小直徑盾構施工中管片縱向應力監測研究

孫肖輝， 馬孝春, *， 黃 峰， 金 奕， 馬軍英， 任紅濤

(1. 中國地質大學(北京)工程技術學院， 北京 100083； 2. 北京城建集團有限責任公司， 北京 100088； 3. 中地華北(北京)工程技術研究院有限公司， 北京 100198)

小直徑盾構施工中管片縱向應力監測研究

孫肖輝1， 馬孝春1, *， 黃 峰1， 金 奕2， 馬軍英2， 任紅濤3

(1. 中國地質大學(北京)工程技術學院， 北京 100083； 2. 北京城建集團有限責任公司， 北京 100088； 3. 中地華北(北京)工程技術研究院有限公司， 北京 100198)

為了探索小直徑盾構法隧道在施工過程中管片縱向應力的變化規律，對北京槐房再生水廠污水隧道管片縱向應力進行了現場監測： 將第976環、第1 054環管片分別設為第1和第2監測斷面， 2監測斷面各預埋5個縱向應力計，各監測斷面從本監測斷面管片安裝后即開始監測，當盾構掘進至第1 129環時停止監測。研究表明： 1)在管片離開盾尾50環后，其縱向應力波動值小于管片拼裝期間應力值的5%。2)在盾構掘進期間，管片距離盾構越遠，其縱向壓應力值越小。3)在管片拼裝期間，管片距離盾構越遠，其縱向壓應力經歷了先增大后減小的過程。4)管片距離盾構108環后，該管片縱向壓應力趨近于0.2～0.3 MPa。5)隨著盾構推進，管片縱向應力經歷了4個階段的變化過程，即周期性劇烈波動階段—動態穩定階段—逐漸衰減階段—趨于穩定階段。

小直徑盾構； 隧道施工； 管片縱向應力； 監測

0 引言

近年來國家大力推動地鐵、海綿城市及地下綜合管廊等基礎設施建設。與地鐵施工類似，污水管道施工也越來越多地使用盾構技術，但與地鐵盾構隧道不同的是污水管道的滲漏將嚴重污染地下水資源和環境。盾構隧道施工完成后，隧道內管片縱向應力對襯砌管環間滲漏水防治和縱向變形控制至關重要。同時，中間工作井的開挖，負環管片的拆除時機等也都需要對施工過程中管片縱向應力的變化規律有一個清晰的認識。

目前針對盾構隧道施工期間管片應力的研究多集中在管片的環向方向。梁霄等[1]通過對揚州瘦西湖盾構隧道的監測研究，分析了施工階段同步注漿對隧道襯砌結構受力的影響，總結了隧道襯砌結構荷載和內力在施工階段隨時間的變化規律。唐孟雄等[2]通過對廣州地鐵2號線進行實測,分析了在不同工況下管片環向鋼筋應力的變化規律。陳俊生等[3]在三維數值模型中加入與施工階段相對應的注漿壓力、千斤頂頂力及初步引入盾尾刷的擠壓作用，分析了盾構隧道的變形特點及應力分布。梁禹等[4]通過對長沙湘江隧道管片襯砌在施工期及后期所受外荷載和結構內力的現場監測分析，總結了襯砌結構外荷載和內力隨時間的變化規律。張恒等[5]通過對深圳城市軌道交通 5號線區間盾構隧道管片襯砌在施工中的力學行為監測，分析了隧道下穿軟硬不均地層、黏土地層和上覆建筑物的全風化花崗巖層中襯砌所承受的環向軸力和彎矩。

而當前關于盾構隧道縱向問題的研究，大部分是針對縱向沉降及縱向剛度的。葉飛等[6]根據相似理論對通縫、錯縫及勻質圓筒模型進行了縱向模型試驗研究，得出了盾構隧道縱向變形性能及抗彎剛度有效率的取值。殷建國等[7]采用盾構隧道縱向等效連續化模型，分析了盾構隧道縱向沉降對隧道縱向等效剛度的影響。張軍等[8]通過數值模擬和理論計算相結合的方法,分析了河床沖淤引起過江隧道縱向變形的機制,并提出了控制縱向變形的建議。Huang等[9]基于室內試驗數據，提出了考慮地層參數變異的縱向變形簡化計算方法。張子新等[10]通過建立三維有限元模型，系統地研究了多種因素對異形盾構縱向力學性能的影響。

