（岩土工程专业论文）盾构隧道管片土压力的研究.pdf

摘要 摘要 随着9 0 年代盾构工程在我国大规模的使用，加强理论指导迫在眉睫，而我国到目前为止还没有形 成全国范围内的系统盾构规范，使得我国盾构隧道设计工作具有很大的盲目性，没有考虑我国二 ：程实际 管片设计要么偏于保守造成浪费，要么偏于不安全造成工程安全隐患，不利于我国地铁百年大计工程实 施。因此开展盾构隧道设计方面的研究具有重要的学术价值和使用价值。 本文针对盾构管片设计中的关键问题作用在管片上的土压力开展全面、系统的研究工作，从垂 直土压力数值分析、太沙基松弛土压力、现场管片工作性能的监测到管片工作土压力的反分析。主要的 研究如下： ( 1 ) 为了更加准确进行管片土压力的反分析，开展了管片接头刚度研究，建立了接头刚度双真线 模型。在传力衬垫的试验基础之上，根据接头受力变形分析分析成果基础上，提出了接头刚度双直线模 型：这种接头刚度双直线模型同样适合无传力衬垫的广州地铁管片接头刚度的确定； ( 2 ) 在接头刚度模型的基础上，提出了管片环弯曲刚度有效率的确定方法及经验公式，为管片设 计中的关键参数的取值提供了理论依据；提出了考虑管片接头弯曲刚度和环间接头剪切刚度的管片内力 计算方法，简化了梁一弹簧模型法；对接头刚度影响因素进行分析，为接头构造的选择提供了依据。 ( 3 ) 在南京地铁两个断面和广州地铁三个断面管片内力的监测成果的基础上，建立了盾构衬砌管 片工作土压力荷载反分析方法及编制计算程序。 ( 4 ) 在监测断面的管片土压力反演成果的基础上，探讨了粘性地基、砂性地基和风化岩层中管片 垂直土压力和水平土压力的计算方法和取值范围。 竖向土压力的计算应考虑隧道埋设断面的地质条件，合理评价土体拱效应。当隧道埋深埋深在一倍 隧道直径范围内时，应取全覆土重作为竖向土压力：当隧道埋深达到两倍隧道直径以上时，隧道埋设地 质条件良好，则可以考虑地基拱效应或者部分考虑拱效应。 粘性地基中，其侧向土压力系数一般为静止土压力系数：坚硬的微风化岩层中，其侧向土压力系数 在主动侧压力系数静止土压力系数之间；砂性地基中，其侧向土压力系数接近主动土压力系数。 ( 5 ) 开展了管片工作土压力的反演最优解分析，得到了监测方案的最优布置方案和最差布置方案。 关键词：盾构隧道、粱一弹簧模型、修正惯用法、接头刚度双直线模型、松弛土压力、 工作土压力、弯曲刚度有效率 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hl a r g e s c a l ea p p l i c a t i o no fs h i e l dt u r m e li no u rc o u n t r y , i t 7 su r g e n tt od r a f to u tas t a n d a r df o rs h i e l d t u n n e lt u n n e l i n g ，b e c a u s eo fl a c ko ft h es t a n d a r df o rs h i e l dt u n n e l ，t h ed e s i g no fs h i e l dt u n n e ll i n i n gi sb l i n d ， w h i c hd o e s n tt a k ei n t oa c c o u n tt h er e a l i t yo fs h i e l de n g i n e e r i n gi nc h i n a w i t h o u tt h eg u i d a n c eo ft h e s t a n d a r df o rs h i e l dt u n n e l ，t h er e s u l t so fs h i e l dt u n n e ll i n i n gl e a dt ow a s t eo rh a p h a z a r do fd e s i g n t h er e s u l t s a r en o tb e n e f i ct os t r a t e g i ci m p l e m e n to fs u b w a yp r o j e c to fv i t a la n dl a s t i n gi m p o r t a n c e ，c a r la v o i dh a p h a z a r d d e s i g n o fs h i e l d l i n i n g s ot h es t u d yf o rt h ed e s i g no fs h i e l dl i n i n g i s v e r y v a l u a b l ef o r a c a d e m ya n d a p p l i c a t i o n i nt h ev i e wo ft h ek e yp r o b l e mf o rd e s i g no fs h i e l dl i n i n g ，t h et h e s i sh a sl a i da ne m p h a s i s 。