沈臻鑫，王 灝，楊果林，張沛然，虢 彪

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的快速推進(jìn)，地下空間的開(kāi)發(fā)與建設(shè)力度持續(xù)增強(qiáng)，而作為暗挖法推選的盾構(gòu)法地下工程施工技術(shù)應(yīng)用面不斷擴(kuò)大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)施工存在的相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，極大地推動(dòng)了盾構(gòu)法的應(yīng)用與實(shí)踐。其中，侯學(xué)淵等[ 1]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)隧道沉降預(yù)估的理論與經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合上海隧道工程的實(shí)踐，對(duì)包括隧道沉降的階段性預(yù)測(cè)和專(zhuān)家系統(tǒng)的應(yīng)用等進(jìn)行了分析研究。孫鈞等[ 2]討論了城市地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)中對(duì)土體的施工擾動(dòng)及引起地層移動(dòng)和地表變形沉降的力學(xué)機(jī)理，概括了施工擾動(dòng)影響的主導(dǎo)因素。于寧等[ 3]針對(duì)地下結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法的不足，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的有限元法，對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的施工步驟、 管片與土層接觸面以及開(kāi)挖過(guò)程中地應(yīng)力釋放等進(jìn)行了有限元模擬，為盾構(gòu)隧道襯砌的設(shè)計(jì)和施工提供了有益的參考。 徐永福等[ 4]和張?jiān)频萚 5]通過(guò)盾構(gòu)施工的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周?chē)馏w的影響程度；根據(jù)土體應(yīng)力狀態(tài)變化分析了土體的擾動(dòng)程度，并提出了應(yīng)力擾動(dòng)度的定義，用室內(nèi)試驗(yàn)方法研究了土體應(yīng)力狀態(tài)變化對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響。蔣洪勝等[ 6]通過(guò)在地下污水管道周?chē)牡貙又袦y(cè)定地層的超孔隙水壓力和土層的移動(dòng)，研究發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)接近、穿越以及遠(yuǎn)離測(cè)孔區(qū)3個(gè)施工階段，隧道周?chē)煌瑓^(qū)域的土層呈現(xiàn)出各自不同的移動(dòng)特征。張海波等[ 7]在全面分析土壓平衡式盾構(gòu)施工過(guò)程中影響周?chē)馏w變形各主要因素的基礎(chǔ)上，提出一種能夠綜合考慮各種因素的盾構(gòu)施工三維非線性有限元模擬方法，分析了盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中隧道周?chē)暗乇硖幫馏w的位移和變形以及橫斷面不同深度上的沉降分布規(guī)律。朱偉等[ 8]利用能夠考慮大變形的拉格朗日有限差分計(jì)算程序，對(duì)砂土地層土壓平衡式盾構(gòu)施工中開(kāi)挖面支護(hù)應(yīng)力不足引起開(kāi)挖面的變形及破壞問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，探討了隧道開(kāi)挖面變形及破壞問(wèn)題。上述研究主要針對(duì)于直線形或大曲率盾構(gòu)隧道，對(duì)小半徑曲線形盾構(gòu)隧道的研究較少。

以未來(lái)城市地下工程建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，以及結(jié)合日本等盾構(gòu)技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的隧道設(shè)計(jì)和使用情況綜合分析，可以初步判斷小半徑盾構(gòu)隧道將在我國(guó)的適用面不斷擴(kuò)大[ 9-11]，以滿(mǎn)足日益復(fù)雜的城市環(huán)境和盾構(gòu)隧道使用要求。為了迎接小半徑曲線盾構(gòu)隧道在我國(guó)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的廣闊未來(lái)，本文就小半徑盾構(gòu)隧道在我國(guó)研究和應(yīng)用中存在的幾點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析和思考，以期通過(guò)本文的“拋磚”可以起到相關(guān)研究推進(jìn)和成果層出的“引玉”之效，促進(jìn)小半徑曲線盾構(gòu)隧道在我國(guó)的研究和實(shí)踐。

