您所在位置： &  &  &  大直径盾构隧道施工阶段管片上浮与受力研究.pdf 7页 本文档一共被下载： 次 ,您可全文免费在线阅读后下载本文档。 下载提示 1.本站不保证该用户上传的文档完整性，不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。 2.该文档所得收入(下载+内容+预览三)归上传者、原创者。 3.登录后可充值，立即自动返金币，充值渠道很便利 需要金币：100 && 大直径盾构隧道施工阶段管片上浮与受力研究.pdf 你可能关注的文档： ·········· ·········· 现代隧道技术 大直径盾构隧道施工阶段管片上浮与受力研究 MODERN 叽JNNELL削GTBCHNOLOGY 文章编号: ( D01: 10.13807/ki.mu.20 16 .ü3.0 13 大直径盾构隧道施工阶段管片上浮与受力研究 (1 中南大学土木工程学院，长沙 410075 ; 2 铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142) 摘 要 基于对大直径盾构隧道施工阶段管片上浮原因的分析， 文章对长沙市南湖路湘江公路隧道典型管片 断面上浮情况进行了介绍。 基于此，对管片截面进行力学分析，结合弹性力学方法并考虑管片在上浮力作用下对上 覆浆液体或土体的压缩作用，计算得到管片最终上浮量。 通过对上浮计算参数敏感性分析，得出地质条件、浆液质 量、螺栓剪力、千斤顶残余分力等计算参数对管片最终上浮量的影响。 之后，基于工程实例验证了上浮量计算公式 的合理性， 反推得到了管片截丽所受上浮力。 最后， 基于研究结论与工程实践， 提出了有针对性的抗浮措施。 关键词 大直径盾构隧道管片上浮土体压缩敏感性分析 中图分类号:U455.43 文献标识码: A 上浮的重要原因 管片受上浮力后，其结构受力与正常状态相比 今 在城市修建公路盾构隧道穿越江海、湖泊时，由 有较大差别 魏纲&采用修正惯用法对比研究了管 于线路设计限制、交通流量大等原因，隧道埋深较浅 片在正常设计阶段与上浮状态下受力的不同，在上 且断面较大 以往实测资料表明:大直径盾构隧道 浮状态下管片结构的弯矩、剪力及轴力都有大幅度 在施工阶段管片脱出盾尾后，容易发生上浮现象 f7以上海长江隧道工 增加，对结构受力不利; Talmon 管片受力上浮将引起隧道输线偏移、管片锚台与破 程为例，比较分析了两种纵向梁计算模型，得出在施 损、环间螺栓剪断以及惨漏水等安全事故的发生，严 工阶段考虑上浮状态时隧道管片纵向受力的精确计 重影响隧道施工与运营安全 18 等通过管片材砌整环试验模拟了 算结果;黄忠辉 正在加载中，请稍后...您的位置： > 盾构法隧道抗浮研究 作者：杨方勤,林家祥,袁勇&&发布：&&浏览： 单位：同济大学土木工程学院地下建筑与工程系 要：本文分析了隧道上浮稳定机理，建立了盾构隧道上浮纵向与横向计算的理论模型，并进行工程实例验算，最后根据验算结果提出了隧道抗浮的施工技术措施。his paper analyzes the mechanism of the tunnel stability. A calculation model is established to investigate one certain tunnel’s uplift. In analysis, safety criteria of structural lining are verified in terms of tunnel deformation, structural strength of lining, and deformation at segment joints. Finally, relevant construction technological measures are suggested against tunnel uplift for shield tunneling. 盾构隧道施工时，盾构机内管片脱出盾尾的同时需及时充填盾构外壳和管片之间的建筑空隙，以防周围土体移动导致大的地面沉降，为有效填充建筑空隙，必须使用性能良好的浆液，该类浆液不但应具有流动性，还应具有一定的早期强度，良好的浆液还应使隧道在浮力作用下不被破坏。& 上海某盾构隧道管片脱出盾尾后即因上浮力过大而发生螺栓螺帽部位被剪断事故，鉴于隧道在单液浆中上浮影响因素较多，传统计算隧道在浆液中浮力公式不再适用，且现有规范对该类上浮计算并未给出计算模型与公式，而发生上浮破坏的结构也较难修复，本文结合文浆液上浮模型试验结果与的管片力学试验结果，首先分析了影响隧道上浮因素，建立了盾构隧道上浮稳定性研究的理论分析模型，进行盾构隧道上浮力作用下强度与刚度验算，最后根据计算结果提出了隧道抗浮施工措施。 2&&隧道上浮稳定机理分析 2.1&&同步注浆浆液体强度与隧道早期稳定性研究 刚脱出盾尾的管片所受浆液的浮力最大，之后随着盾构的推进，管片周围浆液逐渐固化，强度也随之增大，管片所受浮力减弱，假设n天后浆液强度达到土体强度，管片受浆液浮力较小，如图1所示。 