nt h ee a r t h p r e s s u r e ，f r o mt h en u m e r i ca n a l y s i sf o re a r t hp r e s s u r e ，i n - s i t um o n i t o r i n gf o rs e g m e n tw o r k i n gp e r f o r m a n c et o b a c ka n a l y s i sf o rs e g m e n te a r t hp r e s s u r e t h em a i nw o r k sa r ef o l l o w i n g ： 1 i no r d e rt ob a c ka n a l y z et h ee a r t hp r e s s u r em o r ea c c u r a t e l y , t h et h e s i sh a ss t u d i e dt h es t i f f n e s so f s e g m e n t j o i n ta n df o u n dt h eb i l i n e a rm o d e lf o rj o i n ts t i f f n e s so nt h eb a s i so f t h et e s to f p a da n dt h er e s u l to f t h e a n a l y s i s o fj o i n ta n a l y s i s t h eb i l i n e a rm o d e lf o rt h es t i f f n e s so fs e g m e n tj o i n ti sa l s o a p p l i c a b l et o d e t e r m i n et h es t i f f n e s so f s e g r n e n t j n i n tw i t h o u tp a d 2 b a s e do nt h em o d e lo f j o i n ts t i f f n e s s ，t h et h e s i sh a sf o u n dt h em e t h o dt od e t e r m i n i n gt h ee f f e c t i v eb e n d i n g s t i f f n e s so fs e g m e n tl i n i n g i nt h ev i e wo ft h eg e n e r a ll i n i n gs e g m e n t p a t t e mi nc h i n a , ae m p i r i c a lf o r m u l a t oc a l c u l a t et i ee f f e c t i v eb e n d i n gs t i f f n e s si sa l s op r e s e n t c o n s i d e r i n gt h eb e n d i n gs t i f f n e s so f s e g m e n t j o i n ta n dt h es h e a r i n gs t i f f n e s so fl i n i n g j o i n lt h et h e s i sh a sb r o u g h tf o r w a r dt h em e t h o dt oc a l c u l a t i n gt h e s e g m e n t f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h es t i f f n e s so f s e g m e n tj o i n t ，w h i c hi sb e n e f i ct o s e l e c tt h ed e t a i l so f s e g m e n t j o i n t 3 o nt h eb a s i so f t h et w om o n i t o r i n gc r o s s s e c t i o ni nn a n j i n gc i t ya n dt h et h r e em o n i t o r i n gc r o s s s e c t i o ni n g u a n g z h o uc i t y , t h et h e s i sh a sf o u n dt h eb a c ka n a l y t i cm e t h o dt oe a r t lp r e s s u r eo ns e g m e n ta n df i n i s h e d c o m p u t i n gp r o g r a m m i n g 4 ，o nt h eb a s i so f t h er e s u l to f b a c ka n a l y s i so f e a r t hp r e s s u r ef o rt h em o n i t o r i n g c r o s s - s e c t i o n ，t h et h e s i sh a s s t u d i e dt h em e t h o dt od e t e r m i n i n gv e r t i c a lp r e s s u r e ，a n dt h es p a no f h o r i z o n t a lp r e s s u r eo ns h i e l dl i n i n g t h ec a l c u l a t i o no ft h ev e r t i c a lp r e s s u r eo nt h es e g m e n tn e e d sc o n s i d e rt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，a n d a p p r o p r i a t e l ye v a l u a t et h ea r c h i n go fs o i l w h e nt h ed e p t ho ft u n n e li sp r o b a b l ys