（岩土工程专业论文）盾构隧道垂直土压力松动效应的研究.pdf

摘要 摘要 2 1 世纪将迎来地下空间开发与利用的高潮。盾构隧道施工方法，作为一种环保、低 扰动、高效快速的城市隧道施工方法，将得到高速发展，成为地下空间开挖的主流方法 之一，在我国的发展前景非常广阔。而在盾构隧道施工中管片的投资一般占工程总投资 的3 0 4 0 ，是影响施工经济性和结构安全性的重要因素，因此安全、经济、合理地进 行盾构隧道衬砌设计具有重大的意义。 进行盾构隧道衬砌设计时的关键问题是合理地确定作用于管片上的土压力，它是衬 砌结构设计安全且经济的基本要求。其中垂直士压力影响到水平土压力和地基反力的确 定且是难以准确计算的荷载。垂直土压力的确定不仅与土体复杂的力学特性有关，而且 与盾构旖工引起地层位移的大小有关。准确地确定垂直土压力的关键是合理地评价隧道 上部士体的松动效应，但目前对盾构隧道垂直土压力松动效应的评价还存在争议。垂直 土压力的极限最小荷载称为松动土压力，当管片提供的反作用力大于此荷载时，隧道上 部土体能够保持稳定。本文研究的主要目的就是明确盾构隧道垂直土压力的松动效应， 从而能够合理地评价盾构隧道垂直土压力的松动效应，进而确定松动土压力的大小。 本文在室内挡板下落试验研究和二维颗粒流程序数值模拟的基础上，针对盾构隧道 垂直土压力的松动效应和松动土压力的问题进行了以下研究： ( 1 ) 设计了室内挡板下落模型试验装置，研究了箱内土体在不同密实度和不同埋 深的情况下，随挡板下移挡板上土体重量和箱内土体应力的变化规律。 ( 2 ) 研究了二维颗粒流程序中细观参数的变化对双轴数值试验应力一应变曲线的 影响，通过双轴数值试验和室内三轴试验结果的对比，确定了颗粒流模拟砂土的细观参 数。 ( 3 ) 对室内挡板下落试验进行了颗粒流模拟，验证了砂土颗粒流模型参数取值的 正确性和颗粒流模拟土拱效应的可行性。 ( 4 ) 对盾构隧道垂直土压力的松动效应进行了颗粒流模拟，分析了不同盾尾空隙、 不同埋深、不同直径和不同土体时管片上松动土压力、土体位移和土体内部应力的变化 情况。 ( 5 ) 探讨了砂土拱效应的形成机理，提出了改进的太沙基松动土压力计算公式， 对比了室内挡板下落试验和颗粒流数值模拟结果与改进公式计算的结果。 关键词：盾构隧道；垂直土压力；松动土压力；松动效应；土拱效应；挡板下落试 验；颗粒流模拟 a b s t m c t a b s t r a c t t h e2 1 s tc e n t u r yi st h ec e n t u r yi nw h i c ht h eu n d e r g r o u n ds p a c ew i l lb eg r e a t l yd e v e l o p e d a n du t i l i z e d s h i e l dt u n n e l l i n gc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，a sa l le n v i r o n m e n tp r o t e c t e d ，l o w p e r t u r b e d ，h i g h - e f f i c i e n ta n df a s tm e t h o di nu r b a nt u n n e l l i n gc o n s t r u c t i o n , w h i c hw i l lg e ta l l 1 1 i g h s p e e dd e v e l o p m e n ta n db e c o m ea so n eo ft h em a j o rt e c h n o l o g i e sa p p l i e di nt h e u n d e r g r o u n ds p a c ee x c a v a t i o n , h a sab r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c ti n0 1 1 1 c o u n t r y t h e i n v e s t m e n to fs e g m e n tg e n e r a l l ya c c o u n t i n gf o r3 0 - 4 0 o ft h et o t a lp r o j e c ti n v e s t m e n ti n s h i e l d t u n n e l l i n gc o n s t r u c t i o n , i sa ni m p o r t a n t f a c t o rt h a ti n f l u e n c e st h ec o n s t r u c t i o n e c o n o m i ca n dt h es t r u c t u r es e c u r i t y , s oi ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et od e s i g nt h es h i e l dl i n i n g s a f e l y , e c o n o m i c a l l ya n