第17卷第1期2021年2月
地下空間與工程學(xué)報(bào)
Chine Journal of Underground Space and Engineering
Vol.17
Feb. 2021
上海軟土深埋盾構(gòu)施工引起的土壓時(shí)效規(guī)律分析‘
劉樹佳、白廷輝2,3，廖少明3
(1.上海城培企業(yè)管理咨詢有限公司，上海200232;2.上海市水務(wù)局，上海200050;
3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092)
摘要：針對上海軟土地區(qū)深埋盾構(gòu)開挖所引起的土壓力時(shí)效性發(fā)展規(guī)律，選取4倍直徑埋 深盾構(gòu)，布設(shè)土壓力全斷面長期監(jiān)測點(diǎn)，獲取盾構(gòu)開挖階段及后期固結(jié)蠕變階段的土壓力數(shù) 據(jù)，以得到深部地層的土壓時(shí)效變化規(guī)律。通過現(xiàn)場試驗(yàn)可得，盾構(gòu)開挖所采取的土倉壓力按 照理論靜止土壓力取值時(shí)，刀盤周
圍會(huì)形成半徑為1~1.5￡?的被動(dòng)土拱效應(yīng)作用區(qū)域，土拱范 圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生20%的被動(dòng)土壓力增幅，土拱以外的范圍不受開挖擾動(dòng)影響。盾構(gòu)掘進(jìn)所產(chǎn)生的 被動(dòng)土拱擠壓效應(yīng)在盾尾注漿漿液硬化后開始逐漸衰減，衰減主要作用階段為開挖后1 ~3 年，深層土體衰減后進(jìn)入長期蠕變階段。試驗(yàn)表明，軟土深部地層盾構(gòu)開挖會(huì)產(chǎn)生一定程度的 土拱效應(yīng)，且土拱效應(yīng)在后期固結(jié)蠕變過程中逐步衰減，可為今后軟土深部地層盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì) 及施工的土壓力取值提供一定參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：軟土地層；深埋盾構(gòu)；土拱效應(yīng)；時(shí)效特性；長期監(jiān)測
中圖分類號(hào)：0319.56 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)=1673-0836(2021) 01-0229-08
Field Measurement of Time-dependent Variation of
Earth Pressure Caud by Deep Tunneling in Shanghai Soft Soil
Liu Shujia1,Bai Tinghui"'3,Liao Shaoming1
(1. Shanghai Chengpei Enterpri Management Consulting Co. , Ltd. ,Shanghai 200232, P.R. China;
2.Shanghai Water Authority, Shanghai 200050, P.R. China;
3. Department of Geotechnical Engineering,
Tongji University, Shanghai 200092, P.R. China)
Abstract：Aiming at the time-dependent development law of soil arching effect caud by shield excavation in deep stratum in Shanghai soft soil area, the shield crossing ction with tunnel in buried depth of four times diameter
i s lected to lay the long-term monitoring points for the earth pressure of the whole ction,which can help to obtain
the full-ction earth pressure data of shield excavation stage and consolidation creep stage in deep soft soil stratum.
T h e test results show that w h e n the theoretical static earth pressure is adopted to he shield c h a mber pressure in tunneling process, an ellipsoidal passive 5〇i l arching effect zone with radius of 1?1.5 time diameter will be formed around the shield cutter-head. T h e passive earth pressure will increa by 20% in the range of soil arching action, and the earth pressure outside the soil arching zone will not be affected by excavation disturbance. T he passive soil arching effect produced by shield tunneling in deep soft soil stratum begins to attenuate gradually after the grouts hardening at the t a i l of shield. T h e main stage of attenuation i s 1-3 years after the completion of excavation. Af
ter the soil arching
*收稿日期：2020-05-28(修改稿）
作者簡介：劉樹佳，男，（1986—），山西人，工學(xué)博土，工程師，主要從事軟十地下T.程管理與施工控制研究。
E-mail ：***************
通訊作者：廖少明（1966—），男，湖北天門人，工學(xué)博士，教授，主要從事軟土隧道設(shè)計(jì)優(yōu)化與微擾動(dòng)施X控制研究。
E-mail ：**************
基金項(xiàng)目：國家973計(jì)劃（2015C B057806)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52090082)
230地下空間與工程學(xué)報(bào)第17卷
effect attenuating, soil in deep stratum enters the long creep stage. T h e test results show that shield tunneling in deep soft soil stratum will produce a certain degree of soil arching effect. T h e soil
arching effect will gradually attenuate during the later consolidation creep process, which provides a certain reference for the earth pressure in the design and construction of shield tunnels in deep soft soil.
