跨江大直徑盾構(gòu)隧道管片受力特征監(jiān)測分析

張 斌

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)項(xiàng)目的發(fā)展和交通運(yùn)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(zāi)害防治進(jìn)行了一系列研究[1-2]。郭忠等[3]通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，對越江隧道的防水密封墊角部的受力特性和防滲性能進(jìn)行了研究，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出了優(yōu)化方案。劉義山[4]依托長沙市越江隧道項(xiàng)目，考慮到巖溶地層的影響，對越江隧道穿越巖溶地層的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究分析。李岳[5]針對超大直徑越江盾構(gòu)隧道，研究了由于管片錯(cuò)臺(tái)引起的隧道滲漏問題，并提出了相應(yīng)的防治對策。呂延豪[6]基于武漢8號(hào)線越江隧道項(xiàng)目，對雙層襯砌盾構(gòu)隧道進(jìn)行了設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)的探究總結(jié)。劉明等[7]針對軟土地區(qū)的越江隧道，考慮了車振荷載的影響，通過理論計(jì)算和動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了列車運(yùn)行過程中越江隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。王偉[8]分析了大斷面越江隧道的施工難點(diǎn)和易出現(xiàn)的病害問題，并提出了相關(guān)的對策。李倩文等[9]將三維激光掃描技術(shù)在越江隧道的維護(hù)和檢修中進(jìn)行了應(yīng)用，對該技術(shù)的精確性和實(shí)用性進(jìn)行了研究。張姣[10]提出了越江隧道的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，并通過大量的工程案例，驗(yàn)證了該評價(jià)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(zhǔn)方法，為實(shí)際工程項(xiàng)目的測量提供了參考依據(jù)。胡清華[12]依托實(shí)際工程，對越江隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并通過數(shù)值模擬手段進(jìn)行了仿真計(jì)算。

本文依托杭州地鐵8號(hào)線文橋區(qū)間風(fēng)井～橋頭堡站區(qū)間項(xiàng)目，對3個(gè)不同覆土厚度的斷面進(jìn)行了監(jiān)測，分析了隧道各位置處的土、水壓力和鋼筋應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)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(shí)際工程中做出相應(yīng)對策。

2 工程概況

杭州地鐵三期8號(hào)線一期工程西段的文橋區(qū)間風(fēng)井～橋頭堡站區(qū)間項(xiàng)目，采用盾構(gòu)法施工，為單洞雙線結(jié)構(gòu)。隧道的內(nèi)徑為10.3 m，盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的厚度為50 cm，外徑為11.3 m。襯砌環(huán)分為8塊，平均環(huán)寬度為2 m，采用錯(cuò)縫拼接的方式，管片通過斜螺栓進(jìn)行連接。隧道覆土厚度為9.5～31.93 m，隧道結(jié)構(gòu)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?jié)B等級(jí)為P12。

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

該隧道區(qū)間下穿錢塘江(右線CK2＋659～CK4＋786)，現(xiàn)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(wěn)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(jié)構(gòu)具微腐蝕性；在干濕交替環(huán)境條件下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱～中等腐蝕性。

表1展示了該隧道區(qū)間內(nèi)的土層主要物理參數(shù)。其中存在一定量的淤泥質(zhì)土層，呈現(xiàn)流塑狀，具有壓縮性高、強(qiáng)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(shù)

3 監(jiān)測方案

長期對杭州地鐵8號(hào)線過江隧道區(qū)間進(jìn)行監(jiān)測。選擇3個(gè)較為典型的剖面進(jìn)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(yīng)深埋、中埋和淺埋類型。監(jiān)測儀器主要為土壓力盒、鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)，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(jì)可測最大拉應(yīng)力為240 MPa，最大壓應(yīng)力為150 MPa。將土壓力傳感器布置在管片外側(cè)，鋼筋計(jì)均勻布置在主筋位置處，通過頻率傳感器對鋼筋應(yīng)變進(jìn)行測量。表2展示了具體的監(jiān)測項(xiàng)目。此外，在布置傳感器時(shí)應(yīng)盡可能地沿著襯砌環(huán)均勻布置，以減少監(jiān)測誤差，增加監(jiān)測結(jié)果的可信度。