图1 &隧道上浮力与弹簧系数的关系 2.2&&盾构推进速度对隧道浮力影响 假设长江隧道盾构推进速度为v，时间t后浆液强度达到土体强度，随着浆液强度变化，隧道所受浮力q也在变化，如图2所示，因此，距离盾尾L=&t处，管片上浮力为时间函数，即q＝F(t)，区域从盾构机尾部开始，隧道所受上浮力合力为Q，其计算式详见式（1）。 图2 &管片所受浆液浮力& 从式（1）可以看出，当&增大时，同一时间点t，上浮力作用范围加大（L加大），上浮合力将增大，因此，为有效减小隧道上浮力，必须严格控制盾构推进速度。 2.3&&盾构隧道上浮计算模型 （1）纵向计算模型 1）模型简介 纵向计算模型采用弹性地基梁，如图3所示，该模型以梁单元模拟衬砌环，以土体与浆液体等价弹簧来模拟土体与隧道之间的相互作用，隧道本身采用等价抗拉压刚度（EA）eq与抗弯刚度（EI）eq，作用在隧道上得浮力q通过模型试验确定。 图3 &纵向计算模型图 2）等效弹簧系数与等价刚度的确定 假设浆液体压缩模量变化与其强度变化成正比，由土体变形模量与浆液体变形模量计算出土体与浆液体的等价弹簧系数，如图4所示。由于浆液变形模量随着时间在变化，故由其推导出的土体弹簧系数也随时间变化，其计算公式为： 图4 &等效弹簧系数示意图 &图3中梁等价刚度(EA)eq与(EI)eq，其计算公式为： 地基梁左端绞支以模拟盾构机对管片的约束，纵向计算模型得出剪力Q用于横向计算模型。 （2）横向计算模型 1）模型简介 作用在隧道上的上浮力与同步注浆体的比重、强度的增长速度以及衬砌本身的几何形状、自重等有关，如图5所示，盾构脱出盾尾后，作用在刚脱出盾尾的管片和尚停留在盾构机内的衬砌圆环之间会产生较大的剪力Q。 图5 &管片脱出盾尾后力学简图 如图5所示，千斤顶合力P＝(q1+q2)A/2&=&K0ghA；衬砌圆环间摩擦力F＝mP；纵向螺栓抗剪合力S采用“上海长江隧道衬砌结构整环试验隧道上浮工况试验”结果；隧道上浮产生的衬砌圆环间剪力Q由隧道纵向抗浮数值计算给出；隧道实际发生的上浮力N＝Q－F；若N≤S，隧道抗浮安全；若N≥S，隧道抗浮不足，需采取构造措施。 式中 &g——盾构正面土的平均重度； A——盾构机开挖面的面积 K0——侧向土压力系数； m——衬砌圆环间的摩擦系数。 隧道上浮横向计算模型采用可考虑环向与纵向接头刚度，可考虑混凝土非线性，钢筋的配置等的梁－弹簧计算模型，其中一环顶部约束以模拟盾构机对其约束作用，另一环下半环施加实际均匀上浮力，两环能考虑错缝效果，而实际施工时大部分管片空间组成形式也为两到三种，故两环能反映实际施工管片排版，空间上第二环在第一环基础上旋转一定角度。 2）接头弹簧系数确定 梁－弹簧模型主要是用于模拟错缝拼装的衬砌环的荷载效应，衬砌环被简化为曲梁，如图6所示，将衬砌环的纵缝接头考虑为具有一定刚度的回转弹簧，回转弹簧取值需通过试验或数值计算确定，由于试验数据并未获得，参照式（7）、式（8）取值： 图6 &梁-弹簧模型计算简图 相邻衬砌环（A环和B环）之间的剪切相互作用力考虑为径向和切向剪切弹簧，参照式（9）～式（11）取值： 横向计算模型可计算出管片收敛变形，接头变形，螺栓应力等，进而进行强度与刚度校核。 3&&&隧道抗浮分析工程应用 3.1&&工程简介 某隧道衬砌外径6.8m，内径5.84m，厚度0.48m，环宽1.5m。衬砌环由6块管片组成，采用错缝拼装，管片混凝土强度等级C55，最小覆土厚度为7.23m。最浅覆土位于盾构出洞段施工阶段，该覆土段也是该隧道抗浮研究的关键段。 3.2&&浆液固化体强度分析 该隧道同步注浆浆液为可硬性单液浆，成份为石灰、粉煤灰、膨润土、砂、添加剂与水等。注浆后的前期浆液为可流动，后期强度较高，其密度为18kN/m3，同步注浆浆液固化体早期强度如表1所示。 表1 & & 同步注浆固化体强度 由表1中数据可以看出，单液同步注浆3d的抗压强度已达到0.059MPa，与隧道浅覆土区土体（④号土）无侧限抗压强度相当（无侧限抗压强度为50kPa）。因此，可以认为管片在脱离盾尾3d后，浆液作用在管片上的浮力可以忽略不计。 3.3&&&纵向计算分析 （1）上浮力的确定 隧道在浆液中受到重力，浮力以及摩阻力的作用，鉴于实测浮力较难，可将浮力，摩阻力的合力约定为广义浮力，而实测的即为该广义浮力，鉴于该隧道施工所使用浆液同上海长江隧道施工所使用的浆液类似，本研究借助笔者在上海长江隧道抗浮1:20模型试验中得出的试验数据为基础，推算出该隧道上浮力系数随时间变化的规律与数值，如图7所示。 &图7 &上海长江隧道模型试验实测浮力与在水中浮力比值 通过图7数据拟合公式，换算该隧道上浮力，限于篇幅，不一一罗列。 （2）等价刚度与等价弹簧系数的确定 由式（4）～式（6），可计算出(EA)eq与(EI)eq，&由式（2）、式（3）可计算出土体弹簧系数，限于篇幅，仅列出弹簧系数，如表2所示。 