K e y w o r d s：soft soil;deep shield;soil arching effect;time-dependent characteristics;long-term monitoring
0引言
大型城市市政建設(shè)正在向地下空間方向發(fā)展，而有限的地下空間存在多方開發(fā)的協(xié)調(diào)問題。地 鐵車站、人行通道、房屋基礎(chǔ)、既有管網(wǎng)、商業(yè)街等，均占據(jù)大量的淺層地下空間，故存在空間布局的矛 盾。為實(shí)現(xiàn)地下空間的合理布局，排水系統(tǒng)、電力 隧道、地鐵線路等市政系統(tǒng)管網(wǎng)的建設(shè)正在向深層 地下空間發(fā)展。
在以往淺層地下空間的開發(fā)過程中已積累大 量的施工經(jīng)驗(yàn)，而市政管網(wǎng)隧道向大深度方向發(fā)展 首要解決的問題就是掌握深部地層土壓力分布以 及開挖所引起的土壓力變化時(shí)效規(guī)律，這是隧道設(shè) 計(jì)、施工的前提和基礎(chǔ)。在巖石及硬土地層中，深 部地層壓力計(jì)算往往考慮土拱效應(yīng)，而在上海典型 軟土地層中，深埋盾構(gòu)開挖所引起的土拱效應(yīng)以及 隨時(shí)間變化的規(guī)律尚無定論。
關(guān)于土拱效應(yīng)，Richard [1]進(jìn)行活動(dòng)門試驗(yàn)，研 究土拱效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理、土拱形狀及影響因素。魏 綱等[2]針對隧道開挖工程進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測。M a s h m i o等[3]砂礫石地基中隧道上的土壓力荷載 進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測。房營光等[4]根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和試 驗(yàn)結(jié)果，提出盾構(gòu)法施工的擾動(dòng)機(jī)理。賈海莉 等[5]通過工程實(shí)例對拱腳的存在形式、拱形及拱 體的幾何參數(shù)和微觀特性進(jìn)行了研究。Bezuijen 等[6]對一個(gè)9.5m直徑的隧道進(jìn)行了兩環(huán)的現(xiàn)場 測試研究。劉新榮等[7]分析了隧道在開挖各階段 的應(yīng)力和變形情況，針對隧道中墻受力情況進(jìn)行了 專題研討。加拿大T h Qrpe[8]對兩座隧道進(jìn)行實(shí)測，得到了隧道開挖階段的影響。0^吐沉等[9]，P ardo 等[1Q]均進(jìn)行了 “Trapdoor”試驗(yàn)，研究土拱影響因 素。文獻(xiàn)[11-16]針對復(fù)雜城市環(huán)境雜填土地層隧 道施工控制、土壓力監(jiān)測研究以及軟土盾構(gòu)隧道施 工引起的地層擾動(dòng)、掘進(jìn)參數(shù)分析等進(jìn)行了研究。
以上成果是針對砂石地層及軟土淺部地層的 土壓力研究，關(guān)于軟土深部地層土拱時(shí)空效應(yīng)的實(shí) 測幾乎沒有先例。因此，針對上海軟土地區(qū)盾構(gòu)開挖所產(chǎn)生的土拱效應(yīng)及其時(shí)效性，需進(jìn)行實(shí)測研 究，為理論計(jì)算、模擬分析提供充分的依據(jù)。本文 通過長期現(xiàn)場實(shí)測，對盾構(gòu)掘進(jìn)引起的軟土深部地 層土壓力變化時(shí)效特性進(jìn)行分析，以得到軟土深部 地層土拱發(fā)生發(fā)展全過程時(shí)效規(guī)律。
1工程背景
1.1工程概況
