砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

收稿日期：2005-06-08 修改稿收到日期：2006-01-09

作者简介：何川，男，19年生，博士，教授，博士生导师，主要从事隧道及地下工程研究。

论文联系人：曾东洋，男，1977年生，博士，主要从事盾构隧道设计理论与方法研究。E-mail: zdyandlj@163.com

文章编号：1000－7598－(2007) 05－0909－06

砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

何 川1，曾东洋1, 2

（1.西南交通大学 地下工程系，成都 610031；2.中交第一公路勘察设计研究院，西安 710075）

摘 要：以南京地铁一号线穿越砂性地层盾构隧道为研究对象，对管片环施工全过程和稳定期进行了现场系统研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型进行理论计算，探讨了砂性地层中盾尾注浆、土体应力松弛、水压力及拼装方式对管片环土水压力、纵缝张开量、内力等的分布和变化规律的影响，揭示了砂性地层中地铁盾构隧道管片环的结构性能及其与地层的相互作用特性，提出了适用于砂性地层条件下的地铁盾构隧道设计原则与方法。 关 键 词：盾构隧道；管片环；土压力；纵缝；内力；梁-弹簧模型 中图分类号：U 451 文献标识码：A

Research on mechanical characteristics of metro shield

tunnel segment in sandy strata

HE Chuan 1

, ZENG Dong-yang 1, 2

(1. Department of Tunnel &Underground Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. The First Highway Survey & Design Institute of China Communications, Xi’an 710075, China)

Abstract: Based on the Nanjing metro shield tunnel traversing sandy strata, systematic in-situ investigation and theoretical simulation of the beam-spring model with consideration of the interactions between lining structure and surrounding soil during the segment assembly and stabilization are carried out. Influences of the shield tail serum injection, soil stress relaxation, water pressure and segment ring assembly on the distributions and varying laws of sandy strata segment ring soil pressure, the longitudinal joint gap and internal forces are discussed. The characteristics of the interactions between shield tunnel segment and the sandy strata are investigated. The applicable principle and method for metro shield tunnel segment design in sandy strata are also proposed. Key words: shield tunnel; segment ring; soil pressure; longitudinal joint; internal force; beam-spring model

1 前 言

根据隧道所处地层围岩的渗透性差异，国内外地铁盾构隧道管片结构设计中，对作用于衬砌结构 的土水压力计算提出了水土分算和水土合算两种模式[1]，并对特定地层情况下修建隧道时的管片结构及围岩应力分布等进行了一系列研究。日本山野一良等[2]对干砂中修建隧道的成拱问题进行了试验研究，日本T. Yoshimura 等[2] 通在离心机试验测量了盾构开挖中的土体位移和衬砌应变，朱合华[3]结合地铁盾构隧道施工所测衬砌结构内力，对衬砌结构外荷载分布形式进行了反演，金康宁[4]在考虑了土体切向和法向抗力的前提下，对隧道结构内力计算模型进行了探讨，周小文[2]等对影响隧道衬砌结构

承载的砂性地层松动土压力等进行了研究，陈伟[5]等结合广州地铁区间隧道施工中管片结构的工作性能进行了试验研究。

由已有成果可知，目前盾构隧道管片结构性能的研究还主要集中于结构荷载和围岩应力分布地研究，而对制约结构设计的施工全过程和稳定期间的管片结构性能及其与地层共同作用下的变形和内力分布较少研究，基于此，本文以南京地铁一号线砂性地层中的盾构隧道为研究对象，采用现场试验和理论计算相结合的手段，对施工全过程和稳定期的管片受力特征进行研究，探明了砂性地层条件下的管片结构与地层之间的相互作用特征，明确了砂性地层中修建盾构隧道的设计原则和方法，研究成果可供工程设计和施工借鉴和参考。

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2 工程概况

南京地铁一号线TA15标段属古河道漫滩地貌，基岩埋藏较深，均大于25 m 。区间盾构隧道主要位于淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂地层，地质条件复杂，具体表现为地下水埋藏较浅、土层透水性强、上覆土层多，且土质差异较大等特点。结合隧道处于高透水性砂性土和地下水水位较高等特点，隧道施工选用土压平衡式盾构机，并采取加强防水，实施壁后同步注浆等措施以改善承载衬砌结构内力分布，确保施工安全。

地铁区间盾构隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片构筑衬砌环，管片环内直径为5.50 m ，幅宽

1.20 m ，厚0.35 m 。衬砌环由6块管片组成，封顶块圆心角为21.5°，2个邻接块圆心角为68.0°，3372断面进行试验测量，该断面隧道顶部埋深约 12 m ，洞身位于粉砂夹细砂，上覆地层主要为粉砂夹细砂、粉土、淤泥及淤泥质黏土，地下水位较高

且砂性土层具有良好的透水性，试验断面地质剖面如图2所示。

Fig.2 The geologic section of the test plane

A(B)-2

土水压力测点布置

C-3C-4 C-6

C-5

C-7

D-2

D-3

(b) 测缝仪和应力应变仪布置

图3 试验管片环测点布置

Fig.3 Monitor distribution in the test ring

68.0°

°

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第5期 何 川等：砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

3.3 测量元件

土压力测试采用XYJ-3型刚弦式土压力盒，量程为0.3 MPa 。孔隙水压力测试采用XJS-2型孔隙水压力计，量程为0.2 MPa 。纵缝张开量测试采用XJW-2-B 型刚弦位移传感器，量程为30 mm 。管片内外侧应变和应力量测采用XJH-2型刚弦钢筋应变仪，量程为40 MPa 。上述所有量测结果均通过 ZX-2型频率巡检仪采集。