表2 &弹簧系数 （3）计算结果 若每天施工8环管片，假设拼装时间加换管时间与推进时间相当，盾构推进速度约17mm/min，则距离盾构尾24环处隧道上浮力可忽略，图3中L1取36m，L2取180&m，将3.3的（1）中计算的浮力与3.3的（2）中计算的刚度以及弹簧系数带入图3的模型中，采用软件Abaqus计算，结果如图8，管片间剪力为2395kN，根据2.3的（2）中①的公式，算出管片间摩擦力1458kN，则作用在管片上的实际上浮力为936kN。&管片的水平向和垂直向的变形如图9、图10所示。 图 8 & 剪力计算结果 图9 &管片水平向变形 图10 &管片垂直方向变形 以此方法，验算隧道出洞处覆土深度为7.23m在隧道施工速度8环/d与10环/d时的实际上浮力和验算结果。验算结果表明：在隧道出洞段附近，只有控制每天施工8环/d以下时，管片能满足抗浮要求，其上浮力相对于由管片试验得到的纵向螺栓的抗剪强度而言，安全系数为2.47。 3.4&&横向计算分析 （1）弹簧系数的确定 回转弹簧与剪切弹簧参照2.3的2）中②的表达式（7）～式（11）计算，限于篇幅仅列出剪切弹簧系数，如表3所示。 &表3 & & & &剪切弹簧系数计算 2）计算分析 在隧道的进出洞段，由于洞圈内管片受洞圈的部分约束，出洞段管片和洞圈内管片之间会产生很大的剪切力，而且出洞段一般覆土深度很浅，盾构千斤顶推力产生的摩擦力也小，所以由于隧道上浮发生的管片间的剪切力就相对较大，采用3.4中（1）中弹簧参数，利用2.3的2）中①的梁－弹簧计算模型，将3.3的（3）中纵向计算模型得出剪力936kN浮力均匀地作用在其中一个环的环周上，计算软件采用Abaqus，部分计算结果如下： 以“上海长江隧道衬砌结构整环试验隧道上浮工况试验”中得到的允许值的作为参考标准，通过结果整理可以得出实际上浮力936kN作用下的最大收敛变形为21mm，基本控制在3‰D的允许值范围内；隧道接头张开量最大值为0.27mm，而设计允许值为4.0mm；实际上浮力在936kN时，管片环间发生的最大错动量3.6mm，小于允许错动量4.0mm；实际上浮力在936kN时，管片环间发生的最大剪切力76kN，小于允许剪切力144kN。分析表明，隧道施工速度8环/d，结构安全能得到保证。 本文研究了隧道上浮稳定机理，建立了横向与纵向隧道上浮计算模型，进行了数值计算及进行相应的隧道安全性验算，分析表明，为有效减小隧道上浮力，必须严格控制盾构推进速度，在该隧道施工中采用单液同步注浆，每天施工8环管片，能够满足隧道在上浮力作用下满足强度与刚度的要求，隧道施工还应注意： （1） 同步注浆浆液龄期3天屈服强度必须满足0.059MPa；并根据实际情况，尽可能提高浆液的早期强度。 （2） 该隧道盾构穿越浅覆土时，建议设计带剪力销的衬砌，并控制每天施工8环管片，盾构推进速度约17mm/min，同时施工中加强隧道收敛变形监测，若变形过大（超过容许值），建议推进速度降低、将管片间接头利用钢板焊接，盾构机车架内或隧道内堆一定数量重物以抵抗其上浮。 作者感谢国家高新技术支持项目（863项目）&(No.&)与上海隧道工程股份有限公司技术中心提供的试验数据。摘自《地下工程建设与环境发展》 隧道网版权及免责声明： 凡本网注明“来源：隧道网”的所有作品，版权均属于隧道网，未经本网授权，不得转载、摘编或以其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的，须在授权范围内使用，并注明“来源：隧道网”。违反上述声明者，本网将保留追究其相关法律责任的权利。凡本网来源注明为非隧道网的作品，均转载自其它媒体，转载目的在于传递更多信息，该文章仅代表作者观点，并不代表本网赞同其观点或对其真实性负责，请读者自行核实相关内容，仅作参考。如因作品内容、版权和其它问题请与本网联系。 (回复限1000字以内！) 隧道书馆海量文档 汪德珍 编译 李海，朱长松 汪德珍 编译 2017年第 3 期 盾构隧道科技2017-3 新鲜出炉啦! 是隧道行业最具影响力的行业门户网站之一，集行业媒体、技术交流、软件服务等多种服务属性于一体。隧道网致力于为业主、设计施工单位，材料设备商、工程技术人员提供专业服务，搭建隧道人士交流与合作的平台，力求打造隧道行业最具影响力和权威性的门户网站。 隧道网手机版 隧道网微信公众号(window.slotbydup=window.slotbydup || []).push({ id: '2014386', container: s, size: '234,60', display: 'inlay-fix' &&|&&0次下载&&|&&总211页&&| 您的计算机尚未安装Flash，点击安装& 阅读已结束，如需下载到电脑，请使用积分（） 下载：70积分 0人评价32页 0人评价21页 0人评价31页 0人评价36页 0人评价33页 所需积分：（友情提示：大部分文档均可免费预览！下载之前请务必先预览阅读，以免误下载造成积分浪费！） （多个标签用逗号分隔） 文不对题，内容与标题介绍不符 广告内容或内容过于简单 文档乱码或无法正常显示 文档内容侵权 已存在相同文档 不属于经济管理类文档 源文档损坏或加密 若此文档涉嫌侵害了您的权利，请参照说明。 我要评价： 下载：70积分当前位置： >> 大断面盾构隧道施工抗浮计算研究-地下空间与工程学报-2007 　 第 3卷 　 第 5期 2007 年 10 月　　 地下空间与工程学报 　　Chinese Journal of Underground Space and EngineeringVol . 3 　　 Oct . 2007 　大断面盾构隧道施工抗浮计算研究叶　 飞1, 2