dr e a s o n a b l y t h ek e y p r o b l e mo f t h es h i e l dt u n n e ll i n i n gd e s i g ni st oc o n f i r mt h es o i lp r e s s u r eo nt h e l i n i n gr e a s o n a b l y i ti st h eb a s i cd e m a n dt od e s i g nt h el i n i n gs t r u c t u r es a f e l ya n de c o n o m i c a l l y t h ev e r t i c a ls o f tp r e s s u r ei n f l u e n c e st h eh o r i z o n t a ls o i lp r e s s r r ea n dt h es u b - 础l c a c t l o n $ c o n f n m a t i o na n di ti sd i f f i c u l tt oc a l c u l a t et h ev e r t i c a ls o i lp r e s s u r ea c c u r a t e l y t h ev e r t i c a l s o i lp r e s s u r eh a sac o n n e c t i o nn o to n l y 诵t i it h ec o m p l i c a t e dm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fs o i l b u ta l s ow i t ht h ed i s p l a c e m e n tc a u s e db yt h es h i e l dc o n s t r u c t i o n s o ，e v a l u a t i n gs f f a t u m s r e l a x a t i o ne f f e c ta c c u r a t e l yi st h ek e yt oc o n f i r mt h ev e r t i c a ls o i lp r e s s u r e ，b u tt h e r ea r ea l s o a r g u m e n t sf o ra p p r a i s i n g t ot h er e l a x a t i o ne f f e c to f v e r t i c a ls o i lp r e s s u r ei ns h i e l dt u n n e l l i n ga t p r e s e n t t h el i m i tm i n i m u m l o a do f t h ev e r t i c a ls o i lp r e s s u r ei sc a l l e dr e l a x a t i o ns o i lp r e s s u r e w h e nt h ec o u n t e r f o r c ep r o v i d e db yt h es l i c ei sg r e a t e rt h a nt h i sl o a d ，t h es t r a t u me , a ur e m a i n s t a b l e t h em a i np u r p o s e so ft h i sp a p e ra r ec l a d f y i n gt h ev e r t i c a ls o i lp r e s s u r e sr e l a x a t i o n e f f e c ti ns h i e l dt u n n e l i n g ，w h i c hi st h ep r e c o n d i t i o nt oa p p r a i s et h ev e r t i c a ls o i lp r e s s u r e s r e l a x a t i o ne f f e c ti ns h i e l dt u n n e l i n gr e a s o n a b l ya n dt h e nc o n f l r m i n gt h er e l a x a t i o ns o i l p r e s s u r e o nt h ef o u n d a t i o n so ft h ei n d o o rb a f f l ed r o pe x p e r i m e n ts t u d ya n dt h et w o - d i m e n s i o n a l p a r t i c l ef l o wc o d es i m u l a t i o n , i nt h i sp a p e r , r e s e a r c h e sw e r ed o n ea b o mt h er e l a x a t i o ne f f e c t o f v e r t i c a ls