（固体力学专业论文）双圆隧道施工过程的力学分析.pdf

摘要 双圆盾构法是一种空间利用率较高的新型隧道挖掘方式。研究双圆隧道施工 过程中实际工程参数对管片衬砌应力和盾构推进地表变形的影响具有重要的工 程应用价值。本文以国内首条双圆隧道工程一上海轨道交通m 8 线某区间隧道为 背景，围绕双圆盾构法隧道施工过程中管片在拼装过程和重点工况下的应力变化 以及盾构推进引起的土体位移变化，从工程实际参数出发，进行了三维有限元模 拟，并对模拟结果进行了分析。 本文建立了管片衬砌的三维有限元模型，对双圆管片拼装过程进行了三维有 限元仿真分析，研究了管片应力的准动态变化，得出了管片应力变化规律，并将 仿真分析所得数据与管片设计文件数据、现场实测应力数据进行了对比，验证了 有限元仿真分析的有效性，为管片结构的设计提供参考依据。 为了进一步了解管片应力在整个施工过程的变化，本文对双圆管片衬砌在施 工过程中的几种重要工况的应力变化进行分析，分析了不同的施工因素对管片应 力和位移产生的影响。 在旌工过程的研究中，对隧道推进过程中地表位移的变化的研究是非常重要 的。本文建立了一种综合考虑土层、双圆盾构机、管片、浆液和正面土压力的三 维有限元模型，研究了土体在重点工况下的位移变形，并总结和归纳了不同的施 工参数在施工过程中引起的地表变形规律。 本文的计算数据和相关的结论将为今后双圆隧道工程的设计和施工提供参 考。 关键词双圆隧道隧道施工三维有限元分析管片应力土体位移 a b s t r a c t t h ed o t t u n n e l l i n gm e t h o di san e wt u n n e l l i n gm e t h o d 耐l hh i 曲e f f i c i e n c yi n s p a c eu t i l i z a t i o n i th a sg r e a ta p p l i e ds i g n i f i c a n c et oa n a l y z es e g m e n ts 仃e s s 柚ds o i l d e f o r m a t i o nw h e nt l a cd o ts h i e l dt u n n e l l i n g t h i sp a p e rf o c u s e so i lt h ed o tt u n n e l s e g m e n ts t r e s sc h a n g i n gi nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s si n c l u d i n gs e g m e n ta s s e m b l i n g a n ds o m ek e yc 鹊鹤勰w e l l 勰t h es o i ld i s p l a c e m e n te l a a n g i n gw h e nd o ts h i e l di s t u n n e l l i n g b a s e d t h ef i r s td o m e s t i cd o t t u n n e td a t a , s h a n g h a is u b w a yp r o j e c t m e t r ol i n em 8 ，3 - df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sd o n e , a n ds o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r e o b t a i n e d i nt h i sp a p e r , 3 - df i n i t ee l e m e n tm o d e l so fd o tt u n n e ls e g m e n t sa d r ec r e a t e dt o s i m u l a t i n gt h ew h o l ea s s e m b l i n gs e g m e n t sp r o c e s s t h r o u g ht h es t u d yo fd o t s e g m e n ts t r e s si nt h eq u a s i - d y m m i e sp r o c e s s ，t h ev a r y i n gl a wo fd i s p l a c e m e n ta n d s t r e s sd i s t r i b u t i o no fs e g m e n ti so b t a i n e d t h es i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t sd a t aa r e ： c o m p a r e dw i t hs e g m e n td e s i g nd o c u m e n td a t aa n da c t u a lm c a s u l - e n l e n t sd a t ao ft h e s i t ew o r k sa n dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h es i m u l a t i o na n a l y s i si sc e r t i f i c a t e d , w h i c hw i l l b eu s e f u li ns e g m e n t ss t r u c t u r ed e s i g n i no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h es e g m e n ts t r e s sa n a l ) s i si nt h ee n t i r ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，t h es e g m e n tl i n i n gs t r e s si ss t u d i e di ns o m ek e yc a s e s s e g m e n tl i n i n gs t r e s s a n dd i s p l a c e m e n tf i l ea n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns i t u a t i o n s ac o m p o u n d3 - df i n i t ed e m e n tm o d e li sc r e a t e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fs o i l d o t s h i e l d ，s e g m e n t s ，g r o u t i n gm a t e r i a la n dp o s i t i v es o i lp r e s s u r ei nt h ew o r kf a c e b ys t u d y i n g0 1 3t h es o i ld i s p l a c e m e n tr e s u l t si nt h ek e y c o n s t r u c t i o n1 7 , a 8 c s ，t h ev a r y i n g l a wo fg r o u n dd i s p l a c e m e n tc a u s e db yd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r si nt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s si so b t a i n e d t h ed a t ao ft h ea n a y s i sa n dr e l a t e dc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rc a nb ear e f e r e n c e f o rd o tt t m n e ld e s i g na n de o n s l r u e t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r dd o tt u n n d ；t u n n e l l i n g ；3 - df i n i t ed e m e n ta n a l y s i s ；s e g m e n ts t r e s s ；s o i l d i s p l a c e m e n t 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志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。 签名：丝型日期：型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1盾构隧道施工过程力学分析的重要性 进入科技和经济高速发展的2 1 世纪，世界各国的城市化进程不断加快，有 限的城市空间与不断膨胀的人口数量的矛盾日益突出。因此，开发城市地下空间 是各国一致的发展潮流。在市区隧道施工中，盾构法以其无法代替的施工优势占 据了主体地位。盾构法是目前最为先进的地下隧道修建方法，世界上绝大多数国 家和地区的城市地下隧道都是采用盾构法修建的。盾构法隧道自1 8 2 5 年由法国 工程师m a b r u n d 研制发明以来，经历了从手掘式盾构、挤压式盾构、气压式 盾构到土压平衡盾构、泥水加压盾构的长期发展过程，掘进机械设备技术和工艺 水平得到了很大的提耐”。盾构法隧道的断面一般采用圆形，主要因为圆形结构 在外荷载作用下较为稳定，而且盾构开挖、管片制作安装都很方便。但是随着盾 构法隧道应用的不断扩展，人们逐渐发现单圆形盾构隧道在其空间利用率和功能 实用性上有一定的局限性。 