單護盾TBM施工階段圍巖荷載與管片受力研究

胡林浩，葸振東，劉俊輝，唐 亮

（1.中交一公局第三工程有限公司，北京 101102；2.哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150090）

引言

單護盾TBM施工階段，盾構機依靠千斤頂來頂推襯砌管片向前行進，襯砌管片需承擔來自圍巖的荷載、千斤頂的推力、吹填豆礫石的壓力以及壁后注漿的壓力等多種施工荷載。如在管片設計階段不能準確地估算出施工荷載的大小，在施工時易出現管片錯臺、局部破損等現象，不僅會影響施工進度，還會造成地鐵隧道局部耐久度降低，引發滲漏水等病害，為后續長期服役及運營埋下風險［1-2］。如西安某地鐵工程施工段就因未充分考慮襯砌管片在施工中所受各因素的影響，造成了大面積襯砌管片錯臺破損，嚴重影響施工進度及隧道的安全性、耐久性［3］。因此，隧道管片在施工階段的力學性能分析就顯得尤為重要。

目前，已有大量國內外學者對隧道管片的實際受力情況及其力學性能進行了研究。張厚美等［4-9］針對施工階段管片背后的土壓力進行監測，得到盾構隧道施工過程中圍巖壓力演化規律，進而分析了管片的實際受力狀態。何川等［10-20］運用有限元理論針對地鐵盾構在施工階段管片的受力性質和特點進行了模擬研究，考慮隧道管片-地層相互作用，分析了管片力學性能，對不同地層中的盾構隧道設計提供了重要的參考。賴金星［21-26］等以實際工程為背景，通過監測分析，得出了施工階段發生管片裂縫、錯臺等病害的主要原因以及受力薄弱位置，可為盾構隧道管片裂縫的病害診斷處治及其發生的內在機理研究提供依據，對于盾構隧道的計算設計與現場施工有很大的借鑒意義。國外學者Tomoaki TAKEUCHI等［27］基于現階段復雜的地下施工環境，通過現場監測與室內試驗研究，著重分析了盾構隧道施工過程中千斤頂推力對管片性能的影響。Alberto Meda等［28］建立了可以模擬千斤頂推力的室內模型裝置，能夠施加不同推力、模擬不同的支撐條件，可用于評估隧道掘進機（TBM）推力作用下的襯砌段的結構性能；其進行的試驗顯示出了不同支撐條件下不同的裂縫模式，深入揭示了盾構機推力作用影響下的襯砌管片行為。Shuichi等［29］采用梁單元及面單元分別模擬盾構隧道管片及地層，結合隧道施工過程中受到的不同荷載，考慮了隧道施工過程中管片-土體相互作用，并且實際計算了在砂土和粘土地層中的盾構隧道管片受力，通過對比分析得出更精確的數值。

在重慶、青島等巖石地層廣泛分布的地區，部分工程采用開敞式TBM施工工法。為了防止漿液前移，裹死盾體，引進了水利工程較為常用的先充填豆礫石再管片背后注漿的施工工藝。由于圍巖自身較為穩定，TBM開挖完成后，不會立刻產生變形，壓縮管片。因此，只有在豆礫石及漿液充填完成后，其荷載與圍巖荷載才會同時作用于管片。文中以重慶地鐵環線工程為例，現場監測了管片自拼裝完成至后期穩定后的圍巖壓力及鋼筋受力情況，通過現場監測查明了單護盾TBM隧道施工過程中管片-地層相互作用演化規律。建立了考慮盾構管片-螺栓、管片-圍巖和管片-盾尾相互作用的三維有限元模型，研究了實際施工荷載作用下管片受力情況以及正常推進荷載與附加力矩作用下的管片變形，分析了偏心千斤頂作用對管片力學性能的影響。文中結論為后續相近地層條件下單護盾TBM地鐵工程的設計與施工提供了一定的科學依據，具有重要的工程參考價值。

1 TBM施工工藝簡介

文中依托重慶地鐵環線工程某區間，隧道埋深10.2～30.4 m。隧道穿越地層主要包括砂質泥巖和砂巖地層。本工程所采用的單護盾TBM施工工藝與常用的土壓平衡盾構基本相同，集開挖、出渣、襯砌拼裝流水作業施工于一體。主要區別在于單護盾TBM施工采用無壓模式。為了防止同步注漿漿液繞流、裹死盾體的問題發生，在預制管片拼裝完成后，使用豆礫石噴射機將圖1（a）所示的5～10 mm左右的豆礫石填充至管片背后的間隙，見圖1（b），以此來形成管片的臨時支撐。待TBM向前掘進3～5環后，實施同步注漿工作，后注入的水泥砂漿與豆礫石凝固形成整體。

