跨江大直径盾构隧道管片受力特征监测分析

张 斌

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018)

1 引言

随着我国基础项目的发展和交通运输方面的需求增大，越江隧道工程越来越多，人们对越江隧道的施工方法和灾害防治进行了一系列研究[1-2]。郭忠等[3]通过室内土工试验，对越江隧道的防水密封垫角部的受力特性和防渗性能进行了研究，并基于试验结果提出了优化方案。刘义山[4]依托长沙市越江隧道项目，考虑到岩溶地层的影响，对越江隧道穿越岩溶地层的关键技术进行了探究分析。李岳[5]针对超大直径越江盾构隧道，研究了由于管片错台引起的隧道渗漏问题，并提出了相应的防治对策。吕延豪[6]基于武汉8号线越江隧道项目，对双层衬砌盾构隧道进行了设计和关键技术的探究总结。刘明等[7]针对软土地区的越江隧道，考虑了车振荷载的影响，通过理论计算和动三轴试验，研究了列车运行过程中越江隧道结构的动力响应规律。王伟[8]分析了大断面越江隧道的施工难点和易出现的病害问题，并提出了相关的对策。李倩文等[9]将三维激光扫描技术在越江隧道的维护和检修中进行了应用，对该技术的精确性和实用性进行了研究。张姣[10]提出了越江隧道的风险评价方法，并通过大量的工程案例，验证了该评价方法的有效性。邹文静[11]对比了越江隧道中的两种跨河水准方法，为实际工程项目的测量提供了参考依据。胡清华[12]依托实际工程，对越江隧道的通风设计关键技术进行了研究，并通过数值模拟手段进行了仿真计算。

本文依托杭州地铁8号线文桥区间风井～桥头堡站区间项目，对3个不同覆土厚度的断面进行了监测，分析了隧道各位置处的土、水压力和钢筋应力与时间的关系，探究了覆土厚度和水位对隧道受力特性的影响，以便在实际工程中做出相应对策。

2 工程概况

杭州地铁三期8号线一期工程西段的文桥区间风井～桥头堡站区间项目，采用盾构法施工，为单洞双线结构。隧道的内径为10.3 m，盾构隧道管片结构的厚度为50 cm，外径为11.3 m。衬砌环分为8块，平均环宽度为2 m，采用错缝拼接的方式，管片通过斜螺栓进行连接。隧道覆土厚度为9.5～31.93 m，隧道结构形式为圆形。衬砌管片材料为C55钢筋混凝土，钢筋主要为HPR300、HRB400E两种类型，管片抗渗等级为P12。

场地底部基岩主要为下白垩统朝川组沉积岩，主要为泥质粉砂岩。场地下部地层主要为第四系中更新统冲湖积黏性土层；中部为上更新统冲湖积或海积沉积的黏性土层。中部为全新统早期巨厚层海积与冲海积交替沉积的粉(黏)性土层，分布规律性较稳定，但均一性相对较差。上部主要为全新统晚期冲海积粉(砂)性土层，土层厚度、分布及性质均较稳定；浅部主要为人工堆积层。

该隧道区间下穿钱塘江(右线CK2＋659～CK4＋786)，现状江面宽约2.1 km。潜水主要赋存于浅(中)部填土层、粉(砂)性土中，潜水稳定水位水位埋深为地面下1.3～2.1 m，承压水水头埋深3.81 m。拟建场地的浅部潜水对混凝土结构具微腐蚀性；在干湿交替环境条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱～中等腐蚀性。

表1展示了该隧道区间内的土层主要物理参数。其中存在一定量的淤泥质土层，呈现流塑状，具有压缩性高、强度低，且存在较为显著的蠕变特性，为软土层。该土层厚度在0.8～17.3 m，变化较大，主要位于砂土层以下部分。

表1 土层主要物理参数

3 监测方案

长期对杭州地铁8号线过江隧道区间进行监测。选择3个较为典型的剖面进行研究，断面Ⅰ位于岸边，断面Ⅱ和断面Ⅲ位于江中段，其覆土厚度分别为26.3 m、15.8 m和12.3 m，分别对应深埋、中埋和浅埋类型。监测仪器主要为土压力盒、钢筋计和混凝土应变计，其中土压力盒的测量精度为0.07%，其量程为0～4.0 MPa，钢筋计可测最大拉应力为240 MPa，最大压应力为150 MPa。将土压力传感器布置在管片外侧，钢筋计均匀布置在主筋位置处，通过频率传感器对钢筋应变进行测量。表2展示了具体的监测项目。此外，在布置传感器时应尽可能地沿着衬砌环均匀布置，以减少监测误差，增加监测结果的可信度。

