水位變化下盾構隧道管片縱向變形特征研究

曹鵬飛 郭小龍 胡宇琛 徐騰飛 章立辰

(1.南昌軌道交通集團有限公司 江西南昌 330038；2.中鐵隧道集團二處有限公司 江西南昌 330209；3.華東交通大學土木建筑學院 江西南昌 330013；4.江西省港航建設投資集團石虎塘航電樞紐分公司 江西南昌 330008)

1 引言

地鐵已然成為我國大型城市中主要的交通工具，隧道建設數量與總里程高居世界前列，但我國隧道建設起步較晚，地鐵建設很大程度上受制于施工工藝、地質條件和隧道尺寸的影響，因其運行空間有限且客流量日漸繁重，一旦出現隧道結構安全問題將會造成巨大的經濟損失，更嚴重情況下甚至會導致人員傷亡[1－3]。在施工過程中對隧道管片襯砌結構進行監測是保證后續安全投入使用的保障，因此開展隧道健康監測工作并及時反饋隧道安全隱患問題十分有必要。

目前國內大量學者就隧道管片襯砌結構安全性問題開展了大量研究。何春等[4]利用振弦式傳感技術的可視化監測裝置，在施工過程中對武漢地鐵4號線2期工程隧道管片的鋼筋應力和管片內部混凝土應變進行監測；唐孟雄等[5]依托廣州地鐵二號線某區間隧道，通過鋼筋應力反算方法得出管片環向壓力和彎矩的解析公式；張明聚等[6]依托北京地鐵某區間隧道進行現場監測，總結得到先行隧道管片附加內力大小及變化規律；朱熔清等[7]以蘇州地鐵某段為背景，在后行隧道向前掘進過程中對先行隧道管片的徑向及軸向附加應力進行監測并統計分析。當前對隧道管片襯砌結構變形監測不僅手段豐富，而且技術均十分成熟[8－10]。現場監測并結合數值模擬的研究手段是目前健康監測最常用的研究方式[11－12]，但關于水位變化下過江隧道管片結構縱向變形特征的研究相對偏少。

依托南昌軌道交通4號線安豐站－東新站盾構區間過江隧道工程，在盾構掘進穿過中風化泥質粉砂巖段對管片布設表貼式混凝土應變計，并采用ABAQUS模擬不同水位下管片襯砌結構內表面縱向受力情況，最后將數值模擬值與現場監測數據進行分析對比，歸納得出江面水位變化對過江隧道管片襯砌結構縱向變形影響規律。

2 工程背景

2.1 工程概括

該區間隧道江底段的隧道頂部最大埋深約為25.8 m，線路走向如圖1所示。區間隧道在贛江西岸先后下穿淤泥質黏土、粉質黏土、砂礫及強風化、中風化泥質粉砂巖；過江段穿越全斷面中風化泥質粉砂巖；東岸先后下穿中砂、粗砂、砂礫、中風化泥質粉砂巖。區間隧道主體處于中風化泥質粉砂巖中并下穿贛江，地層圍巖質量以Ⅲ級為主。

圖1 線路走向平面

2.2 氣象條件

2020年7月起，江西突發持續性強降雨，數十個站點水位超出警戒線，由于受連日贛北強降雨及長江水位頂托影響，贛江水位出現持續上漲，鄱陽湖出現倒灌。截至7月7日，贛江水位南昌段已超出警戒水位0.44 m且仍處于上升狀態。南昌地鐵4號線過贛江段區間隧道在發生洪澇前不久實現貫通，水位持續上漲勢必會對管片造成一定影響，一方面會導致江底隧道最深斷面附近因無法及時排水而出現一定程度積水，另一方面管片襯砌結構受到高水壓作用，會對服役期內盾構隧道襯砌管片結構產生一定影響。

