盾构在矿山法隧道中推进监测分析

高 凯

(广州市珧凯园林设计有限公司，广东广州 510612)

盾构法［1-3］是软土暗挖隧道的一种机械化施工方法，施工进度快，噪声低，地面沉降或隆起易于控制在允许范围内。矿山法适用于坚硬岩体隧道的施工，若环境条件允许，辅以地面及洞内辅助施工措施，改进的矿山法(又称为新奥法、浅埋暗挖法)可适用于城市地下水位低的软土地层和复杂断面的地下工程施工。矿山法［4，5］通过坚硬岩层时爆破作业对环境影响大，土质隧道的稳定性及地表沉降难以控制，防水效果较盾构和明挖隧道差，通过软弱地层、砂层、断层破碎带等不良地质地段时施工困难，技术措施费用高，机械化程度低，施工进度慢。我国许多省市，具有多山地和丘陵地貌特征。一条隧道难以保证所遇的地层单一，为了加快进度，减少施工风险，有时不得不采用“矿山法+盾构法”两种工法相结合应用［6-8］。国内广州、深圳地铁有类似成功的案例。目前针对“矿山法+盾构法”相结合开展的研究，多是对这种工法的施工应用总结，对其内部结构的受力状态研究还不多见，因此有必要在这一领域开展研究。

1 工程概况

某工程采用“矿山法+盾构法”复合工法施工，先在区间隧道中部施作一个工作竖井，用矿山法施工初衬隧道。区间隧道整体设计为土压平衡盾构施工。预先采用矿山法暗挖，并修筑初次支护，然后盾构通过矿山法隧道施作管片衬砌，在管片衬砌与矿山法隧道衬砌之间压注水泥浆形成多层复合衬砌。左右线矿山法加盾构施工段分别长147.5 m和287 m，埋深约10 m。

2 监测方案

2.1 监测目的

1)确定环向接缝受到盾构前方堆土深度影响情况、环缝随推进距离变化规律，为隧道长期稳定提供参考。

2)通过钢筋应力计监测管片环向受力情况，特别是注浆局部荷载的影响，以确保管片姿态并为隧道管片的优化设计提供依据。

2.2 监测方案

共8个监测断面。试验段有3个监测断面，分别为断面1—1～3—3，常规监测设有5个断面，分别是断面4—4～8—8。

3 监测结果及分析

3.1 土压力监测

选取有代表性且数据完整的监测断面进行分析。图1～图3分别为3个试验断面土压力随时间的变化情况(因土压力盒经凿除混凝土保护层等机械作业，成活率较低，每个断面监测数据的总量有限)。总的来看，土压力的变化可以分两个阶段，如图1所示，第一阶段管片脱出盾壳后，土压力盒与混凝土导台、两侧部分挤进土体相接触，土压力急剧增大，但由于隧道内积水较多，使管片产生上浮，土压力又逐渐下降;第二阶段是对该试验环或其前后几环进行壁后压浆，造成土压力二次上升。

由图2可以看出，处于不同部位的土压力大小不等，且变化规律不同。处于底部的土压力盒T2，由于隧道积水使管片上浮，土压力急剧下降，直至为零，表明该处管片上浮量大，且后来的第一次壁后压浆也没能很好的控制管片的上浮，需进行二次及时补浆;处于顶部的土压力T3一直为零，表明该处有空隙，没有充填密实;处于右下的T4土压力除刚开始有下降外，后来一直维持在6.5 kPa左右，变化不明显。

由图3可以看出，处于底部的T7在壁后压浆后，土压力迅速增大，表明壁后压浆有效的控制了该环的管片上浮，但从该环T6的土压力变化来看，该环顶部仍有部分空隙没有很好的充填密实。

选取2月15日的监测数据进行环向土压力分析。可以看出，3—3断面顶部的土压力较小，几乎一直均为零，表明该处没有充填密实。通过在盾构前方堆土施工，可以部分增加刀盘面板的支护力，进而压紧环缝间的橡胶止水条，但仅靠前方堆土不足以填密管片与矿山法隧道之间的空隙。如果不及时进行管片壁后压浆，加之矿山法初衬隧道渗漏水严重，隧道管片上浮是难免的，且从监测情况来看，需要多次壁后压浆，才能保证管片和矿山法初衬隧道之间的空隙有效充填，特别是隧道顶部60°范围内。局部较大的土压力可能是由于刀盘旋转挤土进入空隙，恰好与该处的土压力盒外表面有效接触所引起的。