表2 监测项目

4 管片实测数据分析

4.1 水土压力

对3个断面的隧顶、隧底和起拱线的土压力进行了监测，同时监测了隧顶和隧底的水压力随时间变化的情况。图1展示了断面Ⅰ、断面Ⅱ和断面Ⅲ隧道周边水、土压力随时间变化曲线。

图1 隧道周边水土压力随时间变化曲线

从图1a中可以看出，断面Ⅰ中不同位置处的土压力数值差异明显，同一脱出盾尾天数情况下最大土压力出现在隧道底部位置，土压力值数值其次为起拱线位置处，隧道拱顶处的土压力最小。土压力与深度呈正比，表现出了随着深度的增加土压力增大的一般性规律。隧顶、隧底和起拱线处的土压力随脱出盾尾天数的增加呈现出先减小后增加，最后趋于稳定的变化趋势。相较于起拱线位置处的土压力，隧道拱顶和拱底处的土压力随时间的变化幅度较大，均超过了200 kPa，是起拱线位置处土压力变化幅值的两倍左右。可见，土压力变化主要发生在隧道外侧，内部的土压力变化相对较小。就水压力而言，隧顶和隧底的水压力小于其所受的土压力，且随时间变化幅度甚微，基本不受脱出盾尾天数影响，一直保持较为稳定的状态。隧底的水压力大于隧顶的水压力，这是由于隧底所处的深度较深导致的。

观察图1b可以发现，与断面Ⅰ相同，同一时刻下，最大土压力出现在隧道拱底位置处。而隧顶和起拱线位置处的土压力数值和变化趋势较为接近，未随着时间的变化出现大幅度变动。相较于断面Ⅰ，断面Ⅱ起拱线和拱底位置的土压力数值更小，且拱顶和起拱线位置处的土压力变化幅度也较小。但相比较之下，断面Ⅱ的隧顶处的土压力数值更大，最大时接近600 kPa，更为接近隧底的土压力。这是由于断面Ⅱ相较于断面Ⅰ的覆土厚度较小，深度对土压力的影响不大，因此三个位置处的土压力较为接近、吻合。此外，该断面隧顶和隧底的水压力出现缓慢上升趋势，但数值相较于土压力更低，与断面Ⅰ较为接近。

从图1c中可以看出，断面Ⅲ中同一时刻下最大土压力仍出现在隧底位置处，其次为隧顶位置。土压力数值最低的为起拱线位置处的土压力。起拱线和隧顶位置处的土压力数值和变化趋势较为接近，差异不大。相较于断面Ⅰ和断面Ⅱ，断面Ⅲ处各位置的土压力数值更为稳定，随时间变化幅度较小，整体呈现缓慢减小趋势。此外，断面Ⅲ隧顶和隧底的水压力数值随时间变化出现了明显的波动，起伏较大。

综上所述，三个断面中，土压力峰值最大的为断面Ⅰ的821 kPa，其次为断面Ⅱ的683 kPa，最小的为断面Ⅲ的492 kPa。断面Ⅰ土压力数值随时间变化最为强烈，变化幅度最大，最大接近200 kPa；其次为断面Ⅱ，主要表现在隧道拱底土压力变化。断面Ⅲ的土压力变化最小，随着时间的增加呈现缓慢减小的趋势。而就水压力而言，断面Ⅰ和断面Ⅱ隧顶和隧底水压力数值较为接近，整体表现也比较稳定，而断面Ⅲ的水压力数值相对较小，且随时间变化存在一定的波动。这是由于施工等原因，会导致周边土体发生扰动，对土压力数值大小造成影响。在注浆完成施工结束后，水土压力受周边荷载影响较小，因此水土压力较为稳定。断面Ⅲ处水深较浅，因此水压力受季节潮汐等因素的影响较大，存在一定的波动情况。

