軟土地基大直徑地鐵盾構隧道運營期襯砌結構受力特性現場測試研究

王 建， 葉宇航， 劉加福， 徐文田， 柳 獻，*

(1. 廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510010； 2. 同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092)

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軟土地基大直徑地鐵盾構隧道運營期襯砌結構受力特性現場測試研究

王 建1， 葉宇航2， 劉加福1， 徐文田1， 柳 獻2，*

(1. 廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣東 廣州 510010； 2. 同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092)

為了解大直徑地鐵盾構隧道襯砌結構的受力性能，基于廣州軌道交通4號線南延段大直徑地鐵盾構隧道工程，采用水土壓力計和鋼筋應力計傳感器對襯砌結構運營期間的外荷載和鋼筋應力進行現場測試，得到襯砌結構外荷載和內力的響應規律。通過襯砌結構計算模型理論值與現場測試結果的比較，說明襯砌結構計算模型的合理性。研究結果表明： 1)襯砌結構頂部的水土總壓力實測值和上覆土柱的重力基本一致； 2)襯砌結構底部的水土總壓力呈現中間小、兩邊大的分布形態，計算模型中可在襯砌結構下部半圓周范圍內布置土彈簧模擬襯砌結構的實際受力情況。

軟土； 大直徑地鐵盾構隧道； 襯砌結構外荷載； 內力響應； 現場測試

0 引言

大直徑盾構隧道廣泛應用于市政工程、越江、越海以及大型公路隧道的建設中[1-6]。地鐵隧道的建設通常采用較小直徑的圓形盾構隧道而較少采用大直徑的盾構隧道。但目前地鐵建設面臨道路狹窄以及鄰近建筑物和地下管線密集等問題，地鐵區間線路無法采用單管單線布置，大直徑盾構隧道為地鐵區間隧道的建設提供了新思路。上海市軌道交通16號線9標工程首次采用了大直徑盾構隧道[7]。

目前，國內大直徑盾構隧道的設計計算理論研究相對滯后。盾構隧道的大斷面化給襯砌結構設計中的荷載計算和襯砌結構模型計算帶來了一定的問題。首先，大直徑盾構隧道的埋深增大，上覆土荷載取值難以計算；其次，管片厚度與直徑的比值減小，管片的變形與小直徑盾構隧道不同，地層抗力的分布模式也不再僅僅是三角形的分布模式；另外，由于大直徑盾構隧道襯砌結構的分塊數量增加，錯縫拼裝和環間傳力等對襯砌結構的內力影響規律與小直徑盾構不同，需進行進一步的研究。因此，對大直徑盾構隧道結構特性的合理設計模型進行研究是有必要的。

現場原位測試是研究盾構隧道襯砌結構外荷載以及受力特性的有效手段。周文波等[8]介紹了施工過程中雙圓盾構隧道管片結構內力的現場測試試驗以及結構內力在施工荷載作用下的變化情況；葉冠林等[9]以上海長江隧道工程為例，對盾構隧道的施工荷載進行了現場監測研究，得出了施工荷載最大值大于或者接近水土壓力設計值的結論；周濟民等[10]、梁禹等[11]和梁霄等[12]對管片襯砌在施工期間和施工后期所受的外荷載和結構內力進行了長期的現場追蹤測試，總結出了襯砌結構外荷載和內力隨時間的變化規律；肖中平等[13]通過現場試驗研究了黏性地層中盾構隧道管片的力學行為，提出了黏性地層中地鐵盾構隧道管片結構的設計方法與原則； Machismo等[14]通過對礫石地層中盾構隧道的現場測試數據進行分析，建立了合理的盾構隧道管片設計荷載模型，并對管片的設計恒載進行了研究。