1 盾構(gòu)隧道曲線半徑的取值與思考

為了管理和促進(jìn)地下交通工程的健康有序發(fā)展，國(guó)家相關(guān)部門(mén)自1992年出臺(tái)《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50517—1992)[ 12](以下簡(jiǎn)稱(chēng)92規(guī)范)以來(lái)，在2003年對(duì)其修正，形成了《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[ 13](GB 50517—2003)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)03規(guī)范)，2013年對(duì)03版再次修訂與完善，形成了《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[ 14](GB 50517—2013)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)13規(guī)范)，為地鐵軌道交通的建設(shè)和發(fā)展發(fā)揮了重要作用。三版規(guī)范中對(duì)線路平面最小曲線半徑做出了明確規(guī)定，如表1所示。

表1 《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》線路平面最小曲線半徑規(guī)定變化統(tǒng)計(jì)表

注：1.表中輔線包括輔助線(92規(guī)范)、聯(lián)絡(luò)線和出入線(03和13規(guī)范)；2.括號(hào)內(nèi)數(shù)字為車(chē)速。

由表1可以看出曲線半徑的取值和線路的分類(lèi)(正線、輔線和車(chē)場(chǎng)線)有關(guān)，其中03版規(guī)范中還針對(duì)A、B型車(chē)的速度做出了不同取值規(guī)定。比較看來(lái)，正線的最小曲線半徑不應(yīng)小于250 m，輔線不應(yīng)小于150 m，值得注意的是13版規(guī)范對(duì)車(chē)場(chǎng)線在困難地段的曲線半徑不做明確性規(guī)定，具體的曲線半徑應(yīng)具體分析。由于盾構(gòu)隧道在我國(guó)的設(shè)計(jì)和建設(shè)歷史較短，因而針對(duì)于各行各業(yè)的具體盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)定主要參考或者依據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，由此造成了許多未基于實(shí)際使用服役環(huán)境工況的設(shè)計(jì)規(guī)定，如《電力電纜隧道設(shè)計(jì)規(guī)程》[ 15](DL/T 5484—2013)中7.1.2條的規(guī)定——盾構(gòu)隧道的平面線形宜選用直線和大曲率半徑曲線，而從電力電纜的使用環(huán)境來(lái)看，很多時(shí)候需要設(shè)立(增設(shè))出線井，因而以線路沿線供電需求出發(fā)，曲線形電纜隧道走向更加具有經(jīng)濟(jì)性[ 16-17]，可以盡可能充分發(fā)揮地下空間的優(yōu)越性。

上述設(shè)計(jì)不盡合理的原因是多方面的，其中包括我國(guó)盾構(gòu)隧道的建設(shè)水平、地鐵車(chē)輛的使用性能(滿(mǎn)足最小轉(zhuǎn)彎半徑的速度和安全要求)、地鐵線路的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本等[ 18]。有理由相信的是，隨著我國(guó)盾構(gòu)隧道建設(shè)、車(chē)輛機(jī)械制造水平、運(yùn)營(yíng)管理水平的全面提高和完善，上述問(wèn)題將得到有效解決(三版規(guī)范中最小曲線半徑取值的降低就是證明)，隧道的曲線半徑將不斷降低，小半徑曲線隧道的適用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大，以充分發(fā)揮和利用小半徑曲線隧道的優(yōu)勢(shì)。

與此同時(shí)，隨著我國(guó)快速的城市化建設(shè)步伐，高層建筑、高架橋等工程往往采用樁基礎(chǔ)，因而使得地下空間在開(kāi)發(fā)時(shí)面臨合理有效利用的問(wèn)題。傳統(tǒng)的直線形或大曲率半徑隧道走向布局難以實(shí)現(xiàn)相關(guān)線路規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)，由此小半徑曲線線路(隧道)因布線的靈活性其應(yīng)用性將得到充分體現(xiàn)，有理由相信在城市復(fù)雜環(huán)境下小半徑曲線盾構(gòu)隧道的建設(shè)熱度將悄然升起。