表2 監(jiān)測項(xiàng)目

4 管片實(shí)測數(shù)據(jù)分析

4.1 水土壓力

對3個(gè)斷面的隧頂、隧底和起拱線的土壓力進(jìn)行了監(jiān)測，同時(shí)監(jiān)測了隧頂和隧底的水壓力隨時(shí)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(shí)間變化曲線。

圖1 隧道周邊水土壓力隨時(shí)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(shù)值差異明顯，同一脫出盾尾天數(shù)情況下最大土壓力出現(xiàn)在隧道底部位置，土壓力值數(shù)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(xiàn)出了隨著深度的增加土壓力增大的一般性規(guī)律。隧頂、隧底和起拱線處的土壓力隨脫出盾尾天數(shù)的增加呈現(xiàn)出先減小后增加，最后趨于穩(wěn)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(shí)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?？梢姡翂毫ψ兓饕l(fā)生在隧道外側(cè)，內(nèi)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(shí)間變化幅度甚微，基本不受脫出盾尾天數(shù)影響，一直保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。隧底的水壓力大于隧頂?shù)乃畨毫?，這是由于隧底所處的深度較深導(dǎo)致的。

觀察圖1b可以發(fā)現(xiàn)，與斷面Ⅰ相同，同一時(shí)刻下，最大土壓力出現(xiàn)在隧道拱底位置處。而隧頂和起拱線位置處的土壓力數(shù)值和變化趨勢較為接近，未隨著時(shí)間的變化出現(xiàn)大幅度變動(dòng)。相較于斷面Ⅰ，斷面Ⅱ起拱線和拱底位置的土壓力數(shù)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(shù)值更大，最大時(shí)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(gè)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(xiàn)緩慢上升趨勢，但數(shù)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(shí)刻下最大土壓力仍出現(xiàn)在隧底位置處，其次為隧頂位置。土壓力數(shù)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(shù)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(shù)值更為穩(wěn)定，隨時(shí)間變化幅度較小，整體呈現(xiàn)緩慢減小趨勢。此外，斷面Ⅲ隧頂和隧底的水壓力數(shù)值隨時(shí)間變化出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，起伏較大。

綜上所述，三個(gè)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(shù)值隨時(shí)間變化最為強(qiáng)烈，變化幅度最大，最大接近200 kPa；其次為斷面Ⅱ，主要表現(xiàn)在隧道拱底土壓力變化。斷面Ⅲ的土壓力變化最小，隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)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(shù)值較為接近，整體表現(xiàn)也比較穩(wěn)定，而斷面Ⅲ的水壓力數(shù)值相對較小，且隨時(shí)間變化存在一定的波動(dòng)。這是由于施工等原因，會(huì)導(dǎo)致周邊土體發(fā)生擾動(dòng)，對土壓力數(shù)值大小造成影響。在注漿完成施工結(jié)束后，水土壓力受周邊荷載影響較小，因此水土壓力較為穩(wěn)定。斷面Ⅲ處水深較淺，因此水壓力受季節(jié)潮汐等因素的影響較大，存在一定的波動(dòng)情況。

4.2 鋼筋應(yīng)力

圖2展示了3個(gè)斷面中的不同位置處鋼筋應(yīng)力隨盾尾脫出天數(shù)變化情況。主要對隧底內(nèi)弧面、隧底外弧面、隧頂內(nèi)弧面、隧頂外弧面、起拱線內(nèi)弧面和起拱線外弧面6個(gè)位置處的鋼筋應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測分析。