圖1 豆礫石填充Fig.1 Gravel filling

2 試驗設計

2.1 監測斷面

本次監測主要考慮區間的埋深和線型2方面的影響，選取區間內2個試驗環，具體參數如表1所示。

2.2 監測元件布置

表1 試驗環參數表Table 1 Parameters of test segment

重慶地鐵環線工程采用通用型管片錯縫拼裝。由于本工程采用開敞式施工工法，管片背后豆礫石填充無法保證密實，直接增加了土壓力監測的難度。因此增設監測點，除封頂塊外，其它每塊管片均埋設型號為JY-V300土壓力計，見圖2（a）。在混凝土管片澆筑之前提前在鋼筋籠上設置土壓力計預埋件，見圖2（b），待管片吊裝下井時，再將土壓力計放入預埋件，然后利用粘接膠和鐵絲進行固定。根據管片的理論受力性能，管片澆筑成型前，將鋼筋應力計焊接在受拉鋼筋位置，見圖2（b）。并且提前預留監測線路，做好保護措施，既要保證線路不被破壞，又要確保管片養護完成后，可以順利鑿出，連接多孔道頻率監測儀。不同斷面的傳感器布設如圖3所示。

圖2 監測元件及布置位置Fig.2 Monitoring sensors and their locations

圖3 監測元件布置圖Fig.3 Layout monitoring sensors

2.3 監測結果分析

為保證監測數據的有效性以及實用性，從管片拼裝完成開始讀取初始數據，至再推進10環結束監測。監測儀器設置每5 min讀取一次數據，每環推進大概40 min，取8個數據的平均值。

由斷面1、2的圍巖壓力監測數據折線圖（圖4）可以看出，管片的圍巖壓力主要分為3個變化階段：

（1）第1階段：管片拼裝完成后尚在盾尾內時，管片在盾尾殼體的保護下，不受圍巖壓力，管片各部位圍巖壓力均為0。

（2）第2階段：管片脫出盾尾充填豆礫石時，由于豆礫石的噴射充填，圍巖壓力開始通過豆礫石傳遞至管片，管片受到外部荷載，各部位圍巖壓力均增大。除圍巖壓力外，由于重力的影響，底部管片還要承受該環整體自重，最終表現為底部圍巖壓力大于頂部圍巖壓力。由于豆礫石填充的密實性以及填充量受到工藝的限制，水平兩側填充的豆礫石會由于重力原因由管片與圍巖的間隙滑落至管片的底部，從而使得水平兩側豆礫石填充不均勻或沒有填充，圍巖壓力無法有效傳遞至水平兩側管片，導致管片水平兩側圍巖壓力相比管片頂部及底部圍巖壓力增幅較小。

（3）第3階段：當盾構繼續向前推進5環，管片壁后注漿時，隨著漿液的注入，管片在先前壓力的基礎上開始承受注漿壓力，圍巖壓力再次產生突變、急劇增大。隨著漿液的凝固，漿液、豆礫石及圍巖形成整體，作用于管片，最終形成穩定圍巖荷載，且管片各部位圍巖壓力之間的大小關系保持不變。

圖4 圍巖壓力監測數據折線圖Fig.4 Line chart of surrounding rock pressure monitoring data

根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016），可計算得深埋條件下的隧道圍巖，結果見表2。將其與土壓力計監測結果進行對比，可以看出，不同深埋條件下，單護盾TBM施工管片壁后圍巖壓力實際監測值相對《鐵路隧道設計規范》理論計算值稍大，管片頂部圍巖壓力150～160 kPa，管片底部圍巖壓力165～200 kPa，管片腰部圍巖壓力4～52 kPa。

表2 規范計算與實際監測圍巖壓力對比表Table 2 Comparison of standard calculation and actual monitoring of surrounding rock pressure