如圖1所示，為某省首條電力隧道，分為南北兩條單線隧道，北線長(zhǎng)3 068.062 m，南線長(zhǎng)2 859.950 m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。隧道襯砌管片外徑為4 100 mm，內(nèi)徑為3 600 mm，厚度為250 mm，管片寬1 200 mm和1 000 mm。全長(zhǎng)區(qū)間隧道平面曲線半徑最小半徑為150 m。隧道主要沿既有地面高壓線走向布局，與城市主干道高架橋相平行，設(shè)計(jì)時(shí)為避免對(duì)鄰接建筑物和樁基的擾動(dòng)影響，以及滿(mǎn)足沿線多處用電需求，線路采用多處小半徑(R300、R150)曲線走向，并形成了幾處連續(xù)小半徑S形轉(zhuǎn)彎段。

圖1 某小半徑S形曲線電力盾構(gòu)隧道

在本盾構(gòu)隧道的建設(shè)中存在若干新的技術(shù)問(wèn)題，依據(jù)現(xiàn)有直線形盾構(gòu)隧道的基本理論和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)難以克服解決。筆者以本工程為背景，結(jié)合盾構(gòu)建造技術(shù)在小半徑曲線隧道建設(shè)中存在的幾點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行梳理，并期許通過(guò)同行的重視、不斷的研究和全面總結(jié)逐步予以解決。

2 小半徑曲線盾構(gòu)隧道管片行為

作為隧道的重要襯砌結(jié)構(gòu)，管片的行為及狀態(tài)直接關(guān)系到隧道在施工期間和長(zhǎng)期服役環(huán)境下的安全。曲線盾構(gòu)隧道，特別是受小半徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工的影響，相較直線形或者大曲率半徑隧道而言，其具有復(fù)雜的力學(xué)行為[19]，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是施工作用荷載問(wèn)題；二是曲線盾構(gòu)隧道服役期中可能存在的兩類(lèi)土拱效應(yīng)及土壓力計(jì)算問(wèn)題。本文主要討論施工作用荷載對(duì)小半徑曲線隧道管片的行為影響問(wèn)題。

2.1 小半徑曲線盾構(gòu)隧道管片施工期受力問(wèn)題

盾構(gòu)在曲線段隧道掘進(jìn)施工時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)線路目標(biāo)，盾構(gòu)機(jī)沿曲線走向轉(zhuǎn)彎，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)的控制主要通過(guò)設(shè)定不同區(qū)的千斤頂油壓大小而實(shí)現(xiàn)。而施工期盾構(gòu)機(jī)不平衡千斤頂推力的反向作用荷載使盾構(gòu)千斤頂推力方向與管片走向軸線存在一定夾角，當(dāng)曲線半徑越小，二者的夾角將不斷增大，因而使管片承受一個(gè)水平分力，引起管片的非均衡受力。這種由施工產(chǎn)生的不平衡推力使管片承受一定的集中擠壓作用[20]，特別是在管片環(huán)接縫位置，如圖2所示，其表現(xiàn)主要為管片的錯(cuò)臺(tái)、擠壓破碎及錯(cuò)臺(tái)滲水流砂等病害。上述病害的出現(xiàn)嚴(yán)重影響隧道的安全施工及后期盾構(gòu)隧道的服役工作性能。因而對(duì)于(小半徑)曲線盾構(gòu)隧道而言，如何合理控制管片所承受的不平衡推力成為關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題，并由此產(chǎn)生亟需在理論和試驗(yàn)等方面研究上予以解釋的問(wèn)題。

圖3為某電力盾構(gòu)隧道小半徑段和直線段總推力變化情況，為減小其他因素對(duì)分析值的影響，所列數(shù)據(jù)為曲線段和直線段連續(xù)段，各取16環(huán)管片。從圖可以看出，小半徑曲線段總推力的平均值和最大值均大于直線段。特別是基于每環(huán)管片推進(jìn)開(kāi)挖過(guò)程中的總推力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，即從概率直方圖可以發(fā)現(xiàn)，直線段總推力小于7 000 kN的占99.5%以上，而小半徑曲線段大于7 000 kN的占50%以上，充分說(shuō)明盾構(gòu)在小半徑曲線段掘進(jìn)施工時(shí)，總推力水平遠(yuǎn)高于直線段。

