盾构隧道实测土压力分布规律及影响因素研究

李 雪，周顺华，王培鑫，李晓龙

（同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

1 引言

城市地铁盾构隧道中衬砌上的土压力是非常重要的岩土工程问题，土压力作为隧道结构承受的主要荷载，是隧道设计的基本依据之一[1]。然而，由于隧道问题牵涉到许多复杂的因素，特别是与施工方法相关的因素难于在计算中反映，一直没有成熟的解决方法，与其他国家一样，盾构隧道理论研究明显落后于工程实践，尤其是对盾构周边土压力的分析研究尚不够深入。

国内外学者针对作用在盾构管片上的土压力研究多偏重于经验性总结。研究方法分为3种：理论计算[2，2－5]、模型试验和现场量测。理论计算包括基于松弛土压力的概念和应力重分布的概念2种，分别对应荷载结构法和地层结构法中土压力的计算。国内外以模型试验研究居多，Potts等[6]、Cording等[7]通过常规小比例尺隧洞的物理模型试验表明，地基初始静压力系数K0不仅影响隧洞周围土体的塑性变形形态，而且影响位移总量。周小文等[8－9]、张云等[10]通过离心试验对砂土地层中盾构周边土压力进行了研究。现场量测方面，Koyama[11]阐述了日本盾构隧道的发展现状，总结了管片长期土压力分布规律。Atkinson等[12]通过现场布设土压力，对几个断面进行检测，分析了管片的受力情况。孙钧等[13]通过现场实测盾构隧道周边土压力，实测结果垂直地层压力为（0.6～1.07） Hγ，侧压力系数K为0.91～1.18，提出在软土地基中圆环受力比较均匀，截面处于小偏心受压状态。周济民等[14－15]，何川等[16]、江英超等[17]、张厚美等[18]、肖中平等[19]对盾构隧道施工期现场管片受力进行实测分析，对施工期和稳定的盾构管片周边土压力分布及规律进行研究。

盾构隧道周围土压力是一个土-结构相互作用的问题，土压力的大小和分布取决于土-结构相互作用形态，包含了许多复杂的因素，通过现场实测土压力分布和规律指导设计荷载是较为可行的办法。为了探究不同地层中作用在盾构管片土压力行为，本文以国内外为数不多的工程实测土压力为基础，对作用在盾构隧道管片上的土压力规律进行系统总结，包括施工期土压力变化及长期稳定后土压力分布规律，定性分析了管片土压力影响因素。

2 不同地层盾构隧道长期稳定土压力分布规律

按照结构荷载法的理论，地层作用于结构的压力分为初始的主动荷载以及随后为抵抗结构变形的被动抗力[20]。主动荷载与地层的特性及施工对地层的扰动有关，地层抗力与结构的尺寸、地层的特性以及结构与地层的刚度比有关[21]。

在大量的盾构隧道建设工程中仅有很少一部分工程实例中对盾构隧道所受的土压力进行现场量测，盾构周边土压力通过在管片背后埋设土压力盒来量测。量测的土压力包括土压力和水压力，土压力盒直接量测的周边土压力，也称为总土压力。作用在管片上的有效土压力不包括水压力，即总土压力值减去相应位置处水压力。另有一些实例中隧道周边水压力是设置水压力计量测，通过调研国内外盾构隧道周边土压力现场量测实测数据，分析长期作用下盾构隧道周边水土压力的分布规律。

2.1 黏性土地层

选取现场实测土压力和水压力的3个工程实例，穿越地层均位于黏土地层中，外径分别为3.95、4.95 m和6.2 m，隧顶上覆土厚度分别为22、13 m和12 m。黏土地层3个工程案例水土压力沿管片环向分布情况如图1所示。从图1（a）、1（b）可以看出，在很长一段时间内，作用在衬砌管片上的土压力随时间在逐渐变动，日本学者[11]认为产生这种变化的原因可能是大气温度影响的结果。同时，从现场实测数据可以得出，盾构隧道处于黏土地层中，衬砌周边总土压力很快稳定，总土压力分布整体上对称分布，且较均匀。从图1（c）、1（d）可以看出，作用在衬砌周边水土压力分布规律类似，作用在衬砌上的有效土压力（总土压力减去水压力）值较小，总土压力分布接近对称分布。黏性土地层中盾构隧道周边总土压力荷载主要为水压力，有效土压力较小。

图1 黏土地层水土压力沿管片环向分布图[11，19]（单位：kPa）Fig.1 Distribution of earth pressure in clayey layers[11，19](unit:kPa)

