盾構法施工中土洞圍巖壓力的觀測與分析

盧 兵

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

1 概況

小浪底引黃工程干線隧洞全長59.6km，其中樁號0+000—47+350段為巖石洞，樁號47+350—59+594段為土洞。土洞采用盾構法開挖施工，斷面為圓形，內徑5.5m。襯砌管片為預制的寬1.5m、厚0.35m的圓弧狀矩形或梯形混凝土塊，每圈由6片型式各異的管片拼接而成，見圖1所示。為對管片所受到的圍巖壓力以及管片混凝土和鋼筋的應力應變進行觀測，在樁號52+700斷面處的管片內安裝了傳感器，傳感器類型有土壓力計、鋼筋計、應變計和測縫計等。

圖1 管片拼接和傳感器安裝位置圖

2 圍巖土壓力特征分析

2.1 圍巖壓力應力觀測

盾構法是一種先進高效的隧洞開挖工藝，主要適用于松散巖地層內的隧洞開挖。盾構法施工時襯砌管片是即時安裝的，能夠最大程度保證開挖后圍巖的穩定，減小塑性變形，保證施工安全。但由于襯砌管片與圍巖之間存在約15cm的間隙，所以管片與圍巖并不是在第一時間就能夠充分接觸，只有等盾構機經過后，再進行圍巖與管片間的接觸灌漿，圍巖壓力才能充分施加到管片之上，管片才能真正發揮支撐作用。

當管片與圍巖充分接觸后，洞周土層因應力釋放和塑性變形而產生的圍巖壓力就施加到管片上，管片中的各類傳感器就可以觀測到相應的變形。圖2是三支分別安裝于洞頂（E201）、洞腰（E202）和洞底（E203）的土壓力計所觀測的圍巖壓力過程線。

圖2 隧洞各部位圍巖壓力過程線

該斷面的管片安裝時間為2017年5月19日，接觸灌漿的時間為6月29日，從過程線可以看出，在接觸灌漿之前，圍巖壓力均在0值附近，即圍巖壓力尚未施加到管片。通常情況下，接觸灌漿24～48h之后即可觀測到圍巖壓力。圍巖壓力的發展變化過程可分為驟升段、緩升段和平穩段三個階段。

2.2 圍巖壓力應力分析

從管片各部位的土壓力平穩段所達到的壓力特性分析，管片所發揮的支撐力與灌漿質量有較大關系。由于該斷面管片所預留的灌漿孔位于洞腰部位，所以洞腰處的圍巖壓力最大達到841.9kPa，洞底處圍壓最大達到452.5kPa，但洞頂圍壓最大僅為179.5kPa。從隧洞各部位圍巖壓力過程線的走勢特征分析，該斷面處的接觸灌漿的漿液到達洞頂較為困難，洞頂管片與圍巖并未充分接觸。

盾構法施工的土洞，其圍巖壓力特征符合Terzaghi松散體理論和普氏塌落拱理論，所以可先用Terzaghi和普氏公式計算出最大圍巖壓力，然后用塑性擴展理論的Fenner公式計算出最大支護抗力，用于驗證觀測數據。計算公式如下：

式中：Pi——支護抗力，kPa；

P——隧洞周圍地應力，kPa；對松散覆蓋層P=γh，h為上覆土層厚度，m；

γ——為上覆土的重量體積比，kN/m3；

H——隧洞高度，圓形洞為直徑，m；

H1——塌落拱高度，m；

r0——隧洞半徑，m；

R0——塑性擴展區半徑，m；

C——圍巖的凝聚力，kPa；

φ——圍巖的內摩擦角，°。

參考該斷面的地質資料，上覆土層為低液限粘土、卵石混合土和級配不良砂等，總厚度52m，平均重度為21.5kN/m3，隧洞半徑2.75m，有效應力抗剪強度的凝聚力C＇平均為19.8kPa，φ＇平均為15.5°。經計算，完全產生塑性擴展后，理論計算的最大圍巖壓力為772.2～863.5kPa，但實際觀測的支護抗力為179.5～841.9kPa。從圍巖壓力過程線分析，圍巖充分塑性擴展的時間在12～14個月。

為探求圍巖壓力與管片中的鋼筋應力的相關關系，我們首先對比了圍巖壓力與鋼筋應力的過程線，參見圖3。

圖3 各部位管片中鋼筋應力過程線

從中可以發現，隨著圍巖塑性擴展變形的增加，圍巖壓力及支護抗力的增大，鋼筋應力也隨之增大。圍巖的塑性變形充分擴展后的實際觀測的最大鋼筋應力達到48.3MPa，圍巖壓力、支護抗力的理論計算值與實際觀測值的對比結果見表1。

表1 隧洞圍巖壓力、支護抗力的計算值與觀測值對比表

3 結論

通過對盾構法施工的土質隧洞圍巖壓力和支護抗力的理論計算，并與觀測數據進行了對比分析，可以得出初步結論：實際觀測的支護抗力最大值略小于理論計算的圍巖壓力值，而平均值比理論值小很多，說明目前隧洞支護處于安全和穩定狀態，同時也說明管片結構的設計較為合理，并偏安全。另外可以發現，影響管片支護抗力的因素包括地質因素、隧洞規模、施工方法和施工質量等多個方面，而對本工程而言，較為突出的影響因素有兩個：一是管片與圍巖的接觸緊密程度，即接觸灌漿的質量；二是管片制作工藝及材料質量。