高水压条件下盾构隧道结构特征分析

高水压条件下盾构隧道结构特征分析

摘要：武汉长江隧道工程盾构长距离穿越砂层、盾构承受水压高，最高5.7Bar，地质条件和地下水状况非常复杂，江底段隧道最小覆土厚度小于1D，而且水底部分与覆土压力相比水压力更大，特别是武昌深槽段，水压力主导的施工。为了确保盾构管片结构安全，本文通过梁弹簧计算模型，分别进行了大量的计算，分普通地层和复杂地层两个方面，从水压变化方面进行了计算。分析高水压对管片结构的影响。

关键词：盾构隧道 水土压力 梁弹簧计算模型 隧道覆土

1．概述

根据提供的武汉长江隧道纵断面图，武汉长江隧道盾构段隧道底板最高点为江北竖井一侧（标高-0.89m），最低点位于K3+718m处（标高-31.78m），盾构穿越的地层主要为中密粉细砂（地层代号⑤2）、密实粉细砂（地层代号⑤3），底部中间为卵石层（地层代号⑥）及强风化泥质粉砂岩夹砂岩、页岩（地层代号⑦1和⑦2）之间。局部见中密中粗砂（地层代号⑤4）、密实中粗砂（地层代号⑤5）、可塑粉质粘土层（地层代号⑤6）。盾构两端接近竖井处的地层为软塑粉质粘土层（地层代号④4）、中密粉土层（地层代号④6）其可挖性除中风化泥质粉砂岩夹砂岩、页岩为Ⅳ级、强风化泥质粉砂岩夹砂岩、页岩及密实卵石为外Ⅲ级外，其它土层为Ⅰ级。

盾构穿越地层主要为富含地下水的砂土层，其地下水特征在两岸表现为较高承压水头的承压水特征，在长江则表现为高水头压的潜水特性。由于其水头压力较高，盾构施工时易引起突发性涌水和流砂，而导致大范围的突然塌陷。同时，高水头压对盾构机和隧道的密封及抗渗能力提出了更高要求。

根据盾构段隧道底板标高K3+588.6m～K4+250m段盾构工作面的下部将切入密实卵石层（地层代号⑥）及强、中风化泥质粉砂岩夹砂、页岩（地层代号⑦1、⑦2）层中，与盾构工作面其它土层构成了软硬不均匀的工作面，盾构推进时，由于受力不均，容易造成盾构在线路方向上的偏离。如图1所示LK4+200地质剖面所示。

从充分考虑武汉越江盾构隧道所处区域的地层及地下水特征、高水压越江盾构隧道的施工条件等对结构设计起控制作用的因素出发，研究实际作用在盾构隧道主体结构上的土水压力的量值及规律，探明盾构隧道主体结构与地层的相互作用特征，进而判明盾构隧道主体结构的实际受力状态、受力特征，得出对结构设计的基本要求和必需满足的条件。

通过梁弹簧数值模型的计算分析，重点分析了相应地层条件下，盾构隧道结构体在不同水压力作用下对管片衬砌结构的力学和变形特征，然后，对相应的试验结论进行验证，最后得出了关于地层与盾构隧道衬砌结构体相互作用特征的重要结论。

2．管片衬砌结构计算模型

对于地下结构的主体衬砌结构，多采用荷载－结构模型进行设计计算分析。随着计算机数值模拟技术的发展，目前多采用有限元法进行衬砌结构的力学分析。荷载－结构模型数值模拟的步骤为：计算模型的建立，将地下结构离散化，计算单元刚度矩阵，计算等效节点荷载，组建总刚度矩阵，解方程得到位移值，调整弹簧参数重新求解方程组，计算结构内力，进行计算结果分析，并评价结构的安全性。

在进行管片设计计算分析时，先采用简化计算法（将管片衬砌结构简化为匀质圆环，即按日本的修正惯用法）初步确定盾构隧道管片结构参数，然后重点采用精确计算法进行不通拼装方式下的管片结构内力及变形分析，确定设计所采用的管片结构参数。最后对确

定采用的方案，同时用两种计算方法进行校核。

2.1均质圆环模型（日本修正惯用法）

在本次设计计算中，用曲梁单元模拟刚度折减后的衬砌圆。η分别取0.75、0.65和0.55三种情况；对于错缝拼装，相应的附加弯矩增大系数ξ取为0.3、0.4和0.5；而对于通缝拼装时，相应的附加弯矩增大系数ξ取为0。采用匀质圆环模式的计算结果作为参考，并对精确计算法的计算结果进行检验。如图2（a）所示。

