盾构施工对黄土地层的扰动及管片衬砌受荷特征

江英超¹，何川¹，方勇¹，周济民²

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都，610031；

2. 北京市市政工程设计研究总院，北京，100082)

摘要：为探明黄土地层中地铁盾构隧道施工对地层的扰动以及管片衬砌结构承受荷载的特征，依托西安地铁2号线穿越黄土地层盾构隧道工程，采用颗粒离散元方法从细观层面对盾构施工引起的地层应力变化及开挖面失稳形态进行模拟分析，同时对实际作用在管片衬砌结构上的土压力和主体结构内力(轴力、弯矩)进行现场动态跟踪测试，分析盾构动态施工过程及后期稳定后的土压力对管片衬砌结构受力的影响。研究结果表明：临空面的产生导致隧道拱顶及两侧部分水平应力和垂直应力发生显著变化。管片衬砌结构内力受施工参数影响明显，尤其是千斤顶推力和注浆压力。

关键词：盾构施工；黄土地层；土体扰动；颗粒离散元；现场试验

中图分类号：U455           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)07-2934-08

Soil disturbance caused by shield tunneling and segment lining loading characteristics in loess strata

JIANG Yingchao¹, HE Chuan¹, FANG Yong¹, ZHOU Jimin²

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education,

Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Beijing General Municipal Engineering Design and Research Institute, Beijing 100082, China)

Abstract: In order to investigate the soil disturbance caused by shield tunnel construction and loading characteristics of segment lining structure in loess strata, based on the Xi’an Metro Line 2 shield tunnel passing through loess strata project, particle distinct element method had been used to simulate the vibration of ground stress and working face failure form from the meso-level. Meanwhile, dynamic tracking tests of earth pressure and structure internal force (axial force and bending moment) acting on the segment lining had been conducted to analyze the influences of earth pressure on the internal forces of segment ling during construction and later stabilization of shield tunneling. The results show that the horizontal and vertical stresses have a significant change on the top and both sides of the tunnel because of the generation of free face. Construction parameters play an important role in the internal forces of segment lining structure, especially the jack thrust and grouting pressure.

Key words: shield tunneling; loess strata; soil disturbance; particle distinct element method; field test

盾构法已成为我国城市地铁隧道施工的主流工法，盾构施工不可避免地会对隧道周围土体产生扰动形成地层损失，一方面改变受扰动土体的应力应变状态^[1]；另一方面改变土体力学特性，致使作用在管片结构上的荷载发生变化，产生附加内力。我国地域幅员辽阔，地质条件错综复杂，隧道所穿越地层的工程地质条件成为影响盾构隧道安全施工的关键因素。与黏性土、砂性土等地层不同，黄土地层具有结构均匀无层理、疏松、大孔隙，垂直节理发育等特点。盾构掘进中，施工参数控制不当很容易引起较大的地层损失，严重时造成开挖面坍塌。为体现地层损失的影响，Rowe等^[2-3]在理论模型中引入间隙参数的概念，并将其定义为隧道周围形成的等效二维间隙集度。Sagaseta等^[4-6]在引入影像源法、体积损失参数的基础上，提出用于预测地表沉降的计算式。魏纲^[7]基于盾构法隧道统一土体移动模型，采用Loganathan等^[8]提出的研究方法，推导盾构施工过程中由于地层损失引起的土体变形二维解。西安地铁2号线作为我国首次在黄土地层中修建的城市地铁盾构隧道，在隧道施工及结构设计方面尚无成熟可借鉴的经验。目前，针对黄土地层盾构施工设计开展部分研究，龚旭东^[9]从黄土特殊的工程地质特征出发，探讨影响盾构施工的关键技术，同时分析总结试验段盾构施工经验。周济民等^[10]结合黄土地层中管片内力的现场实测值，采用正交试验设计方法，反演分析得到黄土地层中盾构隧道管片衬砌设计荷载的合理计算参数。更多研究内容主要集中在盾构施工引起地表沉降的数值分析方面^[11-13]。针对黄土地层盾构施工的相关研究主要侧重于宏观尺度的数值模拟和现象观测，无法反映黄土地层颗粒体系细观结构及其变化对应力应变关系的影响，本文作者以西安地铁2号线盾构隧道穿越黄土地层为工程背景，采用颗粒离散元分析方法，从细观层面对黄土地层中盾构施工引起的地层扰动进行分析。同时，结合现场试验，对实际作用在管片衬砌结构上的土压力和管片结构内力(轴力、弯矩)进行动态跟踪测试，研究盾构施工过程中管片衬砌结构内力的变化规律，结合衬砌结构的受荷特征，反馈盾构隧道施工。