自8 0 年代以来，盾构法施工有了长足的发展，机械化程度越来越高，对各种 地层的适应性也越来越强，各种特殊断面盾构也应运而生，如己研制成功的多环 面盾构( m u l t i c i r c u l a rf a c es h i e l d ，m fs h i d d ) 、双圆盾构( d o u b l eo t u b es h i d d ，d o t s h i d d ) 以及异形盾构( d e v e l o p i n gp a r a l l dl i n ke x c a v a t i o ns h i d d ，d p l e xs h i d d ) 口】。 为了避免切削面干涉，多环面盾构将切削面沿纵囱错开设置( 如图1 1 ) 。异形盾 构则是一种新的挖掘方法，可以开挖利用率极高的矩形断面( 如图1 2 ) ，但施工 工艺及沉降控制理论尚不成熟，没有像圆形盾构技术得到广泛应用。双圆盾构 ( d o t ) 在开发目的上与多环面盾构相似，所不同的是两个切削环面在同一个平面 上。所谓双圆盾构是指采用在同一平面上配置了两个刀盘的双圆形加泥式土压平 衡盾构机【3 1 。双圆盾构掘进机在形式上是将以往采用的单圆加泥土压平衡盾构按 左右、上下组合起来的盾构，能将双圆隧道断面一次构筑成形。结构上，刀盘以 辐条( 加劲肋) 型为基本，由于两刀盘配置在同一平面上，为防止刀盘问冲突， 采用同步控制装置控制刀盘旋转速度，并装备了拼装多联型管片的拼装机和管片 顶托装置通常所说的双圆盾构施工工法( 如图1 3 ) 是指采用双圆形加泥式土 压平衡盾构机和在圆形断面连接部的相切部分的相对位置上设置有“r 形( 海鸥 上海大学硕士学位论文 形) 接头管片来构筑双圆形隧道的施工方法的总称。 图1 1 多环面盾构( m rs h i e l d ) 图1 2 异形盾构( d p l e xs h i e l d ) 在双圆隧道的发展史上，日本一直走在时代的前列。1 9 8 1 年日本隧道相关企 业提出d o t 盾构工法专利申请，并于1 9 8 7 年获得专利。1 9 8 7 年为了验证双圆盾构 隧道工法的可行性进行了横向d ( ) t 盾构模型机的双圆隧道实证实验。1 9 8 9 年1 0 月，在日本广岛5 4 号国道系统盾构工程建设中，首次采用石川岛o h i ) 和日立 上海大学硕士学位论文 建机联合设计制造的西6 0 9 m x w l 0 6 9 m 双圆盾构机施工了世界第一条d o t 隧 道，该隧道总长8 5 0 m ，该工程于1 9 9 4 年5 月圆满完工，为d o t 双圆隧道的普及和 推广运用奠定了坚实的基础。经过十多年的发展，双圆盾构的设计、制造技术日 益完善，在日本已先后建造了1 1 台双圆盾构，建成了6 条双圆隧道轨道交通线。 自1 9 8 9 年l o 月至今，日本共建设了包括地铁、地下车库、共同沟、合流污水管渠 等不同用途的d o t 双圆隧道1 2 条【5 。 图1 3 双圆盾构施工工法 在中国，从1 9 9 5 年开始，始终致力于隧道施工技术进步的上海隧道工程股份 有限公司在了解日本双圆盾构隧道技术的基础上，开展了双圆盾构隧道的可行性 研究，对双圆盾构掘进机、双圆隧道衬砌结构、上海软土地区双圆盾构隧道的适 应性等课题开展了一系列的分析研究和实验。在1 9 9 8 年就开始进行双圆隧道施工 的可行性研究，并在2 0 0 0 年完成了双圆隧道结构模拟实验。在首条双圆隧道掘进 施工前，隧道公司又完成了高精度管片钢模制造和管片结构拼装实验等项目，为 第一条地铁双圆隧道的掘进成功奠定了坚实的基础。2 0 0 3 年年底，国内第一条地 铁双圆隧道区间顺利贯通。这条双圆隧道位于上海轨道交通m 8 线黄兴绿地站一 一翔殷路站嫩江路站开鲁路站区间。中国成为了继日本之后、世界上第 2 个掌握双圆隧道施工技术的国家。 上海大擘硕士学位论文 对地铁区问隧道而言，双圆盾 构可以一次施工完成双向地铁隧 道，旌工效率的提高不言而喻。 这种隧道形式在有效节约地下资 源、减少对周边环境的影响等方 面有着独到的优势。以地铁区间 隧道为例，在保证双线运营的要 4 上海大学硕士学位论文 7 ) 从经济角度考虑，由于双圆盾构隧道集其它两种隧道形式的优点于一身， 可缩小区间隧道和相邻车站的工程量： 目前，在上海已成功建成了多条双圆盾构隧道区间工程，综合比较，它的造 价合理，方案可行。双圆隧道施工工艺在国内运用只有少数工程实例，仍需要通 过实践来积累资料和总结经验，对该项技术进行全面的探索和研究。 对于双圆盾构法，这种国内近几年才开始真正比较系统接触的新型施工技 术，如果从掘进原理和开挖面稳定机理来看，双圆盾构法掘进和单圆盾构法掘进 是没有差别的。但是，由于双圆盾构机体形的变化以及配置设备的不同，造成两 者施工方式上的差异，有很多与以往单圆隧道不同的特点和技术要点，施工时产 生的土体变形和结构内力变化规律也比单圆隧道时要复杂，也有很多未知的和没 有系统掌握的科学技术领域有待研究人员和工程技术人员去研究和完善。对于双 圆隧道，有以下力学问题很值得关注和研究：( 1 ) 双圆管片的拼装过程内力分析； ( 2 ) 双圆管片在不同工况下的内力变形分析；( 3 ) 不同工况下盾构推进过程对周围 环境土体的变形影响；( 4 ) 盾构机推进姿态的动力学控制；( 5 ) 对建筑空隙的同步 注浆引起的地下结构内力变化和地表变形分析等等。 可以看出，以上双圆隧道所涉及的力学问题主要是施工力学问题，包括了土 体的非线性、固结沉降、蠕变等等力学研究的难点问题，因此，结合双圆隧道这 一特殊的形式，进行这方面的研究，解决工程实际中存在的问题，具有十分重要 的学术意义。 