冉建西， 李文新

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 83000)

1 概述

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，跨流域調(diào)水工程建設(shè)成為必然趨勢，隨之盾構(gòu)隧洞也越來越多的被修建。諸如復(fù)雜地形，地質(zhì)條件的南水北調(diào)中線一期穿黃工程、珠三角水資源配置工程等均選用盾構(gòu)輸水隧洞。盾構(gòu)施工作為隧道施工領(lǐng)域較成熟的工藝普遍應(yīng)用于市政地鐵施工，且盾構(gòu)隧道的埋深普遍較淺，介于20～40m之間的盾構(gòu)隧道較多。城市地下空間趨向于更深的地下發(fā)展，在國內(nèi)無實施案例。新疆引水項目因功能需要，隧洞埋深介于60～110m間，為中等埋深，并且穿越膨脹性泥巖地層，對隧洞管片結(jié)構(gòu)受力、地應(yīng)力研究及盾構(gòu)水土壓力核定等方面具有前瞻性，對城市建設(shè)向縱深發(fā)展具有較大的指導(dǎo)意義。

2 工程概況

新疆引水項目無壓輸水隧洞工程全長92.35km。其中，白堊系、新近系、第四系極軟巖地層采用3臺土壓平衡盾構(gòu)機掘進，施工段長18.97km，縱坡1/5000，埋深60～110m。管片采用平板型單層預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌環(huán)為雙面楔形通用環(huán)，寬1.2m，楔形量為30mm，管片厚350mm，管環(huán)內(nèi)外徑分別為4.5、5.2m，混凝土標(biāo)號C50。管片分為 6塊，分別由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成，采用“3+2+1”分塊模式，錯縫拼裝。襯砌環(huán)的接縫采用普通M30彎螺栓連接。管片剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 地質(zhì)概況

結(jié)合工程地質(zhì)特點，本文主要分析隧洞樁號SD61+003—SD64+219段膨脹巖地層的盾構(gòu)隧洞管片受力情況。該段隧洞主要穿越山前沖洪積平原區(qū)，地形平坦。地表分布第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)洪積含礫粉土層，一般厚0.5～3m。隧洞洞身段穿過的巖性以下白堊統(tǒng)土黃-紅黃色泥巖為主，局部夾砂巖、泥質(zhì)砂礫巖，屬極軟巖。泥巖呈巨厚層狀，砂巖、泥質(zhì)砂礫巖呈薄-中厚層狀，巖層總體產(chǎn)狀300°NE∠3°，與洞軸線夾角42°。該段斷層和節(jié)理裂隙不發(fā)育，地下水均為碎屑巖類孔隙裂隙水，屬于層間微承壓水，含水層巖性為砂巖、泥質(zhì)砂礫巖。該段隧洞上覆巖體厚63～68m，洞身處在新鮮厚層狀巖體內(nèi)，圍巖屬極軟巖，巖體大多較完整，為Ⅴ類圍巖。圍巖的天然含水率為16.0%～25.0%，飽和含水率為19.1%～27.8%，天然密度1.94～2.33g/cm3，干密度為1.80～2.20g/cm3，飽和密度為2.10～2.39g/cm3，滲透系數(shù)K=6.9×10-5cm/s(局部K=1.61×10-4cm/s)，屬弱透水層。泥巖的自由膨脹率一般為83%～98%，屬中-強膨脹巖，該洞段自穩(wěn)能力較差，易產(chǎn)生塑性變形。 依據(jù)鉆孔ZK235鉆孔試驗資料，測得深度48～54m，膨脹力為11kPa；深度60～68m，膨脹力為121kPa；深度71.6～75m，膨脹力為204kPa。其巖石物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

圖1 管片剖面圖

4 關(guān)鍵參數(shù)模擬計算分析

地下工程情況復(fù)雜，影響管片結(jié)構(gòu)受力的因素較多。在管片設(shè)計中，考慮到地層與襯砌結(jié)構(gòu)之間相互作用的初始應(yīng)力、膨脹力、外水壓力很難準(zhǔn)確把握，本文旨在探討不同位置的膨脹力、不同的側(cè)壓力系數(shù)、不同的外水折減系數(shù)作用下的盾構(gòu)隧洞管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況。