現有研究主要針對小直徑盾構隧道和大直徑越江隧道進行的。越江盾構隧道由于承受極高的水壓,軸力與彎矩會發生極大的變化。與越江隧道相比，軟土地區大直徑盾構隧道地質環境相對簡單，但襯砌結構的外荷載、內力分布形態和規律與越江隧道有所不同。目前，針對大直徑地鐵盾構隧道的研究較少，且鑒于廣州首次將大直徑盾構隧道用于地鐵區間隧道的建設中，因此進行現場原位測試和研究很有必要。

以廣州軌道交通4號線南延段5標工程為背景，通過現場測試獲取襯砌結構的原位荷載及內力等相關數據，探索大直徑地鐵盾構隧道襯砌結構的受力特性，為大直徑地鐵盾構隧道襯砌結構設計計算模型的優化提供建議和指導。

1 工程背景

廣州軌道交通4號線南延段5標資訊園—南沙客運港區間的大直徑盾構段是廣州軌道交通隧道工程建設中首次采用單管雙線大直徑盾構隧道的區間，依托該工程進行現場原位測試。該工程位于廣州市南沙區，盾構全長1 489.726 m，共744環管片，地面至隧道頂部的高度為11.8～19.1 m，地層主要由人工填土、海陸相黏性土、砂土、沖-洪積土以及殘積土組成，基巖主要為混合花崗巖。區間兩側道路沿線存在給水、污水、煤氣、電信、電力、路燈和雨水等眾多市政管線，區間線路沿線場地主要為道路、綠化用地、村莊以及企業用地等，局部地段分布有2～4層的居民房。大直徑盾構區間隧道襯砌結構的外徑為11.3 m，內徑為10.3 m，管片厚度為500 mm，環寬為2 m。全環管片采用“8+1”的分塊形式，1塊封頂塊(F)，2塊鄰接塊(L1和L2)，6塊標準塊(B1—B6)。塊與塊之間采用2個6.8級的M36斜螺栓進行連接；環與環之間錯縫拼裝，采用36個6.8級的M30縱向斜螺栓進行連接。襯砌結構分塊如圖1所示。

圖1 襯砌結構分塊示意圖

2 現場測試方案

根據廣州軌道交通4號線南延段盾構區間的工程地質和埋深等情況，選取1個具有代表性的測試斷面，測試部位的上覆土層較為單一、均勻。為盡可能獲取更多有效的測試數據，減小不可控因素的影響，在該測試部位共選擇5環(696～700環)管片進行測試。測試斷面穿過的地層主要為〈2-1A〉淤泥層與〈2-4〉粉質黏土層，頂部埋深約為14.43 m，地下水的常水位埋深約為3.3 m。測試斷面工程地質剖面圖如圖2所示。土層的主要物理力學參數見表1。

圖2 測試斷面工程地質剖面圖(單位： m)

巖土分層土層名稱土層厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3)黏聚力c/(kPa)內摩擦角φ/(°)靜止側壓力系數k0變形模量E0/(MPa)標準貫入度錘擊數N滲透系數k/(m/d)〈1〉人工填土層6．791．856180．55810．025．000〈2-1A〉淤泥層14．41．589．58．80．7221．450．002〈2-4〉粉質黏土層4．541．8819．816．50．49156．810．005

本次現場測試主要針對大直徑盾構隧道運營期間襯砌結構受到的外荷載及實際受力情況進行的原位測試。為得到運營期間襯砌結構外荷載的實際情況，在管片外表面預埋水壓力計和土壓力計，每環管片布置8個土壓力計和8個水壓力計。為得到運營期間襯砌結構的內力響應規律，在管片內外弧面的主筋位置預埋鋼筋應力計，每環管片布置44個鋼筋應力計。每環管片的測點布置方式相同，如圖3所示。

圖3 現場測試測點布置圖(單位： mm)

傳感器在地層中的實際位置與管片錯縫拼裝角度有關，實際施工中5環管片的錯縫拼裝方式不一致。傳感器的型號及規格見表2。

表2 傳感器型號及規格

在管片拼裝之前，對處于自由狀態的預埋傳感器進行3次初始值采集。在隧道貫通時采用自動采集系統進行連續采集，排除施工因素的影響，可得到盾構隧道運營期間襯砌結構的外荷載和內力響應分布規律。