3 現場監測及分析

3.1 監測斷面選取

根據地形地貌條件及水文地質條件，考慮隧道多處于中風化泥質粉砂巖地層中且需研究贛江水位變化對隧道管片的受力影響情況，故選取里程為XK11＋928.607(834環)和XK11＋927.105(835環)處作為監測斷面，在該相鄰管片布設傳感器，該測試斷面位于贛江下，埋深約為20 m。監測斷面地質剖面如圖2所示。

圖2 監測斷面地質剖面

3.2 表貼式混凝土應變計工作原理

監測儀器采用WY-H3型頻率讀數儀和表貼式混凝土應變計。WY-H3型頻率讀數儀可測量實時溫度值、應變值、應變差值、傳感器編號及頻率值(分辨率為0.1 Hz)。應變與頻率的計算公式為A＝K·f2，其中A為應變值，f為振弦頻率，K為標定系數。考慮到傳感器需溫度修正，應變計的溫度系數為Kt，實測混凝土應變為εi，初始混凝土應變為ε0，實測溫度為T，初始溫度為T0，可得到修正后的混凝土應變表達式為:ε＝(εi－ε0) ＋Kt·(T－T0)。 最終根據應力應變的換算關系σ＝E·ε，將現場監測到的應變轉化為應力。

3.3 測點布置

區間盾構隧道統一采用圓形斷面，假定襯砌管片受力情況對稱，故在布設表貼式混凝土應變計時，將其安裝在第834環和第835環管片襯砌結構內表面一側的拱底、拱腰及拱頂處。在每環監測管片襯砌結構內表面安裝3個表貼式混凝土應變計，其中拱底處應變計編號分別為24449-07和47734-07，在拱腰處安裝的應變計編號分別為46762-07和13029-07，在拱頂安裝的應變計編號分別為00224-07和58302-07。為方便描述，將此命名為應變計1～應變計6。測試元件現場安裝如圖3所示。

圖3 隧道管片測試元件現場安裝

3.4 監測計劃及監測數據

自2020年8月初開始開展管片襯砌結構縱向應變監測工作，為不破壞管片結構，考慮到采用粘貼式混凝土應變計，其工作有效性很大程度受到隧道內灰塵及濕度影響，故計劃總監測周期持續約兩個半個月時間，在前一個半月監測頻率為三天一次，而在監測周期內的最后一個月將監測頻率調整為一個星期一次。監測記錄數據包括溫度、頻率、應變值及贛江水位，自2020年7月6日起至2020年10月30日記錄每日贛江水位南昌段實時數據，水位變化情況如圖4所示。

圖4 贛江南昌段水位變化曲線

由圖4可知:自7月6日起由于連續的強降雨，導致贛江水位在短期內急劇上升，贛江南昌段水位于7月11日達到最高23.63 m，超出警戒水位0.63 m，自此水位逐漸下降，在監測周期結束時贛江水位降低至16.13 m。以監測周期內的現場實測數據作為總樣本，6個應變計縱向應變變化如圖5所示。

圖5 管片內表面縱向應變歷時變化曲線

通過對隧道縱向位移監測結果進行整理以及對監測數據進行分析，可以發現在監測周期初期時應變值變化幅度較大，主要是因為粘膠結硬過程中會對應變計產生一定內部力，但整體看仍可反映出應變變化規律。由應變歷時曲線可知，水位變化對管片變形存在較大影響，水位越高，管片縱向應變愈大，混凝土管片沿隧道方向縱向應變歷時曲線呈現出顯著的偏相關特性，具體如下:

(1)在強降雨后贛江水位出現持續穩步的下降，在監測周期內水位由監測初期的近21 m降至16 m，在此期間內布設在拱底的應變計數值隨著水位下降而降低，管片拱底區域受壓，應變計1數值從2 880降至2 805，累計降低75；應變計2數值從3 047下降至3 005，共計降低42，在總體上體現下降趨勢的同時，細節上表現出變化，具有非平穩性。