圖2 小半徑曲線盾構(gòu)隧道施工管片常見(jiàn)病害

如上所述，與直線形隧道盾構(gòu)施工的不同處在于千斤頂推力因曲線行駛的需要而存在各油缸壓力差值較大，因而管片在受到不平衡推力之后，其力學(xué)響應(yīng)也較為復(fù)雜，與諸多施工指標(biāo)參數(shù)存在關(guān)聯(lián)，值得通過(guò)進(jìn)一步的研究予以揭示。其中，盾構(gòu)機(jī)不平衡推力作用、注漿(同步注漿、二次注漿)壓力及注漿率、掘進(jìn)地層物理力學(xué)狀態(tài)及參數(shù)、隧道埋深、掘進(jìn)速度、渣土改良技術(shù)及效果、曲線盾構(gòu)隧道曲率等皆是不可忽視的關(guān)鍵性研究考慮因素，而盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)(不平衡推力、注漿、掘進(jìn)速度)及隧道曲線半徑大小為重要因素[21-22]。例如，為了滿(mǎn)足施工工期的要求，盾構(gòu)施工速度往往較大，在曲線掘進(jìn)段采用千斤頂連續(xù)掘進(jìn)工作模式，使得管片承受的千斤頂推力連續(xù)累計(jì)，造成局部出現(xiàn)應(yīng)力集中問(wèn)題，已有的研究已部分提出曲線段采用分步多次施壓-卸壓掘進(jìn)模式，可緩解管片不均勻受力程度和變形累計(jì)。再如，受盾構(gòu)開(kāi)挖存在于管片與開(kāi)挖面之間的空隙多采用注漿實(shí)現(xiàn)有效填充，以控制土體位移沉降，而注漿體的填充率及初凝時(shí)間如果控制不及時(shí)，將在一定時(shí)間內(nèi)使管片所承受的不平衡盾構(gòu)推力未能及時(shí)傳遞于周?chē)鷩鷰r體，造成管片的非正常破損變形，且隨曲線盾構(gòu)隧道的半徑的減小而更為嚴(yán)重，因此對(duì)于小半徑曲線盾構(gòu)隧道而言，及時(shí)保證管片與圍巖體之間空隙的有效注漿填充以及使注漿體早日達(dá)到一定強(qiáng)度成為重要的施工控制技術(shù)。

圖3 盾構(gòu)隧道小半徑曲線段和直線段總推力對(duì)比分析圖

目前，出現(xiàn)的克泥效或衡盾泥工藝為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑，即可將具有一定流塑狀、承載性能好的惰性注漿體通過(guò)盾體徑向孔及時(shí)填充于盾體開(kāi)挖間隙，作為管片與土體間的有效荷載傳遞體，并對(duì)控制地層擾動(dòng)具有一定意義，因而這項(xiàng)技術(shù)工藝值得在小半徑曲線隧道中推廣應(yīng)用。綜合而言，目前對(duì)于小半徑曲線隧道管片具體的相關(guān)施工技術(shù)指標(biāo)參數(shù)的力學(xué)機(jī)制研究的還不是較為清晰，有必要進(jìn)一步開(kāi)展小半徑曲線盾構(gòu)隧道施工的管片荷載力學(xué)行為研究。