1 2盾构隧道力学问题研究现状 1 2 1 盾构隧道衬砌研究现状 众所周知，管片是盾构隧道的主要构成要素。一个直接有效的降低建造成本 的方法就是更加合理的设计管片，如何根据合理的结构模型和载荷设定来设计管 片一直是各国隧道工程界研究的重点嘲。早在1 9 7 8 年，国际隧道协会( i n t e r n a t i o n a l t u n n e la s s o c i a t i o n ) 成立了隧道结构模型研究组，收集各会员国采用的地下结构 设计模型，并在1 9 8 2 年发表了其所调查的各种问题的汇总结果一关于隧道工 程结构设计模型一文。之后，该研究组又继续设计补充更多的隧道结构设计的 经验。国际隧道协会第_ - - t 作组于2 0 0 0 年整理发表了盾构隧道衬砌设计指南 一文，国内工程界将其分段翻译发表以供设计者进行参考。该指南对隧道衬砌的 5 上海大学硕士学位论文 设计流程、设计方法和设计要素做了比较详尽的说明【9 。1 4 】。目前，隧道结构设计 模型主要分为四大类1 1 9 】： 1 1 地层结构模型； 2 ) 荷载结构模型( 作用一反作用模型) ； 3 ) 收敛限制模型； 舢工程类比模型。 其中荷载结构模型认为地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷 载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形。地层结构模型认为衬砌与地层 一起构成受力变形的整体，并可按连续介质力学原理来计算衬砌和周边地层的内 力和变形。收敛限制模型是按弹一塑性理论等推导公式，以岩洞周位移为横坐标、 支护反力为纵坐标的坐标平面上绘出表示地层受力变形特征的洞周收敛线，并按 结构力学原理在同一坐标平面上绘出表示衬砌结构受力变形特征的支护限制线， 得出其交点，根据交点表示的支护抗力值设计衬砌结构。工程类比模型是将成功 的隧道工程中得到的经验模型用到相似的隧道设计中，它适用于同等或相差不多 的地质及水文条件下隧道的设计施工。在这四者当中，最常用的模型是地层结构 模型和荷载结构模型。目前，对于具体的盾构隧道管片衬砌设计仍以荷载结构模 型为主，而在荷载结构模型中又以自由变形圆环模型为主。地层结构模型尚处于 发展阶段，目前一般仅用于一些主要的或大型工程的研究和分析。对数值解而言 使用最多的是有限元。由于岩土工程本构关系复杂，岩土计算参数确定较难，没 有精确的计算参数输入就无法保证有限元法得到精确的计算结果。因此有限元计 算结果尚未能在工程中广泛应用。在国内，己建成的或在建的盾构隧道工程基本 采用了荷载结构模型进行结构分析，地层结构模型基本作为计算参考或进行沉降 分析使用2 0 1 。 在中国，关于双圆隧道管片模型的研究主要集中在上海。这种研究仍然建立 在荷载结构模型和工程类比模型的基础之上。 1 9 9 5 年，上海隧道工程股份有限公司在日本双圆盾构隧道技术的基础上，开 展了双圆盾构隧道的可行性研究，对双圆盾构掘进机、双圆隧道衬砌结构、上海 软土地区双圆盾构隧道的适应性进行了可行性分析研究【6 】。 6 上海大学硕士擘住论文 1 9 9 9 年，上海隧道工程股份有限公司在双圆盾构隧道可行性研究的基础上， 进行了“双圆盾构隧道整环结构实验”，模拟在上海软土地层地铁隧道工程条件 下的荷载受力，以l ：3 的比例进行了双圆盾构隧道整环结构实验( 见图1 5 ) 嗍。 图1 5 双圆盾构管片整环模型加载实验( 比例1 ：3 ) 2 0 0 2 年工程实施之前上海隧道工程股份有限公司以及其他相关单位分别对 试生产的管片进行了水平拼装实验和1 ：1 整环破坏性结构实验( 见图1 6 ) 嘲。 2 0 0 2 年上海市隧道工程轨道交通设计研究院在同济大学结构实验室进行了 2 8 点加载1 ：l 整环结构实验( 见图1 7 ) 和1 ：3 0 光弹实验( 见图1 8 ) 5 2 1 也】。实 验按照相似原理对试件和荷载条件进行必要的简化和处理，得到了随着荷载的不 同变化引起的衬砌结构内力变化情况，检验了管片的各种性能指标包括配筋的合 理性。 2 0 0 3 年m 8 线双圆隧道工程推进时，上海隧道工程股份有限公司以及其他相 关单位分别对工程中实际使用的管片进行了双圆隧道管片动荷载现场结构实验 和推进对土体变形及土压力变化监测实验。 7 上海大学硕士学位论文 图1 6 双圆盾构1 ：1 整环破坏性结构实验 图1 72 8 点加载1 ：1 整环结构实验图1 81 ：3 0 光弹实验 1 2 2 盾构隧道施工引起地层变形的研究现状 盾构隧道施工引起地面沉降分为以下五个阶段：盾构到达前、盾构到达时、 盾构通过时、管片脱出盾尾时及后期固结变形阶段【2 3 1 。目前已有很多关于盾构施 工对岩土环境的影响研究，大多集中于地层变形和对邻近建筑物和管线的影响， 在这些方面的研究已经取得大量的成果。同济大学和河海大学在地下结构方面做 了很多基础性工作 2 4 。2 羽。 