第17卷第1期2021年2月
地下空间与工程学报
Chine Journal of Underground Space and Engineering
Vol.17
Feb. 2021
上海软土深埋盾构施工引起的土压时效规律分析‘
刘树佳、白廷辉2,3，廖少明3
(1.上海城培企业管理咨询有限公司，上海200232;2.上海市水务局，上海200050;
3.同济大学地下建筑与工程系，上海200092)
摘要：针对上海软土地区深埋盾构开挖所引起的土压力时效性发展规律，选取4倍直径埋 深盾构，布设土压力全断面长期监测点，获取盾构开挖阶段及后期固结蠕变阶段的土压力数 据，以得到深部地层的土压时效变化规律。通过现场试验可得，盾构开挖所采取的土仓压力按 照理论静止土压力取值时，刀盘周
围会形成半径为1~1.5£»的被动土拱效应作用区域，土拱范 围内会产生20%的被动土压力增幅，土拱以外的范围不受开挖扰动影响。盾构掘进所产生的 被动土拱挤压效应在盾尾注浆浆液硬化后开始逐渐衰减，衰减主要作用阶段为开挖后1 ~3 年，深层土体衰减后进入长期蠕变阶段。试验表明，软土深部地层盾构开挖会产生一定程度的 土拱效应，且土拱效应在后期固结蠕变过程中逐步衰减，可为今后软土深部地层盾构隧道设计 及施工的土压力取值提供一定参考依据。
关键词：软土地层；深埋盾构；土拱效应；时效特性；长期监测
中图分类号：0319.56 文献标识码：A文章编号=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）
作者简介：刘树佳，男，（1986—），山西人，工学博土，工程师，主要从事软十地下T.程管理与施工控制研究。
E-mail ：***************
通讯作者：廖少明（1966—），男，湖北天门人，工学博士，教授，主要从事软土隧道设计优化与微扰动施X控制研究。
E-mail ：**************
基金项目：国家973计划（2015C B057806)；国家自然科学基金项目（52090082)
230地下空间与工程学报第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
大型城市市政建设正在向地下空间方向发展，而有限的地下空间存在多方开发的协调问题。地 铁车站、人行通道、房屋基础、既有管网、商业街等，均占据大量的浅层地下空间，故存在空间布局的矛 盾。为实现地下空间的合理布局，排水系统、电力 隧道、地铁线路等市政系统管网的建设正在向深层 地下空间发展。
在以往浅层地下空间的开发过程中已积累大 量的施工经验，而市政管网隧道向大深度方向发展 首要解决的问题就是掌握深部地层土压力分布以 及开挖所引起的土压力变化时效规律，这是隧道设 计、施工的前提和基础。在岩石及硬土地层中，深 部地层压力计算往往考虑土拱效应，而在上海典型 软土地层中，深埋盾构开挖所引起的土拱效应以及 随时间变化的规律尚无定论。
关于土拱效应，Richard [1]进行活动门试验，研 究土拱效应的产生机理、土拱形状及影响因素。魏 纲等[2]针对隧道开挖工程进行了现场监测。M a s h m i o等[3]砂砾石地基中隧道上的土压力荷载 进行了现场实测。房营光等[4]根据现场监测和试 验结果，提出盾构法施工的扰动机理。贾海莉 等[5]通过工程实例对拱脚的存在形式、拱形及拱 体的几何参数和微观特性进行了研究。Bezuijen 等[6]对一个9.5m直径的隧道进行了两环的现场 测试研究。刘新荣等[7]分析了隧道在开挖各阶段 的应力和变形情况，针对隧道中墙受力情况进行了 专题研讨。加拿大T h Qrpe[8]对两座隧道进行实测，得到了隧道开挖阶段的影响。0^吐沉等[9]，P ardo 等[1Q]均进行了 “Trapdoor”试验，研究土拱影响因 素。文献[11-16]针对复杂城市环境杂填土地层隧 道施工控制、土压力监测研究以及软土盾构隧道施 工引起的地层扰动、掘进参数分析等进行了研究。
以上成果是针对砂石地层及软土浅部地层的 土压力研究，关于软土深部地层土拱时空效应的实 测几乎没有先例。因此，针对上海软土地区盾构开挖所产生的土拱效应及其时效性，需进行实测研 究，为理论计算、模拟分析提供充分的依据。本文 通过长期现场实测，对盾构掘进引起的软土深部地 层土压力变化时效特性进行分析，以得到软土深部 地层土拱发生发展全过程时效规律。
1工程背景
1.1工程概况
针对上海软土地区典型深部地层，本文选取上 海轨道交通12号线11标龙华中路站一大木桥路 站区间段，隧道尺寸为内径中5 500 m m，外径 小6 200 m m，所选的监测断面隧道顶埋深约21 m。试验场地位于南洋中学操场，监测断面布设在下行 线区间第725环，如图1所示。
土压力监测断面
图1土压力监测断面平面位置图
Fig. 1Plan of earth pressure monitoring ction
测点埋设在2013年3月进行，埋设后进行稳 定性监测观察。在2013年6月下行线盾构推进至 690环之前，多次测取各监测项目测点初始值，直 至稳定后作为动态观测的初始测值，以确保初始值 准确。
1.2工程地质
