王曉強，屈興兵

（1.洛陽理工學院土木工程學院，河南洛陽4710232；2.中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津300133）

巖土工程中，所謂反分析法，是以現(xiàn)場量測到的某些物理信息量(如位移、應變、應力或荷載等)為基礎(chǔ)，通過反演模型(系統(tǒng)的物理模型及其數(shù)學描述，如應力與應變關(guān)系式等)推算得到該系統(tǒng)的各項或某些初始參數(shù)(如初始地應力、本構(gòu)模型參數(shù)等)的方法。其目的是建立接近現(xiàn)場實測結(jié)果的理論預測模型，能較正確地反映或預測巖土結(jié)構(gòu)的某些力學行為。

在正分析中，已知作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，可以方便地計算出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并可以繪制出結(jié)構(gòu)的荷載—內(nèi)力關(guān)系曲線，很直觀地反映出結(jié)構(gòu)的荷載響應?；谶@一點，若是量測得到了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，可以通過荷載內(nèi)力計算理論，得出相應的荷載值。

1 工程概況

我國東南沿海某核電站1號、2號取水隧洞平面軸線為2條平行直線，隧洞最大埋深約55.75m。隧洞主要采用盾構(gòu)法施工。隧洞內(nèi)徑7.3m，外徑8.7m，采用盾構(gòu)管片和二次襯砌復合支護結(jié)構(gòu)。其中盾構(gòu)管片厚度0.4m，作為隧洞的主體結(jié)構(gòu)，二次襯砌厚度0.3m。盾構(gòu)隧洞采用一臺泥水平衡式盾構(gòu)掘進。

隧道全斷面主要位于可塑—硬塑的粘土層中，屬Ⅳ類圍巖。

2 襯砌荷載反分析確定

2.1 荷載的種類

盾構(gòu)隧道的襯砌結(jié)構(gòu)不僅要保證運營階段安全，而且要確保施工過程的安全。對于襯砌結(jié)構(gòu)計算理論，特別是荷載—結(jié)構(gòu)法，需要確定所有荷載種類，根據(jù)隧道的不同工作狀況，進行荷載不利組合，計算截面內(nèi)力。

根據(jù)施工期和運營期的受力狀況不同，將襯砌的受力過程分成不同的工況分析。本文中襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計受力主要依據(jù)施工期工況，即：外管片施工期管片自重、施工期荷載及全部水土壓力由外管片環(huán)單獨承擔。

作用在該隧道結(jié)構(gòu)主要的荷載為：垂直和側(cè)向的土壓力和水壓力。因此，準確地計算出隧道結(jié)構(gòu)的土壓和水壓是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵步驟。

2.2 土壓力荷載計算

在盾構(gòu)隧道管片設(shè)計中巖土壓力的計算方法存在較多不同看法，比如水土分算和水土合算的選擇、豎向土壓力選擇松弛土壓力和全覆土重、水平土壓力選擇靜止土壓力和朗肯主動土壓力等問題，這些問題都說明盾構(gòu)管片土壓力的研究還有待深入。

土壓力的影響因素較多，它不僅與地層的物理力學性質(zhì)、襯砌的剛度有關(guān)，而且與施工工藝、隧道的埋深、直徑、形狀等幾何參數(shù)有關(guān)。除此之外，還與盾構(gòu)施工方法密切相關(guān)。附在管片表面的土壓力計容易受到盾構(gòu)施工過程的損害，使得盾構(gòu)管片土壓力的實測值的可靠性不高。隨著隧道埋深、盾構(gòu)斷面的加大以及大量復雜地層中施工項目的出現(xiàn)，現(xiàn)有的管片設(shè)計荷載確定方法能否保證管片的安全有不確定性，因此發(fā)展符合盾構(gòu)工程實際的管片土壓力計算方法是管片設(shè)計中的一個重要研究課題。

迄今為止，有關(guān)盾構(gòu)管片土壓力的研究多偏重于經(jīng)驗性的總結(jié)，按其所采用的原理的不同，目前確定襯砌土壓力常見的方法有理論計算和現(xiàn)場量測等。

2.2.1 理論計算

一般將作用于襯砌上的土壓力分為垂直地層壓力、水平地層壓力、管片底部的垂直地基反力以及由襯砌變形引起的地基抗力（彈性抗力），如圖1所示。

（1）垂直土層壓力全覆土重理論。根據(jù)靜力平衡條件，認為垂直地層壓力是上覆土柱的重量減去兩側(cè)地層對柱體產(chǎn)生的反向摩擦力，在較軟弱的土層中，由于內(nèi)摩察角很小，此摩擦力可假定為零，即：

Pv=γh

式中：Pv——垂直地層壓力，kPa；

γ——上覆土層的平均容重，kN/m3；

h——上覆土層的厚度，m。

圖1 襯砌管片受力示意圖

資料表明，在軟土地層中，豎向土壓力在隧道拱頂部分隨時間延長而增大，最后十分接近于上覆全部覆土重量。當隧道的埋深較大或土質(zhì)較堅硬時，土層的反向摩擦力不可忽略，其計算結(jié)果是不合理的，實測資料表明在粘土地層中襯砌的豎向荷載比全覆土重理論計算值小得多。

（2）垂直土層壓力太沙基松動土壓力理論。太沙基理論以松散體壓力理論為基礎(chǔ)，從應力傳遞的概念出發(fā)，考慮了洞室尺寸、埋深、粘聚力和內(nèi)摩擦角對士體穩(wěn)定性的影響，由平衡關(guān)系式推算出垂直地層壓力的計算公式。