已有研究極少關注小直徑盾構法隧道施工中管片縱向應力的變化規律。與隧道縱向受力研究最為相關的是一些關于負環管片拆除時機[11-12]、軟土盾構隧道縱向應力松弛規律[13]等方面的研究，其文獻數量較少且無成型的理論可用。

本文結合北京市槐房再生水廠工程，對隧道管片縱向應力進行現場監測，分析小直徑盾構法隧道在施工過程中管片縱向應力的變化規律，以期為小直徑盾構隧道的縱向設計及管環滲漏水防治提供依據。

1 工程概況

1.1工程簡述

北京市槐房再生水廠再生水及污水盾構管線工程： 施工區間為1#盾構始發井至4#盾構接收井(槐房再生水廠—草橋國際文化城)，其中包括4座中間工作井。工程平面布置如圖1所示。

圖1 工程平面簡圖

施工時采用土壓平衡盾構先掘進污水隧道，隧道區間覆土厚度為7～9 m，隧道最大縱坡為0.06%，最小曲率半徑為150 m。盾構隧道為圓形隧道，隧道結構如圖2所示。管片環采用“5+1”(A1—A3、B1、B2、K)通用楔形環方式，環間錯縫拼接，管片及管環間采用雙頭弧形螺栓連接，管環內徑3.5 m，外徑4.0 m，厚0.25 m，寬1.2 m。盾構采用14組千斤頂推進，在環向上均勻分布，圖2中陰影位置為千斤頂撐靴位置。管片混凝土強度等級為C50。

圖2 隧道結構及內部布置(單位： mm)

1.2監測區間工程地質及水文地質條件

監測區間位于北京市南四環公益西橋—草橋國際文化城污水盾構區間的中段，如圖1所示，監測區間的工程地質剖面如圖3所示。盾構管道埋深約7 m，絕大部分位于砂卵石地層中，其主要物理力學指標見表1。地下水位高程低于21 m，且水位年變幅一般為1～3 m，不會對盾構隧道施工產生影響。

圖3 工程地質剖面簡圖

表1 盾構隧道地層主要物理力學指標

2 現場試驗

2.1試驗儀器

試驗傳感器采用預埋式JTM-V1000D型振弦式應力計，監測數據采集使用JTM-MV20A系列智能型振弦式傳感器采集箱；同時，使用JTM-MS100系列智能型采集系統管理軟件進行數據管理操作。

應力計應力與頻率的換算公式為：

(1)

式中：σ為應力，MPa；K為率定系數，MPa/Hz2；fi為應力計實時采集頻率值，Hz；f0為應力計初始頻率值，Hz。

2.2應力計安裝位置

在監測區間內共設置了2個斷面(第976環、第1 054環)作為監測斷面，將第976環定為第1監測斷面、第1 054環定為第2監測斷面，具體位置見圖1和圖3。盾構首先掘進通過第1監測斷面，然后通過第2監測斷面。為便于施工及監測，在監測環上除最底端管片外的每塊管片環向中部沿縱向方向各布置1個應力計(每環5個)，應力計環向布置位置及編號如圖4所示。

(a) 第976環

(b) 第1 054環

2.3試驗儀器安裝

2.3.1 應力計管片廠預埋

應力計及其現場預埋如圖5所示。先將應力計用細鐵絲固定于管片鋼筋籠的設計位置處(應力計軸向平行于隧道軸線方向)，然后通過澆筑混凝土的方式使應力計完全固定。

(a) 應力計

(b) 應力計預埋

圖5應力計

Fig. 5 Stress meters

2.3.2 采集系統安裝

本工程監測數據采集系統的安裝及實時數據采集如圖6所示。管片拼裝完成后隨即進行實時數據采集，盾構掘進至第1 129環時終止數據采集。

(a) 傳感器采集箱

(b) 實時數據采集

圖6數據采集

Fig. 6 Data acquisition

3 監測區間施工參數

3.1盾構總推力

盾構掘進時千斤頂總推力的大小直接決定了盾構隧道縱向初始應力的大小。該工程施工過程中，正常掘進段以6 000 kN為上限控制盾構千斤頂總推力，管片拼裝時盾構總推力在1 400 kN左右。在各環掘進階段的實際盾構總推力如圖7所示。