2.2 小半徑曲線隧道中的兩類(lèi)土拱問(wèn)題

在經(jīng)典的盾構(gòu)隧道中，認(rèn)為隧道管片(襯砌)結(jié)構(gòu)承受的主要荷載及形態(tài)如圖4所示。可以看出其呈現(xiàn)基本的對(duì)稱(chēng)性，由此理論和認(rèn)識(shí)可知管片結(jié)構(gòu)的受力具有對(duì)稱(chēng)性，其管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算相對(duì)較為明確，但是必須指出的是，該土壓力荷載模型適用于直線形或大曲率盾構(gòu)隧道，對(duì)于小半徑曲線盾構(gòu)隧道而言，其合理性值得商榷。同時(shí)，在土壓力的計(jì)算方面，土拱效應(yīng)始終是一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題，因?yàn)槠渖婕暗焦芷Y(jié)構(gòu)的受力計(jì)算和設(shè)計(jì)，關(guān)系到盾構(gòu)隧道的安全和造價(jià)等。相對(duì)而言，目前對(duì)于直線形或大曲率盾構(gòu)隧道的土壓力研究比較豐富，獲得了一定的研究成果，指導(dǎo)和促進(jìn)著盾構(gòu)隧道的建設(shè)和發(fā)展，但是，面對(duì)小半徑曲線盾構(gòu)隧道，傳統(tǒng)的土拱效應(yīng)或者太沙基松動(dòng)土壓力是否合適值得商榷。太沙基通過(guò)滑動(dòng)門(mén)試驗(yàn)所提出的太沙基松動(dòng)土壓力認(rèn)為在開(kāi)挖面上方土體沉降變形情況下，其與兩側(cè)土體的剪切面呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性，當(dāng)然這與滑動(dòng)門(mén)試驗(yàn)有關(guān)。長(zhǎng)期以來(lái)太沙基的滑動(dòng)門(mén)和松動(dòng)土壓力理論指導(dǎo)著相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究，具有重要意義。通過(guò)學(xué)者的研究基本達(dá)成一些認(rèn)識(shí)，松動(dòng)土壓力的存在與否與隧道的埋深直徑比相關(guān)，采用松動(dòng)土壓力計(jì)算管片結(jié)構(gòu)的受力具有相較全覆土重的合理性和適用性[23-24]。而松動(dòng)土壓力的大小與土體的重度、含水率、強(qiáng)度等物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)。但是深刻分析松動(dòng)土壓力的力學(xué)機(jī)制不難發(fā)現(xiàn)，還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步通過(guò)研究明確：

圖4 土壓力荷載模型示意圖

(1) 在開(kāi)挖面上方土體松動(dòng)沉降變形以后，與兩側(cè)土體形成一定位移之差“啟動(dòng)”了兩側(cè)土體對(duì)開(kāi)挖上方土體的位移約束，即以其剪切面的剪切力承受開(kāi)挖面上方土體的部分自重荷載，由此也實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖面上方土體荷載向兩側(cè)土體的轉(zhuǎn)移，表現(xiàn)為中間土壓力減小，而兩側(cè)土壓力持續(xù)增大，這是太沙基滑動(dòng)門(mén)試驗(yàn)揭示的基本規(guī)律和力學(xué)機(jī)理。但是，在計(jì)算松動(dòng)土壓力時(shí)，剪切面上的剪切力計(jì)算存在力學(xué)指標(biāo)取值確定的問(wèn)題，按照經(jīng)典土力學(xué)，土的強(qiáng)度是在豎向土壓力為最大主應(yīng)力，水平土壓力為小主應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)下計(jì)算獲得的，但是由滑動(dòng)門(mén)試驗(yàn)可以明確知道，當(dāng)開(kāi)挖面上方土體和兩側(cè)土體由彼此間的剪切面提供的剪切力達(dá)到位移穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其兩側(cè)土壓力明顯大于松動(dòng)土壓力，引起兩側(cè)水平土壓力的增大，開(kāi)挖面附近部分土體發(fā)生主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)，致使在滑動(dòng)面附近的土體的應(yīng)力狀態(tài)將演變?yōu)樗酵翂毫樽畲笾鲬?yīng)力，而豎向土壓力(松動(dòng)土壓力)為小主應(yīng)力，如果再考慮到土體的各向異性，土體的剪切強(qiáng)度指標(biāo)將發(fā)生明顯變化，那么此時(shí)仍沿用以豎向土壓力為最大主應(yīng)力獲取的力學(xué)強(qiáng)度計(jì)算滑動(dòng)面的剪切力，進(jìn)而確定松動(dòng)土壓力是否合適呢？值得深入思考和分析研究；

