。

3.2.2.1 總體變化規(guī)律

由各測試截面在整個施工期的內(nèi)表面應變變化曲線可知，結(jié)構(gòu)頂部和兩側(cè)內(nèi)表面應變的變化趨勢基本一致，即盾構(gòu)施工因素對結(jié)構(gòu)不同位置內(nèi)力的影響是基本一致的。

結(jié)構(gòu)頂部3個測試截面的應變均為拉應變，JM1處結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變大于JM2和JM13處，JM2和JM13處的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變比較接近；結(jié)構(gòu)兩側(cè)的測試截面處應變均為壓應變，JM5和JM9處的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變比較接近。

結(jié)合上述規(guī)律和各測點位置可得，襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的內(nèi)力分布與運營期的內(nèi)力分布特點近似，即結(jié)構(gòu)頂部為正彎矩區(qū)，結(jié)構(gòu)兩側(cè)為負彎矩區(qū)，且內(nèi)力基本滿足對稱。

3.2.2.2 脫出盾尾階段

該階段結(jié)構(gòu)各測試截面處內(nèi)表面應變開始較小，然后有一個增加的過程，之后應變值有所回落。該現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)外荷載在該階段的變化特征相對應，即初始狀態(tài)下結(jié)構(gòu)主要受盾尾刷擠壓力，之后隨著結(jié)構(gòu)逐漸脫出盾尾，已出盾尾的結(jié)構(gòu)部分作用有同步注漿壓力和部分水土壓力，尚處于盾尾內(nèi)的結(jié)構(gòu)部分作用有盾尾刷擠壓力和油脂壓力，引起結(jié)構(gòu)頂部內(nèi)表面拉應變和結(jié)構(gòu)兩側(cè)內(nèi)表面壓應變增大；在盾構(gòu)停止推進(出土過程)，注漿壓力和油脂壓力消散，從而引起應變值減小。盾尾姿態(tài)變化引起的局部集中力并未造成結(jié)構(gòu)應變發(fā)生突變，驗證了該作用力僅為局部荷載，且荷載持續(xù)時間不長。

(a) JM1、JM2和JM13截面(結(jié)構(gòu)頂部)

(b) JM5和JM9截面(結(jié)構(gòu)兩側(cè))

3.2.2.3 同步注漿階段

該階段結(jié)構(gòu)各測試截面處內(nèi)表面應變表現(xiàn)為明顯增大后又逐漸減小，在盾構(gòu)停機的間隔時間段(對應圖7中26～52 h)，結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的應變變化規(guī)律與結(jié)構(gòu)外荷載在該階段的變化規(guī)律相對應，同步注漿壓力的作用及其消散引起結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變先增大后逐漸減??；盾構(gòu)停機時，結(jié)構(gòu)外荷載基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變亦處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2.4 穩(wěn)定荷載階段

該階段結(jié)構(gòu)各測試截面處內(nèi)表面應變均逐漸趨于穩(wěn)定，與結(jié)構(gòu)外荷載在該階段逐漸趨于穩(wěn)定的規(guī)律相一致。

3.2.3 連接螺栓軸力

分別在結(jié)構(gòu)頂部、左側(cè)、底部和右側(cè)選取代表測點，測得縱向螺栓軸力隨受力階段的變化曲線如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)縱向螺栓軸力隨受力階段的變化曲線

各測點處的結(jié)構(gòu)縱向螺栓軸力隨受力階段的變化曲線基本為直線，即結(jié)構(gòu)縱向螺栓軸力基本不受受力階段的影響，H1、H2、H4和H6測點處結(jié)構(gòu)縱向螺栓軸力分別為49、35、14、112 kN。

3.3 不同受力階段的試驗結(jié)果對比

3.3.1 結(jié)構(gòu)外荷載

根據(jù)試驗結(jié)果提取出結(jié)構(gòu)在不同受力階段的荷載分布及各測點荷載值，如圖9和圖10所示。不同受力階段的測點荷載值均取該階段結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)(時刻)下的測試值；各測點理論計算的水土壓力采用水土合算，結(jié)構(gòu)埋深6 m，土體加權(quán)平均重度取18 kN/m3，靜止側(cè)壓力系數(shù)取0.6，結(jié)構(gòu)底部荷載由溫克爾彈性地基模型求解得到。

圖9 不同受力階段結(jié)構(gòu)外荷載分布(單位： kPa)

Fig. 9 Distribution of external loads during different loading stages (kPa)

圖10 不同受力階段各測點結(jié)構(gòu)外荷載值

Fig. 10 Load values of different monitoring points during different loading stages

由圖9和圖10可以看出:

1)在脫出盾尾階段，各測點結(jié)構(gòu)外荷載普遍較大，多集中在240～330 kPa，與穩(wěn)定荷載階段的荷載比值多集中在1.5～3.0；同時，該階段結(jié)構(gòu)外荷載分布不均勻，如T2測點處荷載達到683 kPa，與穩(wěn)定荷載階段的荷載比值達到6.0以上，與 3.2.1.2 中提到的盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整引起的局部集中力相對應。

2)在同步注漿階段，各測點結(jié)構(gòu)外荷載也相對較大，多集中在200～250 kPa，與穩(wěn)定荷載階段的荷載比值基本為1.5～2.5；結(jié)構(gòu)外荷載基本滿足左右對稱，說明注漿壓力也基本滿足左右對稱。

3)在穩(wěn)定荷載階段，結(jié)構(gòu)頂、底位置的荷載及分布均與理論計算值基本吻合，其中頂部荷載基本呈線性分布，腰部荷載左右對稱且呈梯形分布，底部荷載呈兩端大中間小的分布趨勢。但結(jié)構(gòu)左右腰部位置(如T7和T9處)實測荷載大于理論計算值，說明在實際土體中結(jié)構(gòu)的兩側(cè)存在一定的彈性抗力。

3.3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變

根據(jù)試驗結(jié)果提取出結(jié)構(gòu)在不同受力階段的內(nèi)表面應變分布以及不同測試截面處的應變值，如圖11和圖12所示。不同受力階段測點荷載值均取該階段結(jié)構(gòu)最不利狀態(tài)(時刻)下的測試值。

Fig. 11 Distribution of strain on inner surface of lining structure during different loading stages (×10-6)

圖12 不同受力階段各測試截面結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變值

Fig. 12 Strains on inner surface of lining structure during different loading stages

在脫出盾尾階段，各測試截面(除個別截面，如JM1和JM2外)的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變相比穩(wěn)定荷載階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變較大；同步注漿階段各測試截面的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變均大于穩(wěn)定荷載階段的應變。

在3個不同的受力階段，結(jié)構(gòu)頂部內(nèi)表面應變?yōu)檎?，且其分布呈下凸形，可推斷出結(jié)構(gòu)頂部中間的正彎矩大于兩側(cè)的正彎矩；結(jié)構(gòu)腰部內(nèi)表面應變?yōu)樨摚移浞植驾^均勻，可推斷出結(jié)構(gòu)腰部負彎矩分布也較均勻；同時，結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面應變在不同受力階段基本滿足左右對稱。由此說明，襯砌結(jié)構(gòu)在施工期不同受力階段的內(nèi)力值有所增減，但其分布特征基本不變。

綜上所述，襯砌結(jié)構(gòu)在脫出盾尾階段和同步注漿階段的受力相比穩(wěn)定荷載階段更為不利，尤其在脫出盾尾階段，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)局部荷載過大的情況，在設計時應予以充分考慮。

3.4 不同測試斷面的試驗結(jié)果對比

本次現(xiàn)場試驗共有3個測試斷面(見2.1)，對比3個測試環(huán)在穩(wěn)定荷載階段的結(jié)構(gòu)外荷載及內(nèi)表面應變，以分析不同地層環(huán)境對結(jié)構(gòu)受力的影響。

3.4.1 結(jié)構(gòu)外荷載

3個測試斷面在穩(wěn)定荷載階段的結(jié)構(gòu)外荷載分布如圖13所示。

圖13 不同測試環(huán)在穩(wěn)定荷載階段的結(jié)構(gòu)外荷載分布(單位： kPa)

Fig. 13 Distribution of external loads of lining structures of different test segment rings during stabilizing stage(kPa)

由圖13可以看出，在相同位置測點處，第13環(huán)和第19環(huán)結(jié)構(gòu)外荷載比較相近，但仍有一定的差異。除T3外，第19環(huán)在其他3個測點處的結(jié)構(gòu)外荷載均低于第13環(huán)相應位置的荷載。以上試驗結(jié)果很好地反映出雨水管等管線可承擔一部分水土壓力，使得作用在隧道結(jié)構(gòu)頂部中間區(qū)域的荷載偏小，同樣也引起結(jié)構(gòu)底部的地基反力偏小。

第26環(huán)唯一測點位置(結(jié)構(gòu)頂部中間)處的結(jié)構(gòu)外荷載小于第13環(huán)相應位置處的荷載，反映出加固后的土體具有一定的自承能力，使得襯砌結(jié)構(gòu)所受荷載小于全部上覆土荷載。

3.4.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變

第26環(huán)僅布置有結(jié)構(gòu)外荷載測點，故對比第13環(huán)和第19環(huán)在穩(wěn)定荷載階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變，其應變分布如圖14所示。

圖14 不同測試環(huán)在穩(wěn)定荷載階段結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變分布(單位： ×10-6)

Fig. 14 Distribution of strain on inner surface of lining structures of different test segment rings during stabilizing stage(×10-6)