(2)隨著水位逐漸下降，應變計3數值從2 533上升到2 603，且應變計4數值從2 799上升到2 862，應變累計變化分別增加70與63。由現場實測數據歸納可知水位降低會造成管片襯砌結構內表面拱腰區域縱向受拉。

(3)隨著水位逐漸下降，應變計5數值從2 771降到2 607，且應變計6數值從3 324降至3 129，應變累計變化分別減少164和195。經現場實測數據分析發現水位降低會造成管片襯砌結構內表面拱頂區域縱向受壓。

4 監測斷面數值模擬分析

選取南昌軌道交通4號線過江隧道中的一段進行分析，利用有限元軟件建立三維數值模型。隧道埋深為20 m，約為3倍管徑，整體模型尺寸為(24×50×39)m(X、Y、Z向)。盾構模型具體參數如表1所示。

表1 盾構隧道模型參數

通過水位高度變化換算得到作用于模型頂部的均布作用力以及孔壓，將此作用施加于模型可以得到不同水位下管片襯砌結構縱向應力模擬值，如圖6～圖8所示。應力為正值表示管片襯砌結構縱向受力方向與X軸正方向一致，即管片襯砌結構處于受拉狀態，反之應力為負值時表示管片襯砌結構處于縱向受壓狀態。

圖6 不同水位下監測管片內側拱底處縱向應力模擬值

圖7 不同水位下監測管片內側拱腰處縱向應力模擬值

圖8 不同水位下監測管片內側拱頂處縱向應力模擬值

可以看出，在隧道縱向上管片整體受到一個沿隧道行進方向的剪應力作用，在隧道底部剪應力最大，隧道管片拱底區域受到的縱向應力在數值上比管片頂部和底部區域的縱向應力大約高半個數量級，且隧道管片頂部和底部區域受拉，而隧道管片拱腰處為受壓狀態。

水位從21 m降至16 m過程中，管片襯砌結構縱向應力數值降低，其中在834環管片處，管片拱底區域縱向應力由873 kPa降低至635 kPa，拱腰區域縱向應力由－562 kPa降低到－421 kPa，拱頂區域由295 kPa降至52 kPa。在835環管片處，管片拱底區域縱向應力由811 kPa降為613 kPa，拱腰區域縱向應力由－509 kPa降低到－387 kPa，拱頂區域由302 kPa降至80 kPa。可見當水位越高時，隧道管片受到的縱向應力在數值上會變大，雖然管片拱底區域受到的縱向應力最大，但在拱頂區域縱向應力受水位影響變化幅度最大，這是因為一方面水作為外荷載作用于隧道結構上，隧道頂部直接受到水位變化影響，由此產生的作用力變化不大，但變化幅值大，進而導致其在水位變化下管片拱頂處應變變化量比拱底及拱腰區域大；另一方面由于水位的上升，額外會對隧道結構產生一定的上浮力，此類上浮力主要作用于隧道結構拱底至拱腰區域，可導致管片拱底區域應力較大幅度增加，沿隧道縱向斷面在上浮力的作用下有可能導致隧道結構發生不均勻沉降。

5 結論

以南昌地鐵4號線區間過江隧道為工程背景，采用現場監測和數值模擬方法研究不同贛江水位對管片襯砌結構拱底、拱腰及拱頂處隧道縱向受力變形規律，得到主要結論如下:

(1)水位持續變化對管片襯砌結構內表面縱向位移影響偏小，但仍具有一定影響規律，水位降低會造成管片襯砌結構的拱底和拱頂區域出現受壓現象，而在拱腰處表現為受拉狀態，水位下降幅度越大，管片襯砌受拉或者受壓作用愈嚴重。

(2)管片拱頂區域應變值變化受水位影響最大，在同等條件下拱底區域應變值受水位影響最小。在監測周期內當水位由21 m降至16 m后，監測管片拱底區域應變壓縮量分別為75與42，拱腰區域應變值拉伸量分別為70與73，而管片拱頂區域應變值壓縮量分別可達到164與195。