砂性地层地铁盾构隧道荷载与结构行为现场试验研究
【摘要】通过对地铁区间盾构隧道施工过程的监测，探明盾构区间隧道实际作用于管片的土水压力量值的相互作用规律，并以此为基础，研究了盾构隧道管片在不同阶段的相应的内力特征。
【关键词】盾构隧道 地层作用规律 内力特征
1 前言
为探明盾构施工条件下的地层及地下水对盾构管片的作用规律，研究实际作用在盾构主体结构上的土水压力的量值及规律，研究盾构隧道主体结构与地层的相互作用特征，特结合现场盾构隧道的施工，对盾构法施工过程进行了监测。全过程地监测作用于管片的实际土水压力及其变化过程，以及相应各阶段的内力值的变化过程，并研究了管片的内力特性。
因砂性地层具有其特定的施工复杂性，并且在日前我国的沿海有广泛的代表性，特选取砂性地层并结合现场施工进行施工全过程监控测试。
测试研究对象为南京地铁南北线一期工程许府巷至南京站区间盾构隧道。选取的隧道主体结构处于粉砂、粉砂夹细砂地层，有较高的地下水位，地质条件复杂。隧道洞身位于粉砂夹细砂，上覆地层主要为粉砂夹细砂、粉土，表层为淤泥及淤泥质填土(流塑)，具体的地质资料见图1。
本次测试现场的管片的拼装方式是采用45度错缝拼装。
2测试内容及测点布置简介
2．1 测试元件简介
土压力的测定采用XYJ-3型，量程为0．3MPa，振弦式土压力盒；孔隙水压的测定采用XJS-2型，量程为0．2MPa，孔隙水压计。管片的环向变形采用XJH-2型振弦式钢筋应变仪测定，规格为40MPa。裂缝张开度的测试仪器采用钢弦传感器，型号为XJW-2-B型，规格为30mm。所有的测试元件均采用zx-2型频率巡检仪接收变形频率。
2．2测试内容及测点位置图
2．2．1作用在隧道结构体上的土水压测试
测试的目的主要为探明盾构管片在实际中和周围地下水及周围地层及相互作用的量值及分布规律。
2．2．3 管片钢筋内力测试
测试目的为研究在实际的孔隙水和地层压力的作用下，管片衬砌圆在不同阶段的相应内力值及变化过程。
2．2．3 管片接缝张开度测试
测试目的是为了具体考察管片在实际受到地层的作用后，环缝的具体张开度及在施工中受力后的变化规律。
3 作用于管片的土水压力及内力分布规律
3.1孔隙水压力作用与分布规律
测点孔隙水压分布规律从现场测试得到的典型的水压力分布曲线(见图5)可以明显看到，伴随着管片的脱环过程，水压力很快的上升到一个峰值，但随着时间的推移，水压力有一个明显的下降过程，并逐渐趋于一个稳定的数值。
这一峰值现象反映了在盾构法施工的进程中，管片在脱环的瞬间承受盾尾存在由于注浆压力的存在而形成一个局部的水压力场，其压力量值大于该施工段的静水压，由于受测试条件的制约，测得的孔隙水压力比实际的水压作用稍稍置后，但总的量值，反映了作用于管片的水压力的大小。由此可以看出，孔隙水压是在瞬间作用在管片上的。
在管片脱环的瞬间测到的孔隙水压，实际上是由于注浆这一施工工艺在盾尾形成的局部高压，由于这一压力的存在，致使yL隙水向四周渗透，也就是说测得的孔隙水压实际上是孔隙水向四周渗透的渗透压力。实际的注浆压力将超过这一数值，峰值反映了注浆压力的存在。
由此可以得出孔隙水压的作用规律：由于注浆压力的存在，在盾尾形成一个局部的较高的渗透水压力场，在盾构管片在脱环的瞬间迅速作用在管片上，在之后的一段时间，随着盾构向前推进，这一压力也逐步衰减，直至衰减到该在段的静水压力场。
注：因受施工因素制约，水压力测点5的初始部分量值无法测得。
图5 水压力分布与作用规律图
3．2 测试土压力的分布规律
测试土压力在脱环过程中，迅速增长，这与测试孔隙水压的增长非常相像。在注浆这一过程中，土压力伴随着水压力上升，同时作用于管片，随着盾构机的向前推进，这一压力也衰减。它的衰减是由于孔隙水的向四周的渗透和地层的变形变位相关的。