o i lp r e s s u r ei ns h i e l dt u n n e l i n ga n dt h er e l a x a t i o ns o i lp r e s s u r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t h ei n d o o rb a f f l ed r o pe x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d , a n dt h ev a r i e t yr e g u l a r i t i e so ft h e s a n d sw e i g h to nt h eb a f f l ea n dt h es a n d ss l a e s si nt h eb o xw i t ht h ed r o po ft h eb a f f l ei n d i f f e r e n tc o m p a c t n e s sa n dd i f f e r e n tb u r i a ld e p t hw e r es t u d i e d ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo nt h eb i a x i a lt e s ts t r e s s - s t r a i nc u r v ei nt h ep a r t i c l ef l o wc o d ew h e n m e s o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r si nt w o - d i m e n s i o n a lp a r t i c l ef l o w c o d ec h a n g ew a ss t u d i e d t h e m e s o m e e h a n i c a lp a r a m e t e r so fs a n ds i m u l a t e db yp a r t i c l ef l o wc o d ew e r ec o n f i r m e db y n a b s t r a c t c o m p a r i n g t h er e s u l to f i n d o o rt r i a x i a lt e s tw i t ht h er e s u l to f t h eb i a x i a lt e s t ( 3 ) t h ev a l i d i t yo ft h es a n dp a r t i c l ef l o wm o d e l sp a r a m e t e rs a m p l i n ga n dt h ef e a s i b i l i t y o fs i m u l a t es o i la r c h i n gb yp a r t i c l ef l o wc o d ew e r ep r o v e dt h r o u g hs i m u l a t i n gt h ei n d o o r b a f f l ed r o pt e s tb yp a r t i c l ef l o wc o d e ( 4 ) t h ev e r t i c a ls o i lp r e s s u r e sr e l a x a t i o ne f f e c ti ns h i e l dt u n n e l i n gw a ss i m u l a t e db y p a r t i c l ef l o wc o d e ，a n dt h er e l a x a t i o ns o i lp r e s s u r ei nt h el i n i n g ，s o i ld i s p l a c e m e n ta n ds o i l s t r e s sc h a n g ew e r ea n a l y z e do nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n ts h i e l de n ds p a c e ，d i f f e r e n tb u r i a l d e p t h , d i f f e r e n ts l i c ed i a m e t e ra n dd i f f e r e n ts o i lp r o p e r t i e s ( 5 ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs a n da r c h i n gw a sd i s c u s s e d ，t h ei m p r o v e dt e r z a g h i r e l a x a t i o ns o i lp r e s s u r ef o r m u l aw a s p u tf o r w a r d 1 n l ei m p r o v e df o r m