3.2注漿體

同步注漿漿液為水泥砂漿，其化學性質直接決定了隧道縱向應力的衰減速度。同步注漿漿液配比如表2所示，漿液初凝時間一般為10 h。

4 試驗結果及分析

監測試驗中第2監測斷面采集到的數據前期規律更為明顯，故先分析第2監測斷面，而第1監測斷面監測距離更長，后期趨勢更為清晰。

圖7 盾構掘進時總推力變化曲線

表2 同步注漿漿液配比

4.1第2監測斷面(第1 054環)

該斷面的監測數據包含了盾構從第1 055環推進到第1 129環期間，第1 054環上各應力計記錄的管片縱向應力的變化情況，如圖8所示。傳感器設置為3 min12 s采集一次數據，而盾構每環掘進時間及管片拼裝時間存在差別(每環的正常掘進時間為15 min左右，管片拼裝時間為1 h左右)，由于數據點是按時間均勻分布的，因而在橫軸上對應的環數并非均勻分布。

如圖8(a)所示，在每環管片拼裝時，由于拼裝時間較長，管片縱向應力曲線出現了較為平直的區段；而在盾構掘進時，由于盾構掘進時間較短，管片縱向壓應力曲線未出現較為平直段。

從各應力計應力曲線圖可以看出，自監測管環安裝完成，隨著盾構向前推進，應力計記錄到的縱向應力差值(即波動值，見圖8(b))由最初的1.6 MPa逐漸衰減甚至消失。經統計，各應力計波動值在盾構通過此監測斷面50環左右時小于此位置管片拼裝期間應力計值的5%(所采用的應力計精度誤差為5%)。這是由于監測管片剛剛脫出盾尾時，周圍的注漿體呈流塑態，管片與注漿體之間的摩阻力很小，故監測斷面縱向應力波動值可達到1.6 MPa左右；隨著監測管片與盾構之間距離的增加及注漿體的逐漸凝固，監測管片和盾構之間的管片與周圍注漿體的摩阻力逐漸增大，使得監測斷面縱向應力波動值逐漸減小。

如圖8(d)所示，在盾構掘進期間，由于管片和注漿體之間的縱向摩阻力方向與盾構千斤頂頂力方向相反，使得監測斷面距離盾構越遠，應力計應力呈現逐漸減小的趨勢；而在盾構管片拼裝期間，隨著監測斷面遠離盾尾，管片縱向壓應力經歷了先增大后減小的變化過程。這是因為在盾構掘進期間，距離盾構較近的管片縱向位移較大，使得管片與周圍的注漿體之間發生了剪應變(靜摩阻力)甚至相對滑動(動摩阻力)并伴隨注漿體的塑性變形，而在管片拼裝期間，管片整體回彈，使摩阻力方向發生了改變。上述過程與摩擦樁在加卸載過程中樁周摩阻力的變化過程[14-16]較為相似。同時，在盾構向前推進的過程中，監測斷面管片受到逐漸減小的循環加卸載作用，并伴隨周圍注漿體性質及注漿壓力的逐漸變化，以及隧道內部的施工(盾構后配套設施及管片、渣土運輸車輛等)荷載的變化等多種因素的綜合作用，使縱向應力產生這種變化趨勢。

(a) Y6應力計

(b) Y7應力計

(c) Y8應力計

(d) Y9應力計

(e) Y10應力計

Fig. 8 Variation curves of stress collected from stress meters on monitoring cross-section 2

在該監測段施工過程中，由于盾構千斤頂頂力在管片環向上變化不大、污水管道直徑較小以及砂卵石地層較為穩定(隧道在縱向上不易產生不均勻沉降)等因素綜合作用，使得管片環向不同位置處應力計應力值在盾構推進同一環時并無明顯變化。

4.2第1監測斷面(第976環)