1  离散元模型

1.1  颗粒离散元

颗粒流作为简化的离散元分析方法，是Cundall在1971年提出并最先用于分析岩石力学问题的一种数值方法^[14]，其通过模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用来研究颗粒介质的特性。在颗粒流中，颗粒单元假设为刚性体，颗粒间的接触视为点接触。颗粒流以运动方程的有限差分方程为基础，将整个离散系统中的每个颗粒作为1个单元，根据全过程中每一时刻颗粒间的相互作用和牛顿运动定律的交替反复运用预测散体群的行为。二维颗粒流程序(PFC^2D)作为颗粒离散元的代表，成为解决模拟颗粒流动问题的一种有效手段^[15]。

1.2  参数标定

与经典塑性力学考虑的连续介质相比，颗粒流模型中细观参数不能直接简单的与物理模型的宏观物理力学参数相对应起来。这是因为颗粒介质具有明显的离散性，体系内部变形不均匀，并会随着塑性的发展，出现变形局部化等现象，非连续性介质的特点尤为显著。为保证构建的模型能够反映期望的宏观物理力学行为，必须对模型的细观参数进行标定。在固定颗粒大小和组装方式的前提下，PFC^2D中选择双轴试验来建立彼此之间的联系。

双轴试验模型由四面无摩擦的墙体围成，通过颗粒膨胀法生成指定孔隙率的土样，然后设置一定的细观参数。试验中，通过控制上下墙体的移动速度来模拟试样的加载，两侧墙体的速度由伺服机制控制，保证围压为一定值。双轴试验分别在0.20，0.25和0.30 MPa 3种围压下进行，通过双轴试验不断改变细观参数，得到能反应黄土地层的细观参数，如表1所示。以新黄土为例，图1所示为双轴试验试样颗粒示意图，不同围压下轴向应力-轴向应变的曲线如图2所示。

1.3  数值模型

数值模型以现场试验为基础，其建立在考虑模型边界效应的前提下，保证数值分析结果能够反应黄土地层的相关特性。数值模型主要考虑横、纵断面盾构施工引起的地层扰动，如图3和图4所示。图3所示为盾尾建筑空隙未完全填充后形成的地层损失(横断面)，图4所示为盾构施工中因盾构停机、超挖等因素引起的地层损失(纵断面)。

表1  标定后黄土地层PFC细观参数

Table 1  PFC parameters of loess strata after calibration

图1  双轴试验颗粒试样图(单位：cm)

Fig.1  Particle sample biaxial test

图2  不同围压下轴向应力应变曲线

Fig.2  Axial stress-strain curves under confining pressure

数值模型中以隧道中心轴线为对称轴，沿隧道周围一定范围内(1D)左右对称布置一系列彼此相交半径为1.0 m的测量圆(相交量为1.0 m)，以此监测隧道开挖过程中地层应力变化情况。

横断面和纵断面数值模型的宽×高为24.0 m×20.0 m，盾构隧道埋深10.0 m，隧道直径为6.0 m，管片衬砌结构和盾构机壳体均采用wall单元模拟，摩擦系数为1.0，法向和切向接触刚度均为1.0×10¹⁰ N/m。盾构机外径为6.0 m，机身长度为8.0 m。