u l a sc a l c u l a t i o nr e s u l t w a sc o m p a r e dw i t ht h er e s u l to f t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yp a r t i c l ef l o wc o d ea n dt h er e s u l t o f i n d o o rb a f f l et e s t k e yw o r d s ：s h i e l dt u n n e l ；v e r t i c a ls o i lp r e s s u r e ；r e l a x a t i o ns o i lp r e s s u r e ；r e l a x a t i o ne f f e c t ； s o i la r c h i n g ；b a f f l ed r o pt e s t ；p a r t i c l ef l o ws i m u l a t i o n n l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年3 月2 8 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ；2 0 0 7 年3 月2 8 日 河向大学硕 。学位论文 第一章绪论 2 1 世纪将迎来地下空间开发与利用的高潮。中国工程院院士王光远i l j 说：“丌发城 市地下空间，可节约宝贵的土地资源，保护自然生态环境，提高城市集约化程度，对战 争及地震灾害的防护等具有十分突出的优越性，有利于城市的可持续发展。2 1 世纪将是 城市地下空间建筑蓬勃发展的世纪，对地下空间领域的研究与开发，具有极其重要的意 义”。随着我国基础设施的大规模建设、西部大开发的进展以及北京申办2 0 0 8 年奥运会 的成功，我国的城市轨道交通工程、水利工程、市政工程、通讯工程以及南水北调、西 气东输等工程中将有大量的隧道需要建设。 由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制，使得传统的施工方法难以普 遍适用。盾构隧道施工方法，作为一种环保、低扰动、高效快速的城市隧道施工方法， 在我国的应用越来越广泛，在城市隧道( 如地铁隧道，污水排放隧道，引水、供水隧道， 江河湖海底隧道，电力、电讯、供气及共同沟工程等隧道) 建造中确立了一定的主体地 位，己成为地下空间开挖的主流方法之一。 而使用盾构法进行隧道施工的技术是一项新型的土木工程技术。虽然我国在盾构隧 道施工方面已经有了一定的成功经验和技术积累，但与日本及欧洲等国家相比，我国使 用盾构技术的历史较短，施工经验较少，因此在这一新技术的应用中出现了一些问题， 除盾构机械制造和施工控制管理等综合技术问题以外，在岩土工程领域内也存在许多尚 待解决的理论和技术问题，如隧道管片结构计算问题、盾构施工对周围环境的影响问题 和盾构施工过程中压力舱内士体的状态控制问题等。 为了下一步更好、更经济、更安全地使用盾构技术，对盾构技术在岩土工程领域内 存在的问题展开研究是非常必要的。 1 1 1 盾构法隧道的特点 1 1 盾构法隧道概述 盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进 行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动围岩而修 筑隧道的方法。盾构机是这种施工方法中最主要的施工机具，它是一个既能支撑地层压 力又能在地层中推进的钢筒结构体隧道掘进机。用盾构法修建的隧道称为盾构隧 道。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。所 谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。由于盾构一般使用于以土为围岩的隧道工 程施工中，与岩石围岩不同，土体不具有自立稳定性。所以保持开挖面稳定的系统( 盾) 第一章绪论 就非常重要1 2 】。 盾构隧道施工法适用于软土地区埋深大的隧道工程，可在不良地质条件下穿越江 河、湖泊、海底、地面建筑物和地下管线密集区的下部。与明挖法、浅埋暗挖法等其它 隧道施工法相比，盾构隧道施工法有以下特点： 除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又减少了对附近居 民的噪音和振动影响； 不对地面建筑物、地下埋设物、地下结构物和已有隧道产生不良影响： 机械化程度高，土方量较少，劳动强度低； 盾构机是适合于某特定区间的专用设备： 施工精度要求高； 盾构施工是不可后退的。 1 1 2 盾构法隧道的发展概况 盾构法由英国工程师布鲁洛( m i b r u n e l ) 于1 8 1 8 年发明，迄今已有1 8 0 多年的历 史，他是从观察蛀虫在木头中钻洞，从体内排出粘液加固洞穴的现象得到启发的。1 8 2 5 年首次用一个矩形盾构机修建英国伦敦泰晤士河下人行通道世界第一条水底隧道。 