跨江大直徑盾構隧道管片受力特征監測分析

張 斌

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著我國基礎項目的發展和交通運輸方面的需求增大，越江隧道工程越來越多，人們對越江隧道的施工方法和災害防治進行了一系列研究[1-2]。郭忠等[3]通過室內土工試驗，對越江隧道的防水密封墊角部的受力特性和防滲性能進行了研究，并基于試驗結果提出了優化方案。劉義山[4]依托長沙市越江隧道項目，考慮到巖溶地層的影響，對越江隧道穿越巖溶地層的關鍵技術進行了探究分析。李岳[5]針對超大直徑越江盾構隧道，研究了由于管片錯臺引起的隧道滲漏問題，并提出了相應的防治對策。呂延豪[6]基于武漢8號線越江隧道項目，對雙層襯砌盾構隧道進行了設計和關鍵技術的探究總結。劉明等[7]針對軟土地區的越江隧道，考慮了車振荷載的影響，通過理論計算和動三軸試驗，研究了列車運行過程中越江隧道結構的動力響應規律。王偉[8]分析了大斷面越江隧道的施工難點和易出現的病害問題，并提出了相關的對策。李倩文等[9]將三維激光掃描技術在越江隧道的維護和檢修中進行了應用，對該技術的精確性和實用性進行了研究。張姣[10]提出了越江隧道的風險評價方法，并通過大量的工程案例，驗證了該評價方法的有效性。鄒文靜[11]對比了越江隧道中的兩種跨河水準方法，為實際工程項目的測量提供了參考依據。胡清華[12]依托實際工程，對越江隧道的通風設計關鍵技術進行了研究，并通過數值模擬手段進行了仿真計算。

本文依托杭州地鐵8號線文橋區間風井～橋頭堡站區間項目，對3個不同覆土厚度的斷面進行了監測，分析了隧道各位置處的土、水壓力和鋼筋應力與時間的關系，探究了覆土厚度和水位對隧道受力特性的影響，以便在實際工程中做出相應對策。

2 工程概況

杭州地鐵三期8號線一期工程西段的文橋區間風井～橋頭堡站區間項目，采用盾構法施工，為單洞雙線結構。隧道的內徑為10.3 m，盾構隧道管片結構的厚度為50 cm，外徑為11.3 m。襯砌環分為8塊，平均環寬度為2 m，采用錯縫拼接的方式，管片通過斜螺栓進行連接。隧道覆土厚度為9.5～31.93 m，隧道結構形式為圓形。襯砌管片材料為C55鋼筋混凝土，鋼筋主要為HPR300、HRB400E兩種類型，管片抗滲等級為P12。

場地底部基巖主要為下白堊統朝川組沉積巖，主要為泥質粉砂巖。場地下部地層主要為第四系中更新統沖湖積黏性土層；中部為上更新統沖湖積或海積沉積的黏性土層。中部為全新統早期巨厚層海積與沖海積交替沉積的粉(黏)性土層，分布規律性較穩定，但均一性相對較差。上部主要為全新統晚期沖海積粉(砂)性土層，土層厚度、分布及性質均較穩定；淺部主要為人工堆積層。

該隧道區間下穿錢塘江(右線CK2＋659～CK4＋786)，現狀江面寬約2.1 km。潛水主要賦存于淺(中)部填土層、粉(砂)性土中，潛水穩定水位水位埋深為地面下1.3～2.1 m，承壓水水頭埋深3.81 m。擬建場地的淺部潛水對混凝土結構具微腐蝕性；在干濕交替環境條件下對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具弱～中等腐蝕性。

表1展示了該隧道區間內的土層主要物理參數。其中存在一定量的淤泥質土層，呈現流塑狀，具有壓縮性高、強度低，且存在較為顯著的蠕變特性，為軟土層。該土層厚度在0.8～17.3 m，變化較大，主要位于砂土層以下部分。

表1 土層主要物理參數

3 監測方案

長期對杭州地鐵8號線過江隧道區間進行監測。選擇3個較為典型的剖面進行研究，斷面Ⅰ位于岸邊，斷面Ⅱ和斷面Ⅲ位于江中段，其覆土厚度分別為26.3 m、15.8 m和12.3 m，分別對應深埋、中埋和淺埋類型。監測儀器主要為土壓力盒、鋼筋計和混凝土應變計，其中土壓力盒的測量精度為0.07%，其量程為0～4.0 MPa，鋼筋計可測最大拉應力為240 MPa，最大壓應力為150 MPa。將土壓力傳感器布置在管片外側，鋼筋計均勻布置在主筋位置處，通過頻率傳感器對鋼筋應變進行測量。表2展示了具體的監測項目。此外，在布置傳感器時應盡可能地沿著襯砌環均勻布置，以減少監測誤差，增加監測結果的可信度。