針對上海軟土地區(qū)典型深部地層，本文選取上 海軌道交通12號(hào)線11標(biāo)龍華中路站一大木橋路 站區(qū)間段，隧道尺寸為內(nèi)徑中5 500 m m，外徑 小6 200 m m，所選的監(jiān)測斷面隧道頂埋深約21 m。試驗(yàn)場地位于南洋中學(xué)操場，監(jiān)測斷面布設(shè)在下行 線區(qū)間第725環(huán)，如圖1所示。
土壓力監(jiān)測斷面
圖1土壓力監(jiān)測斷面平面位置圖
Fig. 1Plan of earth pressure monitoring ction
測點(diǎn)埋設(shè)在2013年3月進(jìn)行，埋設(shè)后進(jìn)行穩(wěn) 定性監(jiān)測觀察。在2013年6月下行線盾構(gòu)推進(jìn)至 690環(huán)之前，多次測取各監(jiān)測項(xiàng)目測點(diǎn)初始值，直 至穩(wěn)定后作為動(dòng)態(tài)觀測的初始測值，以確保初始值 準(zhǔn)確。
1.2工程地質(zhì)
龍華中路站一大木橋路站區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)主要 涉及第@，層、第④2層、第⑤層、第⑤,_2層、第 ⑤3_，層。龍華中路站一大木橋路站區(qū)間725環(huán)監(jiān) 測斷面地層特性表如表1
所示。
2021年第1期劉樹佳，等；上海軟土深埋盾構(gòu)施工引起的土壓時(shí)效規(guī)律分析231
表1龍華中路站-大木橋橋路站區(qū)間地層特性表
Table 1Stratigraphic characteristic of Longhua Zhonglu Station-Damuqiaoqiaolu Station ction
層序土層名稱
層底
標(biāo)高/m
靜探P s值
/M P a
土體重度7
/(k N ? m-3)
壓縮模量
E/M?a
固結(jié)快剪指標(biāo)承載力設(shè)計(jì)值承載力特征值
c/kPa/d/k P a A/k P a
①雜填土 1.2
②灰色粘質(zhì)粉土 3.1 2.12618.6 5.28329.811088
③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土8.20.45217.6 2.561215.37056
④，淤泥質(zhì)粘土14.50.5216.6 3.311211.57055
④：砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土16.9218.2 5.12629.511090
⑤丨粘土26.50.8517.7 3.7616159575⑤1-2粉質(zhì)粘土29.2 1.0717.8 3.961518.510080
⑤3-丨粉質(zhì)粘土38.9 1.4918 3.141322.511090
1.3測點(diǎn)布置方案
12號(hào)線11標(biāo)龍華中路站一大木橋路站盾構(gòu)
區(qū)間在下行線725環(huán)監(jiān)測斷平面布置土壓力盒6
只，監(jiān)測斷面布置如圖2所示。
圖2 土壓力埋設(shè)位置圖（單位:nim)
Fig. 2 Diagram of earth pressure gauge layout (unit ：m m)為保證測試的效果，使土壓力盒的壓力膜與原 狀土密貼，豎直向土壓力計(jì)擬采用1個(gè)鉆孔埋設(shè)1個(gè)土壓力計(jì)的方式。土壓力盒采用鉆孔方式埋設(shè)，土壓計(jì)固定在鉆桿上放置到預(yù)定位置，并保證監(jiān)測 方向正確無誤后用泥球?qū)⒖谆靥蠲軐?shí)，并做好封孔 及引線工作，埋設(shè)過程如圖3所示。