1 8 3 0 年劳德口切兰斯( l o r dc o c h r a n c e ) 发明了施加压缩空气的“气压法”以解决盾构 穿越饱和含水地层时涌水的问题。1 8 6 5 年巴尔劳( b w b a r l o w ) 首次采用圆形断面盾构， 以后这种断面成为盾构隧道的基本断面。1 8 7 4 年格雷塞德( j a m sh e n r yg r e a t h e a d ) 首 次在盾尾衬砌后面的环形空隙中压浆以控制地基变形的壁后注浆方法，进一步推动了盾 构法隧道在城市建设中的应用。1 9 世纪末到2 0 世纪中叶，盾构机技术取得较快的发展， 主要以气压式、手掘式、半机械式、机械式盾构为主。1 9 6 6 年法国研制了泥水加压式盾 构，1 9 7 4 年日本研究开发了土压平衡式盾构，此后，闭胸式盾构机得到了广泛应用，形 成了现代盾构技术的主流。 目前日本是世界上盾构隧道技术最为先进的国家，日本盾构工法技术委员会认定了 n 种盾构施工技术，分别是：泥水加压式盾构工法、气泡盾构施工法、e c l ( 挤压混凝 土衬砌) 施工法、m f 盾构施工法、d o t 施工法、扩大盾构机施工法、霍伦施工法与库 仑施工法、h & v 盾构施工法、m s d 施工法、自由断面盾构施工法和偏心多轴盾构施工 法。 1 1 3 盾构法隧道工程中的技术问题 虽然我国在盾构隧道施工技术应用方面已经有了不少的经验。但至今为止的研究开 发主要还是以掌握施工技术，解决具体施工问题为主要内容。为了能够使盾构技术更加 适合予我国工程实际的具体情况，一些基础性、理论性的研究也是必不可少的1 3 】。 2 河海大学硕j 。学位论文 ( 1 ) 隧道管片设计问题 虽然我国的一些地区性规范中已涉及到一些盾构隧道管片的设计方法，但目前尚无 系统、完整的盾构隧道设计规范，在管片设计计算方面没有统一的方法。各施工单位或 设计单位根据自己的经验以及较为熟悉的国外方法进行设计计算，缺乏一定的系统性和 可比性。因此，系统地进行盾构隧道管片设计理论的研究就成为当务之急。隧道管片的 设计计算主要涉及两个问题，一个是管片设计荷载的确定问题，另一个则是管片环的结 构计算模型的选择问题。 ( 2 ) 开挖面的稳定问题 盾构法的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，因此其施工的关键 就是维持开挖面的稳定性。泥水加压盾构是通过压力舱内泥水的压力、泥水的特性来控 制开挖面维持稳定的，研究泥浆压力的控制和泥浆成膜机理是发展泥水加压盾构的重要 问题。土压平衡式盾构是通过压力舱内的土压力平衡开挖面上的土压力和水压力，土压 平衡式盾构施工成功的关键是要将开挖面切削下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性 流动状态”。在遇到地质条件不够理想时，进入压力舱的土体就很难形成“塑性流动状 态”，从而给施工带来困难如开挖面失稳、压力舱闭塞、压力舱结饼和喷涌等。一般要 向开挖面以及压力舱内注入泥浆、气泡等添加材料调整压力舱内的土体性质。在什么样 的条件下添加什么样的材料，添加多少都是需要从理论上明确的问题。 ( 3 ) 隧道的施工控制问题 盾构机是一个由盾构千斤顶驱动、在地中运动的庞然大物。而隧道设计对盾构机行 走轨迹的要求非常严格。由于施工经验较少和围岩的不均匀性、曲线段施工、推力的偏 心、刀盘旋转的反作用，盾构机的姿势易发生左右偏移、上下偏移( 所谓的“抬头”和 “磕头”) 。盾构机姿势的偏移直接造成线路的偏移，同时造成管片拼装困难，有时也会 由于不得不偏心推进而对管片产生过大的施工荷载造成管片开裂，严重时甚至导致隧道 轴线偏离而不得不修正规划线路。 ( 4 ) 盾构施工对周围环境的影响问题 盾构隧道多在城市地下工程中进行使用，其特点在于能够将对周围环境的影响降到 最小。在正常施工条件下( 也就是保持开挖面相对的平衡稳定的前提下) 隧道施工对地 面沉降以及周围建筑物的影响都比较小，也较易于预测和计算。但是，盾构施工很难保 证开挖面的绝对稳定，而这种稳定状态的变化波动会对周围环境产生较大的影响。因此 盾尾注浆等各种因素对地基沉降的影响机理需要进行系统的研究。 1 2 研究意义 1 2 1 垂直土压力是作用于盾构隧道村砌上的主要荷载 在盾构法施工的隧道中管片的投资一般占工程总投资的3 0 4 0 ，是影响施工经济 3 第一章绪论 性和结构安全性的重要因素，因此安全、经济、合理地进行盾构隧道衬砌管片设计具有 重大的意义。目前盾构隧道衬砌管片设计普遍采用的是荷载一结构法，采用荷载一结构 法设计盾构隧道衬砌管片时的关键问题是合理地选择结构计算模型和准确地设定荷载。 盾构隧道衬砌的设计不仅应满足隧道投入使用后，而且必须满足施工过程中的安全 性和功能的要求，应考虑的荷载如表1 1 所示。主荷载是设计时所必须考虑的基本荷载； 附加荷载是在施工中或竣工后所作用的荷载，是根据隧道的使用目的、施工条件以及周 围环境进行考虑的荷载；特殊荷载是根据周围地层条件、隧道的使用条件所必须特殊考 虑的荷载。根据荷载的分类，设计中考虑主荷载，如图1 1 所示。 