2.2 弹簧模型

在本计算中，根据采用的弯螺栓接头的受力情况，进行了大量的三维接头抗弯能力的数值模拟分析，同时参照国外有关研究结果(见: ①元山 宏，大断面海底盾构隧道的构造研究，早稻田大学博士学位论文，1997；② Design of Segment，Japan Society of Civil Engineering，1994.6)，对于环向接头的抗弯刚度，在隧道内侧受拉时取为4×105kN•m／rad，隧道外侧受拉时取为2.4×105kN•m／rad；对于纵向接头，其径向抗剪刚度Kr和切向抗剪刚度Kt按偏于安全方面考虑均取为无穷大，即认为各环管片在纵向接头处不产生错动。如图2（b）所示。

3．数值模拟成果

为了进一步论证以上试验成果的可靠性，我们通过梁弹簧计算模型，分别进行了大量的计算，分普通地层和复杂地层两个方面，从水压变化方面进行了计算。分析水压对管片结构的影响。

由于梁弹簧计算模型的自身模型特点，进行了一些等效简化处理。对于水压和土压荷载，统一转换成为衬砌结构顶部和侧面的矩形分布荷载值。对于环间接头剪切刚度值，偏安全地将剪切刚度取为无穷大。地应力弹簧当受到拉应力时，可以自动脱离。不计结构体自重。

3.1水压力变化对管片衬砌结构的作用特征

选取竖向土压为20米等效土厚，土体侧压力系数为0.4水平时，水压力分别为20米、30米、40米、50米和60米共五个参数值进行分析。

（1）均质地层

普通地层即均质单一的地层条件，梁弹簧模型中的地应力弹簧采用单一均质均布的弹簧，按照受拉可自动脱离等原则布置。

如图2所示，图a表示管片衬砌结构的最大正负弯矩值随水压的变化曲线，图b表示在等效水压为50米条件下，结构弯矩沿衬砌结构周向的分布图。从图a中可以看出，管片衬砌结构的最大正负弯矩随着水压加大而略有增大，增幅轻微。从图b中可以看出，弯矩沿衬砌结构周向总体为波浪形分布，形状与其他数值计算成果相同。

图c表示管片衬砌结构最大最小轴力值随水压的变化曲线，图d表示在水压为50米的条件下，管片轴力沿衬砌结构周向的分布图。从图c中可以看出，最大最小轴力值随水压加大而正比例直线增长，增幅明显。从图d可以看出，轴力分布大致为椭圆形分布，分布形状与其他数值计算成果相同。

图e表示最大变形量随水压的变化曲线，图f则表示水压为50米水平下结构变形沿衬砌周向的分布图。从图e中可以看出，最大变形值随水压正比例增大。从图f可看出，变形分布与其他数据计算结果相同。

(2)复杂地层

复杂地层是结合武汉复杂地质区段进行的，即采用盾构隧道下部约0.25倍直径范围为硬岩层区域，上部约0.75倍直径范围为普通粉细砂性土区域。硬岩层区域在地质资料中未能见到地层弹性系数指标，故采用了比普通地层弹性系数2倍水平的数值，这样的计算参数会使结果偏安全。为了模拟复杂地层的特征，梁弹簧模型中的地应力弹簧相应进行了处理，对下部0.25倍直径和上部0.75倍直径分别采用不同弹性系数的地应力弹簧，并同样按照受拉可自动脱离等原则布置。

如图3所示，图a表示管片衬砌结构的最大正负弯矩值随水压的变化曲线，图b表示在等效水压为50米条件下，结构弯矩沿衬砌结构周向的分布图。从图a中可以看出，管片衬砌结构的最大正负弯矩随着水压加大而略有增大，增幅轻微。位于下部硬岩层区段的管片正弯矩略小于上部位于普通土区段的管片正弯矩。从图b中可以看出，弯矩沿衬砌结构周向总体为波浪形分布，形状与其他数值计算成果相同。

图c表示管片衬砌结构最大最小轴力值随水压的变化曲线，图d表示在水压为50米的条件下，管片轴力沿衬砌结构周向的分布图。从图c中可以看出，最大最小轴力值随水压加大而正比例直线增长，增幅明显。从图d可以看出，轴力分布大致为椭圆形分布，分布形状与其他数值计算成果相同。

图e表示最大变形量随水压的变化曲线，图f则表示水压为50米水平下结构变形沿衬

砌周向的分布图。从图e中可以看出，最大变形值随水压正比例增大。从图f可看出，变形分布与其他数据计算结果相同。

3.2.压条件下复杂地层与普通地层的比较

选取水压50米状态不变，取两种地层条件下，具有相同外部荷载和相同结构拼装方式的管片衬砌结构的弯矩、轴力和变形进行比较。此处注明，图示中的沿衬砌结构周向的角度是从拱顶开始，沿顺时针方向变化的，与结构体应变片张贴编号次序一致。