土壓力監(jiān)測頻率為：在盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭到達(dá)15 m 之外范圍，監(jiān)測頻率為1次/d；在刀盤靠近監(jiān)測斷 面10環(huán)和穿越后10環(huán)范圍內(nèi)，監(jiān)測頻率為1次/ 環(huán)；在盾構(gòu)穿越后10環(huán)范圍外，監(jiān)測頻率為每5環(huán)
圖3 土壓力布設(shè)試驗(yàn)圖
Fig. 3 Test chart of earth pressure gauge layout
1次；在盾構(gòu)穿越100 m后范圍外，沉降監(jiān)測頻率 為3月1次；穿越過斷面半年后，監(jiān)測頻率為1次/ 年。截至目前，數(shù)據(jù)記錄時(shí)長已達(dá)4年。
1.4盾構(gòu)參數(shù)取值
圖4、5所示為盾構(gòu)記錄的土倉壓力、掘進(jìn)速度 數(shù)據(jù)。如圖，盾構(gòu)刀盤距離監(jiān)測725環(huán)斷面前方 15環(huán)范圍內(nèi)，開挖所采用的土倉壓力值為0.23~ 0.25 M P a，基本在理論靜止土壓力值（0.245 M P a)的范圍，盾構(gòu)土倉壓力取值的原則為盡量接近理 論靜止土壓力值，掘進(jìn)速度保持穩(wěn)定，以實(shí)現(xiàn)微 擾動(dòng)控制。
盾構(gòu)刀盤開口率為55%，注漿漿液為傳統(tǒng)惰 性漿液，根據(jù)該盾構(gòu)盾尾尺寸間隙計(jì)算，單環(huán)推進(jìn) 所產(chǎn)生的空隙體積為2.4 m3，該試驗(yàn)環(huán)對應(yīng)的實(shí)際 注漿量為5.4 m\注人率為220%，充分填充了盾尾 空隙。725環(huán)的施工參數(shù)系統(tǒng)數(shù)值，如表2
所示。
232
地下空間與工程學(xué)報(bào)
第17卷
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
豎向土壓力變化比例/V 7辦，#=21 m
圖6
盾構(gòu)刀盤前725環(huán)監(jiān)測斷面全斷面土壓力實(shí)測值
Fig. 6 Measured earth pressure of 725 ring
monitoring ction before shield closing
由圖6可得，盾構(gòu)采用理論靜止土壓力值作為 土倉壓力時(shí)，在深部地層開挖對周圍土體產(chǎn)生了較 為明顯的被動(dòng)擠壓作用，說明在本工程的軟土深部 地層中實(shí)際初始土壓力呈非線性分布，較理論線性 土壓值有所減小。
通過圖7可得盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隧道周圍土體 壓力并非線性增長?？拷乇淼腡 Y 3-T Y 5三個(gè)測 點(diǎn)處土壓力在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中基本維持初始值，而 隧道正上方的和下方測點(diǎn)處的土壓力隨著盾構(gòu)掘進(jìn) 變化。當(dāng)?shù)侗P距離監(jiān)測斷面2環(huán)以外位置時(shí)，土拱 擾動(dòng)空間為隧道周圍1D (Z ) = 6.2 m ，為隧道直徑）范 圍，當(dāng)?shù)侗P距離監(jiān)測斷面1環(huán)時(shí)，深埋盾構(gòu)掘進(jìn)所產(chǎn) 生的被動(dòng)土拱擾動(dòng)影響擴(kuò)大至1.5￡?范圍。
-土倉壓力實(shí)測值
-土倉壓力實(shí)均值
二 , '? !
/ <
^ ；
^ ; L
;i \';'
?：~：
4
f :1 \ 1’:,
-
!