表1 1 荷载的分类 1 垂直土压力及水平土压力 2 水压力 主荷载 3 自重 4 上覆荷载 5 地基抗力 6 内部荷载 次荷载 7 施工荷载 8 地震的影响 9 平行配置隧道的影响 t 0 近接施工的影响 特殊荷载 1 1 地基沉降的影响 1 2 其他 咖 硼黯 仁衄地基反力 图1 1 土压力荷载模型示意图 由表1 1 可见，土压力是盾构隧道衬砌管片设计荷载的主要组成部分，合理地确定 衬砌管片上的土压力及其分布，是工程设计人员非常关心的问题，是进行衬砌设计的主 要依据，是使得衬砌结构设计安全且经济的基本要求。 应用修正惯用法进行衬砌设计时，将作用予衬砌管片上的土压力分为垂直士压力、 水平土压力、拱底的垂直地基反力以及由衬砌变形引起的地基抗力四部分，如图1 1 所 示。其中，垂直土压力的确定是关键，因为垂直土压力是作用于盾构隧道衬砌管片上的 主要荷载且直接影响到水平土压力和地基反力的确定。 1 2 2 合理的评价地层的松动效应是确定垂直土压力的关键 盾构隧道衬砌管片上的垂直土压力是难以准确计算的荷载。在以岩石为主的山岭隧 道中，管片上的垂直土压力是岩体松脱时产生的松脱压力或岩体变形引起的变形压力， 而以土体为主的城市盾构隧道施工中，一般不允许上部土体松脱，管片上的垂直土压力 主要是上覆土体变形引起的变形压力。由于土拱效应的存在，在埋深较大或较硬土层中， 作用在盾构隧道衬砌管片上的垂直土压力并不是上覆土体自重，而要比上覆土体自重小 的多，这已被很多现场实测值所证实1 5 1 。 土拱效应是由于土体的不均匀位移引起的，是指移动土体把压力传递给相邻不动土 4 河海大学硕j 学位论文 体的传递作用。土拱效应是岩土工程中一个广泛存在的现象，只要土体中有不均匀位移 就会有土拱效应。如抗滑桩、粘土心墙坝、地下管道等结构中都存在着土拱效应。 盾构施工的隧道中存在不均匀位移，因为盾构施工的隧道中因为两方面的原因会引 起地层变形。如图1 2 所示，一个是地层损失隧道施工中实际开挖土体体积和竣工 后隧道体积之差；一个是隧道周围土体受扰动产生的再固结。这种地层变形使土体中有 了不均匀位移，也就产生了土拱效应。隧道上部土体通过摩擦作用把一部分压力传递到 了两边的土体，这就是盾构隧道垂直土压力的松动效应。 明确盾构隧道垂直土压力的松动效应，从而合理地评价盾构隧道垂直土压力的松动 效应，即隧道上部土体有多少压力传递到了临近土体中，可以准确的计算盾构隧道管片 上的垂直土压力。所以，在盾构隧道垂直土压力的计算中，主要问题是如何合理地评价 地层的松动效应( 土拱效应) 。 图1 2 盾构隧道施工引起的地层变形 1 2 3 盾构隧道垂直土压力松动效应的评价还存在争议 国际隧道协会( i t a ) 在1 9 7 8 年成立了隧道结构设计模型研究组，收集各会员国采 用的地下结构设计模型，1 9 8 2 年该研究组发表了其所调查的各种问题的汇总结果 关于隧道工程结构设计模型。入江健二1 9 9 3 年根据新的进展汇总了目前各国所用设 计模型调查结果，加入1 9 7 8 年i t a 的调查结果，见下表1 2 嘲。由表1 2 可见，在垂直 土压力的计算方面，有的国家采用了太沙基松动土压公式，大部分国家仍采用的是较为 保守的全部覆土重，而周小文通过盾构隧道的离心模型试验研究，得出的结论是垂直土 压力比太沙基松动土压力还要小。可以看出目前对盾构隧道垂直土压力松动效应的评价 还存在争议，这主要是因为目前对土拱效应的评价还存在争议。 土拱效应概念的提出迄今已有1 0 0 多年的历史，但仍存在很多值得探讨的问题，如 第一章绪论 土拱效应中是否有客观的拱体和作为支撑的拱脚等，对形成拱效应时土体内的应力变化 及传递情况即土拱效应的形成机理认识还不深刻，理论研究还有待深入开展。 明确盾构隧道垂直土压力的松动效应即土拱效应的形成机理，从而合理地评价盾构 隧道垂直土压力的松动效应即垂直土压力比上覆土体自重减少了多少? 对盾构隧道管 片设计具有一定的指导意义。 表1 2 各国隧道衬砌设计模型统计表 1 3 国内外的研究现状 1 3 i 盾构隧道垂直土压力的研究现状 作用于衬砌上的土压力实际上是周围土层与衬砌共同作用面上的接触应力，其大小 及分布形式不仅与地层的物理力学性质、衬砌的刚度有关，而且与施工方法、隧道的埋 深、直径、形状等几何参数有关。由于作用于衬砌上的土压力受诸多因素的影响，对其 进行研究非常困难，迄今为止，有关这方面的论文及研究报道均不多见。从已有的文献 来看，按其所采用的原理的不同，可将衬砌上土压力的确定方法分为三种，即简化计算 方法、考虑衬砌与地层相互作用的分析方法和现场量测及模型试验方法川。 6 河冉大学硕十学位论文 ( 1 ) 简化计算方法 1 ) 土柱理论 根据刚体静力平衡条件，认为垂直土压力是上覆土柱的重量减去两侧地层对柱体产 生的反向摩擦力，在较差的地层中，此摩擦力常被假定为零，即 p ，= ，h ( 1 1 ) 式中 珐，一垂直土压力，k p a ； ，一上覆土层的平均容重，k n m 3 ； b 上覆土层的厚度，m 。 此计算方法在软土地层中较为合适，资料表明，上海软粘土层中修建隧道时所测得 的土压力在隧道拱顶部分随时间延长而增加，最后十分接近于上覆全部覆土重量【3 】。但 此方法没有考虑土层中应力的传递，当隧道的埋深较大或土质较硬时，由于土拱效应不 可忽略，其计算结果显然是不合理的，现场测试资料表明，当隧道的埋深较大或土质较 硬时，粘土地层特别是砂土地层中衬砌承受的荷载比上覆土柱的重量小得多。 