1 ) 地表变形理论、经验信息研究 1 l b p e c k ( 1 9 6 9 ) 通过对大量的地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表 沉降槽类似正态分布的概念【2 9 1 ，认为地层移动是由地层损失引起，施工引起的地 上海大学硕士学位论文 面沉降是在不捧水的条件下发生的，所以沉降槽的体积应该等于地层损失的体 积。他给出了横向分布的地面沉降估算公式： s 2 晰寺) ( 1 1 ) = 去 ( 1 2 ) 扛而素历 m s ) 卢历i 万丽i 1 。) 式中 跗一沉降量( m m ) 巧一盾构隧道单位长度地层损失( m 3 m ) x 一距隧道中心线的距离 s 一一隧道中心线处的最大沉降i ( m m ) f 一沉降槽宽度系数 c l o u g h & s c h m i d t ( 1 9 7 4 ) 提出，饱和含水塑性粘土的地面沉降槽宽度系数i 可 由如下公式求取嘲： 丢= 白们 4 ， 式中 z 一地面至隧道中心的深度 r 一隧道半径 刘建航( 1 9 7 5 ) 在总结延安东路隧道沉降分布规律的基础上，提出了欠地层损 失的概念，并修正了p e c k 公式2 6 1 ，其给出预测地表纵向沉降的计算公式如下： 帅剐引一吐引怯h 爿_ 铡s ， 式中 巧。、一分别为盾构开挖面和盾尾后部间隙引起的地层损失 y ，、y ，一盾构推进点和盾构开挖面到坐标原点的距离 工一盾构长度 乃= y l 一工 9 上海大学硕士学位论文 y f = y f l a t t c w e l l 等( 1 9 8 1 ) 也假定沉降槽曲线为正态分布， 式【3 2 】： i i = n 呸z ， 矿= 匾 式中 给出如下地表沉降经验公 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 艿一一地面最大沉降量 矿一沉降槽断面积 彳一隧道开挖断面积 k 、雄一与土体的性质和施工因素有关的系数( 可查表) r e s e n d i z 和r o m o ( 1 9 8 1 ) 得出了软土隧道施工引起的地表沉降解析解【3 3 1 。方 法中考虑了自动释放和土体径向位移的影响。 o r e i l l y - n e w ( 1 9 8 2 ) 对英国粘性土层进行大量实测之后，提出： f = k z ( 1 8 ) = ( 1 9 ) 式中 k 一与土性有关的系数 砂性土k = 0 2 - 0 辜均值 f 0 4 ，硬粘土 粘性土k = 0 7 ，软粘土 1 0 5 ，中等值 侯学渊( 1 9 8 7 ) 结合上海饱和土和盾构施工的特点，提出了考虑时效( 土体扰动 后固结) 沉降的修正p e c k 公式【蚓： m 力= ( 警h 上2 i 2 邝斛门= 筹州 式中 1 0 上海大学硕士学位论文 芦一隧道顶部空隙水压的平均值 r 一固结时间 云一隧道顶部土层的平均压缩模量 蟊一隧道顶部的土体渗透系数 日一超孔隙水压水头 e i s e n s t e i n 等( 1 9 9 2 ) 研究了泥水平衡盾构施工技术对地层的影响及其地层反 应曲线口5 1 。 徐方京( 1 9 9 2 ) 应用弹塑性力学方法求解了土压平衡盾构在到达前、到达时、 通过及脱开、注浆、长期沉降阶段的地表沉降( 隆起) ，并得到其经验公式【3 6 1 。 同济大学( 1 9 9 0 ) 建立了地面沉陷预估的专家系统模型原型，1 9 9 1 年将其应用 于上海地铁一号线的施工监控。 周文波( 1 9 9 3 ) 编制了以上海地区软土隧道施工经验为基础的“盾构法施工对 周围环境的影响和防治专家系统”用于地面沉陷研究 3 7 - 3 9 。 李建华( 1 9 9 5 ) 采用模糊一随机理论预测盾构施工引起的地层移动【删。基于随 机场理论、随机有限元、模糊概率测度和数理统计方法，对于软土隧道工程中的 不确定性问题进行了研究。 对于双圆隧道施工引起的地层变形，目前研究的比较少。周文波( 2 0 0 5 ) 采用 基因表达式编程算法分析了横向和纵向沉降曲线解析形式并结合回归的曲线形 态的解析公式，修正了p e c k 公式 6 1 。 2 ) 盾构隧道地面沉降规律研究 对于隧道掘进引起的三维地面沉降，许多学者做了大量的关于地层移动的数 值模拟与模型实验研究。 t 洳和h i s a t a k e ( 1 9 8 2 ) 用边界元法分析了浅埋隧道掘进引起的三维地面沉 降，考虑了掘进速度、隧道开挖面位置的影响1 4 1 】。 r o w e 和l e e ( 1 9 8 3 ) 编制了种可以对不同土性和施工条件下隧道开挖引起 地表沉降进行预测的弹塑性有限元程序。1 9 9 0 年他们又发展了一种用于模拟施 工工序、后继地层位移、开挖面周围和地表应力状态对地表沉陷影响的三维弹塑 性有限元方法【4 2 4 舢。 f m o 和c l o u g h ( 1 9 8 5 ) , 经过现场测试表明，土压平衡盾构隧道开挖的土壤反 应是三维空间和历时变化的。他们认为：为保持合理的计算费用，可以采用纵、 上海大学硕士学位论文 横两个方向的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程及地表移动。 李桂花( 1 9 8 6 ) 用弹塑性有限元法模拟了施工间隙参数，得到了地层沉降预估 公式，利用不同的间隙参数可以模拟不同的沉陷因素的影响【4 9 1 。 