4.1 計算模型

盾構(gòu)隧道模型有多種，而經(jīng)典常用的模型有均質(zhì)圓環(huán)模型(日本慣用法及修正慣用法)、梁-彈簧模型(鉸接圓環(huán)模型)、梁-接頭模型等[1]。本文采用修正慣用法，該方法對管片接頭處理簡單，便于計算。修正慣用法是對均質(zhì)圓環(huán)模型的修正，考慮接頭對結(jié)構(gòu)剛度的影響，將管片整體剛度取(1-η)EI，相應(yīng)管片設(shè)計附加彎矩為(1+ξ)M，具體計算取η=0.8、ξ=0.3。運用盾構(gòu)隧道設(shè)計分析軟件 V4.1進行數(shù)值模擬計算，力學(xué)模型是真實的三維線性結(jié)構(gòu)模型分析管片內(nèi)力變形，計算模型如圖2所示。

4.2 荷載及荷載組合

根據(jù)工程地質(zhì)條件以及SL279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》[2]關(guān)于荷載及荷載組合的要求，本文選擇最為不利的基本組合進行分析計算，荷載包括：

圖2 修正慣用法荷載計算圖

(1)永久荷載

襯砌自重：按結(jié)構(gòu)尺寸及材料容重確定。

圍巖壓力：深埋隧洞上覆土層較多，不同土層的力學(xué)性質(zhì)有所差異，考慮有地下水和多地層情況，垂直松弛土壓力P采用太沙基公式進行計算，計算得垂直松弛土壓力為150.9kPa，但《盾構(gòu)隧道管片設(shè)計》[3]指出垂直松弛土壓力不應(yīng)小于200kPa，最后取P=200kPa。側(cè)向壓力根據(jù)太沙基松弛土壓力和側(cè)壓土力系數(shù)確定[4]。

(2)可變荷載

作用在隧洞上的外水壓力：按照Pw=βγΗ估算，外水壓力折減系數(shù)β按SL 279—2016附錄C確定?？紤]到工程為無壓輸水隧洞，內(nèi)水壓力對管片影響小，不再計入。

表1 下白堊統(tǒng)泥巖物理力學(xué)性能指標(biāo)

地層膨脹力：按照鉆孔試驗資料深度60～68m處，取Pr=121kPa計算。

基本荷載組合方式為襯砌自重+圍巖壓力+外水壓力+地層膨脹力。

4.3 膨脹力偏壓影響分析

場區(qū)地層為白堊系沉積巖，以巨厚層狀泥巖(中-強膨脹巖)為主，砂巖、泥質(zhì)砂礫巖夾層呈薄-中厚層狀，夾層厚度小于0.5m。受到地下水位變化及開挖影響，泥巖膨脹力會隨含水率的增加而增加。因此，作用在襯砌上的膨脹力會根據(jù)膨脹巖的分布和含水率變化情況產(chǎn)生不同的偏壓。假設(shè)可能的偏壓位置工況有：工況1頂拱90°范圍膨脹力；工況2仰拱90°范圍膨脹力；工況3側(cè)拱單側(cè)90°范圍膨脹力；工況4側(cè)拱雙側(cè)各90°范圍膨脹力；工況5頂拱、仰拱上下各90°范圍膨脹力；工況6全范圍膨脹力。膨脹力Pr=121kPa，通過計算得出管片內(nèi)力值及配筋見表2。

從表2分析可知，膨脹力作用于管片不同位置對其內(nèi)力影響由大到小依次為：頂拱加仰拱>仰拱>頂拱>全范圍>側(cè)拱>雙側(cè)拱。全范圍、側(cè)拱、雙側(cè)拱膨脹力偏壓工況管片內(nèi)力值小，受拉區(qū)鋼筋面積滿足最小配筋率即可。巖層水平夾角僅為∠3°，基本呈水平產(chǎn)狀，而且非膨脹巖夾層厚度一般小于0.5m，側(cè)拱單側(cè)出現(xiàn)膨脹力的可能性不大。因此，選取最不利的“頂拱、仰拱上下各90°范圍膨脹力偏壓工況”進行后續(xù)計算。

4.4 側(cè)壓土力系數(shù)影響分析

側(cè)向土壓力系數(shù)與土質(zhì)、設(shè)計計算方法及施工方法有關(guān)，參考《公路隧道設(shè)計手冊》表21- 3- 4[5]，側(cè)向土壓力系數(shù)在0.35～0.85之間。為了研究不同側(cè)向土壓力系數(shù)所產(chǎn)生的圍巖壓力對隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，側(cè)向土壓力系數(shù)λ分別按照0.35、0.45、0.55、0.60、0.65、0.80共6個工況計算圍巖壓力，施加最不利膨脹力，不計外水壓力組合情況。通過計算得出管片內(nèi)力值及配筋見表3。