1
：：
—V
V
V J
盾構(gòu)靠近
’盾構(gòu)穿越
，盾尾 ^脫出
1
■ 1
1
15 -10
-5 0 5 10
刀盤距離監(jiān)測斷面環(huán)數(shù)圖4
盾構(gòu)土倉壓力取值
4 C h a m b e r pressure value of shield +掘進(jìn)速度實(shí)測值 一-掘進(jìn)速度均值
盾構(gòu)靠近
屑構(gòu)穿越雇尾脫出
"■----- , ,
^
-----T —r
15 -10 5 0 5 10
刀盤距離監(jiān)測斷面環(huán)數(shù)
圖5
盾構(gòu)掘進(jìn)速度取值
Fig. 5 Tunneling velocity value of shield
表2盾構(gòu)施工參數(shù)表
Table 2 Shield construction parameters
盾構(gòu)參數(shù)
數(shù)值刀盤力矩/k N ? m 832
刀盤轉(zhuǎn)速/m h T 10.78
土砂房間土壓（上）/k P a 124土砂房間土壓（下）/k P a 245土砂房間土壓（左）/k P a 220土砂房間土壓（右）/k P a 222千斤頂速度/( m m ? m i n _1 )18螺旋機(jī)自動(dòng)設(shè)定土壓/k P a 250螺旋機(jī)自動(dòng)選擇土壓/k P a
253螺旋機(jī)出土量/%100盾構(gòu)機(jī)出土量/%100加泥/注水壓力/M P a 0.2油脂密封壓力（內(nèi)周）/M P a
0.01
續(xù)表2
盾構(gòu)參數(shù)
數(shù)值
油脂密封壓力（外周)/M P a
0.10尾巴油脂壓力/M P a 0.4注漿壓力/M P a 0.60注漿流量/(I . m i r f 1)
52注漿量/x 101
538
2深部土壓全過程變化實(shí)測規(guī)律
2.1盾構(gòu)刀盤靠近過程中的深部土壓變化規(guī)律將監(jiān)測斷面測點(diǎn)數(shù)據(jù)連成曲線，得到725環(huán)斷
面的豎直土壓力。在盾構(gòu)刀盤靠近監(jiān)測斷面過程 中，土壓力變化比例如圖6所示。
〇I
刀盤推進(jìn)過程產(chǎn)生的土壓力變化值
-7?-6環(huán)=\ -65環(huán) _5 .
X .
U U 1U -環(huán) M 3環(huán)
\
刀盤距離725環(huán)不同環(huán)數(shù)土壓力
環(huán)環(huán)環(huán)
-6
-4-3
5
1
1
2I
I I
s s m
i g -F -
6
5
4
3
2 1
2
2
2
2
2
2
0.0.0.0.0.0.