2 ) 太沙基理论 太沙基理论以松散体压力理论为基础，从应力传递的概念出发，考虑了洞室尺寸、 埋深、土层的粘聚力和内摩擦角对土体稳定性的影响，由平衡方程式推算出垂直土压力 的计算公式，如图1 3 所示。 图1 3 太沙基松动士压力的计算图示 p ，= - ：! l j ：掣( 1 一e 一岛m p h ，日) + p 。e 一i m p h ，岛 c 2 ， 式中舶t e ! r z a l l g i 松动土压力。 c _ 一士的粘聚力； 舻一内摩擦角( 。) ； 7 第一章绪论 卜土的重度； 舶上覆荷重； 一水平土压力与垂直土压力之比。 2 8 1 为滑动土体的宽度，由式( 1 3 ) 确定，式中凰为隧道的半径。 b j 咄c 。t f 半1 ( 1 3 ) 二 太沙基理论考虑了隧道断面的几何尺寸、埋深、土体的强度指标对垂直土压力的影 响，认为隧道开挖后，顶部土体在重力作用下，在隧道两侧至地面之间出现两个垂直方 向的剪切破坏面，它考虑了土体抗剪强度随深度的变化，根据微分土条的竖向力的平衡 列出方程，然后积分后得到松动土压力的计算公式。 3 ) 普氏理论 前苏联学者普罗托吉雅柯诺夫也以散体介质理论为基础，认为在松散介质中开挖隧 道后，上部部分介质塌落，上部介质的变形发展到一定程度，逐渐终止后在其上方形成 一抛物线的平衡拱( 压力拱) ，拱下土体以平均压力作用于衬砌上，衬砌受到的垂直土 压力公式为： p r2 ，冉 ( 1 4 ) 式中_ i 卜压力拱高度，i n 。其计算公式为： = ( 6 + 砌( 4 5 。一矿2 ) ) ( 1 5 ) j 式中b 一隧道高度，m ： b 隧道宽度，m ； 户一普氏系数，对松散土和粘性土可取f = t a n l 9 , 。 显然，对不能形成压力拱的松软地层或埋深太浅的隧道，普氏理论是不适用的。 以上计算理论都无一例外地将衬砌作为刚体，即不考虑衬砌变形的作用，因此它们 不能评价衬砌刚度、施工方法等对盾构隧道垂直土压力的大小和分布的影响。 ( 2 ) 考虑地层与衬砌共同作用的方法 该类方法将地层和衬砌作为连续介质看待，衬砌和地层这两种不同材料的接触面上 的接触应力即为作用于衬砌上的土压力根据地层的具体情况，可将其作为弹性、非线 性弹性、弹塑性或粘弹性材料，在具体求解方法上视问题的复杂程度的不同，可采用解 析解法或数值解法。由接触面上的位移连续条件可解出接触面上应力的大小和分布状 况。这方面研究成果已有不少，但具有代表性的却不多。 同济大学的侯学渊等1 9 , 1 0 】利用地层与衬砌问的位移协调条件得出了圆形隧道轴对称 情况下衬砌上土压力的弹塑性解析解和粘弹性解析解，并作了有限元分析。 日本对青函隧道上的土压力问题也作了细致的分析【儿】，他们将围岩作为粘弹性体， 8 河海大学硕士学位论文 并假设衬砌处于轴对称的平面应变状态，解出了衬砌上土压力的粘弹性解析解，同时， 为了反映衬砌修筑进度对土压力的影响，对围岩中产生松动区域和不产生松动区域两种 情况分别进行了计算。分析结果表明，不产生松动区域时的土压力比产生松动区域的土 压力大。 e 1 - n a h h a se 等【2 1 3 1 按开挖和相互作用两个阶段分析了隧道衬砌和地层之间的相互 作用，按平面应变轴对称情况计算了无衬砌隧道开挖面上不同结点的径向应力和径向位 移之间的对应关系，绘出一条地层反映曲线，然后真实地计算掘进作业引起的在衬砌起 作用前隧道壁面的位移。根据这一位移值，从相应的地层反映曲线上找出相应的径向应 力，此应力即为地层与衬砌相互作用阶段的起始压力，由此可计算出最终平衡时衬砌上 的土压力，它考虑了衬砌施作时间对土压力的影响。 同济大学的朱合华等【14 】针对盾构隧道的施工阶段、注浆材料及管片接头的特性提出 了有限元模拟方法。在有限元分析中，用作者提出的梁一接头不连续模型考虑盾构衬砌 接头的转动效应，用注浆材料的变刚度等效法模拟盾尾部位注浆材料在施工中由液态向 固态转化的凝固过程及其力学变化过程。 河海大学的张云【l5 】提出了等代层的概念，用等代层来代替盾尾空隙闭合、注浆充填 作用及盾构推进对周围土体的扰动对地层位移的影响，对盾构隧道施工过程进行了三维 有限元模拟。 河海大学的季亚平【1 6 】在盾构隧道有限元模拟中，考虑了施工过程即注浆体的固化过 程，用变刚体模拟施工中浆体性质随时间的变化。 与简化计算方法相比，这类方法克服了人为假设土压力分布及大小的主观随意性， 兼顾了衬砌和土层的性质、施工方法及过程和开挖面推进等影响土压力的因素，较客观 地反映了衬砌上土压力的本来面目，其计算结果具有一定的合理性。但由于土体性质的 复杂性，其应力应变关系不仅与土类有关，还与其应力路径有关，使得三维有限元法土 体参数的准确取值很困难；另外，目前用有限元方法全面合理地模拟盾构施工过程还比 较困难。实测资料的缺乏使得有限元计算的成果还是难以令人信服。 ( 3 ) 现场量测及模型试验方法 现场量测能够反映各种因素对土压力的综合影响，因此许多学者都很重视现场量测 数据的收集和分析。 e i s e n s t e i nz 等【1 3 l 从实测资料分析认为土压力的大小和分布与衬砌安装历史、时间 及掘进速度有关。 h m a s h i m o 掣17 j 对砂砾石地基中隧道上的土压力荷载进行了现场实测，研究结果 认为作用在浅埋隧道上的土压力可以使用太沙基土压力，作用深埋隧道上的土压力主要 为水压力。 