從表3分析可知，管片的彎矩、軸力以及配筋面積隨側(cè)向土壓力系數(shù)增大而減小，彎矩與配筋的減小速度比軸力快。側(cè)向土壓力系數(shù)變化對軸力影響較小，對管片配筋結(jié)果影響較大。在圓形隧洞的設(shè)計計算中，當(dāng)λ<1時，圍巖側(cè)應(yīng)力的越大對管片受力越有利。考慮到實際工程中泥巖受盾構(gòu)施工擾動、及空隙裂隙水等軟化因素影響，管片四周松動的泥巖等同于中硬性黏土，側(cè)向土壓力系數(shù)選取λ=0.60較為適中。

表2 膨脹力偏壓工況下管片最大內(nèi)力值及計算配筋面積

表3 不同側(cè)向土壓力系數(shù)工況下管片最大內(nèi)力值及計算配筋面積

表4 不同外水折減系數(shù)工況下管片最大內(nèi)力值及計算配筋面積

4.5 外水折減系數(shù)影響分析

隧洞襯砌外地下水位受自然條件或人為影響變化較大，準(zhǔn)確預(yù)測外水壓力較為困難。在選擇用于計算外水壓力時應(yīng)進行充分論證，通過分別取各種外水壓力進行計算最不利情況。根據(jù)地勘成果資料，天然地下水位距隧洞中心為57m，外水壓力折減系數(shù)β分別按照0、0.2、0.4、0.6、0.8、1，共6個工況計算外水壓力，施加最不利膨脹力，并與圍巖壓力組合。通過計算得出管片內(nèi)力值及配筋見表4。

從表4分析可知，管片的彎矩、軸力隨外水折減系數(shù)增大而增大，彎矩增大的速度比軸力慢，配筋面積先減小后增大。外水折減系數(shù)變化對彎矩影響較小，對管片軸力影響較大。在圓形隧洞計算中采用較高的地下水位，并不一定是偏安全的設(shè)計，相反采用較低的外水壓力進行計算往往會得到比較安全的設(shè)計。因此，本工程選取外水折減系數(shù)β=0，即考慮最不利情況，采用水土合算。

5 監(jiān)測儀器安裝和測試結(jié)果

5.1 監(jiān)測儀器安裝

現(xiàn)場實施過程中，盾構(gòu)機掘進至SD61+003.838處時渣土變稀，顏色呈土黃色-紅黃色，渣土含泥量變大，砂礫含量減小，土壓力由0.2～0.9bar增大至4.7～7bar，確認(rèn)盾構(gòu)1進入中-強膨脹巖地層。后續(xù)較長進尺段土壓力持續(xù)維持在3～4 bar。隨后監(jiān)測單位布置了39#(SD61+439)監(jiān)測斷面，管片儀器安裝位置如圖3所示。

5.2 測試結(jié)果及分析

測試中分別使用的光纖光柵式傳感器有：鋼筋應(yīng)力計、混凝土應(yīng)變計、土壓力計。采用手動頻率采集，測點的土壓力、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)力隨時間、空間變化如圖4—6所示。

從圖4—6中可以得出，泥巖地層隧洞外土壓力、管片混凝土及鋼筋應(yīng)力，以塑性效應(yīng)為主導(dǎo)，隨時間的增加而增大。

從圖4分析，圍巖壓力變化大致分為快速增長、緩速增長以及穩(wěn)定三個階段?？焖僭鲩L階段發(fā)生在開挖后前4天，監(jiān)測斷面距掌子面7m，B1、B2管片上的圍巖壓力分別快速增長至137、323kPa，占總幅度的26%、54%，主要受開挖空間影響；緩速增長階段持續(xù)時長90d左右，圍巖在緩慢的塑性變形中不斷釋放應(yīng)力，襯砌外圍巖壓力到達最大值，B1、B2管片圍巖壓力分別為536、603 kPa。穩(wěn)定階段在100d后兩個土壓力計讀數(shù)接近并趨于穩(wěn)定，均在500 kPa左右。前兩個階段側(cè)拱頂部圍巖壓力大于底部，但最后階段基本趨于一致。

