麻凤海1 郑叶琳1 王洪亮2
( 1.大连大学建筑工程学院，116622，大连; 2.北京安捷工程咨询有限公司，116021，大连)
摘要［目的］为判定海底大直径盾构隧道结构工程的安全性和可靠性，需对其衬砌管片的受力进行分析。［方法］以大连地铁5号线大连站站—梭鱼湾南站区间海底盾构隧道衬砌管片为研究对象，利用 MIDASGTS有限元分析软件对该盾构隧道结构和周围岩体进行建模，得出施工一段时间后衬砌管片的受力情况，并与现场监测数据、理论计算数据进行对比分析。［结果及结论］衬砌管片所受土压力随施工推进基本稳定; 同一监测断面不同测试点土压力存在一定差异，拱顶和拱底位置处受力较大，因此在隧道施工期以及未来运营期，拱顶和拱底均为着重关注部位，可通过一定物理手段对其加强处理; 现场监测数据和数值模拟数据显示，衬砌管片内力结果较为接近，在一定简化条件下，数值模型能够较为真实地反映衬砌管片的实际受力情况。
0 引言
随着城市轨道交通的建设发展，针对盾构隧道衬砌管片应力的研究已经较为广泛［1-2］。国内已成功建成许多直径为6m左右的城市轨道交通盾构隧道，可供参考的数据较为充分［3-4］，但对于直径大于10m的大断面盾构隧道而言，不同地质条件下管片受力不尽相同，不同工程间的通用之处相对减少，需因地制宜分析［5-6］。目前，采用工程类比和数值模拟方法对工程进行分析监测，是最为有效的分析方法［7-10］。
为判定海底大直径盾构隧道结构工程的安全性和可靠性，本文以大连地铁5号线( 以下简称“5号线”) 大连站站—梭鱼湾南站区间(以下简称“大梭区间”) 海底隧道为工程背景，采用加拿大ＲOCTEST 公司生产的土压力计和渗压计对盾构隧道衬砌管片进行现场监测。研究成果可用来判定隧道 结构工程是否安全可靠，亦可为类似工程设计和施工提供参考。
1 工程概况
5号线大梭区间海底隧道以大连站站为起点， 由南向北敷设，下穿香炉礁海域后，以梭鱼湾南站为终点。该隧道全长为3317.044m，其中盾构在海下的施工长度达 2310.000m。在大连站一侧岸边设置中间风井，线路整体纵向坡度呈V字形。
海底隧道外径为11.8m，内径为10.8m。隧道的设计使用年限定为100 年。采用抗渗等级为P12的C50混凝土。盾构管片厚度为0.5m，宽度为 2.0m。盾构管片采用错缝搭接; 每环管片由8块分块组成，即1块封顶块、2块邻接块及5块标准块; 盾构管片纵、环向采用斜螺栓连接，螺栓规格为M36。
2 大直径盾构隧道衬砌管片受力现场监测结果与分析
2.1监测断面与测点布置
盾构隧道监测断面及测点布置应重点考虑以下情况: ①土压力和水压力较大的位置; ②覆土厚度小且隧道有上浮风险的位置; ③隧道结构断面出现变化的地方，以及底层条件突变处的不良地质位置等。
为保证监测系统的可靠性，在重要位置布置2套传感设备，方便数据互相印证，防止出现1套设备发生问题后无法对重点部位进行监控的情况。根据上述原则，在隧道跨海段设置10个监测断面。海底盾构隧道监测断面布置图如图1所示。
本文选取1个代表性监测断面D6( 第1042环管片) ，该断面里程为K10+ 844.910，隧道的拱顶覆土H为23.02m，设计水深为13.02m。隧道拱顶和拱腰处均为中风化板岩。参照钻孔M5Z3-THS-101，海底隧道衬砌管片测点布置横断面图见图2。地层物理力学参数取值见表1。
本文主要关注点在于: 初衬与地层接触土压力、渗透水压力随盾构推进的变化过程。整个监测过程包含施工期和未来运营期，为施工中和竣工后提供直观的参考数据。传感器埋设位置如表2所示。第1042环衬砌管片拼装位置及压力盒埋设示意如图3所示。渗压计与土压力计邻近埋设，故其埋设位置与土压力计相同。
2.2监测结果分析
对海底隧道衬砌管片进行监测的渗压计和压力传感器均为加拿大ＲOCTEST公司生产。根据现场的水文资料，视情况进一步加强海水腐蚀防护措施，保证在传感器安装前不会因产品本身产生失误。
监测断面D6从2020年7月1日第1042环管片安装结束后开始测试，监测过程历时4个多月。监测系统每天读取数据两次，由于数据量偏大，无法全部表现出来，故主要选取距离当前时间最近的数据进行分析，累计监测40次。监测数据不是最终的结果，需通过力学公式进行转化求解。
图4为土压力随时间变化曲线。图5为水压力随时间变化曲线。
3大直径盾构隧道衬砌管片受力计算与分析
3.1 理论计算分析
1) 竖向土压力。该管片处覆土厚度H＜2d( d 为管片直径) ，拱顶土压力按实际埋深全覆土进行计算。
Pv=γH (1)
式中:
Pv———竖向地层压力;
γ———上覆土层的平均重度;
H———上覆土层的厚度。
2) 侧向土压力。根据垂直土压力和静止侧压力系数确定。
3) 顶部水压力Pw1 和底部水压力 Pw2 计算公式为:
Pw1=γwhw (2)
Pw2=γw (hw+d) (3)
式中:
γw———水的重度;