3 試驗結果分析

3.1 襯砌結構外荷載測試結果與分析

3.1.1 水土總壓力測試結果與分析

由預埋土壓力計可測得垂直于襯砌結構的外荷載，在無施工因素影響的條件下，該荷載主要為水土總壓力。選取第698環管片頂部和底部為典型測試斷面，以盾構隧道貫通處為基點，根據土壓力計的測試結果，得到襯砌結構水土總壓力隨時間的變化特征，如圖4所示。由圖4可知，隧道貫通后，在無施工荷載影響的條件下，管片頂部和底部的水土總壓力分別為212 kPa和239 kPa，基本保持穩定，此時的水土總壓力可以認為是隧道運營期間襯砌結構的水土總壓力。

圖4 第698環管片頂部和底部水土總壓力隨時間的變化曲線

Fig. 4 Total pressure of water and soil of top and bottom of ring 698 segment vs. time

采用水土合算計算模型計算理論荷載值時，不考慮頂部超載和地層的抗力，土層參數按照實際土層的參數進行計算，側向土壓力系數采用地層的靜止土壓力系數。由于土壓力計測得的荷載為垂直于管片的荷載，因此需將計算模型荷載轉換為垂直于管片的理論荷載。荷載轉換示意圖如圖5所示。作用于預埋土壓力盒的轉換荷載p與土壓力盒量測值應滿足荷載平衡，因此，根據垂直于管片微元體方向的荷載平衡方程可得垂直作用于管片的荷載理論值，也即土壓力盒所測得的作用于管片上的水土總壓力理論值。轉換后垂直于管片的荷載為

p=p1cos2α+p2sin2α。

式中p1和p2分別為理論設計計算模型中的垂直荷載和水平荷載， kPa。

圖5 荷載轉化示意圖

將5環管片處的土壓力計測得的水土總壓力及按水土合算計算模型計算得到的水土總壓力理論值繪制于同一圖中，進行比較分析。襯砌結構水土總壓力實測值及按水土合算計算的理論值沿襯砌結構環向分布情況如圖6所示。襯砌結構水土總壓力實側值基本呈左右對稱、頂部和底部大、兩側小的形態，最大水土總壓力位于管片底部±30°左右的位置，約為278 kPa。管片頂部的水土總壓力實測值與理論值較為接近，最大差值約為15%；隧道底部的水土總壓力實測值與理論值相差較大，最大差值約為26%，且呈現中間小、兩邊大的分布趨勢，這與襯砌結構脫出盾尾受到頂部的荷載作用后整體下沉而引起隧道底部地層應力重分布有關。另外，側向水土總壓力實測值和理論值較為接近，說明在運營工況條件下，理論模型計算中采用地勘資料中的靜止土壓力系數較為合理。

圖6 襯砌結構水土總壓力實測值及理論值分布圖(單位： kPa)

Fig. 6 Distribution of monitored values and theoretical values of total pressure of water and soil of linning structure (kPa)

3.1.2 水壓力測試結果與分析

在無施工因素影響的條件下作用于襯砌結構的液體壓力主要為水壓力，采用預埋水壓力計進行測試。選取第700環管片頂部和底部為典型測試斷面，以盾構隧道貫通處為基點，得到水壓力隨時間的變化曲線，如圖7所示。由圖7可知，隧道貫通后，在無施工因素影響的條件下，管片受到的水壓力基本保持穩定。第700環管片頂部的水壓力為142 kPa，底部的水壓力為232 kPa，此時的水壓力可以認為是隧道運營期間的水壓力。

圖7 第700環管片頂部和底部水壓力隨時間的變化曲線

Fig. 7 Total pressure of water and soil of top and bottom of ring 700 segment vs. time