B1管片安裝在襯砌環(huán)7～9點位置，從圖5中可見，其混凝土壓應(yīng)力基本沿線性分布，隨時間增長而增大，最大混凝土應(yīng)力為-6.2MPa。B2管片安裝在襯砌環(huán)9～11點位置，雖然增長趨勢一致，但其混凝土壓應(yīng)力線性分布擬合度較差，最大混凝土應(yīng)力為-9.1MPa；對比圖4 B2土壓力變化趨勢，在監(jiān)測中后期時段，土壓力數(shù)據(jù)與混凝土應(yīng)力變化呈反相關(guān)，即在混凝土應(yīng)力不斷增長的總趨勢下，混凝土應(yīng)力隨土壓力的減小而增大。通過兩管片對比，頂拱區(qū)域混凝土壓應(yīng)力大于底拱區(qū)域。

圖3 管片儀器安裝圖

圖4 管片外土壓力變化曲線

圖5 管片混凝土應(yīng)力變化曲線

圖6 管片鋼筋應(yīng)力變化曲線

從圖6可以得出，B1、B2管片鋼筋均為壓應(yīng)力，呈現(xiàn)出先緩慢增長而后趨于穩(wěn)定走勢。B1管片內(nèi)外側(cè)最大鋼筋應(yīng)力分別為-110 、-81 MPa，B2管片分別為-52 、-96MPa， 底拱區(qū)域鋼筋壓應(yīng)力大于頂拱區(qū)域。應(yīng)力穩(wěn)定階段發(fā)生在100天后，與土壓力相似。

綜上所述，因施工采用盾構(gòu)掘進，隧洞掌子面快速遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面，盾構(gòu)施工擾動對隧洞的影響相對少，時間才是主導(dǎo)因素。通過測試結(jié)果可知，中埋深膨脹性泥巖地層在塑性變形中緩慢釋放應(yīng)力，圍巖壓力、隧洞襯砌混凝土及鋼筋壓應(yīng)力隨時間的增加而增大，在100天左右后襯砌才內(nèi)力趨于穩(wěn)定。

6 管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果對比

選取管片中埋置的混凝土應(yīng)變計、鋼筋計實測值，按照偏心受壓構(gòu)件計算管片內(nèi)力。選取實測管片內(nèi)外側(cè)單根鋼筋軸力最大值為N1、N2，管片內(nèi)外側(cè)均為10根Φ22鋼筋，上下保護層厚度為55mm，管片中部混凝土最大應(yīng)變值為σ。根據(jù)靜力平衡條件和材料力學(xué)壓彎組合計算公式推導(dǎo)力的平衡方程[6]，得出管片縱截面軸力N、正截面彎矩M以及受拉區(qū)鋼筋面積As，見表5。

作用在管片上的圍巖壓力計算值、實測值分別為263、603 kPa，說明39#監(jiān)測斷面實際膨脹力遠(yuǎn)大于計算值。表中實測的縱截面軸力最大值為-4076kN，大于不同工況計算軸力值，也進一步證明管片外部圍巖壓力較大。但實測正截面彎矩較小，管片配筋滿足構(gòu)造要求即可，推測膨脹力全斷面分布在管片四周，并受力均勻。通過實測比對，管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力模擬計算結(jié)果安全可靠度較高。

表5 39#監(jiān)測斷面管片實測內(nèi)力值及計算配筋面積

7 結(jié)論

通過新疆引水項目中埋深膨脹巖盾構(gòu)隧洞管片結(jié)構(gòu)受力分析及內(nèi)力特征研究，可得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)隧洞上方、下方或者上下兩側(cè)存在膨脹巖時，膨脹力會增大管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力。當(dāng)隧洞單側(cè)面、雙側(cè)面或者完全處于膨脹巖中時，在一定的膨脹力范圍內(nèi)對管片結(jié)構(gòu)有利。

(2)當(dāng)隧洞的側(cè)向土壓力系數(shù)小于1時，圍巖側(cè)壓力越大對管片結(jié)構(gòu)越有利。

(3)對于圓形隧洞，外水壓力在一定范圍內(nèi)時，外水壓力越大對管片結(jié)構(gòu)越有利。泥巖地層透水性較弱，管片結(jié)構(gòu)計算建議采用水土合算。

(4)通過實測結(jié)果表明，雖然實際作用在管片圍巖壓力比計算時大，但通過驗證，在圍巖壓力總體較小時，圍巖壓力增大后對管片結(jié)構(gòu)有利的趨勢是正確的。

考慮到工程地質(zhì)條件的復(fù)雜因素?zé)o法全面掌握，管片結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)選擇偏安全的參數(shù)來提高盾構(gòu)隧洞結(jié)構(gòu)可靠性。