i n g l ed i a m e t e ro ft u n n e l ， t h ev e r t i c a lp r e s s u r ei sd e a dl o a do fo v e r b u r d e ns o i l w h e nt h ed e p t ho ft u n n e li st w i f o l dd i a m e t e ro f t u n n e la n dt h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r er i g i d ，t h ev e r t i c a lp r e s s u r ei st h el o o s ep r e s s u r eo f o v e r b u r d e n s o i l w h e nt h ed e p t ho ft u n n e li st w i f o l dd i a m e t e ro ft u n n e la n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r eo r d i n a r y , t h e v e r t i c a lp r e s s u r ei st h ep a r t l yl o o s e p r e s s u r eo f o v e r b u r d e ns o i l a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so fb a c ka n a l y s i s ，t h ec o e f f i c i e n to fh o r i z o n t a lp r e s s u r ei st h es t a n d s t i l lc o e f f i c i e n t o fh o r i z o n t a l p r e s s u r e i n c l a ys o i l ；t h e c o e f f i c i e n to fh o r i z o n t a l p r e s s u r e i sb e t w e e nt h es t a n d s t i l l l i l a b s 仃a c t c o e f f i c i e n ta n da c t i v ec o e f f i c i e n to fh o r i z o n t a lp r e s s u r ei nw e a t h e r e dr o c k ；t h ec o e f f i c i e n to fh o r i z o n t a l p r e s s u r ei sn e a rt h ea c t i v ec o e f f i c i e n to f h o r i z o n m lp r e s s u r ei ns a n d s o i l 5 o p t i m u ma n a l y s i sf o rt h eb a c k - w a r de a r t hp r e s s u r eh a sb e e ns t u d i e d ，t h eb e s tm o n i t o r i n gs c h e m eo f s h i e l d l i n i n ga n d t h ew o r s t m o n i t o r i n gs c h e m e o f s h i e l dl i n i n gh a sa l s ob e e na c q u i r e d k e yw o r d s ：s h i e l dt u n n e l ，b e a m s p r i n gm o d e l ，m o d i f i e dr o u t i n em e t h o d ，b i l i n e a rs t i f f n e s s m o d e lo f s e g m e n tj o i n t ，r e l a x a t i o np r e s s u r e ，w o r k i n gp r e s s u r e ，e f f e c t i v e r a t i oo f b e n d i n g r i g i d i t y i v 前言 刖蟊 近年来，我国开展大规模的城市市政工程建设，尤其是几个重要城市都己开始了地下铁路的建设f ： 程。在这些地下工程中，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 以普遍采用。在这种情况下，对城市正常机能影响很小的隧道施工方法一盾构施工法普遍得到了人们的 关注，并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。 虽然我国在盾构隧道施工方面已有了一定的成功经验和技术积累，但仍然存在大量的技术问题。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。比如盾构隧道管片设计理论的统一、系统化问题，目前我国隧道管片设计大多参考国外的经 验而形成的，需要我们进行不懈的研究和积累，使其与我国工程实际更加吻合。目前，我国各大城市为 了满足城市发展的需要，地下铁路的建设工程、城市上下水隧道工程等正在如火如萘开展，此外，国家 的重点建设项目如南水北调及西气东输工程都涉及到穿越江河的问题，其中一些区段将可能需要采用盾 构法进行隧道施工。因此，盾构隧道施工法在我国的发展翦景非常广阔。 