图3  横断面数值分析模型

Fig.3  Numerical analysis model of transverse section

图4  纵断面数值分析模型

Fig.4  Numerical analysis model of longitudinal section

2  地层扰动分析

2.1  地层应力变化

隧道开挖前后地层水平应力、垂直应力变化分别如图5和图6所示。由于开挖前后地层应力大致呈对称分布，因此，图5中取一半地层应力分布进行说明。左侧为地层水平应力，右侧为地层垂直应力。

根据图5和图6可见：隧道开挖前地层中水平应力分布还是比较均匀的，隧道开挖后由于建筑空隙的产生，使得地层中的水平应力场无论从量值还是形态上均发生较大变化，主要体现在隧道埋深浅处的水平应力减小，拱顶及隧道两侧的压应力减小幅度更大，这与隧道开挖引起的洞周土体应力释放有关。

图5  隧道开挖前地层应力等势图

Fig.5  Ground stress distribution before tunnel excavated

图6  隧道开挖后地层应力等势图

Fig.6  Ground stress distribution after tunnel excavated

垂直应力同水平应力一样，隧道开挖前分布比较均匀，隧道开挖后，由于建筑空隙的产生，拱顶压应力迅速减小，同时隧道两侧的垂直应力减小地更多。在埋深较浅的近地表地层，垂直应力改变较小。在隧道拱顶区域，由于临空面的产生，导致拱顶土体的塌落，由此垂直应力迅速减小。

2.2  开挖面失稳

黄土地层盾构施工过程中，由于盾构临时停机、千斤顶回缩以及盾构超挖等因素，导致开挖面前方土体发生朝向开挖面的移动，引起开挖面失稳，严重时发生破坏。本文从开挖面前方土体颗粒接触性态和颗粒移动2方面进行分析。隧道开挖后开挖面前方颗粒的接触力链及位移矢量分别如图7和图8所示。

图7  隧道开挖后开挖面颗粒接触力链

Fig.7  Particle contact force chain of working face

图8  隧道开挖后开挖面土体颗粒位移矢量图

Fig.8  Particle displacement vector diagram of working face

由图7和图8可见：由于盾构超挖等因素引起的地层损失，开挖面前方出现“鼓出型”的松动区，同时，开挖面前方(1.0~1.5)D范围内的土体颗粒向松动区移动。由于盾构机壳与周围土体颗粒的摩擦作用，盾构机上方部分区域的颗粒发生朝向松动区的移动。由于土体颗粒的拱效应，松动区并没有完全发展延伸至地表。

从开挖面土颗粒移动性状分析，对于黄土地层盾构施工引起的开挖面失稳表现为从隧道拱顶到地表的不断发展，最终在开挖面前方形成类似抛物线型的滑动面。同时，开挖面失稳形状可以看作由2部分组成，即开挖面前方滑动区域和上部区域。

3  现场测试的内容与方法

3.1  测试断面选取

西安地铁2号线沿线地层以人工填土、黄土、黄土状土、砂层、粉质黏土为主，线路自北向南依次通过渭河冲洪积平原、黄土梁洼、橘河冲积平原3个次级地貌单元。隧道主要行经于潜水含水层系统中，对线路影响较大的地质问题有地裂缝、饱和软黄土、湿陷性黄土、液化砂层。

根据隧址区地形、水文地质条件以及盾构隧道施工进度，选择龙首村—北关区间右线隧道里程桩号YDK10+337断面开展现场试验研究。试验断面地质剖面情况如图9所示，地层组成从上到下依次为：素填土层(Q₄^ml)、新黄土层(Q₃^eol)、古土壤层(Q₃^el)、老黄土层(Q₂^eol)、粉质黏土层(Q₂^al1)。隧道通过层为新黄土和古土壤所组成的复合地层。该断面隧道顶部埋深 10.17 m。

图9  测试断面地质剖面情况(单位：m)

Fig.9  Geological diagram of test section

3.2  试验内容及测点布置

结合盾构隧道所穿越地层的水文地质条件，现场测试主要测量管片环拼装完成、脱环瞬间以及后期稳定后外荷载和内力的分布变化规律，探明掌子面前方盾构机动态掘进(千斤顶推力、同步注浆等)及管片环静态拼装对试验环的影响。