如图4所示，表示高水压状态下，对于两种地层条件，管片衬砌结构的弯矩值沿衬砌周向不同角度部位的分布曲线。从图中可以看出，普通地层条件下，位于拱顶部位的最大正弯矩与位于拱底部位的数值接近相等，这是由于地层单一均质的对称特性决定的。对于复杂地层，位于拱顶部位的最大正弯矩明显大于位于拱底部位的弯矩值，这说明，硬地层的约束作用引起相应区域附近的弯矩减小，与无水压条件相比较，弯矩差别程度较小。位于普通地层区域的结构弯矩基本没有受到硬地层存在的影响，相应区域的弯矩值基本不变。

如图5所示，表示高水压状态下，对于两种地层条件，管片衬砌结构的轴力值沿衬砌周向的不同角度部位的分布曲线。从图中可以看出，普通地层和复杂地层的轴力值水平基本差别不大。

如图6所示，表示高水压状态下，对于两种地层条件，管片衬砌结构的变形值沿衬砌周向的不同角度部位的分布曲线。从图中可以看出，普通地层和复杂地层的变形整体基本差别不大。在位于硬岩层区域（180度附近）的管片衬砌结构变形量小于普通地层相应部位的变形量，说明硬岩层区域对相应区域的结构体变形略有影响。与无水压相比较，最大变形量均有明显减小。

由此可见，对于高水压条件下处于复杂地层的管片衬砌结构与均质单一的普通地层相比较，位于硬岩层区域的管片衬砌结构的弯矩有明显减少，变形量也略有减少；而位于复杂地层的普通地层和均质单一的普通地层相比较，两者内力和变形结果均基本差别不大。以上情况与无水压条件下基本趋同。与无水压相比较，后者的内力和变形明显偏小，数据差别程度也明显偏小。

3.3与试验成果的比较

通过试验成果和数值计算成果对比，可以看出，管片衬砌结构的最大正弯矩和最大负弯矩均偏小，其中其中最大正弯矩偏小约15-30％，最大负弯矩偏小约10-20％。管片衬砌结构的轴力水平相差不大。管片衬砌结构的最大变形量试验结果比计算结果略小。

4.结论

针对武汉长江隧道承受高水压和穿越高渗透性砂性土质，并且局部区段存在软硬程度差异极大的层状复合地层的特点，采用数值模拟计算成果进行，最后，对高水压单一均质地层和层状复合地层两种不同地层环境对盾构隧道管片衬砌结构力学特征的影响进行了分析，得出了管片衬砌结构内力和变形与周边围岩在不同水土压力场条件下的相互作用特征。

（1）水压力的影响。随着水压力的不断加大，管片衬砌结构的平均轴力明显增大，最大变形有所增长，最大正负弯矩略有增长或基本不变，最大偏心矩明显减小。在以砂性土等透水性土质条件下，水压力的增大，在衬砌结构承压容许范围内，是有利于结构内力和配筋的。从安全考虑，对于水土分算的情况，应取最低水位进行计算。

（2）层状复合地层的下部硬岩层区域和上部普通土层区域相比较。对于弯矩内力来说，

位于拱底区域附近的管片衬砌结构正弯矩值明显小于位于拱顶区域附近的结构正弯矩值。对于轴力，上下部的管片衬砌结构轴力相差不大或者下部略小。对于变形来说，拱底向内的衬砌结构变形小于拱顶向内的变形量。说明处于硬岩层区域的管片体结构受到了周边硬岩层的约束，在较大抗力水平下，由周边围岩分担了部分外部压力，从而有利于此区域管片衬砌结构的受力。

（3）复杂地层和单一地层相比较。对于复杂地层的硬岩层区域的弯矩值与普通地层相应部位相比较，前者明显偏小，说明硬岩层分担了部分外力，有利于管片衬砌结构的受力。对于复杂地层的普通土层区域与单一地层的相应部位相比较，两者数值相差不大，并且，管片衬砌结构的最大正弯矩均发生在此区域。说明，较小区域的硬岩层对管片衬砌结构的普通土区域的管片衬砌结构内力的影响并不明显。

参考文献：

1．隧道标准规范（盾构篇）及解说，[日]土木学会编，朱伟译，北京：中国建筑工业出版社，2001。

2．盾构隧道，张凤祥、傅德明、廖绍明，北京：人民交通出版社，2004。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。