5 0 5 0 5
5
5 5 4 4 3 3 2-.s
u l ? s s /椏鏈趙銦銀嗶釤磡迓迴
2
2021年第1期
劉樹佳，等：上海軟土深埋盾構(gòu)施工引起的土壓時(shí)效規(guī)律分析
233
0.0 0.2 0.4
0.6 0.8
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
豎向土壓力變化比例Pv /y //，//=21m
圖7
盾構(gòu)刀盤到達(dá)725環(huán)監(jiān)測面全斷面土壓力實(shí)測值
Fig. 7 Measured earth pressure of 725 ring
monitoring ction w h e n shield closing
在軟土深部地層中，土體在盾構(gòu)擾動(dòng)作用下會(huì)
發(fā)生相對位移，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)會(huì)進(jìn)行重新調(diào)整，自 動(dòng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。土倉壓力所產(chǎn)生的被動(dòng)擠 壓作用，使得深部地層土體擠密，將刀盤的作用力 傳遞到周圍被動(dòng)擠密區(qū)，形成被動(dòng)土拱效應(yīng)作用 區(qū)，從而阻止擠壓作用向土拱以外的范圍擴(kuò)散，因 此被動(dòng)土拱效應(yīng)以內(nèi)的深層軟土壓力發(fā)生較大變 化，而淺部地層軟土并未產(chǎn)生擾動(dòng)。
本試驗(yàn)中軟土深部地層盾構(gòu)掘進(jìn)土倉壓力按 照理論靜止土壓力取值時(shí)，會(huì)使得土拱范圍內(nèi)產(chǎn)生 20%的被動(dòng)土壓力增幅，土壓變化空間為隧道周圍 1.5D 的被動(dòng)土拱范圍。
2.2盾構(gòu)殼體穿越過程中的深部土壓變化規(guī)律
當(dāng)盾構(gòu)穿越監(jiān)測斷面時(shí)，上方土體所受作用力 由之前的被擠壓、切削等作用，轉(zhuǎn)換為由盾構(gòu)機(jī)殼 產(chǎn)生的摩擦力作用。該過程對應(yīng)的盾構(gòu)共有5環(huán), 為725~730環(huán)，對應(yīng)的土壓力監(jiān)測值如圖8所示。
通過圖8可以得出盾構(gòu)殼體穿越監(jiān)測斷面的 整個(gè)過程中，土體壓力的變化趨勢并不大，基本維 持原有的土拱擾動(dòng)范圍?？拷乇淼?個(gè)測點(diǎn)處 土壓力完全維持原有大小，而隧道正上方的和正下 方測點(diǎn)處的土壓力隨著盾殼的穿越產(chǎn)生微小波動(dòng)。
盾構(gòu)殼體穿越過程中，之前刀盤開挖擠密所形 成的被動(dòng)土拱效應(yīng)維持，深部地層土壓力拱的形成 改變了盾構(gòu)殼體對土體作用傳遞模式，盾構(gòu)周圍土 體擠密區(qū)發(fā)揮良好的受壓性能，承擔(dān)盾構(gòu)殼體穿越 以及盾尾脫出過程中所產(chǎn)生的被動(dòng)擠壓作用。因 此，盾構(gòu)殼體產(chǎn)生摩擦力的影響范圍只集中在盾構(gòu)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
豎向土壓力變化比例P ,/ 7//,
m
圖8盾構(gòu)穿越725環(huán)監(jiān)測斷面全斷面土壓力實(shí)測值
Fig. 8 Measured earth pressure of 725 ring monitoring ction w h e n shield crossing
上方1.5倍Z )的土拱擾動(dòng)范
圍內(nèi)。
且在被動(dòng)土拱
擾動(dòng)范圍內(nèi)，盾構(gòu)殼體摩阻力對土拱范圍內(nèi)的土壓 力的擾動(dòng)并不大，所產(chǎn)生的土壓力變化值增加幅度 較小。
盾尾注漿之后的過程對應(yīng)的5?10環(huán)數(shù)據(jù)，注 漿及漿液硬化過程的土壓力變化如圖9所示，被動(dòng) 土拱范圍內(nèi)土壓力的變化微小，基本維持穩(wěn)定。盾 構(gòu)注漿過程以及后期漿液硬化過程中的土拱效應(yīng) 變化規(guī)律，主要取決于注漿量對盾尾空隙的填充 率。不同注槳量會(huì)使得土拱范圍內(nèi)土體產(chǎn)生不同 的主被動(dòng)位移，從而影響土拱范圍內(nèi)的壓力變化。 根據(jù)工程記錄數(shù)據(jù),725環(huán)注漿量為6 m \可完全 填充盾尾脫出所產(chǎn)生的空隙。
圖9盾尾注漿時(shí)725環(huán)監(jiān)測斷面全斷面土壓力實(shí)測值
Fig. 9 Measured earth pressure of 725 ring monitoring
ction w h e n grouting at the tail of the shield
5
112I I
_
s /—5 o
2
3