表2 監測項目

4 管片實測數據分析

4.1 水土壓力

對3個斷面的隧頂、隧底和起拱線的土壓力進行了監測，同時監測了隧頂和隧底的水壓力隨時間變化的情況。圖1展示了斷面Ⅰ、斷面Ⅱ和斷面Ⅲ隧道周邊水、土壓力隨時間變化曲線。

圖1 隧道周邊水土壓力隨時間變化曲線

從圖1a中可以看出，斷面Ⅰ中不同位置處的土壓力數值差異明顯，同一脫出盾尾天數情況下最大土壓力出現在隧道底部位置，土壓力值數值其次為起拱線位置處，隧道拱頂處的土壓力最小。土壓力與深度呈正比，表現出了隨著深度的增加土壓力增大的一般性規律。隧頂、隧底和起拱線處的土壓力隨脫出盾尾天數的增加呈現出先減小后增加，最后趨于穩定的變化趨勢。相較于起拱線位置處的土壓力，隧道拱頂和拱底處的土壓力隨時間的變化幅度較大，均超過了200 kPa，是起拱線位置處土壓力變化幅值的兩倍左右。可見，土壓力變化主要發生在隧道外側，內部的土壓力變化相對較小。就水壓力而言，隧頂和隧底的水壓力小于其所受的土壓力，且隨時間變化幅度甚微，基本不受脫出盾尾天數影響，一直保持較為穩定的狀態。隧底的水壓力大于隧頂的水壓力，這是由于隧底所處的深度較深導致的。

觀察圖1b可以發現，與斷面Ⅰ相同，同一時刻下，最大土壓力出現在隧道拱底位置處。而隧頂和起拱線位置處的土壓力數值和變化趨勢較為接近，未隨著時間的變化出現大幅度變動。相較于斷面Ⅰ，斷面Ⅱ起拱線和拱底位置的土壓力數值更小，且拱頂和起拱線位置處的土壓力變化幅度也較小。但相比較之下，斷面Ⅱ的隧頂處的土壓力數值更大，最大時接近600 kPa，更為接近隧底的土壓力。這是由于斷面Ⅱ相較于斷面Ⅰ的覆土厚度較小，深度對土壓力的影響不大，因此三個位置處的土壓力較為接近、吻合。此外，該斷面隧頂和隧底的水壓力出現緩慢上升趨勢，但數值相較于土壓力更低，與斷面Ⅰ較為接近。

從圖1c中可以看出，斷面Ⅲ中同一時刻下最大土壓力仍出現在隧底位置處，其次為隧頂位置。土壓力數值最低的為起拱線位置處的土壓力。起拱線和隧頂位置處的土壓力數值和變化趨勢較為接近，差異不大。相較于斷面Ⅰ和斷面Ⅱ，斷面Ⅲ處各位置的土壓力數值更為穩定，隨時間變化幅度較小，整體呈現緩慢減小趨勢。此外，斷面Ⅲ隧頂和隧底的水壓力數值隨時間變化出現了明顯的波動，起伏較大。

綜上所述，三個斷面中，土壓力峰值最大的為斷面Ⅰ的821 kPa，其次為斷面Ⅱ的683 kPa，最小的為斷面Ⅲ的492 kPa。斷面Ⅰ土壓力數值隨時間變化最為強烈，變化幅度最大，最大接近200 kPa；其次為斷面Ⅱ，主要表現在隧道拱底土壓力變化。斷面Ⅲ的土壓力變化最小，隨著時間的增加呈現緩慢減小的趨勢。而就水壓力而言，斷面Ⅰ和斷面Ⅱ隧頂和隧底水壓力數值較為接近，整體表現也比較穩定，而斷面Ⅲ的水壓力數值相對較小，且隨時間變化存在一定的波動。這是由于施工等原因，會導致周邊土體發生擾動，對土壓力數值大小造成影響。在注漿完成施工結束后，水土壓力受周邊荷載影響較小，因此水土壓力較為穩定。斷面Ⅲ處水深較淺，因此水壓力受季節潮汐等因素的影響較大，存在一定的波動情況。

