海域低渗透性土层盾构隧道外荷载特征

(1.珠海大横琴股份有限公司，广东 珠海　519031；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都　610031； 3.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；4.上海隧道工程有限公司，上海　200032)

摘　要　选取珠海横琴马骝洲西线隧道WK2+600断面为监测断面，对潮汐作用下盾构管片结构上的外荷载进行跟踪测试。测试结果表明：当隧道埋深大于波浪作用下超孔隙水压力的影响深度时，孔隙水压力不受波浪周期的影响，潮汐荷载通过静水压力的形式作用于衬砌结构上；隧道贯通后的水压力低于理论静水压力；对于修建在低渗透性地层中的水下隧道，若外水压力取全水头则结构设计偏向于安全。围岩压力的变化与水位的变化密切相关，并且受波浪周期的影响；隧道外荷载通过土压力波动的形式响应波浪荷载。

关键词　公路隧道；外荷载特征；现场试验；盾构隧道；低渗透性土层

修建在海域地区的水下盾构隧道经常会受到潮汐的影响。水下隧道作为一种地下通道，土层性质对衬砌结构的受力影响较大。当隧道穿越低渗透性土层时，衬砌结构受力情况尤为复杂。

多年来，国内外众多学者对于潮汐荷载作用下隧道结构动力响应进行了广泛而深入的研究。张二林等[1]通过有限元分析结合实测数据，得到潮汐水位变化对饱和软黏土内孔隙水压力影响明显。于洪丹等[2]根据监测数据，采用有限元方法模拟分析应力渗流耦合作用下隧道潮汐荷载对隧道衬砌和围岩稳定性的影响，得出在潮汐荷载作用下围岩位移和水位呈正相关。王春梅[3]建立低渗透性浅埋铁路隧道围岩渗流模型，得到稳定渗流的基本微分方程。高健[4]通过有限元软件FLAC 3D建立三维渗流分析模型，求解出稳态地下水条件下隧道掘进面周围的孔隙水压力和总水头分布。蔡臣等[5]通过Visual Modflow软件建立了隧道局部典型区域渗流场模型，得到了隧道周围渗流场，获得了最大渗流流速及压力水头。SCHOTTE等[6]将数值模拟计算与多年现场实测数据相结合，得出了潮汐作用下不透水黏土层铁路隧道外荷载动力响应方式。段峰虎、张君禄等[7-8]结合现场环境条件进行跟踪测试，监测到管片外部的水压力、土压力，对隧道外荷载进行了定性分析。林存刚[9]通过现场监测数据，分析了水下盾构隧道围岩压力与水位的相关性。刘庭金等[10-11]采用荷载-结构模式分析了水位下降对隧道结构受力的影响。

以上研究偏重于潮汐作用下隧道结构的动力特性，而往往忽略了波浪作用对隧道结构的影响。本文通过理论公式推导出波浪作用下超孔隙水压力的影响深度，并通过现场实测数据进行验证，进而分析潮汐作用下隧道外荷载动力响应规律，为低渗透性地层条件下盾构隧道管片结构设计时外荷载的取值提供参考。

1　断面选取及元件埋设

1.1　测试断面选取

珠海横琴马骝洲西线隧道WK2+407—WK2+840段为江中盾构段。隧道最小埋深为12.2 m，隧道上覆淤泥土层渗透系数为4×10-7 cm/s，属于低渗透性土层。地质剖面见图1。选取隧道WK2+600断面作为监测断面，进行盾构隧道穿越低渗透性土层时管片结构的外荷载测试。

图1　地质剖面

马骝洲隧道位于珠江河口，潮汐类型属于不正规半日潮，每一太阴日内发生2次高潮和2次低潮。珠江河口属弱潮型河口，潮差较小，一般为1 m左右，潮差的年际变化也不大。全年各月平均波高为1.01～1.32 m，平均周期为5.15～5.70 s。

1.2　土压力盒及孔隙水压力计的布设

为了探明在水位变化过程中作用于管片结构外侧的土压力、水压力及其变化规律，在管片结构中安置土压力盒5个，标准块(S1，S3，S4，S7)和封顶块(S10)各1个。水压力计安置3个，邻接块(S8，S9)和标准块(S3)外侧各1个。土压力盒采用YT-200A型振弦式高精度双膜土压力计，适用于长期测量建筑基础所受土体的压应力。水压力计采用YT-300A标准型钢弦式渗压计，用以测量流体压力。管片分块情况和土压力盒、水压力计布设位置如图2所示。