4.2 钢筋应力

图2展示了3个断面中的不同位置处钢筋应力随盾尾脱出天数变化情况。主要对隧底内弧面、隧底外弧面、隧顶内弧面、隧顶外弧面、起拱线内弧面和起拱线外弧面6个位置处的钢筋应力进行监测分析。

图2 各断面钢筋应力随时间变化曲线

从图2a中可以看出，断面Ⅰ处钢筋应力在脱出盾尾天数较短时间内由于临近盾构施工扰动等外部荷载的影响，钢筋应力数值出现一定的波动。在脱出盾尾100 d后基本呈现稳定态势。稳定后钢筋应力数值最大值出现在起拱线内弧面处，其次为隧底内弧面，最小值为隧顶内弧面处的钢筋应力。在起拱线和隧底位置，内弧面钢筋应力大于外弧面钢筋应力，可见内弧面钢筋承担了更大的内力，因此在实际工程中应注重加强隧底和起拱线位置处内弧面的钢筋强度。而隧顶位置处的外弧面钢筋应力远大于内弧面，且在脱出盾尾天数较短时，外弧面钢筋表现出了较大的应力。可见在隧顶位置处，主要承担了外荷载作用，因此外弧面钢筋内力较大，且呈现出随着时间的增加应力减小的趋势。

从图2b中可以看出，排除掉一部分由于监测误差或偶然情况出现的坏点，断面Ⅱ中各位置钢筋应力随时间增长波动较小，呈现出稳定、缓慢增加的趋势。各位置钢筋应力数值由大到小排序依次为隧底内弧面、起拱线外弧面、隧顶外弧面、隧顶内弧面、起拱线内弧面和隧底外弧面。隧底处的内弧面钢筋应力仍然大于外弧面钢筋应力，且差异较为明显。而隧顶和起拱线位置处的外弧面钢筋应力要大于内弧面钢筋应力。

观察图2可以发现，断面Ⅲ中不同位置处的钢筋应力随着时间的变化出现持续波动，相较于断面Ⅰ和断面Ⅱ，表现得不够稳定。在隧顶和隧底位置处，内弧面钢筋应力大于外弧面钢筋应力；而在起拱线位置处，外弧面钢筋应力则更大。三个断面中隧道各位置处的钢筋应力大小为呈现出相同的规律。

综合图2发现，同一位置下钢筋应力表现最大的为断面Ⅰ，其次为断面Ⅱ，最小的为断面Ⅲ，可见影响钢筋应力数值大小的主要为隧道的覆土厚度。在未穿越江面时，隧底和起拱线位置处内弧面钢筋应力大于外弧面，钢筋的主要作用是维持隧道内部结构的稳定，而外部荷载主要由隧顶外弧面钢筋承担。穿越江面后，钢筋应力大小关系发生改变，由于土压力较小，且受到不稳定江水压力的影响，以及外部施工如二次注浆和安装隧道内附设备等因素，一部分外部荷载变化引起隧道其他位置处钢筋应力的变化，起拱线处外弧面钢筋应力大于内弧面。

5 结论

本文依托杭州地铁8号线文桥区间风井～桥头堡站区间项目，对3个不同覆土厚度的断面进行了监测，分析了隧道各位置处的土、水压力和钢筋应力与时间的关系，探究了覆土厚度和水位对隧道受力特性的影响。得出主要结论如下:

(1)三个断面中，土压力峰值最大为断面Ⅰ的821 kPa，其次为断面Ⅱ的683 kPa，最小为断面Ⅲ的492 kPa。断面Ⅰ土压力数值随时间变化最为强烈，断面Ⅲ的土压力变化最小，随着时间的增加呈现缓慢减小的趋势。

(2)断面Ⅲ处水深较浅，水压力受季节潮汐等自然因素影响较大。断面Ⅰ和断面Ⅱ隧顶和隧底水压力数值较为接近，整体表现也比较稳定，断面Ⅲ的水压力数值相对较小，随时间变化存在一定的波动。

(3)覆土厚度决定了隧道钢筋应力的大小。同一位置下钢筋应力表现最大的为断面Ⅰ，其次为断面Ⅱ，最小为断面Ⅲ。

(4)对于未越江隧道，可对隧底和起拱线的内弧面处钢筋进行适当加强；而越江隧道应该注重隧顶和起拱线外弧面钢筋强度。