3, 朱合华 , 丁文其 , 曲海锋 , 李 　 鹏2. 长安大学公路学院 ,西安 　710064 )1111( 1. 同济大学地下建筑与工程系岩土工程重点实验室 ,上海 　200092;摘　 要 : 基于大断面盾构隧道施工中经常碰到的上浮问题 ,首先讨论了盾构隧道施工中管 片上浮的原因 : 水 、 注浆所用浆液 、 泥水盾构所用泥浆等所产生的浮力 ,以及建筑间隙的存在 、 施工过程对上覆土的扰动等 ,都可能是盾构管片上浮的原因 。进而对盾构隧道抗浮问题进行 了计算分析 ,在上覆土荷载及管片自重荷载之和小于管片所受浮力的情况下 ,重点考虑了邻接 管片对上浮管片的约束作用 (管片环间的摩阻力以及管片纵向连接螺栓自身的抗剪切能力 ) , 以及剩余力对上覆土产生的压缩效应 。分析结果表明 : 隧道上浮问题的产生与否不仅与管片 自重 、 上覆土荷载以及受到的浮力大小有关 ,也与管片本身特性有关 ; 隧道抗浮控制既可以从 改善上覆土性能 ,增加上覆土厚度入手 ,也可以从改善管片自身受力性能入手 , 诸如增加纵向 螺栓数量 、 加大螺栓直径 、 加大螺栓紧固力 、 设置剪力键等 。 关键词 : 大断面 ; 盾构 ; 隧道 ; 抗浮 ; 管片 中图分类号 : U455. 43 　　 文献标识码 : A 　　 文章编号 : 6 ( 2007 ) 05 2 YE Fei , ZHU He 2hua , D I N G W en 2qi , QU Hai2feng , L I Peng1, 2 1 1 1Ana lysis on An ti2Buoyancy Cacula tion In Excava tion of B ig Cross2Section Sh ield Tunnel2. H ighw ay College of Chang ’ an U n iversity, X i’ an, 710064 )1( 1. D epa rtm en t and Key L ab of Geotechn ica l Eng ineering, Tong ji U n iversity, S hangha i, 200092;Abstract: Segments floating is a main p roblem often met in shield tunnel excavation. The reasons of shield tun2 nel segments floating are discussed first, including the buoyancy p roduced by water, grouts or slurry, the gap p ro2 duced by shield shell, and the disturbance p roduced by excavation to overburden soil, etc. Then, the p roblem of re2 sisting the segments floating of shield tunnel is analyzed. In the analyzing p rocess, both the restriction force of neigh2 boring segments on the floating segments ( including the friction betw een segment rings and the shearing resistance of longitudinal bolts) and the comp ression effect of Remain - Force on overburden soil are taken into account, in the case that the general weight of overburden and segments self - weight is s maller than the buoyancy . The analysis re2 sult indicates that the p roblem of shield segments floating is concerned w ith the self - weight of segments, overburden , the buoyancy, and the characteristics of the segments . To control the segments floating of shield tunnel, the