由圖14可以看出，在穩(wěn)定荷載階段，第13環(huán)和第19環(huán)的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變的空間分布規(guī)律基本一致，結(jié)構(gòu)頂部內(nèi)表面應變?yōu)槔瓚?，腰部?nèi)表面應變?yōu)閴簯儯怀齻€別截面外，第19環(huán)各截面處的應變值均小于第13環(huán)相應位置處的應變值，且在結(jié)構(gòu)頂部的測試截面處，兩環(huán)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面應變差值相對更大。

根據(jù)上述分析以及3.4.1中對結(jié)構(gòu)外荷載的分析結(jié)果，說明雨水管等管線對結(jié)構(gòu)內(nèi)表面應變的分布影響較小，其主要是通過影響結(jié)構(gòu)外荷載從而間接減小了結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的應變值。

4 結(jié)論與討論

本文通過監(jiān)測襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的結(jié)構(gòu)外荷載及響應，揭示了矩形盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的受力特性，可為今后類似隧道工程的設計和施工提供參考。主要結(jié)論如下。

1)襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的受力劃分為4個階段： 自重階段、脫出盾尾階段、同步注漿階段和穩(wěn)定荷載階段，脫出盾尾階段和同步注漿階段為襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的不利受力階段。

2)在脫出盾尾階段，結(jié)構(gòu)主要受盾尾刷擠壓力、油脂壓力、同步注漿壓力和水土壓力的共同作用，處于復合動態(tài)受力狀態(tài)，其中盾尾刷擠壓力受盾尾姿態(tài)的影響，其大小、作用位置變化較大，易引起結(jié)構(gòu)外荷載分布不均；該階段與穩(wěn)定荷載階段結(jié)構(gòu)外荷載的比值基本為1.5～3.0。

3)在同步注漿階段，結(jié)構(gòu)主要受同步注漿壓力和水土壓力的作用，同步注漿壓力及其消散引起結(jié)構(gòu)外荷載隨時間明顯增大而后呈先快后慢的趨勢降低；該階段與穩(wěn)定荷載階段結(jié)構(gòu)外荷載的比值基本為1.5～2.5。

4)在穩(wěn)定荷載階段，結(jié)構(gòu)外荷載的數(shù)值及分布與理論計算較吻合，在實際土體中結(jié)構(gòu)的兩側(cè)存在一定的彈性抗力。

5)在施工期不同受力階段，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力值有所增減，但其分布特征基本不變。

6)與隧道垂直相交的雨水管等市政管線可承擔一部分水土壓力，加固后的土體具有一定自承能力，均會引起結(jié)構(gòu)底部荷載偏小。

7)為獲得襯砌結(jié)構(gòu)外荷載及響應隨時間的高密度數(shù)據(jù)，以反映其變化規(guī)律，無線實時監(jiān)測是必要的。

在脫出盾尾階段和同步注漿階段，對各施工荷載(如注漿荷載、盾尾刷擠壓力等)的作用模式尚需進一步研究，以便更全面地掌握襯砌結(jié)構(gòu)在施工期的受力特性。

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Experimental Study of Structural Performance of Segmental Lining of Rectangular Shield Tunnel during Construction: A Case Study of Underground Connection Gallery in Hongqiao District of Shanghai

LIANG Xiao1, GUAN Linxing1, WEN Zhuyin1, SUN Wei1, LIU Xian2，*

(1. Shanghai Municipal Engineering Design Institute (Group) Co., Ltd., Shanghai 200092, China;2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

The field monitoring test on loading and response of lining structure of a rectangular shield tunnel is carried out; the main loading stages, external load and response of lining structure are discussed, so as to learn the mechanical behavior of lining structure of rectangular shield tunnel during construction. The test results show that: 1) The loading of lining structure during construction can be divided into 4 stages, i.e. dead weight stage, shield tail passed stage, synchronous grouting stage and load stabilizing stage. 2) The load of lining structure in shield tail passed stage and synchronous grouting stage are 1.5-3.0 and 1.5-2.5 time that in load stabilizing stage respectively. 3) The external load and its distribution rules of lining structure in load stabilizing stage coincide with theoretical calculation results. 4)The internal force of lining structure during construction is bilaterally symmetry; and the distribution characteristics of internal force during construction coincide with those during operation.

rectangular shield tunnel; lining structure; loading stage; field tests; mechanical behavior

2016-07-15；

2016-11-27

國家自然科學基金資助項目(51578409)

梁霄(1991—)，男，山東濟寧人，2016年畢業(yè)于同濟大學，隧道及地下建筑工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事道路隧道與地下工程的設計工作。E-mail： m15316712796@163.com。*通訊作者： 柳獻， E-mail： xian.liu@#edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.008

U 455.43

A

1672-741X(2016)12-1456-09