(2) 經(jīng)典的隧道土壓力荷載模型較為適用于直線形或大曲率線形隧道，對(duì)于小半徑隧道而言存在值得商榷的地方。其基本認(rèn)識(shí)如下，我們知道在盾構(gòu)施工過(guò)程中，曲線外側(cè)和內(nèi)側(cè)土體承受的盾構(gòu)施工附加荷載狀態(tài)不同，內(nèi)側(cè)土體存在不同程度的超挖問(wèn)題，而外側(cè)土體的擠壓變形較為突出，這點(diǎn)從潘泓等[25]的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的水平位移結(jié)果可以明確獲知。由此造成內(nèi)外側(cè)土體的應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生變化，其后期固結(jié)沉降變形等也將同步產(chǎn)生差異(見(jiàn)下文實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù))。雖然我們可以通過(guò)注漿等手段實(shí)現(xiàn)地表變形的控制，但是受擾動(dòng)后土體的應(yīng)力狀態(tài)差異性已經(jīng)造成。另外，對(duì)于小半徑盾構(gòu)隧道而言，在沿隧道走向軸線看來(lái)，存在一段曲弧，按照樁基工程或基坑工程中土拱效應(yīng)的研究基礎(chǔ)，此類(lèi)曲弧的存在是土拱效應(yīng)產(chǎn)生的重要前提，那么關(guān)于小半徑隧道曲弧段內(nèi)的土拱問(wèn)題特征呈現(xiàn)什么規(guī)律呢？目前，缺少相關(guān)理論和試驗(yàn)方面的研究，就筆者看來(lái)，這類(lèi)水平向土拱問(wèn)題和傳統(tǒng)的由太沙基所提出的豎向土拱問(wèn)題二者共同構(gòu)成小半徑曲線隧道的兩類(lèi)土拱問(wèn)題。而這兩類(lèi)土拱問(wèn)題的解決有利于更加深刻合理的認(rèn)識(shí)小半徑盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征，從而在管片設(shè)計(jì)計(jì)算方面更加合理。

2.3 管片荷載土壓力反演

無(wú)論是施工期管片荷載還是長(zhǎng)期服役環(huán)境下的管片受力特征，從研究方式上主要還是理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值分析三種，其中理論分析是基礎(chǔ)、數(shù)值分析是驗(yàn)證，而試驗(yàn)研究具備真實(shí)性和直接參考指導(dǎo)意義，是重要的研究途徑。但是，受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的各種不利條件、試驗(yàn)儀器誤差以及各種不確定因素的影響，難免所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映管片的受力特征。特別是管片外土水壓力的監(jiān)測(cè)分析試驗(yàn)，由于大量的土壓力盒、水壓力計(jì)位于管片外側(cè)，與圍巖體是否完全接觸不能確定，因而在更多情況下，管片外側(cè)所受到的土水壓力，應(yīng)該包括注漿荷載等，從這個(gè)意義上言，將所監(jiān)測(cè)到土水壓力試驗(yàn)值定義為管片荷載(包括水壓力、土壓力、注漿壓力等)更為合理。而為了確定計(jì)算長(zhǎng)服役環(huán)境下管片的荷載，可根據(jù)對(duì)管片的鋼筋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬方法，定義最小回歸分析模型，從而反演得到管片的荷載。目前，結(jié)合小半徑盾構(gòu)隧道這方面的反演研究還鮮有報(bào)道，值得開(kāi)展相關(guān)方面試驗(yàn)進(jìn)行分析。

3 小半徑曲線盾構(gòu)施工擾動(dòng)效應(yīng)及控制

盾構(gòu)法因其相較其他開(kāi)挖方法而言具有擾動(dòng)較小的技術(shù)特征，因而廣泛于城市地下工程建設(shè)。但是，不斷出現(xiàn)的由盾構(gòu)施工引起的地表塌陷、近接建筑物傾斜沉降開(kāi)裂、地下管線破裂等工程擾動(dòng)問(wèn)題[26-27]層出不窮，究其原因在于未能合理評(píng)估和控制盾構(gòu)施工的擾動(dòng)行為。長(zhǎng)期以來(lái)，學(xué)者圍繞盾構(gòu)施工的擾動(dòng)效應(yīng)(機(jī)理)和控制技術(shù)開(kāi)展了大量研究，取得了一定結(jié)果。但是，受小半徑曲線盾構(gòu)隧道在我國(guó)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的不充分影響，對(duì)其擾動(dòng)效應(yīng)和控制技術(shù)的研究成果較少，不利于小半徑盾構(gòu)隧道的推廣應(yīng)用。如圖5所示，為電力盾構(gòu)隧道R150小半徑曲線段和直線段施工期地表沉降變化情況，從圖可以看出，在盾構(gòu)從開(kāi)挖面抵進(jìn)監(jiān)測(cè)面—監(jiān)測(cè)面下放—遠(yuǎn)離開(kāi)挖面過(guò)程中，地表沉降最大點(diǎn)經(jīng)歷了曲線外側(cè)—拱頂—曲線內(nèi)側(cè)遷移變化途徑，即在管片脫出盾尾以后，受內(nèi)側(cè)土體超挖等影響，土體豎向沉降不斷向內(nèi)側(cè)遷移，最終發(fā)生最大沉降點(diǎn)位于曲線內(nèi)側(cè)的特征，而非直線段最大地表沉降始終處于拱頂位置。充分說(shuō)明，小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工擾動(dòng)問(wèn)題與直線段或大半徑曲線隧道存在明顯不同，值得引起注意，結(jié)合少有的研究結(jié)果，曲線盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)存在的問(wèn)題可以概括為以下兩點(diǎn)：