r o w e 和l e e ( 1 9 9 2 ) 对用于估算软土中浅埋隧道施工中引起的土体三维移应 力变化和地层位移的各种简化方法( 轴对称分析、轴向平面应变分析、经验的累 计概率分布方法等) 进行了评价。作者采用了二维横向平面应变分析来估算所需 要的参数值，并指出用纵向平面应变分析来模拟三维位移不能给出符合实际的结 果【4 2 - 4 8 1 。 m a i r 等( 1 9 9 3 ) 通过实地测量和离心模型实验，探讨了粘土中隧道施工引起的 地表沉降槽宽度与最大沉降量随深度的变化【矧。 曾晓清( 1 9 9 5 ) 采用半解析数值方法对双线盾构隧道施工过程的地层移动、隧 道受力进行了数值模拟分析诤m 2 1 。 易宏伟( 1 9 9 9 ) 采用半解析数值方法和理论分析对盾构法隧道施工中土体扰 动与地层移动关系进行了系统深入的研究 5 2 - 5 3 】。 双圆盾构法是一种新兴的盾构施工方法，双圆盾构工法自1 9 8 9 年在日本广 岛问世以来，仅在日本和中国十几个工程上使用过，欧美国家有关此项技术研究 处于空白。世界上有关双圆盾构施工引起地面沉降的相关研究报道不多，主要研 究的国家就是中国和日本，日本主要的研究方法也仅集中在对已建工程的施工数 据的统计归纳而已。关于双圆盾构隧道施工对周围环境的影响研究尚处于开始的 阶段，目前的研究成果还没有得到更好的工程实践验证。由于施工工法开发的时 间较晚，工程经验不够多，双圆盾构本身的结构特点也比较新颖，有关地面沉降 规律的研究还不够完善，沉降机理也有待进一步研究。 目前，日本方面的文献主要是对双圆盾构工法的介绍，而对沉降规律的分析 与研究很少，即便有所涉及，但是内容也仅限于地面沉降槽曲线形态和最大地面 沉降量的统计。大丰建设等 5 4 1 在“高速铁路4 号线d o t 盾构工程记录”比较详 细地介绍了日本名古屋地铁4 号线7 个区间隧道在推进过程中d o t 盾构机的参 数设定和对周边环境影响，但是并没有对获取的数据可能存在的规律作进一步详 细的分析。 现阶段国内对地面沉降规律的研究也是通过施工经验获得的。周文波、顾春 华等对实际地层变形情况进行了分析，研究表明盾构切口位置和盾构背部位置的 1 2 上海大学硕士学位论文 沉降是沉降的特征位置【3 】。 目前，对于双圆隧道工程的研究，学者关注较多的是盾构推进过程中参数的 设定及地表沉降情况，这方面的研究也可以直接反馈以指导工程施工。 在日本方面的文献中，主要是介绍施工难点和要点的归纳，确保地面沉降的 有效控制，如伊野敏美掣5 5 】提出的常见施工难点与对策，介绍了双圆隧道施工中 常见的一些问题以及对这些问题的预防措施，确保了隧道的顺利推进。同时，还 有一些资料提供了实际施工时参数设定的范围。 国内的研究大多也是基于工程实例的，宋博【5 6 1 通过分析双圆盾构、单圆盾构 施工不同之处，基于双圆盾构隧道的这一新开发施工技术，总结了地面沉降控制 的基本措施。周文波【5 7 1 通过对大量的工程实践中采用的施工参数和技术措施的分 析，总结了双圆盾构在掘进过程中所引起的地层变形控制的参数设定方法。马华 吲5 8 】列出了与地面沉降相关的盾构掘进的十个主要参数：刀盘和土仓压力、排土 量和掘进速度、螺旋输送机转速、千斤顶的总推力、注浆的压力及时间、注浆量、 浆液性能、盾构坡度、盾构姿态和衬砌拼装偏差，并对其进行了比较细致地分析， 得出了对地面沉降控制起较大作用的是排土量和注浆量的结论。 1 3本文选题意义及主要工作 双圆盾构在国内是2 0 0 3 年首次使用，各施工参数与单圆盾构均有较大的差 异。首先，双圆隧道衬砌结构及管片受力相比单圆隧道来说更为复杂，隧道变形 规律性没有单圆明显，而且国内无成熟的工程经验可做参考，目前也没有完善的 理论模型。根据实际工程经验的反馈，管片形状比较特殊，分块数量也较多，管 片在拼装过程中处于受力不稳定的状态，容易出现角点挤碎的情况。因此，我们 很有必要对管片的拼装过程进行力学分析，分析整个拼装过程中相关管片的应 力、应变的变化情况，弄清管片破坏机理。其次，双圆盾构推进与单圆的显著区 别在于盾构转角难以控制，盾构推进过程中对周围环境的影响也更加复杂。双圆 隧道目前在日本仅有1 2 条成功实例，中国是世界上第二个掌握此项技术的国家， 而上海的软土地层与日本差别较大。因此，有必要研究在上海的地质条件下，在 双圆盾构的推进时，盾构推进各施工参数对地表变形的影响。 双圆隧道目前在地铁隧道工程上有良好的应用前景，传统的经验方法无法很 好的完成地层变形评估，二维有限元方法也因为本身的缺点无法建立恰当的模 上海大学硕士学位论文 型，三维有限元模拟正被越来越多的学者所接受，成为解决这类复杂问题最为行 之有效的方法之一。具体到工程实际，前后处理过程还是显得复杂繁琐，一般的 工程技术人员使用困难，这就阻碍了这一方法在实际工程中更为广泛运用。虽然 双圆盾构法隧道施工工艺比较复杂，但施工工序相对比较固定，在确定了盾构机 当前位置后，土层变形影响区域、边界条件具有一定的确定性。 本文以上海轨道交通m 8 线某区间隧道工程为研究背景，建立简化的双圆盾 构法隧道施工模拟的三维有限元分析模型，结合工程实例的具体施工参数，并在 此基础上针对双圆盾构法隧道施工进行三维有限元仿真分析，提出一些有益的设 计和施工建议。