3 數值模擬方法與分析

3.1 模型假定

圖5 盾構隧道管片三維有限元模型Fig.5 3D FEM model of shield tunneling segment

文中采用ANSYS有限元軟件建立隧道襯砌管片模型（圖5），包括10環1.2 m寬的管片。管片采用solid65實體單元進行網格劃分；根據實際情況對管片進行配筋，以link8桿單元進行實體節點連接，形成鋼筋骨架。地層以及盾尾刷均采用彈簧單元模擬。根據現場實際施工進度以及壁后注漿的配比，初凝時間穩定在6 h左右，基本可以認為后方管片（-10環位置）受到豆礫石、水泥砂漿的包裹凝固作用，因此可以簡化為固定約束。

模型計算包括3個階段：首先施加管片節點拉力模擬螺栓預緊力，然后再施加相應的施工荷載，包括千斤頂推力，豆礫石壓力以及注漿壓力等。根據圍巖壓力監測結果確定管片施工荷載，第1階段荷載為0 kPa；第2階段上部荷載為70 kPa，下部荷載為115 kPa，水平荷載為20 kPa；第3階段上部荷載為160 kPa，下部荷載為200 kPa，水平荷載為52 kPa。

根據現場實際監測，開敞式單護盾TBM施工過程中，管片的圍巖荷載隨著施工階段而變化，因此在盾尾后的3環管片施加第2階段荷載，在后續管片施加第3階段荷載，施工階段管片力學模型如圖6所示。文中三維有限元數值模擬主要需要確定地層彈簧、盾尾彈簧、環間彈簧、片間彈簧的剛度，以及根據上述監測數據，確定不同位置管片受到的3個階段荷載。根據區間地勘報告，盾構隧道斷面主要存在砂質泥巖中，地基抗力系數取5×103MPa；管片接頭抗彎剛度取3×104kN·m/rad；環間彈簧以及片間彈簧的軸向拉壓、徑向及縱向剪切彈簧的彈性模量取3×105kN/m。

3.2 計算結果分析

3.2.1 實際圍巖荷載下管片力學性能分析

施加實際圍巖荷載后計算得到管片的應力如圖7和圖8所示。由圖可見，隧道兩側的外表面、隧道上下的內表面主要受到拉應力作用；相反，隧道兩側的內表面、隧道上下位置的外表面以壓力應力作用為主。管片拉應力主要分布在0.5～1 MPa之間，且最大拉應力為1.98 MPa；壓應力大小分布在10～15 MPa之間，且最大壓應力為21.8 MPa，而對于C50混凝土管片而言，其處于安全狀態。

鋼筋內力分布如圖9所示，由圖可見，鋼筋的拉、壓趨勢與混凝土的拉、壓情況基本相符，最大拉應力也產生在隧道兩側的外側、隧道上下位置的內側，受拉鋼筋應力主要分布在15～20 MPa，最大拉應力為49.2 MPa。

實際監測中，鋼筋拉力監測值如圖10所示。圖10（a）為斷面1的L2位置處內側鋼筋拉力結果，曲線發展規律與圍巖壓力發展規律基本一致。鋼筋最終受力約為7.8 kN，按照直徑22 mm的鋼筋計算，應力約為20.5 MPa。圖10（b）為斷面2的L1位置處內側鋼筋拉力結果，鋼筋最終受力約為10.5 kN，按照直徑22 mm的鋼筋計算，應力約為27.6 MPa。從監測數據上看，頂部管片內側鋼筋拉應力處于正常分布范圍，鋼筋最大拉應力出現在底部管片內側，基本與模擬結果相符，也從側面印證了模型的可靠性。

圖6 施工階段管片力學模型Fig.6 Mechanical model of segment in construction stage

圖7 管片第一主應力圖Fig.7 The first principal stress of segment

圖8 管片第三主應力圖Fig.8 The third principal stress of segment

圖9 鋼筋應力圖Fig.9 Stress of steel bar

圖10 鋼筋拉力監測折線圖Fig.10 Line chart of reinforcement tension monitoring

3.2.2 垂直千斤頂作用下管片力學性能分析

本工程盾構機千斤頂推進系統由A、B、C、D這4組構成，其布設示意圖如圖11所示。其中A組與C組由8個千斤頂構成，B組與D組由7個千斤頂構成。在數值模擬中，通過將四組千斤頂推力分別轉化為均布荷載施加在盾尾管片上，從而來實現千斤頂頂推效果。在盾構掘進過程中，若盾尾間隙控制良好，則盾體姿態與成型隧道姿態基本相符，此時千斤頂推力作用方向與管片橫截面垂直。為了探究垂直千斤頂壓力對管片受力力學性能的影響，設計5 000、8 000、10 000、15 000 kN這4種頂推荷載，通過隧道管片腰部的水平變形以及拱頂沉降變形規律可得，隨著垂直千斤頂推力的增加，管片的變形量越小（見圖12）。所以，盾體中心軸線與已拼裝成型的管片的軸線是否吻合直接決定了千斤頂對管片作用。當軸線基本吻合時，千斤頂的軸向加壓，可以增加盾尾后方管片的整體剛度，減小管片的變形。