meth2 ods not only include imp roving the quality of covering soil, increasing the thickness of covering soil, but also include imp roving the mechanical characteristics of the segments, such as adding the number of longitudinal bolts, enlarging their diameters, increasing their fastening force, and setting shearing force bond, etc. Keywords: big cross2 anti - tunnel segments1　 引言自日本东京湾海底隧道创下当时断面世界之最之后 ( 1989 - 1997,其盾构掘进机的直径为 14. 14 m ) ,掘进机的直径实现了一次又一次超越 : 1997 年 6 月 ,日本营团地铁 7 号线采用直径 14. 18 m 的3收稿日期 : 2 15 (修改稿 ) 作者简介 : 叶 　 飞 ( 1977 2) ,男 ,陕西石泉人 ,博士研究生 ,主要从事隧道工程相关理论与技术研究 。 E 2 mail: xianyefei @ sohu. com850地 下 空 间 与 工 程 学 报 　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 3卷超大型断面泥水盾构掘进机掘进 ; 1997 年 10 月 , 德国易北河第四隧道投资建设 ,所用掘进机直径达 14. 2 2001 年 11 月 ,当时全球最大的隧道“ 绿心 隧道 ( Green Hart) ” 开始掘进 , 所用泥水平衡盾构 掘进机直径达 14. 87 m , 当时号称为史无前例的巨 型设备 ; 2005 年 6 月 ,上海徐浦大桥和卢浦大桥 之间的上中路隧道盾构掘进机下井调试 ,其直径为 14. 87 m (所用盾构机为 Green Hart工程用过的盾 构机改装而成 ) ; 拟建的上海崇明越江隧道和南京 过江 隧 道 , 盾 构 掘 进 机 直 径 分 别 为 15. 47 m 和14. 93 上海磁悬浮过江隧道盾构机直径也超过 15 m。[1]2. 1 　 水浮力作用大断面盾构在饱和土中掘进时 ,受到较大的水 浮力作用 ,若水浮力大于上覆土的浮容重及管片自 重 ,此时 ,由于上部压载及自重无法抵抗地下水引 起的浮力 ,从而使隧道上浮 。2. 2 　 泥浆后窜特大断面盾构隧道施工采用泥水盾构居多 ,为 保持开挖面的稳定 ,需要用较大的泥水压力与切口 处的水 (土 ) 压力保持平衡 , 可能会造成泥浆向隧 道后方流窜 ,从而会产生较大的浮力 , 造成隧道上 浮。 2. 3 　 注浆所致 当管片脱离盾尾时 ,若同步注浆的浆液不能达 到初凝和一定的早期强度 ,隧道被包围在壁后注浆 的浆液中 ,受到浆液的浮力比在饱和土中受到的水 浮力要大 。此时 ,在这种大浮力作用下很容易产生 [2] 上浮现象 。 2. 4 　 地基回弹作用 盾构机的推进挖出土方会导致地基卸载 ,从而 还产生地基回弹作用 。通常情况下 ,这种回弹作用 和水浮力或者浆液浮力共同形成了盾构的上浮作 用力 。但考虑盾构推进时产生的地层损失与地基 回弹对隧道影响的抵消作用 ,抗浮计算中可不考虑 [3] 地基回弹作用 。 2. 5 　 上覆土的反向压缩 事实上 ,如果盾构隧道受到向上的浮力 (或者 浮力与地基回弹力共同作用 ) 大于管片自重时 , 就 会产生一个向上的作用力 。此时 ,不管上覆土的重 量是否大于该作用力 ,都会对上覆土的被扰动部分 产生反向压缩作用 ,而土作为多颗粒介质必然会产 生一定的压缩变形 ,造成隧道上浮 。 2. 6 　 建筑间隙的影响 依据盾构工法的特性 : 开挖直径 D &盾壳外径 D0 &管片外径 d,于是 ,管片脱离盾壳以后 , 在管片 与土体间形成了暂时的建筑间隙 4 = D - d , 该 间隙若不能及时有效填充 ,依据周围土体本身地质 条件的不同会产生几种结果 : 上覆土的整体下沉 ; 上浮土的局部松弛 ,进而下沉 ; 管片产生上浮 。[4]特大断面盾构隧道施工技术在近几年取得了 长足进步 ,但仍面临着诸多风险和难题 , 尤其是当 隧道位于水下且埋深较浅时 , 抗浮问题十分突出 。 隧道管片的局部上浮会带来一系列连锁反应 : ( 1 )因为局部管片的上浮造成管片间的错台 , 进而使纵向连接螺栓受剪 , 产生管片裂缝 , 严重时 会剪断纵向连接螺栓 ,致使结构破坏 。 ( 2 )管片的错台 、 裂缝以至螺栓的剪断会造成 管片防水结构的破坏 , 致使渗漏水的发生 , 若措施 采取得不及时 ,在某些地层中会造成流沙 、 管涌等 严重事故 。 ( 3 )上覆土在自身重力与管片上浮力的共同 作用下 ,产生局部压缩 、 裂隙甚至形成贯通裂缝 ,致 使某些不透水地层成为透水层 ,且上覆土也受到浮 力作用 ,相当于减小了上覆荷载 , 造成隧道管片的 进一步上浮 。 ( 4 )因管片上浮造成的上覆土裂缝会造成同 步注浆的浆液外流 , 大大增加同步注浆的注浆量 , 而且 ,裂缝中水的补给会造成浆液凝固困难 , 致使 上浮问题处理困难加大 。 ( 5 )盾构掘进的推力是由千斤顶顶在管片上 提供的 ,局部管片的上浮 , 造成盾构推进施工中的 上浮管片与临近管片的偏心受力 ,使得管片内力的 重新分布 ,严重时会造成管片裂缝以至破坏 。 ( 6 )因局部管片上浮造成的纵向连接螺栓受 到的剪力会传递到邻近管片上 ,同样造成管片内力 的重新分布 ,严重时造成管片裂缝或者破坏 。3　 特大断面盾构隧道的抗浮计算忽略盾构隧道受到的围岩侧向摩阻力作用 ,盾 构隧道管片受力简图如图 1 所示 , 图中 : P 为上覆 土荷载 ; F为浮力 ; G为管片自重 。 2 管片所 受 浮 力 F = πR0γj , 管 片 自 重 G =2　 盾构隧道上浮原因探讨盾构推进施工中的管片上浮问题是由多种因 素作用产生的 ,包括管片受到的浮力 、 施工扰动 、 建 筑间隙等 。2007 年第 5 期 　　　　　　　　　　　 叶　 飞 ,等 : 大断面盾构隧道施工抗浮计算研究851图 1　 盾构抗浮受力计算简图Fig . 1 　Anti2buoyancy analysis model图 3　 受浮段管片错动上浮分析模型Fig . 3 　Analysis model of segment floatingπ ( R - R i )γ γ′ 。其中 , R0 c ,上覆土荷载 P = 2R 0 h γ 为管片外径 , R i 为管片内径 , j 为浆液容重 (考虑 水浮力时即为水的容重 ,考虑泥浆浮力时即为泥浆 容重 ) , h为上覆土厚度 , γ ′ 为上 c 为混凝土容重 , γ 覆土的浮容重 (此处是将上覆土考虑为透水层 , 若 为不透水层则为土的容重 γ ,此时水深也作为上覆 荷载作用在隧道上 , 一般不会存在上浮问题 。但 是 ,考虑到盾构掘进对土体的扰动作用 , 会造成不 透水层的局部透水 , 用土体的浮容重计算偏于安 全 )。3. 1 　 管片与上覆土重力之和大于浮力时 当 G + P & F ,即满足式 ( 1 )时 ,若忽略建筑间2 02擦系数 。此时 ,若 : ( 1 )若 P + G + f & F 时 ,即上覆土厚度 h满足 式 ( 2 )时 , 若忽略建筑间隙作用及施工扰动作用 , 认为不会产生管片上浮 (若要考虑到建筑间隙和 施工扰动的效应 , 此时管片仍然有可能产生上浮 的 ,本文不重点讨论此问题 ) 。c2 2 πR2 0γ j - π ( R 0 - R i )γ c -∑Ni =1ik ( 2)h &2R0γ′隙及施工扰动效应 ,则不存在隧道上浮问题 : 2 2 πR2 0γ j - π ( R 0 - R i )γ c ( 1) h & 2R0γ′ 3. 2 　 管片与上覆土重力之和小于浮力时 受浮力最大的管片即刚脱离盾壳并进行同步 注浆后 ,浆液尚未初凝达到一定强度的管片段 (图 ) 。将该段管片取出考虑 (取 2 中的“ 同步注浆段 ” 3 环 ) ,并考虑与邻接管片间的摩阻力 f 的作用 ,受 力图如图 3 所示 。　　 ( 2 )若 P + G + f & F 时 ,受浮力作用部位的管 片会对上覆土产生一个向上的作用力 。本文中 ,将 该作用力定义为剩余力 ,记为 FR (其值为 F - G - f - P ) ,在剩余力的作用下上覆土将产生压缩 、 位移 乃至隆起 。在分析上覆土受剩余力作用时 ,将管片 与上覆土间接触的有效宽度按 90 ° 圆心角考虑 (如 [5] 图 4 所示 ) 。图 4　 剩余力对上覆土的作用的有效宽度Fig . 4 　Effective w idth of remain - force action由图 4 可以看出 :B =2 d = 2R 0 2( 3)图 2　 盾构施工简图Fig . 2 Sketch of shield tunnel constructionc　　 取上覆土进行受力分析 ,进而进行压缩量的计 算 , 受力简图如图 5 所示 。运用地基基础沉降公 [6] 式 ,可用公式 ( 4 )计算上覆土的压缩量 。1 -μE02f = N k = cN i k (或 =∑Ni =1ik), s =其中 , c为管片环间纵向螺栓的数量 , N i 为每 个环间纵向螺栓施加的紧固力 , k 为管片环间的摩ωbp0( 4)式中 , s为上覆土的压缩量 ; E0 为上覆土变形模852地 下 空 间 与 工 程 学 报 　　　　　　　　　　　　　　　　　 第 3卷式 ( 10 )所算上覆土厚度为极限最小上覆土厚度 , 即纵向连接螺栓不被剪坏的情况下的覆土厚度 。 若不允许纵向连接螺栓受到剪力作用 ,其上覆土厚 度需满足公式 ( 11 ) 。2 πR2 γj - π ( R2 0 0 - R i )γ c -∑N k i i =1c2 sp E0 l0 R02 (1 - μ )wb图 5　 上覆土受剩余力作用简图Fig . 