本文主要做了以下几个方面的工作： l 、根据双圆隧道管片衬砌及双圆盾构施工特点，结合影响工程质量的重要施工 工况和施工参数，指出了分析管片拼装过程的重要性。运用m s c p a t r a n n a s t r a n 软件，建立三维有限元模型，分析了管片在整个施工流程中的应力变 化和在若干重要工况时施工参数对土体位移产生的影响，。 2 、建立了管片衬砌的三维有限元模型，对双圆管片拼装过程进行了三维有限元 仿真分析，研究了管片应力的准动态变化；对双圆管片衬砌在施工过程中的 重要工况中的应力变化进行分析，进一步分析了管片应力在整个施工过程的 变化情况，并将仿真分析所得数据与管片设计文件数据、现场实测应力数据 进行对比，验证了有限元仿真分析的有效性，为管片结构的设计提供了参考 依据。 3 、建立了一种综合考虑土层、双圆盾构机、管片、浆液和正面土压力等的三维 有限元模型，研究土体在重要工况下的变形，并将计算结果与现有的地表沉 降经验公式进行比较分析，对不同的施工参数产生的沉降影响进行了总结和 归纳。 1 4 上海大擘硕士学位论文 第二章双圆盾构隧道结构特点及其力学实测 2 1双圆隧道衬砌的结构特点及拼装技术【3 棚 2 1 1 双圆隧道衬砌的结构特点 双圆隧道的衬砌( 如图2 1 ) ，打破了以往圆形隧道管片的良好对称状态， 在受力特性上存在薄弱点。双圆隧道衬砌管片有以下几个特点： 1 ) 有两个海鸥形管片 双圆隧道中，在两个圆形相接的部位，不能再采用曲梁式的管片形式，为了 避免在应力集中处使用螺栓接头对衬砌整体结构稳定性的不良影响，应用了两个 呈y 形的海鸥形管片。但海鸥形管片的受力与单圆形隧道管片不同，不再是小偏 心受压杆件，受力情况更加复杂。 佞 酒 毫 多互 弋 嘲上 。 o j 型延 稍缈一 蜥遵套乏 、o二一13 一ii q 2 ，0 3 3 4 6 0 0 1 0 ，9 0 0 图2 1 双圆管片断面图 2 ) 出现立柱 双圆隧道一般来说水平跨度较大( 竖向叠加的双圆隧道则总体高度较大) ，在 周围水土压力的作用下，会在两个圆形相接的部位产生较大的变形，影响隧道内 部的使用。为了避免这种情况，在两个海鸥形管片之间就设有立柱( 竖向叠加的 双圆隧道则设有中间横梁) 支撑。因此，计算中在借鉴原来的圆形隧道的计算模 型时，应另外考虑立柱( 或横梁) 的支座力。 。 3 ) 接头增多 一o 。n o。n。一 戛如书壹掣 幽一 上海大学硕士学位论文 双圆隧道可以看作为两条单圆隧道的结合，管片的数量比单圆隧道多，管肚 问的接头数量也相应增加。因此，与单圆隧道相比，双圆隧道中接头刚度对衬砌 整体结构的影响也就更为突出。计算模型中，如何考虑接头刚度的影响、接头刚 度系数怎样确定等问题也就成为双圆隧道衬砌设计中不可忽视的问题。 综上所述，双圆隧道的衬砌管片，虽然从其结构受力特性上来说，继承了匮 形断面的良好受力状态，即具有受弯矩作用小、轴向力大、整体结构稳定的小偏 心受压构件特点。但与单圆盾构隧道相比，隧道断面横宽竖窄，管片形式及接头 多，结构受力复杂，管片拼装精度要求高。管片的生产质量以及接头的止水性直 接影响到隧道的工程质量和使用寿命。因此，衬砌的设计计算中各基本假定和计 算参数的确定，都需进行研究。 2 1 2 双圆盾构管片拼装技术 双圆盾构管片的连接形式与单圆盾构管片有很大差异，纵、环向均采用球墨 铸铁预埋手孔加短螺栓的形式，拼装精度要求较高：上下海鸥形管片和中间立柱 管片的拼装难度也较大。因此，如何处理这些问题对确保管片拼装质量至关重要。 隧道衬砌由十一块预制钢筋混凝土管片拼装而成，双圆盾构由于断面较宽， 管片拼装需由二台拼装机完成。双圆盾构管片的拼装是一项全新的工艺，主要难 点体现在以下三个方面： 大、小海鸥形管片和立柱管片的拼装难度较大； 因首次采用钢盒子结合短螺栓的连接形式，管片精度高，拼装难度大； i h i 单臂式拼装机操作方法与以往单圆盾构有显著区别，需要一段时间 的适应。 双圆管片的拼装顺序为：下部海鸥形管片一两侧标准管片( 同步完成，先下 后上) 一上部海鸥形管片一中间立柱，如图2 2 所示。 双圆管片拼装技术主要包括： ( 1 ) 下部海鸥形管片属第一块定位管片，其拼装质量将直接影响整环管片的 拼装质量，故此块管片的拼装必须严格确保其拼装精度。 ( 2 ) 标准块的拼装与单圆管片基本类似，但由于其连接采用预埋手孔形式， 故必须确保每根螺栓的到位率。 ( 3 ) 在上部海鸥形管片拼装结束、立柱管片拼装前，紧邻上部海鸥形管片二 1 6 上海大学硕士学位论文 侧的管片螺栓不宜拧紧，以便于立柱管片拼装时上部海鸥形管片有一定的上下调 整余地。 ( 4 ) 综合利用管片顶托装置、左侧拼装机、盾构千斤顶，扩大立柱管片拼装 间隙。 ( 5 ) 拼装立柱管片时，需时刻观测立柱周边间隙，防止立柱承受过大施工荷 载。 ( 6 ) 管片纵、环向螺栓必须做到及时拧紧和复紧。 ( 7 ) 及时启用整圆器，保证成环隧道圆度。 下部连接臂片拼装 o 型警片拼装 盼囤锄鳓 塑蕾片拼装 上部连接譬片拼麓中阃立柱警片拼装 图2 2 拼装顺序示意图 2 2双圆隧道施工的主要施工参数嗍 双圆隧道工程是一个复杂的施工工程，在施工过程中，存在若干个重要的施 工参数。只有协调好这些施工参数，才能将施工对环境的不良影响控制到最小。 