测量内容包括管片环所承受的土压力、管片衬砌结构内外侧应变。相应测点布置如图10所示。图10中：T为土压力计测点；C为混凝土应变计测点，数字代表测点编号。其中，布置在衬砌结构上的土压力盒、水压力计每环各10个，混凝土应变计每环20个。

3.3  测试元件安装与数据采集

测试元件采用量程1.0 MPa的XYJ-5型钢弦式双膜土压力传感器进行土压力测试；采用量程40 MPa的XJH-2型埋入式混凝土应变传感器进行管片混凝土应变测试。以标准块为例，测试元件详细布置如图11所示。

试验管片运至盾尾准备拼装时，读取管片环在未受到任何外力作用时测量仪器的读数，作为试验的零初值读数。随着盾构机向前掘进，读取测试目标环脱环1/2及试验环完全脱出盾尾时管片衬砌所受土压力作用量值和混凝土内外侧的应变值。随着掌子面距测试目标环距离的逐渐变大，降低读数频率，直至数据收敛。将测量所得初读频率值f₀、频率值f_i和元件标定系数K进行计算，得出相应每一次测量的应变值ε，根据材料力学原理，以混凝土内外侧的应变值求解管片结构截面内力。

图10  试验管片环测点布置

Fig.10  Distribution of monitoring points in test ring

图11  标准块管片测试元件布置图

Fig.11  Measuring elements distribution of standard segment

4  试验结果与分析

4.1  作用于盾构隧道的土压力分布及变化规律

盾构隧道施工期实测土压力随施工进度的变化曲线如图12所示。结果表明：作用在管片环上的土压力值受盾构施工扰动明显，呈现出“增长—回落—再增长”的过程，实测值反映同步注浆流体压力和实际土体压力对管片的联合作用。测试管片脱环时同步注浆压力对管片的作用明显，实测土压力值在管片环脱环瞬间陡然增加，注浆口位置附近的测点数值增加的幅度较大；管片脱离盾尾且同步注浆完成后，实测值迅速回落。后期当注浆浆液凝固后，随着地层应力的重分布和超压的减少，作用在管片衬砌上的土压力出现缓慢增长，当盾构掘进至目标环20环以后，土压力基本趋于稳定。图13所示为稳定后作用在管片环上的实测土压力。由图13可见：隧道上部土压力呈现出中间大两端小的分布形态，拱底土压力小于拱顶土压力。初步分析是盾构机施工产生地层扰动，使其在一定范围产生塌落效应，形成塌落拱，地下水对管片环有浮拖作用，造成了拱底土压力小。同时，稳定后的实测数值接近于采用Terzaghi理论计算的松动土压力，小于采用总覆土柱计算的土压力。实测数据反映出注浆后浆液在管片环外周形成浆液硬化包裹层，并且黄土地层具有较好的成拱特性。作用在管片衬砌上的土压力变化规律反映管片环壁后注浆压力、浆液硬化包裹层等因素对结构主体的共同作用，测量结果基本上反映了盾构隧道四周扰动土体的固结稳定和地层变位特性。

图12  实测土压力变化曲线

Fig.12  Variation curves of measured soil pressure

图13  土压力沿管片的环向分布

Fig.13  Soil pressure distribution along segment ring

4.2  盾构隧道管片衬砌轴力分布及变化规律

盾构隧道施工期管片轴力随施工进度的变化曲线如图14所示。结果表明：管片衬砌受盾构施工扰动明显，轴力表现出一定的跳跃性。同时，受盾构千斤顶推力作用，短期内管片出现侧胀现象(即环向受拉)，管片环轴力降低，脱环过程中部分测点甚至出现了较大的环向拉力。管片脱环后，管片环受土压力和壁后注浆压力的作用，轴力表现出较快增长。当盾构向前推进至约10环后，随着盾构施工扰动的减小以及土压力的作用，轴力逐渐趋于均匀，受拉部位也转变为受压，约30环后轴力变化趋于稳定。图15所示为稳定后作用在管片环上的实测轴力。