5 Sketch of the overburden soil bearing the remain 2forceh &2R0γ′( 11 )量 ; μ为泊松比 ; b 为计算受浮管片环的有效宽度 B (见图 4 )或长度 l0 : 当 B & l0 时 ,取 l0 ,反之取 B ,本文涉及本参数的公式中均取单位长度 l0 = 1m , 即 b = 1m; ω为沉降影响系数 ,可由专用表查得 ;FR FR p0 = = B A l03　 工程实例分析3. 1 　 工程设计 、 土性及相关参数某大断面越江盾构隧道管片外径 14 500 mm , 内径 13 300 mm ,环宽 2 000 mm ,管片厚度 600 mm , 管片容重取 25 kN /m , 管片间的摩擦系数取 0. 6; 纵向采用 M30 双头螺栓 ,每个环向接头断面 38 根 纵向螺栓 ,其预紧力暂取为 2 kN , 抗剪强度值取为175 M Pa; 江心浅埋段覆土层为淤泥质粉质粘土 ,饱3　　 因为管片安装以后 ,螺栓与螺栓孔壁之间有一 [7] 定距离 ,一般有 5mm 左右 ,这个距离允许管片环 受不均匀力之后 , 发生一定的错台 , 本文记为 sp , 当错台量达到该允许距离 sp 之后 , 螺栓就要受到 剪切作用 。当运用公式 ( 4 ) 求得的 s & sp 时 ,管片 虽然在浮力作用下有所上浮 , 但仍然是安全的 , 纵 向螺栓未受到剪力作用 ; 而当 s & sp ,即剩余力 FR 满足式 ( 5 )时 ,纵向连接螺栓将受到剪力作用 :FR & sp E0 l0 B ( 1 - μ )ωb sp E0 l0 B ( 1 - μ )ωb2 2和重度 = 17. 7 kN /m , 泊松比取 0. 4, 变形模量取 为 4 M Pa; 注浆浆液容重取 12. 5 kN /m 。3. 2 　 抗浮计算33依据 3. 1 所给各项结构及土性指标 ,各项计算 参数取值分别为 : R0 = 7. 25m; R i = 6. 65m; γj =12500N / γ ′= 17700N / N i c = 25000N / γ = 2000N; k = 0. 6; c = 38; sp = 0. 005m; E0 = 4. 06 × 10 Pa; l0 = 1m; μ = 0. 4; ω = 2. 12; A b = n ? 2 2 0. 015 × 3. 14 = n?0. 0007065m ( n为计算受剪螺 8 栓的根数 ) ; [τ] = 1. 75 × 10 Pa。 3 3 3( 5) ( 6)记FR 0 =　　 纵向螺栓受到的剪力 Fs 为式 ( 7 )所示 ,所以此 时的抗浮计算则可考虑为螺栓受到的最大剪应力 小于抗剪强度 ,即满足式 ( 8 ) 。 ( 7) Fs = FR - FR 0Fs Ab & [τ] ( 8)若需满足纵向螺栓不受剪力作用 , 可依据式 ( 11 )计算最小覆土厚度 , 将各参数值代入式 ( 11 ) 得最小覆土厚度 h = 4. 86m。 若考虑到螺栓的抗剪作用 , 按式 ( 10 ) 计算最 小覆土厚度 (本文暂取 2 根进行计算 ,即取 n = 2, 认为有两根纵向螺栓受力最大 , 最先被剪坏 ) , 得 到最小上覆土厚度 h = 3. 90m式 ( 8 )中 , A b 为管片环间纵向连接螺栓的计算面积 (其取值值得进一步研究探讨 , 因为各螺栓受到的 剪力大小分布与管片的环向刚度有关 ) , [τ] 为螺 栓的允许抗剪强度 。 结合式 ( 7 ) 、( 8 ) , 以及上文的分析 , 得到大断 面盾构隧道抗浮控制公式 ( 9 )或者 ( 10 ) 。2 sp E0 l0 R 0 2 2 πR 2 γ′ N i k - 2R 0 h 0γj - π ( R 0 - R i )γ c 2 (1 - μ )ωb i =1 Ab & τ [ ]4　 盾构隧道的抗浮计算及控制讨论盾构隧道上浮问题是水下隧道施工推进时常 常面对的问题 ,本文主要讨论了在上覆土重量和管 片重量之和小于上浮力的情况下 ,考虑邻接管片对 抗浮计算段管片施加的作用力 ,以及允许管片错台 范围内的上覆土的压缩所消耗掉的剩余力对抗浮 计算的影响 。计算中引入了地基沉降计算公式 ( 4 ) ,其适用性是值得进一步商榷的 。而且 , 因为 盾构推动对上覆土的扰动效应 ,以及管片脱离盾壳 时 ,因为盾壳厚度造成的管片与围岩间的暂时空∑c( 9)π γj - πh &2 R0( R2 02 sp E0 l0 R 0 - R i )γc N ik - 2A b τ 2 ( 1 - μ )wb i =1 2R 0γ′2c∑( 10 )2007 年第 5 期 　　　　　　　　　　　 叶　 飞 ,等 : 大断面盾构隧道施工抗浮计算研究853隙 ,还有施工中的同步注浆形成的综合效应等 , 这 些都造成在抗浮计算中所用到的上覆土的各种参 数与原始土体参数有较大变化 。 