砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

富尔康

沈阳市政集团有限公司 （辽宁 沈阳 110020）

摘 要：本研究结合具体案例较深入地分析了地铁穿越砂性地层盾构隧道的管片环施工整个过程及稳定期，探讨了砂性地层中地铁盾构隧道管片结构性能及其与地层之间的相互作用，基于砂性地层提出了与地铁盾构隧道适用的设计方法。

关键词：地铁盾构隧道；砂性地层；结构受力

1. 概述

结合隧道区域地层围岩存在不同的渗透性，地铁盾构隧道管片结构设计中，国内外计算对衬砌结构产生作用的土水压力提出的模式分为水土分算和水土合算，并研究修建隧道时特定地层下的管片结构及分布的围岩应力等。由相关研究成果可见，结构荷载和分布的围岩应力是盾构隧道管片结构性能方面的主要研究内容，而在结构设计施工和稳定中研究制约管片结构性能及其与地层之间的作用的变形和分布的内力不多。本文结合某地铁砂性地层中的盾构隧道开展相关研究，采取现场试验结合理论计算的方法，探讨了施工整个过程和管片在稳定期的受力特征，了解到管片结构与地层间在砂性地层下的相互作用特征，在砂性地层中明确了盾构隧道修建的设计原则和方法，研究成果对于工程设计和施工具有一定的参考价值。

2. 工程案例

某地铁工程存在超过25米埋藏较深的基岩，区间盾构隧道处于粉细砂地层，具有复杂地质条件、埋藏较浅的地下水、土层较强的透水性、较多的上覆土层及较大差异的土质等特点表现。与隧道特点为砂性高透水性土和较高地下水水位等特点相结合，在施工中采用土压平衡式盾构机，同时加强防水，采取壁后同步注浆等措施使承载衬砌结构改善内力分布，为施工安全提供重要保证。

地铁区间盾构隧道为单层装配式钢筋混凝土管片构筑衬砌环，环内5.4米直径的管片，1.2米幅宽，0.3米厚。衬砌环中管片有6块，封顶块21度的圆心角，邻接的2个块为70度圆心角，3个标准块为68度圆心角，拼装采用45度错缝，纵向16处接头，布置角度为22.5度。

3. 试验内容及布置的测点

3.1 断面测量

选择地铁隧道其中的一个断面进行试验测量，该断面隧道顶部约14米埋深，洞身为粉砂夹细砂，上覆地层为粉土、粉砂夹细砂、淤泥质黏土，较高的地下水位，砂性土层透水性良好。

3.2 试验内容及测点布置

与盾构隧道向砂性地层的地质条件相结合，对完成管片环拼装、脱模瞬间及外荷载完成后、变形和分布的内力变化规律进行测量。主要包括管片承受的水、土压力、内外侧应力、应变及纵缝张开量等测量内容，对布置的相应测点进行编号。

3.3 测量元件

采用刚弦式土压力盒测试土压力，0.3兆帕量程。采用孔隙水压力计测试孔隙水压力，0.2兆帕量程。采用刚弦位移传感器测试纵缝张开量，30毫米量程。采用刚弦钢筋应变仪量测管片内外侧应变和应力，40兆帕量程。都采用频率巡检仪采集以上量测结果。

4. 试验结果分析

4.1 水压力测试结果及分析

保持施工现场盾尾注浆的0.3兆帕压力，与静水压力相比大10-20%，随施工进度实测水压力的变化，脱模后管片环将在短时间内增加承受外水压力并迅速升高到最大值，随着逐渐推进掌子面，对断面水压力测量逐渐降低并呈现出相对稳定趋势。管片环的水压力变化与其脱模后逐渐形成的瞬间承载、盾尾注浆层、砂性地层高透水特性及土体与管片结构调整的应力、应变之间具有较为紧密的关系。随着逐渐消散的前行盾尾和施工扰动导致的影响，管片环四周水压力逐渐衰减并与静水压力的趋势保持一致。对实测数据分析发现，施工影响管片环外水压力主要位于5-7环区域，其中3-5环管片区域最明显，10 环后可完全处置其产生的影响。