图14  实测轴力变化曲线

Fig.14  Variation curves of measured axial force

根据图14和图15可见：脱环过程中管片环的轴力分布很不均匀，这是由于盾构施工过程中荷载的离散性决定的。后期稳定后的轴力表现为全环受压状态，整体分布较为均匀，呈现出竖向小、侧向大的分布规律，最大轴力为818.57 kN，位于右侧拱腰上方45°附近，最小轴力为544.12 kN，位于拱顶位置。

图15  轴力沿管片的环向分布

Fig.15  Axial force distribution along segment ring

4.3  盾构隧道管片衬砌弯矩分布及变化规律

盾构隧道施工期管片弯矩随施工进度的变化曲线如图16所示。结果表明：管片脱环过程中受瞬间承载、千斤顶推力、壁后注浆压力和错峰拼装附加内力的影响，弯矩表现出跳跃性增长。管片脱环后，在周围地层作用下，管片环“负弯区域”(管片环外侧受拉)有一定程度扩展，但是弯矩值在绝对量值上并未有大的变化，究其原因可能在于管片采用柔性接头在外荷载作用下调整了变形区域，降低了管片衬砌局部的弯矩值。盾构向前推进至10环左右后，弯矩波动值很小并很快趋于稳定。图17所示为稳定后作用在管片环上的实测弯矩值。由图17可见：隧道拱顶和拱底附近出现正弯矩区，两侧拱腰处出现负弯矩区。弯矩值沿管片环圆周方向分布具有一定的起伏，整体上拱顶弯矩较拱底弯矩小，纵向接头处的弯矩较大，环向接头处的弯矩较小，且左右断面的弯矩呈不对称分布。表现出错峰拼装的特征。其中，最大正弯矩为55.92 kN·m，位于拱顶；最大负弯矩为-45.24 kN·m，位于右侧拱腰45°附近。

根据对管片环内力分析可知，管片衬砌结构内力受壁后同步注浆、千斤顶推力、土压力等因素影响明显。对于黄土地层中盾构隧道施工，应重视千斤顶推力和注浆压力的选择，顶推力过大必然导致管片产生裂缝，注浆压力过大导致管片钢筋应力和混凝土应力的增加，最终影响结构整体性安全。

图16  实测弯矩变化曲线

Fig.16  Variation curves of measured bending moment

图17  弯矩沿管片的环向分布

Fig.17  Bending moment distribution along segment ring

5  结论

(1) 盾尾脱环后形成的建筑空隙，导致地层中的水平应力和垂直应力在量值和分布形态上都发生较大变化。临空面的产生引起洞周土体应力释放，导致隧道拱顶以及两侧部分压应力迅速减小；近地表地层应力场改变很小。

(2) 盾构超挖、临时停机等因素引起的土体超挖将引起开挖面前方形成松动区，导致开挖面前方及上方土体颗粒发生朝向松动区域的移动，最终在开挖面前方形成类似抛物线型的滑动面，引起开挖面失稳。

(3) 稳定期间土压力表现为中间大两端小的分布形态，拱底土压力小于拱顶土压力。施工期实测管片土压力及变化规律反映了同步注浆流体压力和实际土压力对管片的联合作用。黄土地层具有较好的成拱特性。

(4) 管片衬砌结构内力受施工期荷载扰动明显，表现出一定的跳跃性。施工期主体结构内力的变化规律说明，盾构施工过程中应重视千斤顶推力和注浆压力的选择，保证管片结构的安全性。

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(编辑  邓履翔)

收稿日期：2012-06-04；修回日期：2012-09-05

基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2010CB732105)；高铁联合基金重点资助项目(U1134208)；国家自然科学基金资助项目(50925830, 50908193)

通信作者：江英超(1986-)，男，四川成都人，博士研究生，从事隧道与地下工程研究；电话：028-87601932；E-mail: yingchaojiang@gmail.com