盾构隧道穿越江河时 ,总是不可避免经过浅埋 段 ,在确定浅埋段覆土厚度时 , 满足文中式 ( 1 ) 是 较为保险的方案 ,但此时仍然需要考虑掌子面的稳 定问题 。值得深入讨论的是 , 即使满足了式 ( 1 ) , 隧道也不一定绝对不会发生上浮效应 ,因为施工扰 动以及因盾壳产生的空隙 ,造成上覆土的一定高度 的松弛 ,此时 ,扣除掉管片重力和邻接管片的约束 力之后的上浮力会对松弛高度范围内的上覆土产 生一反向压缩效应 ,造成管片小量上浮和错台 。若 难以满足式 ( 1 )的覆土深度要求 , 可以根据本文的 分析按照式 ( 9 ) 、( 10 ) 、( 11 ) 来进行抗浮计算 。依 据本文分析 ,可以采用以下措施控制盾构隧道施工 中的上浮 ,限制或避免局部管片间的错台 : ( 1 )加大浅埋段上覆土的厚度 。 ( 2 )改善上覆土的性能 。可采用注浆等方式 改善上覆土的性能 ,使上覆土中形成一层不透水的 硬壳层 ,此时 ,江河水压力也作为一种上覆荷载作 用在隧道上 ,防止了管片上浮 。 ( 3 )改善浅埋段管片自身的受力性能 : 增加浅 埋段管片的纵向螺栓数量 , 加大螺栓直径 , 设置剪 力键 ,从而提高其抗剪性能 ; 在不影响螺栓正常使 用的情况下 ,加大螺栓紧固力 , 从而增大邻接管片 对上浮段管片的约束力 。 ( 4 )改善同步注浆的浆液质量 , 适当缩短浆液 凝结时间 ,让浆液行不成对管片向上的浮力 , 也是 盾构隧道施工抗浮的一个重要手段 。作用到了管片上 。否则 , 若考虑 4 的影响 , 认为管 片刚脱离盾壳时建筑间隙仍然存在 , 进而充满浆 液 ,此时就没有文中公式 ( 4 ) 部分 , 公式 ( 10 ) 也要 作相应修正 。 ( 5 )盾构掘进施工对上覆土的扰动无疑影响 到上覆土抵抗管片上浮的能力和效果 ,这在抗浮计 算中也是不可忽视的 , 在计算中 , 把上覆土容重按 浮容重考虑在一定程度上考虑了不透水地层受到 的扰动效应 ,但对于砂性土等透水地层 , 扰动对抗 浮的影响需进一步研究确定 。参考文献 :[1 ]　 周文波 . 盾构法隧道施工技术及应用 [M ]. 北京 : 中 国建筑工业出版社 , 2004: 4 - 17. 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( in Chinese ) )5　 结论( 1 )隧道上浮问题的产生与否不仅与管片自重、 上覆土荷载以及受到的浮力大小有关 , 也与管 片本身特性有关 。 ( 2 )隧道抗浮控制既可以从改善上覆土性能 , 增加上覆土厚度入手 ,也可以从改善管片自身受力 性能入手 ,诸如增加纵向螺栓数量 、 加大螺栓直径 、 加大螺栓紧固力等 。 ( 3 )纵向连接螺栓对剩余力造成的剪切力分 配问题值得进一步研究 。 ( 4 )本文的抗浮公式推导在考虑剩余力对上 覆土的压缩作用时 , 忽略了建筑间隙 4 的影响 , 即 认为管片脱离盾壳后 ,上覆土已经局部或整体下沉 盾构法隧道工程技术的开发及 在越江跨海和城市地下...法隧道工程技术在近 20 年来向大深度、大断面、长...隧 道抗浮、管片制作与拼装等;7.47km 的一次掘进...中隔墙对上海轨道交通 16 号线大断面盾构隧道的变形...某大型地下空间开发预留远期地铁站的设计与研究 29…...某深水斜坡式防波堤施工中预留沉降的计算方法 37……...复杂地质条件下超大断面过江盾构隧道总体施工技术方案 张焕城 陈健 南京长江隧道工程指挥部 一、工程概况 1、项目简况 南京长江隧道工程是连接南京市浦口区与河西新...11……铣挖施工技术在大断面软岩隧道施工中的应用 ...地面出入式盾构法隧道施工同步注浆工程应用研究 25…...王家湾车站结构新抗浮施工技术 2015 年 12 月 18 ...冻结法几个关键问题及在地下空间近接工程中最新应用...暗挖地铁车站大断面隧道施工过程的数值模拟研究 40…...新建地铁隧道上穿既有线结构抗浮加固效应计算分析 84...地面出入式盾构法隧道施工同步注浆工程应用研究 9…...矿山法扩挖盾构隧道修建大断面隧道施工技术 20……...关于“盾构隧道施工松动土压力计算方法研究”的讨论 ...法施工质量控制措施论文选题题目_交通运输_工程科技_...长距离缓坡斜井盾构法施工通风风量及负压计算研究 12...大断面铁路隧道塌方处理过程中初期支护结构安全评估 ...条盾构机施工隧道,在海底地下 4 处所作地下接 合...(6kg/m )的大断面盾构机,和通常的盾构机不相同的...结构同步施工, 解决盾构隧道施工 期间抗浮问题,并...内部空间上下分层的结构设计特点,设计了一种上下层隧道可单独、灵活、高效 的机械进风、机械排风通风方案,可有效适应城区大断面电力盾构隧道的通风, 可供类似工程...介绍了地下商场工程采用大断面 20m×6 m 盾构掘进...矩形隧道掘进机及施工技术研究及工程应用 1995 年 8...300m 地下商业街于 2007 年 5 月 1 日完成施工 ... 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