在这样的背景下，为了下一步更好、更经济、更安全地使用盾构技术，保证“百年大计”的地铁工 程在我国的顺利实施，有必要将盾构技术与我国盾构工程地质条件、管片结构条件结合起来开展研究， 使之更加符合我国地铁工程建设的需要。 而盾构隧道设计中，目前主要存在以下三个问题，即作用于管片土压力荷载确定问题管片接头 单元及接头刚度确定问题管片与体的相互作用问题。 本文主要工作结合我国盾构工程的实际情况，主要针对前两个问题开展研究，取得了以下研究成果： ( 1 ) 在盾构隧道管片钢筋的现场监测和管片土压力的反演分析方法，获得了广州地铁三个监测断 面和南京地铁两个监测断面的管片上的土压力，其结果与太沙基松弛土压力较为接近： ( 2 ) 竖向土压力的计算时应合理评价上覆土体拱效应。当隧道埋深在一倍隧道赢径范围内时，一 般不能考虑上覆土的拱效应，应取全覆土重作为竖向土压力：在微风化和中风化岩土层中，土体在较 小的地层位移可能形成拱效应，此时可以采用极限松弛土压力计算：而当隧道位于抗剪强度较低的粘 性地基和砂性地基中时，由于壁后注浆限制地基变形，不能充分发挥士体拱效应，拱效应不能完全发 挥： ( 3 ) 根据监测断面的反演分析的成果，探讨了不同地质条件下的管片水平土压力系数的取值范围。 粘性地基中，其侧向土压力系数一般为静止土压力系数；坚硬的微风化岩层中，其侧向土压力系数在 主动侧压力系数静止土压力系数之间：砂性地基中，其侧向土压力系数接近主动土压力系数： ( 4 ) 根据接头受力变形分析成果基础上，提出了接头刚度双直线模型：这种接头刚度双直线模型 同样适合无传力衬垫的广州地铁管片接头刚度的确定： ( 5 ) 提出了管片环弯曲刚度有效率的确定方法，并根据目前我国通用管片提出了管片环弯曲刚度 有效率的经验确定公式，为修正惯用法中关键参数的确定提供了理论依据：提出了考虑管片接头弯曲 刚度和环间接头剪切刚度的管片内力解析方法，徜化了管片内力的计算方法，有乖j 于推广梁一弹簧模 型法在工程中的应用。 学位论文独创性申明： 本文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作 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) ：量婆尘：庭2 0 0 5 年5 月1 6 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、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容与纸质内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅或者借阅。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) ：纽! ! ：盔2 0 0 5 年5 月1 6 日 河海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 盾构法隧道简介及其发展 1 1 1 盾构法隧道简介 当代城市建筑、公用设施和各种交通日益繁杂，市区明挖隧道施工对城市生活的干扰问题日益严 重，特别在市区中心遇到隧道埋深较大，地质复杂的情况，若用明挖法建造隧道是不现实的。在这种条 件下，采用盾构法则具有明显的优点i “。此外在建造穿越水域、沼泽和山地的公路和铁路隧道或水工隧 道中，盾构法也往往因它在特定条件下的经济合理性而得到采用口l 。 盾构法是地下暗挖隧道的施工方法之一，其主要内容在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供 盾构安装就位，然后盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，沿着设计轴线穿越地层，向另一竖井或基坑 孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道村砌结构， 再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构一般采用能支撑地层压力而又能在地层中推进的圆形或马蹄形等特 殊形状的钢筒结构，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，钢筒尾部是具有一定空间的 壳体，在盾尾内可以拼装一环至二环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，在盾尾支护下拼装一环 衬砌，循序交替挖土、推进和拼装管片。即可建成盾构隧道。在盾构推进过程中，盾构刀盘开挖的土体 不断从螺旋排土器排出，并同步向盾壳与衬砌环之间的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉。 盾构法相比其它旌工方法有以下特点6 】： 1 ) 除竖井施工外，施工作业均在地下进行，既不影响地面交通，又减少对附近居民的噪音和震动 影响： 2 ) 不对地面建筑物、地下埋设物、地下结构物产生不良影响； 3 ) 盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员较少； 4 ) 土方量较少； 5 ) 施工不受风雨等气候的影响； 6 ) 在土质差水位赢的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性。 随着2 1 世纪地下空问开发高潮的来临，盾构施工法，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。 