龙华中路站一大木桥路站区间盾构掘进主要 涉及第@，层、第④2层、第⑤层、第⑤,_2层、第 ⑤3_，层。龙华中路站一大木桥路站区间725环监 测断面地层特性表如表1
所示。
2021年第1期刘树佳，等；上海软土深埋盾构施工引起的土压时效规律分析231
表1龙华中路站-大木桥桥路站区间地层特性表
Table 1Stratigraphic characteristic of Longhua Zhonglu Station-Damuqiaoqiaolu Station ction
层序土层名称
层底
标高/m
静探P s值
/M P a
土体重度7
/(k N • m-3)
压缩模量
E/M?a
固结快剪指标承载力设计值承载力特征值
c/kPa/d/k P a A/k P a
①杂填土 1.2
②灰色粘质粉土 3.1 2.12618.6 5.28329.811088
③灰色淤泥质粉质粘土8.20.45217.6 2.561215.37056
④，淤泥质粘土14.50.5216.6 3.311211.57055
④：砂质粉土夹粉质粘土16.9218.2 5.12629.511090
⑤丨粘土26.50.8517.7 3.7616159575⑤1-2粉质粘土29.2 1.0717.8 3.961518.510080
⑤3-丨粉质粘土38.9 1.4918 3.141322.511090
1.3测点布置方案
12号线11标龙华中路站一大木桥路站盾构
区间在下行线725环监测断平面布置土压力盒6
只，监测断面布置如图2所示。
图2 土压力埋设位置图（单位:nim)
Fig. 2 Diagram of earth pressure gauge layout (unit ：m m)为保证测试的效果，使土压力盒的压力膜与原 状土密贴，竖直向土压力计拟采用1个钻孔埋设1个土压力计的方式。土压力盒采用钻孔方式埋设，土压计固定在钻杆上放置到预定位置，并保证监测 方向正确无误后用泥球将孔回填密实，并做好封孔 及引线工作，埋设过程如图3所示。
土压力监测频率为：在盾构机机头到达15 m 之外范围，监测频率为1次/d；在刀盘靠近监测断 面10环和穿越后10环范围内，监测频率为1次/ 环；在盾构穿越后10环范围外，监测频率为每5环
图3 土压力布设试验图
Fig. 3 Test chart of earth pressure gauge layout
1次；在盾构穿越100 m后范围外，沉降监测频率 为3月1次；穿越过断面半年后，监测频率为1次/ 年。截至目前，数据记录时长已达4年。
1.4盾构参数取值
图4、5所示为盾构记录的土仓压力、掘进速度 数据。如图，盾构刀盘距离监测725环断面前方 15环范围内，开挖所采用的土仓压力值为0.23~ 0.25 M P a，基本在理论静止土压力值（0.245 M P a)的范围，盾构土仓压力取值的原则为尽量接近理 论静止土压力值，掘进速度保持稳定，以实现微 扰动控制。
盾构刀盘开口率为55%，注浆浆液为传统惰 性浆液，根据该盾构盾尾尺寸间隙计算，单环推进 所产生的空隙体积为2.4 m3，该试验环对应的实际 注浆量为5.4 m\注人率为220%，充分填充了盾尾 空隙。725环的施工参数系统数值，如表2
所示。
232
地下空间与工程学报
第17卷
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
竖向土压力变化比例/V 7办，#=21 m
图6
盾构刀盘前725环监测断面全断面土压力实测值
Fig. 6 Measured earth pressure of 725 ring
monitoring ction before shield closing
由图6可得，盾构采用理论静止土压力值作为 土仓压力时，在深部地层开挖对周围土体产生了较 为明显的被动挤压作用，说明在本工程的软土深部 地层中实际初始土压力呈非线性分布，较理论线性 土压值有所减小。
通过图7可得盾构掘进过程中，隧道周围土体 压力并非线性增长。靠近地表的T Y 3-T Y 5三个测 点处土压力在盾构掘进过程中基本维持初始值，而 隧道正上方的和下方测点处的土压力随着盾构掘进 变化。当刀盘距离监测断面2环以外位置时，土拱 扰动空间为隧道周围1D (Z ) = 6.2 m ，为隧道直径）范 围，当刀盘距离监测断面1环时，深埋盾构掘进所产 生的被动土拱扰动影响扩大至1.5£»范围。
-土仓压力实测值
-土仓压力实均值
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盾构靠近
’盾构穿越
，盾尾 ^脱出
1
■ 1
1
15 -10
-5 0 5 10
刀盘距离监测断面环数图4
盾构土仓压力取值
4 C h a m b e r pressure value of shield +掘进速度实测值 一-掘进速度均值
盾构靠近
屑构穿越雇尾脱出
"■----- , ,
^
-----T —r
15 -10 5 0 5 10
刀盘距离监测断面环数
图5
盾构掘进速度取值
Fig. 5 Tunneling velocity value of shield