(1) 在小半徑曲線隧道盾構(gòu)施工中，如上所提及的，在轉(zhuǎn)彎段曲線內(nèi)外側(cè)土體的應(yīng)力狀態(tài)不同，發(fā)生的位移變形特征也不盡相同。如圖5所示，在盾構(gòu)向左轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，隧道對(duì)應(yīng)地表沉降最大點(diǎn)向左偏移，不再為拱頂位置，因而從施工監(jiān)測(cè)角度而言，常規(guī)性的盾構(gòu)隧道擾動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)該對(duì)曲線段拱頂左右兩側(cè)一定范圍進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，以此實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)盾構(gòu)施工。同時(shí)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)沉降較大區(qū)域(如左側(cè))進(jìn)行針對(duì)性的注漿作業(yè)。

圖5 小半徑曲線和直線段隧道地表沉降曲線

(2) 由于曲線段內(nèi)外側(cè)土體應(yīng)力狀態(tài)的不同，對(duì)如地下管線、地下樁基等的影響特征也將有所區(qū)別。就曲線外側(cè)而言，土體在開(kāi)挖面到達(dá)之前承受擠壓作用，因而近接建構(gòu)筑物將受到一定的側(cè)向水平地基抗力；而在曲線段內(nèi)側(cè)，由于超挖等原因，土體將產(chǎn)生一定的松弛沉降，對(duì)近接建構(gòu)物的的擠壓作用降低。因而，考慮到曲線隧道盾構(gòu)施工的土體擾動(dòng)效應(yīng)的時(shí)變性、空間性等應(yīng)對(duì)近接建構(gòu)筑物進(jìn)行科學(xué)合理的擾動(dòng)控制，防止發(fā)生盾構(gòu)擾動(dòng)事故的發(fā)生。

4 結(jié) 論

(1) 本文以地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范為例對(duì)線路平面最小曲線半徑的取值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了討論，指出現(xiàn)有盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)規(guī)定未基于實(shí)際使用服役環(huán)境工況的設(shè)計(jì)需求。預(yù)期未來(lái)盾構(gòu)隧道曲線半徑將不斷降低，小半徑曲線隧道的優(yōu)勢(shì)將充分發(fā)揮。

(2) 對(duì)小半徑盾構(gòu)隧道管片的受力行為進(jìn)行淺析。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，小半徑曲線段盾構(gòu)施工總推力大于直線段，如何合理控制管片所承受的不平衡推力成為曲線盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。認(rèn)為應(yīng)該及時(shí)保證管片與圍巖體之間空隙的有效填充以及使注漿體早日達(dá)到一定強(qiáng)度。

(3) 傳統(tǒng)土壓力荷載模型適用于直線形或大曲率盾構(gòu)隧道，對(duì)小半徑隧道的適用性值得商榷。初步提出了小半徑曲線隧道的兩類(lèi)"土拱"問(wèn)題，此問(wèn)題的解決有利于更加深刻合理的認(rèn)識(shí)小半徑盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特征。

(4) 曲線隧道盾構(gòu)施工中，在轉(zhuǎn)彎段曲線內(nèi)外側(cè)土體的沉降變形有所差別。盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)該對(duì)曲線段拱頂左右兩側(cè)一定范圍進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，以此有效指導(dǎo)盾構(gòu)施工。