行业要闻

 

【摘   要】以上海市轨道交通10号线3标段国权路站～同济大学站区间工程为背景，对盾构在下立交底板下长距离推进时引起的超孔隙水压力进行了监测和分析。采用解析公式计算盾壳正上方超孔隙水压力并与实测值做了对比，表明塑性区的范围和塑性区内超孔隙水压力的主要影响因素是盾构土舱压力，但弹性区的超孔隙水压力最大值为，与土舱压力无关。通过超孔隙水压力的监测可以指导土舱压力的调整，避免过大的沉降。

【关键词】盾构;超孔隙水压力;监测;解析解;土舱压力

 

1、引言

      盾构隧道周围受到盾构施工扰动后，在盾壳周围形成超孔隙水压力区，当盾构离开该处地层后，由于土体表面的应力释放，孔隙水压力开始消散，在消散过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面沉降^［1，2］。由于盾构推进导致周围土体的应力状态发生复杂变化，由此产生的超孔隙水压力的分布及量值也很复杂。研究盾构推进导致的超孔隙水压力的产生和消散机理，不仅可以预测由此带来的主固结沉降及其持续时间，还可以研究盾构施工对周围土体的扰动范围和强度，以及不同部位土体应力状态的变化规律^［3，4］。目前对于盾构推进超孔隙水压力的研究，多以现场监测^［5～11］和数值模拟^［3，12］为主。由于现场条件复杂，多种因素都可能造成孔隙水压力的变化，仅根据实测值难以判断引起孔隙水压力变化的主要原因;而数值模拟得到的结果只是近似的表达，缺乏对于变化机理的解释。所以通过合理的实测和理论分析相结合的方法，来获得一种简单的预测超孔隙水压力的表达式是十分必要的。

2、工程概况

      上海市轨道交通10号线国权路站～同济大学站区间隧道长度为690．4 m，使用单圆土压平衡盾构施工。盾构由同济大学站北端头井始发，沿四平路推进，至国权路站南端头井进洞，下行线盾构施工在前，上行线在后(二者纵向距离＞80 m)。隧道衬砌采用C55预制钢筋混凝土管片通缝拼装，环宽1 200 mm，厚度为350 mm。地层至上而下顺次为①层杂填土、②₁层褐黄色粉质粘土、②₃层灰色粉质粘土、④层灰色淤质粘土、⑤₁层灰色粘土、⑤₂层灰色粉质粘土，浅层地下水属孔隙潜水，地下潜水水位埋深为0．50 m～2．00 m。盾构推进主要穿越④、⑤₁、⑤₂土层。四平路中山北二路下立交工程全长1372 m，沿四平路由南向北依次穿越路彰武路、国康路、中山北二路及国泰路，下立交结构位于盾构隧道上方，分为南北2个敞开段，1个暗埋段。暗埋段主体结构采用两孔箱形的结构形式，敞开段采用现浇钢筋混凝土U型结构形式，混凝土强度等级为C35，底板下方垫层混凝土强度等级为C30(早强)。

盾构隧道和下立交结构相对位置如图1所示。

3、监测方案

      根据相关文献［3，5，6，13］，选取了5个不同位置作为监测断面(暗埋段3个断面，敞开段2个断面)，埋设孔隙水压力计。孔隙水压力计布置平面图及立面图如图2，3所示。

4、监测结果

      5个断面的超孔隙水压力变化结果如图4～8所示。由于埋设和现场施工的原因，孔隙水压力计部分坏死，图4～8中标出的为能正常使用的孔隙水压力计的位置。

     

 

      (1)从图中可以看出，盾构通过时，引起的超孔隙水压力可分为3个阶段:第1阶段，盾构切口距断面15～20m时，挤土导致超孔隙水压力升高，盾尾到达断面位置时达到最大;第2阶段，盾尾脱出断面时，曲线开始下降，后又因二次注浆影响再次抬升;第3阶段，盾构远离后超孔隙水压力逐渐消散或保持在一定水平，7～10天后趋于稳定。

      (2)盾构通过暗埋段时，最大超孔隙水压力发生在盾壳一侧埋深为15．7 m的位置:K1C(埋深15．7 m)达到41．6 kPa、K2C(埋深15．7 m)达到55．4 kPa、K3C(埋深15．7 m)达到46．1 kPa;盾壳顶部的超孔隙水压力K2B(埋深9 m)最大可以达到27．7 kPa。

      (3)盾构通过敞开段时，最大超孔隙水压力发生在盾壳一侧埋深为15．0 m的位置:K4C(埋深15．0 m)达到36．3 kPa;盾壳顶部的超孔隙水压力K4B(埋深11．4 m)最大只有2．3 kPa。

      (4)由于埋设原因，导致先掘进隧道所引起的超孔隙水压力变化比后掘进隧道所引起的要显著。

      (5)盾构上行线通过暗埋段监测断面时，由于盾构机出现故障，推进速度较慢，且不能及时注浆，导致超孔隙水压力下降明显，甚至出现负超孔隙水压，最小值K3C(埋深12．6 m)降为－17．0 kPa，故障排除后，提高注浆压力，超孔隙水压力又开始升高。