4.2 土压力测试结果及分析

通过对各点土压力变化的实测和分布的整环雷达图，可见管片环土压力与水压力之间的变化规律存在一定的相似性，在管片环脱模瞬间迅速增大，除部分测点产生的波动较大外，其它的测点都迅速表现出稳定状态的趋势。盾构隧道逐渐变化的土压力使结构主体受盾尾注浆、浆液硬化包裹层、管片环壁后注浆等因素的作用，得到客观反映。盾构对土体固结稳定的隧道四周扰动和变位的地层特性通过测量结果得到客观反映。

根据实测结果发现，土压力实测结果表明，对约10环管片幅宽范围内产生影响。该影响在10环管片外逐渐减小直至消失，并在30环管片后表现出稳定趋势，与工程施工进度相结合，管片环土压力在砂性地层中需一周时间的稳定。

4.3 纵缝张开量变化规律

对纵缝压缩定义为负，纵缝张开为正。因对纵缝张开量变化曲线进行实测的结果显示，管片环在砂性地层中脱模的瞬间承载影响结构纵缝张开量的程度较大，几乎全部纵缝内侧的压缩较大。随后随着不断调整的结构内力使各纵缝张开量呈现出波动性发展并达到稳定状态。对纵缝张开量变化的实测结果分析发现，管片在脱模瞬间有较大的环轴力，接头弹性垫层和止水条的压缩较大，对盾构隧道安全性和防水性较为重要。管片环承载不均匀性和复杂性对脱模后土水压力、盾尾注浆等因素的影响，管片纵缝张开量变化、结构变形导致四周土体反力、结构内力在错缝拼装效应下的调整及砂性地层中渗透性良好使管片环内力表现出逐渐稳定的趋势，纵缝张开量逐渐减小波动量。管片环基于力学角度保持其承受轴力较大和纵缝张开量的稳定对结构安全性具有重要作用。根据纵缝张开量实测变化结果发现，接头受管片环承载的结构内力的影响产生的压缩变形较大，导致损失与螺栓连接的预紧力，对于结构承载和防水不利，因此，在拼装完成盾构隧道管片环后再次预紧连接螺栓，使管片接缝面之间的紧密性良好，错缝拼装效应增大，结构提高了整体性及防水能力。

4.4 轴力变化及分布规律

在试验中管片环受盾构机千斤顶反力作用产生短暂侧胀，也就是管片环脱模、盾尾推进、增大水压力、壁后注浆等对环向受拉，脱模瞬间产生影响，管片环轴力增长趋势较快。错缝拼装将附加内力和消散超孔隙水压力的影响，各测点轴力不断发展的波动性，也就是产生的回落短暂快速升高并表现出稳定趋势。管片环轴力变化的实测结果可见，受砂性地层中较快消散的水压力影响，衬砌环轴力逐渐表现出稳定趋势。

5. 总结

综上，本研究表明砂性地层中管片环承受的土水压力和结构内力受盾构隧道盾尾注浆、千斤顶推力及水压力等影响程度较大。实测施工可达到5-7环范围的影响，10环后可消散对施工的影响。施工及稳定期间管片环缝的压缩较大，尽管对于结构防水有利，但导致损失与螺栓连接的预紧力，施工中应适时二次预紧连接螺栓，使结构整体提高承载力。管片环错缝拼装效应、动态调整内力及柔性衬砌结构变形在试验成果中得到充分反映，与地铁穿越较多的砂性地层特点相结合，结构设计中应基于对防水性及结构整体承载力的提高，采取错缝式管片拼装方法，仍需对结构配筋受错缝拼装内力变化的影响提高重视。

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作者简介：

富尔康（1989-），男，满族，辽宁开原人，硕士学位，研究方向：建筑材料（水泥混凝土方向）。