4 试验成果与分析

4.1 水压力测试结果与分析

保持施工现场盾尾注浆压力为0.3 MPa ，较静水压力大10 %～20 %，实测水压力随施工进度的 变化规律如图4(a)所示，稳定后的水压力分布雷达图如图4(b)所示。可以看出，脱模后管片环承受外水压力将很快增加并迅速达到峰值，随着掌子面的推进，测量断面水压力逐渐下降并最终趋于稳定。管片环水压力变化规律与管片环脱模后瞬间承载、砂性地层高透水特性、盾尾注浆层的逐渐形成和土体与管片结构的应力、应变调整密切相关。随着盾

分析实测数据可知，施工对管片环外水压力的影响区域约为5～7环，其中最为显著的区域为3～

5环管片，10环后该影响几乎完全消散。

4.2 土压力测试结果与分析

图5为实测各点土压力变化规律和整环雷达图分布，表明管片环土压力变化规律与水压力变化规律相似，在管片环脱模瞬间陡然增加，除测点1和测点8产生较大波动外，其余测点均很快趋于稳定。

盾构隧道土压力变化规律反映了盾尾注浆、管片环壁后注浆、浆液硬化包裹层等因素对结构主体的共同作用，测量结果基本上反映了盾构隧道四周扰动土体的固结稳定和地层变位特性。由实测结果可知，实测土压力影响范围约在10环管片幅宽范围内，10环管片外该影响逐渐消失，并于30环管片后渐趋稳定，结合工程施工进度，砂性地层中管片环土压力稳定时间约需一周左右。

管片环轴力较大，接头弹性垫层和止水条均产生了较大压缩，这对盾构隧道的长期安全性和整体防水性具有十分重要的意义；受脱模后盾尾注浆、土水压力等众多因素共同作用下管片环承载复杂性和不

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均匀性影响，管片接头（纵缝）张开量波动发展；结构变形所调动的四周土体反力、错缝拼装效应下的结构内力调整和砂性地层中良好的渗透性使得管片环内力渐趋稳定，纵缝张开量波动量不断减小。从力学角度出发，保持管片环承受较大轴力和稳定的纵缝张开量对结构的长期安全性具有积极意义。

所形成的结构内力使得所有接头产生较大压缩变形，造成连接螺栓预紧力的损失，不利于结构整体承载和防水，故应在盾构隧道管片环拼装完成后对连接螺栓进行再次预紧，使得管片接缝面间更加密贴，增强错缝拼装效应，提高结构整体性和防水能力。

4.4 轴力变化及分布规律

受盾构机千斤顶反力作用，管片环在试验过程中将出现短暂的侧胀现象，即环向受拉（如图7管片环拼装完成时），脱模瞬间，受盾尾推进、管片环脱模、壁后注浆、水压力上升等影响，管片环轴力呈现较快增长。受错缝拼装所传递的附加内力和和超孔隙水压力的消散影响，各测点轴力波动性发展，即出现短暂的回落后迅速上升并渐趋稳定。实测管片环轴力变化曲线及雷达分布图分别如图7和图8所示。可以发现受砂性地层中水压力消散较快影响，衬砌环轴力将很快趋于稳定。

(a)

Fig.8 Radial distribution of the axis force

4.5 弯矩变化及分布规律

实测管片环弯矩变化曲线和雷达分布图分别如图9和图10所示。弯矩的增长可主要分为管片环脱模过程中水压力增长期和脱模后消散期两个阶段。受瞬间承载、壁后注浆层和错缝拼装附加内力等影响，脱模过程中错缝拼装管片环弯矩呈现一定的跳跃性，其发展趋势是急剧增长，但不会超过

80 kN ·m ；随着水压力的消散以及结构变形和内力的不断调整，管片环弯矩逐渐减小并渐趋稳定。试验成果表明，管片环弯矩最大变幅出现在盾尾后5环管片幅宽范围内，其后结构弯矩不断波动并很快趋于稳定。管片环弯矩变化过程中增量正负变化与测点布设位置密切相关，而受地层超孔隙水压力、扰动地层变形稳定时间等影响，砂性地层管片环弯矩将较快趋于稳定。

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取值过大，增强了错缝式拼装管片环的内力传递效

应，计算所得结构内力较稳定期偏大，而更接近于施工脱环瞬间。因此，在位于砂性地层中的盾构隧道管片结构设计中，采用水土分算模式下的梁-弹簧模型内力计算结果作为设计控制值是合理的，结构也更趋安全。

6 结论

通过本次研究可得如下结论：

（1）盾构隧道盾尾注浆、水压力、千斤顶推力等对砂性地层中管片环所承受的土水压力和结构内力将产生较大影响。实测施工影响范围约为5～7环，10环后施工影响几乎完全消散。

（2）施工及稳定期间管片环缝将产生较大压缩，虽有利于结构防水，但将引起连接螺栓预紧力的损失，建议施工过程中适时对连接螺栓进行二次预紧，增强结构整体承载能力。

（3）试验成果充分反映了管片环的错缝拼装效应和柔性衬砌结构变形和内力的动态调整。结合南京地铁将较多穿越砂性地层特点，结构设计中应从提高结构整体承载能力和防水性角度出发，采用错缝式管片拼装方式，但应充分重视错缝拼装内力变化对结构配筋的影响。

（4）采用考虑了接头效应的梁-弹簧模型结构内力计算结果与试验所得管片环内力分布和变化规律具有一致性，但量值上较稳定期间的结构内力偏大，而更接近于脱环瞬间，这说明以水土分算模式

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