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2.2 砂性土地层

选取盾构隧道掘进地层为砂土的3个现场量测土压力分布的工程实例进行分析。所选案例盾构隧道外径分别为5.10、9.8、6.2 m，隧顶上覆土厚度分别为17、19、12 m。砂土层中3个工程案例水土压力沿管片环向分布图如图2所示。图2（a）、2（b）分别为前两个隧道稳定后水土压力分布图，其中土压力表示管片所受总土压力（土压力盒量测结果）。从现场实测稳定结果可以看出，砂土地层中土体渗透系数较大，作用在衬砌上水压力占主导作用，有效土压力很小，总土压力接近对称分布。从图2（c）、2（d）可以看出，作用在衬砌管片的水压力相比总土压力而言，分布更均匀对称。同样可以看出总土压力中有效土压力很小，作用在衬砌上的荷载以水压力为主。

图2 砂土层水土压力沿管片环向分布图[11，16]（单位：kPa）Fig.2 Distribution of earth pressure in sand layers[11，16](unit:kPa)

2.3 砂卵石地层

选取盾构掘进地层为砂卵石的3个现场量测水土压力工程实例，所选工程案例盾构隧道外径分别为3.35、6.20、4.75 m，隧顶上覆土厚度分别为25、10、12 m。施工稳定后砂卵石地层中水土压力沿管片环向分布情况如图3所示。从现场实测作用在衬砌上的稳定水土压力结果来看（见图3（a）），砂卵石地层中有效土压力约占总土压力的30%，同样作用在衬砌上的稳定荷载仍然以水压力为主。从稳定水土压力（见图3（b））来看，很大的有效土压力作用在盾构隧道衬砌上，原因为该隧道地层地下水位较低，静水压力较小，从图中可以看出，有效土应力占主导，在一定程度上隧道衬砌周边总土压力分布较不均匀，呈现上大下小的特征。图3（c）实测结果的表明，作用在盾构隧道衬砌上的荷载只有水压力，有效土压力几乎为0，总土压力分布均匀且对称。

图3 砂卵石地层水土压力沿管片环向分布图[11]（单位：kPa）Fig.3 Distribution of earth pressure in gravel layers[11](unit:kPa)

2.4 黄土地层

所选盾构隧道穿越地层为具有结构均匀无层理、疏松、大孔隙、垂直节理发育等特点的黄土地层，所选工程实例盾构管片外径为6.0 m，隧顶上覆土厚10 m，地层中地下水位位于隧道起拱线处。黄土地层现场实测作用在盾构衬砌环上稳定土压力分布情况如图4所示。从图中可以看出，由于地下水位较低，上部土压力以有效土压力为主，稳定后土压力分布不均匀，呈现中间大两端小的分布形态，起拱线下部土压力为总土压力，稳定后土压力分布相对上部较均匀。从量值上可以看出，作用在衬砌上的土压力小于采用上覆土柱计算的土压力。

图4 黄土地层土压力沿管片环向分布[17]Fig.4 Distribution of earth pressure in loess layers[17]

3 衬砌结构几何尺寸和刚度对管片土压力的影响

国外学者[21]提出采用地层衬砌刚度系数α 反映管片刚度对周边土压力大小的影响。总结国内6个对管片周边土压力进行量测的盾构隧道工程实例，盾构几何尺寸及穿越土层情况见表1。由于现场实测数据少，还不足以进行定量分析，因此定性分析现场实测竖向土压力、水平稳定土压力随地层衬砌刚度系数α 的变化规律：

式中：Es为土的压缩模型；R为管片半径；EI为管片截面刚度。

Pv/Pv0和地层衬砌刚度系数α 之间的关系，见图5（a），Pv为盾构现场实测拱顶稳定竖向土压力；Pv0为隧道上覆总土压力。由图中可以看出，实测拱顶土压力大小与地层衬砌刚度系数α 有关，Pv/Pv0与地层衬砌刚度系数α 呈2次相关，当地α <1.5时，Pv/Pv0随α 增大而减小，说明地层刚度和衬砌刚度相差越大；Pv/Pv0就越大，但从实测结果看，Pv仅为上覆总土压力的1/2；当地α >1.5时，Pv/Pv0随着地层衬砌刚度系数的增大，逐渐增大。从结构受力角度分析，当地层衬砌刚度系数为1.5左右时，隧道顶部土压力值最小，结构受力越小。

Ph/Pv和地层衬砌刚度系数α 之间的关系如图5（b）所示，其中，Ph为盾构现场实测隧道拱腰处稳定土压力。由图中可以看出，实测Ph/Pv与地层衬砌刚度系数α 有关。侧压力系数与地层衬砌刚度系数为2次相关，实测结果侧压力系数范围为0.4～1.0之间，主要集中在0.4～0.8之间。

表1 盾构及穿越地层基本情况Table 1 Descriptions of shield tunnel and geology conditions

图5 盾构周边土压力与地层刚度衬砌系数关系Fig.5 Relationships between earth pressure and the stiffness ratio

4 盾构施工临时荷载对管片土压力的影响

4.1 同步注浆对盾构管片土压力的影响

为了研究盾构隧道施工过程中同步注浆压力及注浆量对盾构隧道管片短期及长期作用下土压力大小及分布特征，日本学者[11]通过一工程实例论证了同步注浆对管片周边土压力的影响。该盾构隧道外径为5.3 m，试验选取地层分别为黏土层及粉砂层。试验方案基本情况见表2，现场试验结果如图6所示。