注：因受施工因素制约，土压力测点5的初始部分量值无法测得。
图6 土压力分布与作用规律图
由此不难从中得出结论，由于注浆的作用，在盾尾有一个较高的土压力区，在盾构管片在脱环的瞬间，作用在管片上。随着盾构向前推进，这一土压力在孔隙水的扩散，逐渐压密，孔隙率降低，土压力也逐渐衰减。
3．3盾构管片在土水压力作用下的轴力分布规律
从测点的轴力的增长曲线来看，在脱环的过程中增长较快，多点的增长量达到了最终轴力的80％～90％，这反映了由于注浆压力的存在，致使盾构管片受荷较快的特性。脱环结果后，管片的轴力仍有一定的增长，这说明地层在这一段时间内仍有一定的变形变位，并且逐渐趋于稳定。本图的时间轴上的脱环过程历时较长，是因在施工过程中因发生盾构机具故障，导致脱环过程延长。
图7 轴力分布与增长曲线
从典型的轴力增长分布的曲线来看，在脱环开始到1／3～2／3的过程，轴力的增长跃性较大，主要是由于管片的受压不均匀，变形不稳定，纵向接头在这一过程中，承受的剪力也表现为不稳定，它也体现了管片在这一过程中受力及内力增长的复杂性。但在管片脱环完成之后，轴力的分布就表现为稳定增长，但这一增长的量值只有轴力量值的10％左右。由此，在管片脱环前后，受地下水和土压的联合作用过程，是复杂，是受力较为不利的。但脱环完成后，受地下水压和土压力的作用，则变得较为有利。
3．4 在土水压力作用下管片弯矩分布规律
正弯点的弯矩增长在脱环过程完成后，各点增长量基本达到总增长量的80％～90％，这与管片脱环瞬间受到的土水压力相对应，很好地反映了脱环后的注浆压力的影响，轴力在瞬间增长至一个很大的量值。负弯点的增长在脱环过程中的一个较大的增长，曲线较为陡峭；在脱环之后弯矩仍有一个较大的增长，在图上显示是—个相对缓和的增长曲线。这说明在脱环的过程完成后，负弯矩的增长分为两个有差异的增长过程。相对地较快的过程，与脱环瞬间的土水压力和脱环过程的轴力增长相对应；后期的相对缓和的增长则与地层的变形、变位相对应，这表明在盾构管片在受力后，周围地层有一个相对缓慢的变形过程。
盾构在脱环后，由于受注浆压力的存在，致使在盾尾形成一个较高的土水压力区，在管片脱环的瞬间作用在管片上，随着盾构的向前推进，这一土水压力也逐渐衰减。在这一过程中，管片的轴力弯矩在脱环的瞬间增长很快，其中轴力在瞬间的增长量达到最终轴力的80％-90％。同对弯矩的增长分为两部分，正弯矩脱环瞬间的增长量达到最终弯矩的80％～90％，此后逐渐趋于稳定；而负弯矩的增长在脱环瞬间的迅猛增长之后，由于受地层变形变位的影响，弯矩在逐渐发展，而在这一过程中轴力的增长量很小。
4 结论分析
根据在透水性良好的砂性土地层的现场测试分析，可得出如下初步结论：
(1)在盾构施工过程中由于受注浆压力的影响，在盾尾部存在一个近于等值的土水压力场，这一压力场的量值大约在0．2MPa左右，在管片脱环时，瞬间作用在管片上，使管片的轴力猛增至800-1000m，此时管片的弯矩增长远不如轴力明显。但此过程中的径向压力所引起的轴力迅速增长是对管片的受力是有利的。按目前施工中采用的同步注浆压，对隧道结构无不良影响。
(2)随着盾构机推进，盾构隧道上作用的压力值逐渐衰减，向静水场和土压力共同组成的压力模式下发展。这一过程中伴随的是轴力的微量增长及负弯区逐渐增大，但其绝对量值并未超过极大的正弯点而成为控制设计的内力值。设计可不计及施工期间注浆压是偏于安全的。
(3)稳定后的轴力和弯矩值与9m埋深土柱压力(1．5倍的洞径)的理论计算弯矩及轴力值接近，
且实测值良好地反映出了管片拼装的错缝效应，即附加弯矩及轴力分布的不连续性。与理论分析的结果趋势一致。说明在类似的地层条件下，应按土水分离的计算方式，及考虑各类接头刚度影响的分析模式，建议在类似地层中考虑土压按1．5D左右的上覆土柱压力计算。