表2盾构施工参数表
Table 2 Shield construction parameters
盾构参数
数值刀盘力矩/k N • m 832
刀盘转速/m h T 10.78
土砂房间土压（上）/k P a 124土砂房间土压（下）/k P a 245土砂房间土压（左）/k P a 220土砂房间土压（右）/k P a 222千斤顶速度/( m m • m i n _1 )18螺旋机自动设定土压/k P a 250螺旋机自动选择土压/k P a
253螺旋机出土量/%100盾构机出土量/%100加泥/注水压力/M P a 0.2油脂密封压力（内周）/M P a
0.01
续表2
盾构参数
数值
油脂密封压力（外周)/M P a
0.10尾巴油脂压力/M P a 0.4注浆压力/M P a 0.60注浆流量/(I . m i r f 1)
52注浆量/x 101
538
2深部土压全过程变化实测规律
2.1盾构刀盘靠近过程中的深部土压变化规律将监测断面测点数据连成曲线，得到725环断
面的竖直土压力。在盾构刀盘靠近监测断面过程 中，土压力变化比例如图6所示。
〇I
刀盘推进过程产生的土压力变化值
-7〜-6环=\ -65环 _5 .
X .
U U 1U -环 M 3环
\
刀盘距离725环不同环数土压力
环环环
-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
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2
2021年第1期
刘树佳，等：上海软土深埋盾构施工引起的土压时效规律分析
233
0.0 0.2 0.4
0.6 0.8
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
竖向土压力变化比例Pv /y //，//=21m
图7
盾构刀盘到达725环监测面全断面土压力实测值
Fig. 7 Measured earth pressure of 725 ring
monitoring ction w h e n shield closing
在软土深部地层中，土体在盾构扰动作用下会
发生相对位移，应力应变状态会进行重新调整，自 动达到新的平衡状态。土仓压力所产生的被动挤 压作用，使得深部地层土体挤密，将刀盘的作用力 传递到周围被动挤密区，形成被动土拱效应作用 区，从而阻止挤压作用向土拱以外的范围扩散，因 此被动土拱效应以内的深层软土压力发生较大变 化，而浅部地层软土并未产生扰动。
本试验中软土深部地层盾构掘进土仓压力按 照理论静止土压力取值时，会使得土拱范围内产生 20%的被动土压力增幅，土压变化空间为隧道周围 1.5D 的被动土拱范围。
2.2盾构壳体穿越过程中的深部土压变化规律
当盾构穿越监测断面时，上方土体所受作用力 由之前的被挤压、切削等作用，转换为由盾构机壳 产生的摩擦力作用。该过程对应的盾构共有5环, 为725~730环，对应的土压力监测值如图8所示。
通过图8可以得出盾构壳体穿越监测断面的 整个过程中，土体压力的变化趋势并不大，基本维 持原有的土拱扰动范围。靠近地表的3个测点处 土压力完全维持原有大小，而隧道正上方的和正下 方测点处的土压力随着盾壳的穿越产生微小波动。
盾构壳体穿越过程中，之前刀盘开挖挤密所形 成的被动土拱效应维持，深部地层土压力拱的形成 改变了盾构壳体对土体作用传递模式，盾构周围土 体挤密区发挥良好的受压性能，承担盾构壳体穿越 以及盾尾脱出过程中所产生的被动挤压作用。因 此，盾构壳体产生摩擦力的影响范围只集中在盾构
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
竖向土压力变化比例P ,/ 7//,
m
图8盾构穿越725环监测断面全断面土压力实测值
Fig. 8 Measured earth pressure of 725 ring monitoring ction w h e n shield crossing
上方1.5倍Z )的土拱扰动范
围内。
且在被动土拱
扰动范围内，盾构壳体摩阻力对土拱范围内的土压 力的扰动并不大，所产生的土压力变化值增加幅度 较小。
盾尾注浆之后的过程对应的5〜10环数据，注 浆及浆液硬化过程的土压力变化如图9所示，被动 土拱范围内土压力的变化微小，基本维持稳定。盾 构注浆过程以及后期浆液硬化过程中的土拱效应 变化规律，主要取决于注浆量对盾尾空隙的填充 率。不同注桨量会使得土拱范围内土体产生不同 的主被动位移，从而影响土拱范围内的压力变化。 根据工程记录数据,725环注浆量为6 m \可完全 填充盾尾脱出所产生的空隙。
图9盾尾注浆时725环监测断面全断面土压力实测值
Fig. 9 Measured earth pressure of 725 ring monitoring
ction w h e n grouting at the tail of the shield
5
112I I
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s /—5 o
2
3