表2 同步注浆对管片土压力影响试验方案Table 2 Backfill grouting of the test

图6 不同同步注浆方案管片周边土压力分布（单位：kPa）Fig.6 Distribution of earth pressure under different grouting schemes(unit:kPa)

图6（a）为黏性土层试验结果，图6（b）为砂性地层试验结果。由图中可以看出，无论是在黏性地层还是砂性地层，如果同步注浆压力较低，同步注浆率较小，作用在盾构管片上的总土压力分布就较小，也较均匀。相反，如果同步注浆压力大，同步注浆率大，作用在盾构管片上的总土压力较大且分布及不均匀。原因可能为作用在管片周边和地层之间的同步注浆浆液，大的注浆压力和较大的注浆率使盾构管片承受更大的荷载，尤其在敏感地区对管片的受力不利，这种现象在室内试验也被证实。

4.2 盾尾刷及盾尾油脂压力对管片周边土压力的影响

盾构掘进过程中，盾尾刷挤压及盾尾油脂压力会对盾构管片造成挤压，图7为某盾构掘进过程中管片土压力随着盾尾刷位置不同时土压力变化情况，实测结果表明，当盾尾刷通过管片时，作用在管片上的最大土压力是该位置地层压力的2倍左右。尽管压力很大，但其持续时间较短，盾尾刷通过后作用在管片上的压力迅速降低，因此管片设计时应充分考虑施工过程各因素对管片的影响，确保施工过程最大土压力小于管片材料容许值，保证管片的结构不受损坏。

图7 盾尾刷对管片周边土压力影响Fig.7 Influence of tail brushes on the segments

5 盾构管片土压力随时空的变化规律

某地铁盾构隧道周边土压力随时间变化情况如图8、9所示。该盾构隧道外径为6.0 m，内径为5.4 m，管片宽1.5 m，管片厚0.3 m。隧顶上覆土厚约10 m，地下水位在地面以下约3.3m。现场采用土压力盒量测管片所受总土压力，其中包括土压力和水压力。从图8中可以看出，管片周边土压力分为3个阶段，第一阶段管片拼装完成到开始注浆阶段，该阶段，管片还未脱出盾尾，管片压力以接触压力为主，量值较小；第二阶段管片脱出盾尾后同步注浆阶段，从开始注浆到注浆结束，这段时间管片周边压力变化量较大，从现场实测结果来看，管片最大土压力出现在注浆阶段，注浆时管片所受最大土压为稳定时的约2～3倍，并且注浆时管片土压力分布相对不对称；第三阶段注浆结束48 h以后，盾尾壁后浆液初凝之后总土压力基本稳定，48 h之后土压力变化量就较小。总体上看，稳定后管片所受土压力较小，且管片处于偏压状态。

图8 管片周边土压力随施工空间变化图Fig.8 Distribution of earth pressure with stages

图9 管片周边土压力随时间变化时程曲线Fig.9 Relationships between earth pressure and time

从图9为管片周边单个测点总土压力随时间的变化情况可见，土压力变化分为4个阶段。拼装阶段：由于管片未接触周围土体，土压传感器显示值为初始应力，其值较小不足20 kPa；注浆阶段至初凝阶段：盾尾脱出后，管片接触到土体，同步注浆开始，此阶段作用在管片上的土压力波动较大，注浆过程土压力达到最大值，在120～170 kPa之间，土压力分布很不均匀；浆液凝固阶段：该阶段土压力开始逐渐回落，随着同步注浆浆液凝固时间延长管片周边土压力逐渐稳定，该种类型土压力稳定时间大约为100 h；稳定阶段：作用与管片上的土压力基本稳定，随着时间的增长小幅度变化，原因可能为大气温度影响的结果。

5 结论

（1）地下水位较高时，作用在盾构管片上的长期稳定土压力以水压力为主，有效土压力较小，总土压力沿环向分布均匀；地下水位较低时，作用在管片上的稳定土压力以有效土压力为主，但土压力沿环向分布不均匀，作用在管片上的总土压力大小及分布与土层中静水压力大小不可忽略。

（2）作用在管片上的稳定土压力大小与地层衬砌刚度比有关，当地层衬砌刚度系数为1.5时，盾构管片土压力最小，结构受力较好。

（3）盾构施工期临时荷载同步注浆及盾尾刷对管片土压力的影响不能忽略，尤其是地层差异较大地区，现场试验表明较小的同步注浆压力及同步注浆率有利于作用在管片上土压力的长期稳定。

（4）盾构管片土压力随时空变化分为3个阶段，同步注浆阶段，浆液凝固阶段，后期稳定阶段。其中同步注浆阶段管片周边最大土压为稳定土压力的2～3倍。因此，施工期有效控制同步注浆压力对减小管片受力是有利的。

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