圖2 各斷面鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

從圖2a中可以看出，斷面Ⅰ處鋼筋應(yīng)力在脫出盾尾天數(shù)較短時(shí)間內(nèi)由于臨近盾構(gòu)施工擾動(dòng)等外部荷載的影響，鋼筋應(yīng)力數(shù)值出現(xiàn)一定的波動(dòng)。在脫出盾尾100 d后基本呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢。穩(wěn)定后鋼筋應(yīng)力數(shù)值最大值出現(xiàn)在起拱線內(nèi)弧面處，其次為隧底內(nèi)弧面，最小值為隧頂內(nèi)弧面處的鋼筋應(yīng)力。在起拱線和隧底位置，內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力大于外弧面鋼筋應(yīng)力，可見內(nèi)弧面鋼筋承擔(dān)了更大的內(nèi)力，因此在實(shí)際工程中應(yīng)注重加強(qiáng)隧底和起拱線位置處內(nèi)弧面的鋼筋強(qiáng)度。而隧頂位置處的外弧面鋼筋應(yīng)力遠(yuǎn)大于內(nèi)弧面，且在脫出盾尾天數(shù)較短時(shí)，外弧面鋼筋表現(xiàn)出了較大的應(yīng)力。可見在隧頂位置處，主要承擔(dān)了外荷載作用，因此外弧面鋼筋內(nèi)力較大，且呈現(xiàn)出隨著時(shí)間的增加應(yīng)力減小的趨勢。

從圖2b中可以看出，排除掉一部分由于監(jiān)測誤差或偶然情況出現(xiàn)的壞點(diǎn)，斷面Ⅱ中各位置鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間增長波動(dòng)較小，呈現(xiàn)出穩(wěn)定、緩慢增加的趨勢。各位置鋼筋應(yīng)力數(shù)值由大到小排序依次為隧底內(nèi)弧面、起拱線外弧面、隧頂外弧面、隧頂內(nèi)弧面、起拱線內(nèi)弧面和隧底外弧面。隧底處的內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力仍然大于外弧面鋼筋應(yīng)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(yīng)力要大于內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力。

觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，斷面Ⅲ中不同位置處的鋼筋應(yīng)力隨著時(shí)間的變化出現(xiàn)持續(xù)波動(dòng)，相較于斷面Ⅰ和斷面Ⅱ，表現(xiàn)得不夠穩(wěn)定。在隧頂和隧底位置處，內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力大于外弧面鋼筋應(yīng)力；而在起拱線位置處，外弧面鋼筋應(yīng)力則更大。三個(gè)斷面中隧道各位置處的鋼筋應(yīng)力大小為呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。

綜合圖2發(fā)現(xiàn)，同一位置下鋼筋應(yīng)力表現(xiàn)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(yīng)力數(shù)值大小的主要為隧道的覆土厚度。在未穿越江面時(shí)，隧底和起拱線位置處內(nèi)弧面鋼筋應(yīng)力大于外弧面，鋼筋的主要作用是維持隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而外部荷載主要由隧頂外弧面鋼筋承擔(dān)。穿越江面后，鋼筋應(yīng)力大小關(guān)系發(fā)生改變，由于土壓力較小，且受到不穩(wěn)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(nèi)附設(shè)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(yīng)力的變化，起拱線處外弧面鋼筋應(yīng)力大于內(nèi)弧面。

5 結(jié)論

本文依托杭州地鐵8號(hào)線文橋區(qū)間風(fēng)井～橋頭堡站區(qū)間項(xiàng)目，對3個(gè)不同覆土厚度的斷面進(jìn)行了監(jiān)測，分析了隧道各位置處的土、水壓力和鋼筋應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)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(jié)論如下:

(1)三個(gè)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(shù)值隨時(shí)間變化最為強(qiáng)烈，斷面Ⅲ的土壓力變化最小，隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢。

(2)斷面Ⅲ處水深較淺，水壓力受季節(jié)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(shù)值較為接近，整體表現(xiàn)也比較穩(wěn)定，斷面Ⅲ的水壓力數(shù)值相對較小，隨時(shí)間變化存在一定的波動(dòng)。

(3)覆土厚度決定了隧道鋼筋應(yīng)力的大小。同一位置下鋼筋應(yīng)力表現(xiàn)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(nèi)弧面處鋼筋進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)；而越江隧道應(yīng)該注重隧頂和起拱線外弧面鋼筋強(qiáng)度。