4.2 鋼筋應力

圖2展示了3個斷面中的不同位置處鋼筋應力隨盾尾脫出天數變化情況。主要對隧底內弧面、隧底外弧面、隧頂內弧面、隧頂外弧面、起拱線內弧面和起拱線外弧面6個位置處的鋼筋應力進行監測分析。

圖2 各斷面鋼筋應力隨時間變化曲線

從圖2a中可以看出，斷面Ⅰ處鋼筋應力在脫出盾尾天數較短時間內由于臨近盾構施工擾動等外部荷載的影響，鋼筋應力數值出現一定的波動。在脫出盾尾100 d后基本呈現穩定態勢。穩定后鋼筋應力數值最大值出現在起拱線內弧面處，其次為隧底內弧面，最小值為隧頂內弧面處的鋼筋應力。在起拱線和隧底位置，內弧面鋼筋應力大于外弧面鋼筋應力，可見內弧面鋼筋承擔了更大的內力，因此在實際工程中應注重加強隧底和起拱線位置處內弧面的鋼筋強度。而隧頂位置處的外弧面鋼筋應力遠大于內弧面，且在脫出盾尾天數較短時，外弧面鋼筋表現出了較大的應力。可見在隧頂位置處，主要承擔了外荷載作用，因此外弧面鋼筋內力較大，且呈現出隨著時間的增加應力減小的趨勢。

從圖2b中可以看出，排除掉一部分由于監測誤差或偶然情況出現的壞點，斷面Ⅱ中各位置鋼筋應力隨時間增長波動較小，呈現出穩定、緩慢增加的趨勢。各位置鋼筋應力數值由大到小排序依次為隧底內弧面、起拱線外弧面、隧頂外弧面、隧頂內弧面、起拱線內弧面和隧底外弧面。隧底處的內弧面鋼筋應力仍然大于外弧面鋼筋應力，且差異較為明顯。而隧頂和起拱線位置處的外弧面鋼筋應力要大于內弧面鋼筋應力。

觀察圖2可以發現，斷面Ⅲ中不同位置處的鋼筋應力隨著時間的變化出現持續波動，相較于斷面Ⅰ和斷面Ⅱ，表現得不夠穩定。在隧頂和隧底位置處，內弧面鋼筋應力大于外弧面鋼筋應力；而在起拱線位置處，外弧面鋼筋應力則更大。三個斷面中隧道各位置處的鋼筋應力大小為呈現出相同的規律。

綜合圖2發現，同一位置下鋼筋應力表現最大的為斷面Ⅰ，其次為斷面Ⅱ，最小的為斷面Ⅲ，可見影響鋼筋應力數值大小的主要為隧道的覆土厚度。在未穿越江面時，隧底和起拱線位置處內弧面鋼筋應力大于外弧面，鋼筋的主要作用是維持隧道內部結構的穩定，而外部荷載主要由隧頂外弧面鋼筋承擔。穿越江面后，鋼筋應力大小關系發生改變，由于土壓力較小，且受到不穩定江水壓力的影響，以及外部施工如二次注漿和安裝隧道內附設備等因素，一部分外部荷載變化引起隧道其他位置處鋼筋應力的變化，起拱線處外弧面鋼筋應力大于內弧面。

5 結論

本文依托杭州地鐵8號線文橋區間風井～橋頭堡站區間項目，對3個不同覆土厚度的斷面進行了監測，分析了隧道各位置處的土、水壓力和鋼筋應力與時間的關系，探究了覆土厚度和水位對隧道受力特性的影響。得出主要結論如下:

(1)三個斷面中，土壓力峰值最大為斷面Ⅰ的821 kPa，其次為斷面Ⅱ的683 kPa，最小為斷面Ⅲ的492 kPa。斷面Ⅰ土壓力數值隨時間變化最為強烈，斷面Ⅲ的土壓力變化最小，隨著時間的增加呈現緩慢減小的趨勢。

(2)斷面Ⅲ處水深較淺，水壓力受季節潮汐等自然因素影響較大。斷面Ⅰ和斷面Ⅱ隧頂和隧底水壓力數值較為接近，整體表現也比較穩定，斷面Ⅲ的水壓力數值相對較小，隨時間變化存在一定的波動。

(3)覆土厚度決定了隧道鋼筋應力的大小。同一位置下鋼筋應力表現最大的為斷面Ⅰ，其次為斷面Ⅱ，最小為斷面Ⅲ。

(4)對于未越江隧道，可對隧底和起拱線的內弧面處鋼筋進行適當加強；而越江隧道應該注重隧頂和起拱線外弧面鋼筋強度。