s a k u r a is 等【墉1 根据实测施工中监测的隧道周围土体的位移，推测隧道周围土体的塑 性区域，为隧道土压力的计算和隧道的设计奠定了基础。 相对于现场测试，室内模型实验可有目的地控制实验条件，有利于研究各影响因素 9 第一章绪论 对土压力的作用。 t o s h in o m o t o 掣1 9 1 利用微型盾构机进行了离心试验研究，分别对“埋管”模拟沟埋 管道应力变化，“盾尾空隙”仅仅模拟空隙形成和“盾构试验”模拟盾构开挖和空隙形 成全过程进行了模拟。根据研究结果，盾构拱顶的土压力大致等于太沙基松动土压力， 同时根据与现有的实测资料比较，认为“盾构试验”能够有效地模拟真实盾构施工的整 个过程。但是由于此试验不能考虑注浆压力对地层位移和衬砌土压力的影响，并不能认 为此试验是完美无缺的。 清华大学的周小文 2 0 1 对盾构隧道进行了离心模型试验研究，用圆形橡皮囊模拟隧 洞，用橡皮囊充气再放气的办法模拟隧道周围土体应力的逐渐减小的过程，试验中上部 土体形成了垂直方向的滑动面，宽度为隧洞直径，如图1 4 所示。对太沙基的松动土压 力公式进行了改进，用改进公式计算的松动土压力值与模型试验结果较为相近。通过离 心模型试验结合数值分析研究了盾尾间隙对土一结构相互作用和土压力的影响，研究结 果表明，在盾尾间隙闭合的过程中，隧洞周围砂土发挥强烈的土拱效应，作用于衬砌上 的土压力以及衬砌内力比无初始盾尾间隙时显著减小，地基为饱和砂土时减小更为显 著。 河海大学的张云【1 5 1 对埋管隧道进行了离心模型试验研究，通过量测模型衬砌在土压 力作用下的环向应变，结合有限元计算方法，推求了衬砌所受到的土压力，如图1 5 所 示。在试验结果分析的基础上，提出了改进的土压力计算方法，认为其衬砌所受的土压 力大于太沙基松动土压力。但是由于是对埋管隧道的试验，并没有考虑盾构特定的施工 方法对土压力的影响，难于得出一般性的结论。 图1 4 离心模型试验隧道破坏模式( 周小文)图1 5 离心模型试验示意图( 张云) 通过离心试验研究壁后浆液的硬化过程对管片上土压力的影响是一种非常有效的 途径。试验研究表明【2 “，注浆压力和土体的密实度对作用于隧道上的土压力和地层位移 影响显著。注浆体性质影响注浆压力的分布，最初注浆体粘聚阻力和固结特性是两个重 要因素。固结特性受到周围土体的影响，同时浆体的固结影响隧道压力的分布。随着隧 道的推进，垂直土压力不断下降，达到松动土压力的状态 2 2 , 2 3 。对于注浆体性质对管片 土压力荷载的影响，目前出现了一种倾向，即认为注浆体在凝固前是管片最不利的阶段， 应该加强这方面的研究。 1 0 河海大学硕i 学位论文 ( 4 ) 隧道支护土压力极限分析 隧道支护土压力是隧道及围岩稳定的前提条件，也是管片设计的重要参考依据。各 国学者开展了大量的研究工作。 姜功良1 2 4 】应用极限分析的上限原理及有限元法求解隧道的稳定系数，明显的改善了 既有的上限分析结果，并且与下限结果靠近。 j h a t k i n s o na n dd m p o t t s l 2 s ! 分析了无粘性土中隧道的稳定性，并给出了极限分 析的上限和下限解。 s w s l o a n 2 6 1 利用有限元极限分析法讨论了隧道的上下限解，大大缩小了两者之间 的距离，与有限元分析成果接近，使得极限分析的成果更加可信。 从以上的研究现状可以看出，作用于盾构隧道衬砌管片上的垂直土压力受诸多因素 的影响，准确地确定垂直土压力非常困难。无论是简化计算方法、考虑衬砌与地层相互 作用的分析方法和现场量测及模型试验方法都还不能准确地确定盾构隧道衬砌上的垂 直土压力。 1 3 2 土拱效应的研究现状 目前盾构隧道衬砌管片设计时，一般采用简化的计算方法确定垂直土压力。采用简 化方法对盾构隧道垂直土压力进行计算时，主要问题是如何合理的评价地层的松动效 应。但目前对盾构隧道垂直土压力松动效应的评价还存在争议，这主要是因为目前对土 拱效应的评价还存在争议。 在土力学领域，土拱效应是用来描述应力转移的一种现象，这种应力转移是通过土 体抗剪强度的发挥而实现的。在岩土工程领域，有关土拱效应的实测、模型试验、数值 模拟以及理论研究已有很多，并开始将土拱理论应用于实践，指导工程设计也取得了较 好的效果。 1 8 8 4 年，英国科学家r o b e r s t 首次发现了“粮仓效应”，堆积于容器内的颗粒物质 底部压力在颗粒物堆积到一定高度不再随颗粒物质增高而变化，这就是通常所说的拱效 应。1 8 9 5 年，德国工程师h a j a n s s e n 用连续介质模型对此现象进行了定量解释【2 7 1 。 1 9 3 6 年，t e 忆a g l l i 娜姐过挡板下落试验证实了土力学领域拱效应的存在，测量了随 挡板下移挡板上力的变化和挡板正上部土体竖向土压力和水平土压力的变化情况，通过 试验证明渗流对土拱效应没有影响，并认为振动只对土拱效应有很小的影响。 1 9 4 3 年，t e r z a g h i 例根据挡板下落的试验结果提出了土拱效应的形成机理对土拱效 应进行了定义，并推导了松动土压力公式。 1 9 8 5 年，i - i a n d y 3 0 1 分析了沟槽中介质由于土拱效应而引起的应力重分布，认为土拱 效应可以用