根据实际的工程经验，存在以下主要施工参数： 1 1 土压力 根据双圆盾构辐条式刀盘的特性，盾构土仓内土体与正面地层基本里直接相 通状态，故盾构正面设定土压与盾构切口地层变形关系更直接，反应更灵敏、更 迅速。因此，土压力的控制对于双圆盾构掘进则显得尤为重要。 根据双圆盾构实际土压力设定值情况来看，实际土压力设定值与理论值差异 较大，根据实际数据汇总分析，& 定值a 岛论值+ 5 0 k p a ；在实际施工中，土的静 止侧压力系数取值也随着覆土深度的不断加大而减小，在初出洞的浅覆土工况 下，静止土压力系数达到1 0 左右，随着隧道覆土的不断加深，静止土压力系数 取值不断降低，在隧道覆土最深处可取0 8 左右。 1 7 上海大学硕士学位论文 在浅覆土区段：i i = o = p 砌- - 1 0 在深覆土区段：【o = p 朋= o 8 式中，瓦静止侧压力系数； p - - 设定土压力； ，土壤容重； j i 隧道中心覆土深度。 2 1 总推力 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 双圆盾构总推力是推进的动力，主要有盾尾后的千斤顶组通过油泵产生并控 制。根据总推力情况，工程中主要分为下述几个阶段： 总推力上升阶段：盾构初出洞浅覆土段，总推力较低，但随着隧道覆土厚 度的不断增大盾构总推力也在不断上升； 总推力稳定阶段：随着覆土达到一定深度后，盾构总推力相对较为稳定， 无较大变化； 总推力再次上升阶段：盾构在完成一半区间后进入到上坡段施工，其总推 力逐渐增大； 总推力下降阶段：随着上坡段施工到一定阶段覆土厚度的不断降低，盾构 总推力也逐渐下降。 3 ) 刀盘扭矩 刀盘扭矩反映了刀盘在切削土体时受到的阻力。刀盘扭矩在本工程施工过程 中一直处于较为稳定的状态，主要随着隧道覆土厚度的不断增大而有微量升高， 反之则有微量降低。 4 ) 同步注浆量 同步注浆是弥补施工产生的建筑空隙，控制地表沉降的一种有效措施。双圆 盾构的同步注浆工艺与传统的单圆盾构存在很大不同，要求也更高。双圆隧道工 程同步注浆位置处于盾构上下海鸥形管片凹槽处，上、下二点同步注浆，浆液材 料采用双液浆。通过实际施工发现，除同步注浆总量控制以外，上下注浆孔的浆 量分配也相当关键。 2 3双圆盾构现场管片拼装力学实测 6 1 在中国的第一条双圆盾构隧道施工时，对管片在施工期的结构内力进行严密 1 8 上海大学硕士学位论文 监测，得到了在上海软土地层中双圆盾构隧道的管片实际受力特征，无论对设计 院在今后的工程中修改设计还是对工程施工均具有重要的意义。同时这也是中国 第一次对双圆盾构隧道衬砌进行施工过程中的动荷载实验，对今后的类似工程施 工具有指导和借鉴作用。 此次双圆盾构隧道动荷载实验的目的就是通过施工过程中与具体施工工况 紧密结合的管片结构内力的监测，给出管片在不同工况条件下的结构内力变化规 律。同时对施工过程中管片的最不利荷载状况、与设计院的理论计算的对比情况 进行分析以期得出共性的结论，从而指导施工。 为测量管片内部及管片连接处受力情况，在管片内主要配筋上设置了钢筋应 力计，以测试隧道衬砌结构的内力分布，可用来推算隧道结构的变形，也可用来 校核设计。在连接钢盒子中使用带传感器的螺栓来测量螺栓的受力情况，布置示 意图见图2 3 。 r 、 、 1 t 鼍 奎j 品 少 。k j ，。多 心 图2 3 管片钢筋计，螺栓应力计布置i i 意图 该动荷载实验总结报告中结果分析如下： l 、管片内钢筋应力 实验选定以4 5 0 h 实验段的bj 不( 4 6 7 h ) 和a 环( 4 6 8 h ) 来分析管片内力，通过 在管片中埋设的钢筋计以监测施工过程中的钢筋内力变化情况，并通过反算轴力 和弯矩来分析管片的结构受力特征。 为了将实验结果与设计院设计值进行对比分析，计算的管片内力方向和设计 院设计值相同。 实验中规定：轴力方向：管片受压为正，受拉为负；弯矩方向：管片外沿受 1 9 上海大学硕士学位论文 压为正，受拉为负；钢筋计应力方向正好相反：受拉为正，受压为负。 在进行b 环各管片受力分析时，为便于分析对比，把双圆对称管片的内力 和弯矩作为一组，共为6 组，即：大海鸥左一大海鸥右，b 8 - b i ，b 7 - b 2 ，b 6 - b 3 ， b s - b 4 ，小海鸥左一小海鸥右。对于b ( 4 6 7 h ) 主要分五个阶段进行重点分析：a 环推进即b 环的前一环4 6 6 h 逐渐脱离盾尾时；a 环拼装过程中；b 环逐渐 脱离盾尾时；b 环的后一环a 环逐渐脱离盾尾时；最终稳定时。b 大海鸥块 管片中内力如图2 4 和图2 5 所示。图中的水平线为对应的设计院计算值。 t i r 图2 4b 环( 4 6 7 环) 大海鸥块钢筋计应力 ；门砍崖 畛妒l 。剐。茂妒一! 图2 5b 环( 4 6 7 环1 大海鸥块内力图 从图2 4 可以看出，大海鸥块中轴力和弯矩的变化趋势基本相同，对于管片 -lr墨 上海大学硕士学位论文 的结构内力( 用内力变化来表示轴力和弯矩的变化) 来说，考虑施工情况，管片在 脱出盾尾时的内力最大，且远大于设计计算值。在脱出盾尾一段距离后，结构内 力逐渐与设计计算值接近。 图2 6b 环( 4 6 7 8 ) 轴力变化图 图2 7b 环( 4 6 7 8 ) 弯矩变化图 b 环( 4 6 7 h ) 轴力和弯矩变化如图2 6 、图2 7 所示。从图可