太沙基理論考慮了隧道斷面的幾何尺寸、埋深、土體的強度指標等對土壓力的影響，它假設(shè)隧道開挖后從隧道兩側(cè)延伸至地面出現(xiàn)2個剪切面，襯砌頂部的土壓力為這2個剪切面所圍的土體自重減去兩側(cè)面上的剪切力。同時它也考慮了土體抗剪強度隨深度的變化。

2.2.2 現(xiàn)場量測

隧道襯砌管片設(shè)計理論最大的問題在于能否正確地反映盾構(gòu)管片與周圍土體的相互作用；襯砌外荷載的數(shù)值大小和分布情況與隧道埋設(shè)地層的水文地質(zhì)情況、施工方法、襯砌本身的剛度等有密切的關(guān)系。對于這些復雜的影響因素，簡單的采用某一計算理論很難真實反映工程實際，因此，本文通過現(xiàn)場量測的方法，利用土壓力盒、孔隙水壓力計等直接量測作用在隧道上的地層壓力，用不同計算理論進行分析，對盾構(gòu)管片周圍水土壓力的分布規(guī)律進行探討。

現(xiàn)場量測能夠反映各種因素對土壓力的綜合影響，因此現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)的收集和分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。現(xiàn)場量測是較好的研究手段，但是由于其影響因素眾多、實測本身的誤差，以及土壓計本身的精度問題，實測的結(jié)果僅有參考價值，仍然不能非常有效地反映實際的土壓力分布情況。

2.3 盾構(gòu)隧道土壓力計算

根據(jù)隧道覆土厚度、地質(zhì)條件等，采用全覆土重理論、太沙基公式(松動土壓力)等進行計算。在施工過程中量測作用于隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)實際土壓力，據(jù)此檢驗和修正采用的設(shè)計計算荷載取值。相應斷面的土壓力理論計算值與實測土壓力的比較如表1所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)理論值和實測值有一定的差值。

從表1可以看出，基于3個斷面的實測和計算數(shù)值，淺埋部分太沙基松動土壓力理論計算值和全覆土土壓力計算的土壓力值均小于實測數(shù)據(jù)，淺埋隧道注漿時與穩(wěn)定時實測土壓力分別是松動土壓力計算值的1.32～3.2和1.11～2.85倍、注漿時與穩(wěn)定時實測值是全覆土土壓力計算值的1.09～1.82和0.87～1.53倍；深埋部分注漿時與穩(wěn)定時實測土壓力是松動土壓力計算值的0.66～2.16和0.48～1.77倍、深埋部分注漿時與穩(wěn)定時的實測土壓力是全覆土土壓力計算值的0.57～1.33和0.90～1.21倍，盾尾注漿壓力是施工過程管片外表面受到的最大外部荷載。根據(jù)表1數(shù)據(jù)結(jié)合土層性質(zhì)，深埋段采用太沙基松動土壓力理論計算更為合理。不同埋深段測試數(shù)據(jù)顯示，淺埋段圍巖相比深埋段的圍巖壓力要大一些。圍巖壓力沿斷面分布表現(xiàn)出一定的隨機性，但從整體統(tǒng)計的均值來看，圍巖壓力分布還是比較均勻的。

2.4 襯砌外荷載反分析計算值與實測值對比

根據(jù)實測值分析可知，對于泥水平衡盾構(gòu)，在施工階段由于管片背后注漿等因素的影響，使得主動土壓力和靜力平衡計算得出的隧道拱頂、拱腰以及拱底處的壓力值與實測值之間的偏差較大，最大值差值達到30%以上。因此，根據(jù)上述理論來計算施工作用下軟土隧道上的荷載，是會產(chǎn)生很大的誤差，根據(jù)對實測值的分析，隧道拱頂與拱腰之間任意點徑向作用荷載的變化規(guī)律為余弦變化，滿足關(guān)系式：

表1 實測值與理論值比較

式中：θ——與拱腰處水平軸的夾角；

Pv——隧道頂（底）點徑向作用荷載；

Ph——隧道水平點的徑向作用荷載。

計算結(jié)果如表2所示。

表2 施工階段土壓力實測值和反算值比較

由表2的數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)上述提出的假設(shè)，拱頂與拱腰處的反算值與量測值之間吻合的較好，但拱底的吻合卻并不理想。拱底實測值明顯小于拱底圍巖壓力值，而利用靜力平衡原理計算隧道拱底值應明顯大于拱頂值，說明襯砌結(jié)構(gòu)土壓力受注漿壓力、施工條件和地質(zhì)條件等多方因素的影響較大。

雖然上述假設(shè)對管片局部受力分析吻合的較好，能夠反映施工階段隧道上的荷載分布形狀，但為更好地定量反映整個管片受力特征，需要采取其它手段進行進一步的模擬分析。

3 小結(jié)

（1）通過襯砌結(jié)構(gòu)注漿時與穩(wěn)定時實測土壓分別與2種理論（全覆土重理論、太沙基公式）計算值比較可知，盾尾注漿壓力是施工過程管片外表面受到的最大外部荷載，設(shè)計時需要重點考慮。淺埋部分（埋深小于2倍隧道跨度）采用全覆土土壓力與實測土壓力較為接近，依據(jù)土層特性，深埋部分采用太沙基理論計算較為合理。

（2）由于襯砌結(jié)構(gòu)土壓力受注漿壓力、施工條件和地質(zhì)條件等多方因素的影響較大，為了更好地顯示整個管片受力特征，需要采取其它手段進行進一步的模擬分析。

本文認為應該尋找簡單易行而又相對準確的反分析方法，能夠方便地應用于工程現(xiàn)場計算參數(shù)的反分析，通過該分析方法，能夠采用“初步設(shè)計—現(xiàn)場監(jiān)測—反演分析—調(diào)整計算參數(shù)、計算方法—再設(shè)計”這一循環(huán)過程，提高工程設(shè)計的合理性和可靠性。

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