襯砌結構水壓力實測值及理論值沿管片環向的分布情況如圖8所示。現場實測的水壓力基本為左右對稱分布，整體呈頂部小、底部大的形態，最大水壓力位于管片底部，約為233 kPa。水壓力實測值一般比理論值大，襯砌結構頂部的實測值比理論值大約30 kPa，襯砌結構底部的實測值比理論值大10 kPa左右。水壓力實測值一般比理論值大的原因主要是是理論值采用常年水位計算，而現場測試期間為豐水期，水位比常年水位高。

圖8 襯砌結構水壓力實測值及理論值分布圖(單位： kPa)

Fig. 8 Distribution of monitored values and theoretical values of water pressure of linning structure (kPa)

3.1.3 土壓力測試結果與分析

根據預埋土壓力計測得的水土總壓力值和水壓力計測得的水壓力值，可得到考慮浮重度條件下作用于襯砌結構上的土壓力值。根據襯砌結構水土分算計算模型，不考慮地面超載和土層的抗力，采用靜止土壓力系數，按照水土分算的方法，計算得到土壓力的理論值后，與實測值進行比較。

襯砌結構土壓力實測值與理論值的分布如圖9所示。土壓力的分布整體呈頂部大、底部小的形態。襯砌結構頂部土壓力實測值和理論值較為接近，但襯砌結構側向和底部的土壓力實測值和理論值相差較大。襯砌結構底部土壓力實測值偏小的原因是襯砌結構底部水土總壓力實測值比理論值小，且理論計算模型采用的水位為常年水位，而現場測試期間水位比常年水位高。側向土壓力實測值偏小的原因是理論計算模型的側向壓力系數采用了靜止土壓力系數，在水土合算計算模型中較為符合，但水土分算計算模型中的側壓力系數較水土合算計算模型的側壓力系數偏小。

3.2 襯砌結構內力分布及其作用規律分析

根據鋼筋應力計測得的襯砌結構內外弧面主筋的應力以及混凝土基本原理，可以反算得到襯砌結構的內力。襯砌結構主筋應力的實測值為-40～4 MPa，基本為負值，只有很小一部分截面(襯砌結構頂部內弧面)存在拉應力。由于襯砌結構處于彈性受力階段，可按彈性理論計算主筋的內力。

圖9 考慮浮重度條件下的襯砌結構土壓力實測值及理論值分布圖(單位： kPa)

Fig. 9 Distribution of monitored values and theoretical values of soil pressure of linning structure considering floating weight (kPa)

襯砌結構現場測試測得的彎矩分布如圖10所示。襯砌結構截面彎矩基本呈左右對稱分布，最大正彎矩位于襯砌結構頂部，最大負彎矩位于襯砌結構肩部。襯砌結構彎矩反彎點位于底部約±36°和±128°位置處。頂部最大正彎矩為431 kN·m，底部最大正彎矩為218 kN·m，左側肩部最大負彎矩為303 kN·m，右側腰部最大負彎矩為269 kN·m。

圖10 襯砌結構截面彎矩分布圖(單位： kN·m)

襯砌結構現場測試得到的軸力分布情況如圖11所示。軸力基本為左右對稱分布，呈頂部和底部小、腰部大的分布形態。軸力大小為2 950～3 700 kN，頂部軸力為-2 949 kN，左側肩部軸力為-3 409 kN，腰部軸力為-3 706 kN，底部軸力為-3 553 kN。

圖11 襯砌結構截面軸力圖(單位： kN)

3.3 現場測試結果分析

根據現場測試結果，對軟土地基大直徑地鐵盾構隧道運營期間的襯砌結構設計計算模型分析如下：

1)襯砌結構頂部水土總壓力實測值和理論值較為接近；襯砌結構底部水土總壓力實測值和理論值偏差較大，且呈中間小、兩邊大的分布形態。因此，為了真實模擬襯砌結構的受力模式，襯砌結構設計計算模型中運營期間襯砌結構頂部的荷載可取上覆土的重力，襯砌結構下部半圓周范圍內可布置土彈簧。