5、超孔隙水压力解析解

5．1超孔隙水压力解析解的变化

     Skempton A W^［14］对孔隙压力进行了研究，给出了复杂应力下超孔隙压力的表达式:

    

式中:Δu为孔隙压力增量;Δσ₃为等向应力;Δσ₁－Δσ₃为偏应力;A为偏应力作用下孔隙水压力系数，与土的应力历史、应力水平等有关;B为等向应力和偏应力共同作用下孔隙水压力系数，对于饱和软土，B=1．0。

      Henkel D J^［15］认为，利用三轴试验确定孔隙压力系数，应考虑中主应力的影响。他引用了应力不变量或八面体应力，使上述孔隙压力方程更具有普遍意义，并对饱和土提出了下列表达式:

    

      式中:a为Henkel系数，反映剪应力改变引起的孔隙水压力变化。对于三轴压缩试验，有Δσ₂=Δσ₃，带入公式（2)，可得

    

      与Skempton A W公式对比可得:

    

      A的经验取值^［16］以及转换的a值见表1。

      在上述研究的基础上，徐方京，侯学渊经过进一步的推导认为^［4，17］，对于软粘土地质，在盾构通过时盾壳正上方产生的超孔隙水压力，可按作用于塑性区内边界压力P_i或分成下面两种情况讨论:

    

      式中:P_i为盾构推进时土舱压力;P₀为隧道中心处静止土压力;R_P为塑性区半径;R₀为盾构隧道半径;C_u为土的粘聚力;Δ_u为超孔隙水压力;r为测点与隧道中心的距离;a为Henkel系数。

5．2监测值与解析角的对比研究一般来讲，盾构推进时的土舱压力P_i设定值都会大于隧道中心处静止土压力P₀，根据上述公式(9)、(10)，选取相应的参数，可估算盾构通过时的超孔隙水压力。对于本工程，取盾构下行线通过时引起的盾壳正上方超孔隙水压力检测值与解析解对比研究，如图9，10所示。

     

      (1)从图9可以看出，塑性区(R_P≤8．3 m)内，超孔隙水压力值与塑性区解吻合较好;弹性区(R_P＞8．3 m)内，超孔隙水压力数值虽然更接近于塑性区解，但是变化趋势是与弹性区解一致的。从图10可以看出，4-4断面弹性区(R_P＞3．4 m)内，超孔隙水压力值与和变化趋势都与弹性区解相吻合;5-5断面也是如此。由于敞开段土舱压力较小，所以塑性区的范围也较小，实测值并未反映超孔隙水压力在塑性区范围内的变化。

      （2)从式(9)、(10)来看，盾构处于一定的位置时，P₀、C_u、a、R₀都是确定的，影响超孔隙水压力变化的因素只有P_i和r。从实测值来看，暗埋段下行线通过3-3断面时的土舱压力为180 kPa，盾壳正上方超孔隙水压力最大值为27．72 kPa(R_P=3．3 m)，盾壳正上方紧贴底板处超孔隙水压力值为2．50 kPa(R_P=11．3 m);敞开段下行线通过4-4断面时的土舱压力为160 kPa，盾壳正上方超孔隙水压力最大值为4．00 kPa(R_P=4．0 m)，盾壳正上方紧贴底板处超孔隙水压力值为1．30 kPa(R_P=13．8 m)。

      (3)塑性区与弹性区的分界处，塑性区解与弹性区解相等。式(8)、(9)、(10)联立可以得出在r=R_P时，Δu=，说明Δu只与土的性质a和C_u有关，前面提到的影响超孔隙水压力的两大因素:P_i和r并不包含在内。这说明在弹性区内，土舱压力影响超孔隙水压力的变化过程，但不影响极值。土舱压力改变的是弹性区和塑性区的范围以及塑性区超孔隙水压力的最大值(仅考虑r≥R₀的情况)。

      (4)实测值变化趋势与解析解一致，但是数值上有差异，这与地面的堆载，降水等等因素有关。

6、结语

      (1)盾构隧道施工对周围孔隙水压力的影响非常敏感，孔压变化随盾构到达前，盾构到达时和盾构通过后分为3个明显的阶段。

      (2)土舱压力大，造成的塑性区范围越大，并且处于塑性区中的超孔隙水压力值也大，反之亦然。

      (3)弹性区内超孔隙水压力的最大值为，与土舱压力无关。

      (4)解析解能够很好的预测盾壳正上方超孔隙水压力的大小及变化，盾构两侧的超孔压变化预测还有待于进一步研究。

      (5)盾构施工过程中，可以根据超孔隙水压力的监测数据及时调整土舱压力，以免形成范围过大的塑性区，产生较高的超孔隙水压力而导致较大沉降。

 