hw———地下水位线至隧道中心的作用水头。
根据相关理论，对D6断面采用水土分算，计算管片环宽取单位长度1m。参照5号线设计图纸的土层参数，侧向土压力系数取0.3，地层水平刚度系数取200MPa/m，垂直刚度系数取200MPa/m。通过计算得到: 地面超载 P0=133.46Pa，PV=342.45Pa，顶部侧向土压力 Pe1=122.75 Pa，底部侧向土压 力 Pe2=185.76 Pa，Pw1=369.41Pa，Pw2=490.36Pa，拱底竖向反力 P2=355Pa。
3.2 数值模拟计算分析
根据现场实际情况和地勘资料，本文对第1042环管片D6断面进行简化模拟。考虑到隧道开挖对周围土体的影响范围，最终确定模型边界以隧道中线为准向左、右各增加25m，盾构机前进方向取30m，竖直高度取50m。隧道埋深为23.02m，管片厚度为0.50m。模型边界在考虑自重及周围土体约束作用的影响下，取Y轴方向为隧道轴线方向。考虑到衬砌采用内外复合衬砌，根据设计要求，内衬与管片之间通过设置缓冲层来连接，使内外衬砌在一定程度上隔离，主要受力结构仍为管片结构，因此建模时可忽略内衬。
采用MIDAS软件建立模型时，需重点关注隧道开挖完成后管片的受力情况。参考目标管片所在地层条件，土体采用莫尔-库伦模型，混凝土管片内衬结构采用线弹性板单元模拟分析。对管片结构附近土体的网格细分，其他部位的网格则相对粗略。
3.3 对比分析
选取海底盾构隧道衬砌管片断面施工完成一 段时间后的监测数据。纵观图4整体数据分布: 衬砌管片土压力出现忽高忽低的轻微波动，总体而言趋于稳定且呈现略微降低的趋势，减少幅度约为1.5% 。由图4可直观看到管片拱顶土压力约为660kPa，拱腰B4、L2 处土压力约为580kPa。此时， 第1042环管片施工完成，已进入后期固结变形，土层与管片之间需进行长时间应力重分布。由盾构 施工造成的平衡破坏仍可通过地层进行力的传导， 导致土压力曲线波动。该隧道断面各点处土压力 随时间变化较小，位于拱腰左右的两个监测仪器位置相对对称，可互为参照，且监测数据相差不到5% 。加之土压力计安装初期数据的缺失，使得早期土压力数据未能在图4中体现。
观察图5可见: 管片不同位置处水压力差距较 大。拱顶B2处水压力约为150kPa，拱腰L1处水压力为260kPa，还存在拱腰左右B3、L2两侧水压力为零的情况。受客观因素影响，水压力稳定本就较为困难，加上隧道埋设较深，渗透系数较大，作用于管片上的海水压力补给较多，从而导致不同测点处出现50%以上的水压力差。零水压力是由于人工安装失误，渗压计不发挥作用所致。该盾构隧道采用双层衬砌，受仪表安装位置的影响，盾尾密封较严，未有水透过。尤其该盾构隧道还存在三段岩溶地段，溶洞处理对水造成的影响更为复杂。
第1042环管片的土压力和水压力云图由图6—图7所示。由图6—图7可以看出: 隧道拱顶和拱底所受水、土压力明显较大，最大压力可达720kPa，与监测数据相差8% ; 隧道两侧拱腰处所受水、土压力较小，整体大致呈轴对称分布; 与B2、B4、L2等相应位置对比，水、土压力模拟值和监测值相差较小，拟合度相对较高，但模拟值大于监测值。
由图7可以看出: 水压力在150kPa左右分布较为广泛，衬砌管片个别位置存在水压力较大值。究其原因为水压力受外界环境、施工缝隙及注浆等的影响较大，加上部分水压力计安装存在失误，使得监测结果与预期出现偏差。水压力计发挥作用对应位置处的最大误差也达到40% ，需谨慎对其进行处理。即使部分水压力计未能发挥作用，根据已掌握数据也可做出水压力曲线。衬砌管片水、土压力分布图如图8—图9所示。
由图8和图9可以看出: 衬砌管片土压力数值模拟、监测及理论计算等三种曲线的吻合度更高，尤其在拱腰位置更为明显。由此可见，在建模过程中所采用的地层参数是精准的，且对双层衬砌管片进行简化处理时忽略二次衬砌的做法是可取的。因水自身流体形态研究较为困难，水压力理论计算曲线与其他两种曲线不吻合，但水压力数值模拟曲线与监测曲线吻合度良好。由此可见，该模型可反映实际情况。
4结语
1) 衬砌管片所受力随盾构向前推进进行重分布，其数值在某一固定值上下波动，且波动幅度较小; 同一衬砌管片断面不同测试点所受力存在差异，其中拱顶和拱底受力相对较大，因此盾构隧道施工期间应着重关注隧道拱顶和拱底的受力。
2) 第1042环管片埋深为23.02m，小于隧道开挖直径的3倍，可不考虑弹性抗力。对拱顶土压力采用全覆土计算，结果均大于数值模拟值和现场监 测值，由此可见，理论计算结果会使盾构隧道结构安全性更有保证。
3) 鉴于大直径盾构隧道自身建设困难以及解决方案的特殊性，其结构设计无固定模板可以参考。本文仅为直径大于10m的盾构隧道提供参考。
转载文献来源：中国知网-城市轨道交通研究
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