某海底盾構隧道結構外荷載的現場測試研究

屈興兵

中鐵隧道勘測設計院有限公司 天津 300130

摘要：結合某海底盾構隧道施工實例，通過對盾構管片周圍水土壓力進行現場測試，掌握水土壓力的大小及其分布規律，可為類似工程的設計、施工提供借鑒。

關鍵詞：盾構隧道；管片；監測；水土壓力

1 工程概況

1.1 工程設計概況

某核電站的冷卻水需要從電站南側的島嶼取得，故設計了1號、2號兩條取水隧道，通過取水隧道將潔凈的海水引入核電站，解決核電站的循環冷卻用水。1號、2號取水隧道為兩條平行直線，隧道最大埋深約55.75m。部分巖石段采用鉆爆法施工，其余段落采用盾構法施工。盾構隧道內徑φ7.3m，外徑φ8.7m，采用盾構管片和二次襯砌復合支護結構，其中盾構管片厚度0.4m，作為隧道的主體結構，二次襯砌厚度0.3m。隧道結構的安全等級為1級，設計使用年限100年，結構設計在滿足強度和剛度的前提下，還同時滿足防水、防腐蝕等要求。

1.2 地形地貌及工程地質情況

該引水隧道主要位于海域，近岸處多為基巖出露（島嶼）及人工堆積塊石（陸地側），離岸較遠部位，屬于濱海地貌，地形高程一般為-2.0m～-4.5m之間，水深在0.8m～4.8m之間，由西北向東南逐漸變深，在東南靠近島嶼和近岸處變淺。

工程區在大地構造上位于華南褶皺系（I級），粵東北—粵中坳陷帶（II級），永梅—惠陽坳陷帶（III級）北部。地質構造總體上以北東向構造為主，次為北西向構造，此外還有零星出露的東西向及南北向構造，它們相互切割、復合，構成了本區構造的基本格架。主要的構造形跡包括褶皺及斷裂等。

1.3 管片設計及相關參數

1、2號取水隧道管片鋼筋混凝土采用C50高性能混凝土，抗滲等級為S12，外徑8700mm，內徑7900mm，管片厚400mm，寬度1500mm，根據隧道埋深不同，分淺埋、中埋、深埋段等進行管片配筋。

2 盾構管片水土壓力的現場監測與分析

盾構隧道襯砌管片設計理論的關鍵在于模型本身是否能反映工程的實際情況，能否正確地反映盾構管片與周圍土體的相互作用。管片外荷載的大小和分布情況與隧道埋深、埋設地層的水文地質情況、施工方法、管片本身的剛度等有密切的關系。對于如此復雜的影響因素，簡單的采用某一計算理論很難真實反映工程實際，因此，本項目通過現場監測的方法，利用土壓力盒、孔隙水壓力計等監測傳感器直接監測作用在盾構隧道管片上的水土壓力，對管片承受的水土壓力的大小及其分布規律進行研究。

2.1監測斷面的選擇

本隧道監測主要目的是研究盾構管片周圍水土壓力大小及其分布規律，選擇適合于該地層隧道襯砌結構受力計算模型，確保隧道主體結構的可靠度及安全性，因此監測斷面應盡可能選擇在覆土厚度、土層性質不同的地段。

1、2號取水隧道洞身主要通過粘土地層，局部為Ⅱ、Ⅲ級圍巖。IV、V級及部分Ⅲ級圍巖穩定性較差，而大部分Ⅲ級及Ⅱ級土層圍巖自穩性一般較好，故監測斷面擬在IV、V級圍巖中選擇。同時考慮到水壓、埋深等對圍巖壓力的影響，據此選取2號洞429、845環管片處，1號洞1690環管片處。

2.2 監測斷面的地質條件

監測斷面Ⅰ位于2號隧洞管片429環，隧道頂板埋深14.8m，底板埋深23.5m，海水位深度約為2.21m。隧道全斷面主要位于可塑～硬塑的⑨粘土層中，屬IV級圍巖。

監測斷面Ⅱ位于2號隧洞管片845環，隧道頂板埋深22.2m，底板埋深30.9m，海水位深度約為2.74m。隧道全斷面主要位于可塑～硬塑的粘土⑤層中，屬IV級圍巖。

監測斷面Ⅲ位于1號隧洞管片1690環，隧道頂板埋深25.52m，底板埋深34.22m，海水位深度約為3.34m。隧道全斷面主要位于可塑～硬塑的粘土⑧層中，屬IV級圍巖。

所選3個監測斷面地層基本相同，從上到下依次為：暗黃色、飽和、流塑的淤泥土層②，灰色、飽和、流塑的淤泥③，灰黃、黃～黃褐色、飽和、松散～稍密的礫砂④-1，灰色，飽和，流塑～軟可塑的淤泥質粘土④，灰色、灰黃色、灰白色，稍密～中密的粗礫砂⑥，灰色、灰黃色、可塑～硬塑的粘土⑦～⑨。

各層巖土的力學參數值見表1。

表1 巖土層主要物理參數統計表

層號 名稱 密度

（g/cm3） 飽和重度 黏聚力

（kPa） 摩擦角

（°） 標慣試驗

錘擊數N

濕 干

② 淤泥 1.56 0.89 15.64 4 5.5 1

③ 淤泥 1.53 0.85 15.27 4.5 5.1 2

④ 淤泥質粘土 1.72 1.17 17.32 11 8.5 5

④-1 礫砂 2.05 1.79 21 — 29 9

④-2 粉砂混粉質粘土 2.00 1.64 20.18 12 20 7

⑤ 粘土 1.88 1.41 19.6 19 8.5 13

⑤-1 粗礫砂 2.07 1.80 21.7 — 29 11

⑥ 粗礫砂 2.07 1.82 21 — 30 18

⑦ 粘土 1.85 1.37 22 20 11.5 12

⑧ 粘土 1.95 1.53 22.2 22.5 7.0 15.2

⑨ 粘土 1.82 1.32 22.6 17.0 5.6 15.2

2.3監測點的布置及測試方法

2.3.1監測點的布置

為了研究管片外荷載分布情況，應盡可能多地沿管片外側布置監測傳感器。但埋設太多的傳感器會削弱管片本體的強度，同時也會增加監測工作量和監測成本，故傳感器也不宜太多。本工程盾構隧道管片是由“4個標準塊+2個鄰接塊+1個K塊”組成，根據管片組合形式，在隧道埋設了7處土壓力盒和孔隙水壓力計等監測傳感器，其具體的埋設部位見圖1。

圖1 監測點布置斷面圖

2.3.2 測試方法

本次使用的傳感器均為振弦式，測試數據使用JTM-V10B頻率讀數儀，數據采用手動采集。將傳感器的兩根引出線與頻率讀數儀的兩根引出線分別相連，讀出傳感器鋼弦的振動頻率，根據預先標定好的頻率—應力曲線即可推算出傳感器的受力情況。

2.4 測試結果及分析

2.4.1水壓力監測結果及分析

從水壓力的斷面分布圖2可以看出，盾構管片水壓力隨隧道埋深增加而增大，水壓力總體上呈現頂部低，下部高的規律，這與隧道區域滲流場的分布規律一致，隧道管片上的外水壓力接近或等于靜水壓力。但由于隧道周邊圍巖土層滲透性差異，使得水壓力的分布又具有一定隨機性。

（a）429環水壓力分布圖；（b）845環水壓力分布圖；

（c）1690環水壓力分布圖

圖2 水壓力分布圖（單位：MPa）