［1］刘建航，侯学渊．盾构法隧道［M］．北京:中国铁道出版社，1991．(Liu Jianhang，Hou Xueyuan．Shield tunneling［M］．Beijing:China Railway Publishing House，1991．(in Chinese))

［2］蒋洪胜，侯学渊．盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(9):1 514-1 520．(Jiang Hongsheng，Hou Xueyuan．The oretical study and analysis of site observation on the influence of shield excavation on soft clays around tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(9):1 514-1 520．(in Chinese))

［3］林志．盾构隧道施工引起的超孔隙水压力规律研究［J］．公路隧道，2007，60(4):46-53．(Lin Zhi．Excess pore pressure caused by shield tunneling［J］．Highway Tunnel，2007，60(4):46-53．(in Chinese))

［4］徐方京，侯学渊，姜英．软土盾构隧道的沉降分析．［A］．中国土木工程学会隧道及地下工程学会第七届年会暨北京西单地铁车站工程学术讨论会论文集(下)［C］．北京，1992．(Xu Fangjing，Hou Xueyuan，Jiang Ying．The analysis of settlement caused by shield tunneling in soft clay．［A］．The papers of 7th Conference on Tunnel and Underground Works Branch of China Civil Engineering Society［C］．Beijing，1992．(in Chinese))

［5］郑宜枫，丁志诚，戴仕敏．超大直径盾构推进引起周围土体变形和土水压力变化分析［J］．地下空间与工程学报，2006，2(8):1 349-1 353．(Zheng Yifeng，Ding Zhicheng，Dai Shimin．An analysis on surrounding ground deformation and ground/Water pressure fluctuations caused by a super large diameter TBM［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006，2(8):1 349-1 353．(in Chinese))

［6］孙统立，张庆贺，胡向东，等．双圆盾构隧道施工土体扰动特性及实测分析［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(增2):5 950-5 955．(Sun Tongli，Zhang Qinghe，Hu Xiangdong，et al．Measurement and analysis of soil disturbance characteristics induced by double-o-tube shield construction［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(Supp．2):5 950-5 955．(in Chinese))

［7］徐永福，陈建山，傅德明．盾构掘进对周围土体力学性质的影响［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(7):1 174-1 179．(Xu Yongfu，Chen Jianshan，Fu Deming．Effect of shield tunneling on mechanical properties of soils［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(7):1 174-1 179．(in Chinese)

［8］R．N．Hwang，D．J．Wu，C．J．Lee．Pore pressure response to shield tunneling in soft clay［A］．South East Asian Symposium on Tunneling and Underground Space Development［C］．Bangkok，Thailand，1995．33-40．

［9］R．N．Hwang，Z．C．Moh，M．Chen．Pore pressure induced in soft ground due to tunneling［A］．Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground［C］．London，UK，1996．695-700．

［10］易宏伟，孙钧．盾构施工对软粘土的扰动机理分析［J］．同济大学学报(自然科学版)，2000，28(3):277-281．(Yi Hongwei，Sun Jun．Mechanism analysis of disturbance caused by shield tunneling on soft clays［J］．Journal of tongji university(natural science)，2000，28(3):277-281．(in Chinese))

［11］唐益群，张曦，王建秀，等．粉性土中土压平衡盾构施工的扰动影响［J］．同济大学学报(自然科学版)，2005，33(8):1 031-1 035．(Tang Yiqun，Zhang Xi，Wang Jianxiu，et al．Earth pressure balance shield tunneling-induced disturbance in silty soil［J］．Journal of tongji university(natural science)，2005，33(08):1 031-1 035．(in Chinese))

［12］Yasuhiko Okada，Hirotaka Ochiai．Coupling pore-water pressure with distinct element method and steady state strengths in numerical triaxial compression tests under undrained conditions［J］．Landslides，2007，4(4):357-369．

［13］Pelin Tohumcuzener，Kutayzaydn，Mehmet M．Berilgen．Investigation of liquefaction and pore water pressure development in layered sands［J］．Bull Earthquake Eng．2009，7(1):199-219．

［14］Skempton A W．The pore pressurc coefficients A andB［J］．Geotechnique，1954，4(4):143－147．

［15］Henkel D J．The shear strength of saturated remoulded clays［A］．Proceedings，Research Conference on Shear Strength of Cohesive Soils［C］．Boulder，Colorado，1960．

［16］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［M］．北京:水利水电出版社，1996．(Qian Jiahuan，Yin Zongze．Principle and calculation of geotechnical［M］．Beijing:Water Conservancy and Electric Power Publishing House，1996．(in Chinese))

［17］徐方京．软土中盾构隧道与深基坑开挖的孔隙水压力与地层移动分析［D］．上海:同济大学，1991．(Xu Fangjing．The analysis of pore water pressure and ground settlement caused by shield tunneling and deep excavation in soft clay［D］．Shanghai:Tongji University，1991．(in Chinese)