該監測斷面的監測數據包含了盾構從第977環推進到第1 129環期間，第976環上各應力計記錄的管片縱向應力的變化情況，如圖9所示。該監測斷面數據的前期規律與第1監測斷面基本一致。管片縱向應力經歷了4個階段的變化過程： 周期性劇烈波動階段—動態穩定階段—逐漸衰減階段—趨于穩定階段。在盾構通過監測斷面108環后，監測斷面管片的縱向應力趨近于0.2～0.3 MPa(統計情況如表3所示)并逐漸達到穩定。可知在盾構通過監測斷面108環后，管片會在較長距離上存在0.2～0.3 MPa的壓應力。這是由于盾構距離監測面較遠，它們之間的管片與注漿體間總的縱向摩阻力較大，盾構千斤頂推力對監測斷面的影響消失，同時監測斷面周圍的注漿體達到較為穩定的狀態，并且隧道內部施工荷載較少等多種因素使得其縱向應力趨于穩定。

圖9 第1監測斷面各傳感器應力計受力變化曲線

表3第1監測斷面各應力計進入相對穩定區環數統計

Table 3 Statistic of ring numbers when stress meters go into stable area (monitoring cross-section 1)

應力計編號進入相對穩定區環數距離千斤頂環數均值Y11084108Y21084108Y3107498Y41087111Y51088112108

5 結論與建議

基于槐房再生水廠配套輸水工程，通過對小直徑污水盾構在砂卵石地層施工過程中管片縱向應力的現場監測及分析，結論如下：

1)隨著盾構推進，監測斷面管片縱向應力在盾構掘進期間與管片拼裝期間的波動值不斷減小，且在盾構通過監測斷面50環后波動值小于此位置管片拼裝期間應力值的5%。

2)隨著盾構推進，在盾構掘進期間，監測斷面管片縱向壓應力在不斷減小。

3)隨著盾構推進，在盾構管片拼裝期間，監測斷面管片的縱向壓應力經歷了先增大后減小的過程。

4)在盾構通過監測斷面108環后，監測斷面的縱向壓應力趨近于0.2～0.3 MPa。

5)隨著盾構推進，管片縱向應力經歷了4個階段的變化過程： 周期性劇烈波動階段—動態穩定階段—逐漸衰減階段—趨于穩定階段。

由于盾構法隧道施工中縱向應力的綜合性、復雜性及時變性，對于盾構法隧道的縱向應力變化規律，目前尚無完整清晰的理論。在下一步的研究中，建議對從注入到完全硬化期間注漿體性質的變化以及注漿體與管片及周圍巖土體的接觸面性質進行完整的室內試驗，并參考摩擦樁的摩阻力機制進行整個系統的理論分析及數值模擬計算，以期為砂卵石地層小直徑盾構隧道縱向設計提供科學依據。

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StudyofMonitoringofLongitudinalStressofSmall-diameterShieldTunnelSegmentduringConstruction

SUN Xiaohui1, MA Xiaochun1, *, HUANG Feng1, JIN Yi2, MA Junying2, REN Hongtao3

(1.SchoolofEngineeringandTechnology,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China; 2.BeijingUrbanConstructionGroupCo.,Ltd.,Beijing100088,China; 3.ChineseAcademyofGeotechnicalEngineering,Beijing100198,China)

Site monitoring is carried out on longitudinal stress of segment of a small-diameter sewage shield tunnel of Huaifang Recycled Water Factory in Beijing. Five longitudinal stress meters are embedded in monitoring Cross-sections 1 and 2 respectively (ring 976 and 1 054); the monitoring data are collected right after stress meter installation and are stopped when boring to ring 1 129. The study results show that: 1) The longitudinal stress of segment after 50 rings behind shield tail is 5% less than that when segment assembling. 2) The longitudinal stress of segment decreases with the distance between segment and shield tail increase during shield tunneling. 3) The longitudinal stress of segment increases firstly and then decreases with the distance between segment and shield tail increase during segment assembling. 4) The longitudinal stress of the segment goes stable around 0.2-0.3 MPa after the distance between shield tail and the segment is 108 rings. 5) With shield tunneling, the longitudinal stress of segment goes through four variation phases, i.e. periodical sharp fluctuation phase, dynamic stability phase, gradually decay phase and stable phase.

small-diameter shield; tunnel construction; longitudinal stress of segment; monitoring

2017-06-20;

2017-09-19

孫肖輝(1992—)，男，河北武邑人，中國地質大學(北京)地質工程專業在讀碩士，研究方向為巖土工程。E-mail: 2002150049@cugb.edu.cn。*通信作者： 馬孝春， E-mail: mxc@cugb.edu.cn。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.012

U 45

A

2096-4498(2017)11-1436-06