图2　管片分块情况和土压力盒、水压力计布设位置

土压力盒埋设时，为确保土压力盒迎土面与管片边缘尽量齐平，先在土压力盒埋设点处焊接2节钢筋垫高，然后将土压力盒固定在垫高的钢筋上。为了降低浇筑时混凝土及振动棒对土压力盒的影响，在土压力盒外侧垫半条毛巾(如图3(a)所示)，毛巾可起到缓冲及标识的作用。

图3　土压力盒、水压力计现场布设

水压力计安装前应对外部渗水石进行保护，保证在管片脱环后不被水泥砂浆封堵，充分发挥渗透作用以感应水压力。为防止在长期监测过程中，泥沙对水压力计造成堵塞以及运输拼装过程中水压力计受到磕碰。埋设前在水压力计测水压的端部用医用纱布多层缠绕，外侧再用毛巾包裹，之后将水压力计放在方形金属饭盒内密封埋设在钢筋笼外侧，并确保金属饭盒外侧距离管片混凝土边缘不超过1 cm。管片浇筑好后，找出装有水压力计的饭盒，并在饭盒外侧开孔使管片外侧的水能渗进去。水压力计布设见图3(b)。

2　测试结果分析

2.1　波高变化时孔隙水压力的影响深度

隧址区海洋潮汐作用的周期较长，且潮差很小，水位变化极为缓慢，因此可以不考虑潮汐作用的动力特性。波浪的周期远小于潮汐作用的周期，因此在潮汐与波浪共同作用下，隧道外荷载动力响应可以认为是由波浪波动作用引起的。隧道外荷载的响应情况与隧道的埋深H和波浪作用下土层超孔隙水压力的影响深度h(如图4所示)有关。

图4　波浪作用下土层超孔隙水压力的影响深度

当H>h时，衬砌结构所受的水压力不受波浪作用的影响，隧道外荷载通过土压力波动的形式响应波浪动荷载。当Hh时，衬砌结构所受的水压力会受到波浪作用的影响，如图5所示。其中：p0为静水压力，Δps为土压力增量，Δpw为水压力增量。

图5　低渗透性土层水土压力响应

根据达西方程和连续性方程，得到了一个波浪周期饱和软土层孔隙水压力变化的微分方程。即

(1)

式中：u为孔隙水压力;z为海床以下的深度;ρw为水的密度;g为重力加速度9.81 m/s2;k为土壤的渗透系数;Eoed为土层的侧压缩模量;t为时间。

根据边界条件可求得

(2)

u0=ρwgΔhw

(3)

(4)

式中：A为波浪的振幅;T为波浪的周期，取5.5 s；Δhw为平均波高，取1.2 m。波谷和波峰之间水位上升时间间隔t对应波浪1/2周期，因此取t=T/2。取x=0用以研究水位变化时海床正下方孔隙水压力变化。压力变化值用比率u/u0表示。u0为土层顶部的孔隙水压力变化值。由式(2)和式(3)可得到无量纲压力比变化的包络，用exp(-Az)表示。

波浪作用下超孔隙水压力的影响深度见图6。可知，T=5.5 s时仅影响淤泥土层上部6 m处的孔隙水压力。隧道监测断面埋深为12.2 m，故隧道外围的孔隙水压力不受波浪荷载的影响。

图6　波浪作用下超孔隙水压力的影响深度

图7　拱底水压力与水位时程曲线

2.2　外荷载

2.2.1　水压力

拱底水压力与水位时程曲线见图7。可知：作用在衬砌结构上的水压力与水位的变化密切相关；水压力的变化周期同水位一致，不受波浪周期的影响；水压力随着水位的增加而增大，说明作用在衬砌结构上的水压力为静水状态下的水压力，且不受波浪周期的影响，也证明在该地层条件下波浪作用对超孔隙水压力的影响深度小于隧道埋深。

水压力传递系数可定义为一个周期内高潮与低潮对应的实测水压力差值ΔP与理论水压力变化值ΔH的比值，能够反应土层对水位变化的敏感程度。

实测水压力与理论水压力对比见表1。可知：实测水压力变化值ΔP总是小于理论水压力变化值ΔH，水压力传递系数表现出从上到下逐渐递减的趋势。作用在衬砌结构上的孔隙水压力P2从上到下逐渐增大，这与隧址区渗流场的分布规律相一致；实测水压力较理论水压力要小，因此不考虑水压力折减对衬砌结构进行设计更偏于安全。