2)水壓力實測值和理論值分布基本一致。水壓力和水位密切相關，在設計中應充分重視高水位和低水位對襯砌結構受力的不利影響。

3)考慮浮重度計算的土壓力和按照水土分算計算的土壓力理論值相差較大。在水土分算計算模型中，側向壓力系數的取值應小于水土合算計算模型中的取值。考慮到圓形盾構隧道襯砌結構的內力分布受側向壓力的影響較大，在襯砌結構設計計算中應予以充分重視，避免由于側壓力系數選取不當導致結構處于不利受力狀態。

4)分別按照水土分算和水土合算方法計算的荷載分布以及襯砌結構內力分布明顯不同。按水土合算進行計算時，側向土壓力系數采用靜止土壓力系數，襯砌結構荷載實測值和理論值較為接近，因此軟土地基盾構隧道運營期間荷載計算模型可采用水土合算荷載計算模型。

4 結論與建議

基于廣州軌道交通4號線南延段大直徑地鐵盾構隧道，對運營期間襯砌結構所受外荷載和內力進行了現場實測和理論計算分析，得到以下結論與建議：

1)襯砌結構頂部水土總壓力和上覆土柱的重力基本相等。襯砌結構理論計算模型中取上覆土柱的重力為隧道頂部所受的荷載、隧道下部布置半圓周的土彈簧可以真實模擬襯砌結構的受力。

2)襯砌結構側向荷載模式和按照水土合算模型計算的荷載模式較為接近。說明軟土地基盾構隧道運營期間襯砌結構荷載模式采用水土合算計算模型、側向壓力系數采用靜止土壓力系數可以很好地模擬襯砌結構的荷載分布情況。

3)運營期間，大直徑盾構圓形隧道襯砌結構的受力模式為： 以受壓為主，軸力較大，最大正彎矩位于襯砌結構頂部，最大負彎矩部位在襯砌結構肩部，彎矩反彎點位于±36°和±128°位置處。

本文對運營期間襯砌結構的外荷載和內力響應進行了測試，但未對施工階段的相關數據進行測試，并且理論計算結果與實測結果有一定的差距，因而需對理論計算模型進行優化設計以及對理論模型的參數選取進行進一步的研究和完善。

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Field Testing Study of Mechanical Behaviors of Lining Structure of Large-Diameter Metro Shield Tunnel in Soft Soil Ground in Operation Phase

WANG Jian1, YE Yuhang2, LIU Jiafu1, XU Wentian1, LIU Xian2，*
(1.GuangzhouMetroDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou510010,Guangdong,China; 2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Taking the large-diameter metro shield tunnel on the south extension line of Guangzhou Metro Line No. 4 for example, the external load and internal force response principle of lining structure in operation phase are obtained by field test of external load and reinforced bar stress of lining structure monitored by sensors of water-earth pressure gauge and reinforced bar stress gauge. The rationality of the calculation model of lining structure is illustrated by comparison between the theoretical value of the model and the field test results. The study results show that: 1) The total pressure of soil and water on top of tunnel coincides with the weight of overlying soil column. 2) The total pressure of soil and water at the bottom of the tunnel is small at middle section and those are large on both end; therefore soil springs can be arranged in the lower half circle of the lining structure to simulate the actual stress in the calculation model.

soft soil; large-diameter metro shield tunnel; external load of lining structure; internal force response; field test

2016-10-24;

2017-02-22

王建(1971—)，男，湖北黃崗人，1994年畢業于同濟大學，建筑工程專業，本科，教授級高級工程師，主要從事地鐵隧道與地下工程的設計研究工作。E-mail: wangjian@dtsjy.com。*通訊作者： 柳獻， E-mail: xian.liu@tongji.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.001

U 451+.5

B

1672-741X(2017)07-0781-07