3.2 钢筋轴力监测

图4～图6分别为3个试验断面钢筋计轴力随时间的变化情况。画在同一图上的一对钢筋计代表埋在同一块上的同一位置，一个在内侧环向主筋上，另一个在外侧环向主筋上。

可以看出，处于不同部位的钢筋计受力情况不同，如图4所示，处于底部的钢筋G1-1和G1-2，由于受到底部土体的反力作用，该处管片受到正弯矩作用(管片内侧受拉为正)，使内侧主筋受拉，外侧主筋受压，与实测钢筋轴力计受力情况相符，G1-1受拉、G1-2受压，特别是在壁后压浆后，二者的轴力均不断增大，表明壁后压浆使该环管片底部的土压力增大，有效控制了管片上浮。G1-1和G1-2钢筋轴力同时达到最大值，分别为11 kN和－5 kN(受拉为正，受压为负)，主筋直径为16 mm，故此时主筋对应的应力分别为55 MPa和－25 MPa，均小于HRB335钢筋的设计强度300 MPa，处于受力安全范围内。由图4c)可以看出，与G1-1和G1-2受力情况不同，处于顶部的钢筋轴力计G2-1和G2-2，由于没有受到外部其他荷载的作用(隧道顶部没有充填密实)，仅在管片自重作用下变形和受力，受力一直变化不大，在管片壁后压浆后，二者出现拉、压交换，即此处的管片所受弯矩压浆前后方向相反，但量值上亦没有发生大的变化，表明壁后压浆没有使该环顶部空隙有效填充，有待二次壁后压浆。

由图5可以看出，试验2—2断面G4-1和G4-2与试验1—1断面G2-1和G2-2的受力情况类似，一直在较小的范围内波动，且管片壁后压浆后，钢筋受力状况与压浆前相反，表明该处没有有效充填，仅在管片自重作用下受力与变形，需多次补压浆;G3-1和G3-2在壁后压浆前，受力未发生较大变化，反而在压浆后钢筋轴力有减小趋势，表明该处壁后压浆没有控制住管片上浮，需对浆液密实度和压浆量共同控制，才能有效控制管片上浮。由图6看出，试验3—3断面上的G5-1和G5-2与试验1—1断面G1-1和G1-2的受力情况类似，壁后压浆使钢筋轴力升高，表明压浆对管片上浮起到了控制作用，但没有G1-1和G1-2变化量大。

处于隧道底部的钢筋轴力计，受到底部土体的反力作用，使内侧钢筋轴力计受拉，外侧钢筋轴力计受压，特别是在壁后压浆后，二者的轴力均不断增大，表明管片壁后压浆对管片上浮起到了很好的控制作用。处于顶部的钢筋轴力计，由于隧道顶部没有充填密实，仅在管片自重作用下变形和受力，受力一直变化不大，壁后压浆没有使该处空隙有效填充，有待二次壁后压浆。

4 结语

1)土压力在隧道中下部较大，且在管片壁后压浆前后发生较大变化，但隧道顶部土压力几乎一直为零，说明管片和初衬隧道之间的空隙没有及时有效的充填密实，特别是隧道顶部60°范围内。2)隧道底部积水较多处，盾构隧道脱出盾尾有较大上浮量，需多次对管片进行壁后补压浆，直到整环土压力分布较均匀为止。3)处于隧道底部的钢筋轴力在管片壁后压浆后有较大变化，表明壁后压浆对隧道管片上浮起到很好的控制作用。所有钢筋轴力计的最大值均小于钢筋的设计值，管片结构安全。4)处于顶部的钢筋轴力计受力较小，要保证整环管片处于正常稳定的受力状态，应通过壁后压浆密实地填充管片与初次支护间的建筑间隙。

［1］刘建航，侯学渊.盾构法隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1991.

［2］周文波.盾构法隧道施工技术及应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［3］何 川，曾东洋.盾构隧道结构设计及施工对环境的影响［M］.成都:西南交通大学出版社，2007.

［4］王毅才.隧道工程［M］.北京:人民交通出版社，1987.

［5］关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［6］黄德中.盾构法与矿山法相结合施工技术［J］.地下工程与隧道，2005(2):29-32.

［7］刘健美.“盾构法+矿山法”施工在广州地铁四号线大学城专线段的应用［J］.广东土木与建筑，2005(6):14-15.

［8］张学军，戴润军.盾构在矿山成洞段推进技术［J］.隧道建设，2006，26(sup):25-27.