圖11 千斤頂布設示意圖Fig.11 Schematic diagram of jack layout

圖12 管片變形折線圖Fig.12 Line chart of segment deformation

3.2.3偏心千斤頂作用下管片力學性能分析

掘進過程中，由于人為因素容易導致TBM盾尾間隙不均勻，造成盾體與隧道中心軸線不重合，形成偏心推力作用，產生附加力矩。重慶地鐵環線工程正常盾尾間隙為65 mm，但是在實際調整隧道線型的過程中，會導致上、下、左、右的盾尾間隙不均勻。圖13為80環拼裝管片的盾尾間隙統計折線圖，上、下盾尾間隙最大偏差為30 mm，左、右盾尾間隙最大偏差為25 mm。

圖13 盾尾間隙統計折線圖Fig.13 Line chart of shield tail

為了探究偏心千斤頂對管片的作用，文中選取了如表3所示的5種工況的力矩，其中千斤頂推力與B組、D組推力均布荷載保持不變，從而實現推力與水平力矩保持不變，通過調整管片上下部分A組與C組推力的均布荷載，來實現對豎向力矩的變化。通過結果來分析偏心千斤頂作用下隧道管片的變形以及最大彎矩。

表3 偏心千斤頂作用工況統計表Table 3 Action conditions of eccentric jack

如圖14和圖15所示，隨著彎矩的增大，管片的最大單側水平位移、最大拱頂沉降位移以及最大彎矩都隨豎向力矩的增加發生顯著的增大，極易導致管片產生局部拉、壓極限破壞，是單護盾TBM施工過程中最不利荷載工況。

圖14 管片最大變形折線圖Fig.14 Line chart of the max segment deformation

4 結論

文中以重慶地鐵環線工程某區間為例，現場監測了管片自拼裝完成至后期穩定后的圍巖壓力及鋼筋受力，建立了考慮盾構管片-螺栓、管片-圍巖和管片-盾尾相互作用的是三維有限元模型，分析了施工過程中圍巖作用下管片受力情況，對比研究了正常推進荷載與附加力矩作用下的管片變形。可以得出以下結論：

（1）通過現場實際監測數據分析，開敞式單護盾TBM施工工法與常規土壓、泥水平衡盾構施工不同，管片受力分為3個階段，第1階段管片基本不受力，第2階段受到吹填豆礫石壓力，第3階段受到豆礫石、漿液以及圍巖三者的共同作用力。

（2）針對重慶地區砂巖地層，單護盾TBM施工管片壁后圍巖壓力相對《鐵路隧道設計規范》理論計算稍大，管片頂部圍巖壓力150～160 kPa，管片底部圍巖壓力165～200 kPa，管片腰部水平圍巖壓力45～52 kPa。

（3）單護盾TBM施工階段，盾體中心軸線與已拼裝成型的管片的軸線是否吻合直接決定了千斤頂對管片的作用。當軸線基本吻合時，千斤頂的軸向加壓，可以增加盾尾后方管片的整體剛度，減小管片的變形；而當軸線相差較大時，偏心的千斤頂作用會造成盾尾后方管片產生較大的彎矩，極易發生拉壓破壞。因此，施工過程中，必須加強盾尾間隙的測量，通過管片點位選型以及盾構機姿態調整，保證軸線的一致，以減少管片的破損。

施工過程中圍巖作用下的管片受力情況一直是盾構施工中所關注的重點。文中的結論對于重慶、青島等巖石地層分布廣泛、地鐵盾構工程常采用開敞式TBM施工工法的地區，有著很大的參考價值，能夠為前期管片設計階段提供重要的參考依據。也通過對盾尾千斤頂作用的對比分析，量化展現了偏心千斤頂的負面作用，并提出了應對措施，對于采用盾構法施工的地鐵工程具有很大的指導意義。