表1　实测水压力与理论水压力对比

部位及管片编号水压力值/kPa水压力变化值理论水压力P1实测水压力P2理论水压力变化值ΔH/kPa实测水压力变化值ΔP/kPa水压力传递系数α拱顶S3185184173168097右拱腰S9260258173156090拱底S8330296173148086

2.2.2　隧道围岩压力

拱顶围岩压力与水位时程曲线见图8。可知：拱顶围岩压力与水位的变化密切相关，并且随着水位的增加而增大，且受波浪周期的影响。围岩压力随水位围绕某一数值上下波动，说明在潮汐静荷载作用下，土压力的波动是由波浪波动引起的水位变化所致。因波浪作用下淤泥土层超孔隙水压力的影响深度仅为6 m 左右，因此大于该深度的土层通过土压力波动的形式响应海床面水压力的变化。

图8　拱顶围岩压力与水位时程曲线

围岩压力传递系数α′计算结果见表2。可以看出，实测围岩压力变化值ΔF总是近似等于理论水压力变化值ΔH。

表2　围岩压力传递系数计算结果

部位及管片编号理论水压力变化值ΔH/kPa实测围岩压力变化值ΔF/kPa传递系数α′=ΔF/ΔH拱顶S31731690971左拱肩S11731580913右拱脚S101731620946

3　结论

1)对于修建在海域环境下的水下隧道，当波浪作用下超孔隙水压力的影响深度小于隧道埋深时，孔隙水压力不受波浪周期的影响；隧道外荷载通过土压力波动的形式响应波浪荷载。

2)水压力与水位的变化呈正相关，且不受波浪周期的影响；实测水压力变化值总是小于理论水压力变化值。

3)对于修建在低渗透性地层中的水下隧道，外水压力取全水头，结构设计偏于安全。

4)围岩压力的变化与水位的变化密切相关，并且受波浪周期的影响。

参考文献

[1]张二林，张玉亭，黄玉龙.潮汐作用下饱和软黏土地基孔隙水压力变化规律研究[J].水道港口，2012，33(3):231-235.

[2]于洪丹，陈卫忠，郭小红，等.潮汐对跨海峡隧道衬砌稳定性影响研究[J].岩石力学与工程学报，2009，30(5):2905-2914.

[3]王春梅.低渗透性地层浅埋隧道防排水控制措施研究[J].铁道标准设计，2012，56(12):81-84.

[4]高健.考虑渗流的盾构隧道掘进面失稳分析[D].天津：天津大学,2010.

[5]蔡臣,黄涛,贺玉龙.广深港客运专线下穿珠江狮子洋隧道渗流场数值研究[J].铁道建筑,2013,53(6):68-70.

[6]SCHOTTE K，NAGY W，NUTTENS T，et al.Impact of Tidal Level Fluctuations on the Structural Behaviour of a Segmental Tunnel Lining[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2017，64:184-208.

[7]段峰虎,史清华,樊福发.湛江湾跨海深水盾构隧道外荷载监测试验研究[J].广东水利水电,2014(3):1-5.

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[9]林存刚.盾构掘进地面隆陷及潮汐作用下江底盾构隧道性状研究[D].杭州：浙江大学,2014.

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[11]戴李春,齐俊,张宁宁,等.水压力作用下公路隧道衬砌受力特性研究[J].铁道建筑,2015，55(12):77-79.

External Load Feature of Shield Tunnel in Low Permeability Soil Layer of Sea Area

XIAO Shihui1，LI Zhuolin2,3，LIU Dagang2,3,CAO Jinwen1,HE Ren4

(1.Zhuhai Dahengqin Co. Ltd.，Zhuhai Guangdong 519031,China;2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University， Chengdu Sichuan 610031,China;3.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education， Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031,China;4.Shanghai Tunnel Engineering Co. Ltd.，Shanghai 200032,China)

Abstract　The WK2+600 cross-section of the west route tunnel in Maluzhou Island of Zhuhai Hengqin was selected as the monitoring section，and tracking and testing of the external load on the shield segment structure under the action of tide was carried out.The test results show that the pore water pressure is not affected by the wave period and the tidal load acts on the lining structure in the form of hydrostatic pressure when the tunnel depth is greater than the inf luence depth of ultra pore water pressure under the wave action.The water pressure is lower than theoretical hydrostatic pressure after tunnel penetration，and the structural design is biased toward safety if the external water pressure takes full head for the underwater tunnels built in low permeability formation.The change of surrounding rock pressure is closely related to the change of water level and is inf luenced by the wave period.The external load of the tunnel responds to the wave load in the form of soil pressure f luctuation.

Key words　Highway tunnel;External load feature;Field test;Shield tunnel;Low permeability soil layer