1 1 2 盾构法隧道的发展 回顾盾构法隧道的发展历史可以看出，从大约1 9 0 年前由法国人发明的盾构法到二十世纪六十年代 中期，已经进行了较大的改进，从开口式发展到闭胸式，从十压式平衡发展到泥水平衡，从仅局限单圆 形隧道发展到多圆等非圆形复合隧道，已经基本上能够适应各种复杂地质条件隧道的建设。但是施上方 法的总体要求并设有发生变化，主要考虑的方面是盾构法三大要素：地层稳定处理、盾构机及衬砌隧道。 在传统的盾构法中三大要素是各自独立的f ”。地层稳定处理是作为盾构法的辅助方法，并力求保持工作 面稳定。然而即使地层稳定处理能够保证盾构法施工正常进行，但是当通过市区人口稠密区平商业闹市 l 第一章绪论 区时对地表沉降的苛刻要求仍然很难满足。于是为传统盾构法让位于第二代盾构法创造了机遇即压 气式盾构法的产生。由于地层稳定处理为纳入盾构的功能中而不是单独进行的，采用这施工方法时在 压缩空气f 施工会产生障碍，为此提出在盾构内以气密限定气压的方法，但没有成功。在传统盾构法中 采用限定气压的方法虽说投有成功但在盾构内用设备解决工作面稳定问题的观点，是具有远见卓识的。 于是采用液体来代替空气成了必然的趋势。最初的试验是在英国进行的，6 0 年代中期日本完成了这一 试验即泥水加压式盾构。比泥水加压式盾构晚约十年，7 0 年代中期土压平衡式盾构( e p b ) 在日本 出现。这两种盾构都属于同一系统的闭胸式盾构。闭胸式盾构法的特征是盾构机可使工作面保持稳定， 原则上不需采用地层稳定处理。闭胸式盾构法的这一功能是将传统盾构法三大因素中的地层稳定处理和 盾构机两因素台二为一。对于工程实践中是采用土压平衡式盾构法还是泥水加压式盾构法作为掘进： 作 面支护，应根据工程地质、水文情况、工期、经济性、环境保护、安全等综合考虑。盾构的选型及配置 是一种综合性技术，涉及地质、工程、机械、电气及控制等方面。在盾构的选型上国内已有很多成功的 范例，同时也有过许多经验教训一般来讲按工程实际地质条件做出选择”_ 叫。 从现代盾构法的成果看，向包括隧道衬砌在内的三大要素的一体化迈进只是时间问题。进入7 0 年 代中期。德国采用现浇的模注混凝土衬砌法( e c l ) ( 又称挤压混凝土衬砌) 已在城市隧道中应片j ，日 本也加大了这方面的研究开发i l ”。由于欧洲地质条件相对坚硬，工作面自稳能力较好，开发的e c l 法 的基本特点是无筋混凝土衬砌；日本的许多城市以及中国上海等软土地区中开挖隧道，工作面的白稳能 力差，一般为钢筋混凝土衬砌，这种现浇施工法需要在盾构内组装钢筋网与浇灌混凝土同时进行，并向 地层挤压，具有一定的困难。现浇衬砌法虽然作为新的施工方法被确定下来从目前的进展来看，今后 尚须不断改进。 与国际上盾构法隧道的发展进程相比较，我国在盾构法隧道领域起步较晚但发展迅速。我国人陆地 区第一条地铁隧道是北京1 9 6 9 年采用明挖法建成的。在上海地区，2 0 世纪6 0 年代中期，大部分地下 管道( 越江隧道、上f 水地下管线、通讯电缆、煤气管线等) 都是采用明挖法施工的，一般管道直径小 于2 0 0 0 m m 。自从1 9 7 1 年是用网格式盾构建设打浦路越江隧道以来，直径大于4 0 0 0 m m 的管道犬部分 采用盾构法施工。到目前为止，上海采用盾构施工技术修建了二十多条车行和水工隧道( 如打浦路越江 隧道( 网格型干出土) 、延安东路隧道北线( 网格型水力机械出土) 、延安东路隧道南线( 泥水加压式全 封闭型盾构掘进) ) 。而地铁工程的大规模建设始于9 0 年代，在引进和消化国外技术的基础上，采用土 压平衡式盾构成功地建成上海地铁一、二号线，这为我国在软土地区修建地铁积累了丰富的盾构施： 经 验。同时也总结出了一整套沉降防治和周围环境保护的方法。采用这些技术手段，上海地铁二号线自& 够 有效地将地面沉降控制在+ 1 0 m m 一3 0 m m 的范围内，如盾构穿越上游 f 水箱涵时地表沉降控制在+ 5 一1 0 r a m 之间，盾构穿过一号线时，变形量控制在5 m m 内，盾构穿越后的变形趋于零。所有这些表 明上海在软土地区盾构法隧道的施工技术方面达到了国际先进水平 1 2 1 3 , 1 4 1 。 在传统盾构法向现代盾构法发展过程中，除了积极探讨现浇衬砌法外，还包括开发应用和改进现有 技术，以适应城市隧道断面的多样性，现以开发出超大断面盾构、复圆盾构、异形断面盾构。目前世界 上最人的圆形盾构隧道( 直径1 4 1 4 m ) 已在日本东京湾水底下实施，世界上第一个三联圆形铸铁衬砌 盾构隧道( 外径7 5 m 跨度1 7 m ) 己在日本大阪建成。据资料介绍，目前泥水加压式盾构止朝着人断 2 河海大学博士学位论文 面，大埋深和高水压方向发展。现有的设计技术已难满足新形势下的发展要求，诸如管片接头防水问题、 衬砌整体稳定性问题、关键块剪切强度问题以及由于高外加荷载引起的结构和接头的非线性问题有待进 一步研究。在技术改进方面，特别注重土压力平衡式盾构的添加气泡技术的进一步提高，同时从节约劳 动力和机械大型化等方面提高盾构法的自动化程度。 土 径盾构 图i i 国外盾构发展早期过程 图l 2 盾构新技术发展 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1 1 种盾构施工 技术”，下面作一简要介绍。 ( 1 ) 泥水加压式盾构工法 在翼形切土刀盘的后面设置隔板，从而形成了一个由开挖面、盾壳和隔板共同组成的泥浆室，对进 入泥浆室的士体注入泥浆材料并进行搅拌，通过取得开挖和排士量的平衡以及一定量的泥浆压力，来控 制开挖面的稳定性。 其特点是适应土质范围较广，废土处理不需要大规模的设备，地层的下沉量能限制在最小限度，地 基改良范围小，不需要压气施工，能适应大深度、高水压下施工。 ( 2 ) 气泡盾构施工法f 1 7 j 向开挖面或腔室内注入以特殊气泡剂制作的气泡，以提高压力仓内土体的流动性和l t 水性，防止开 挖土附著在腔室内，更好地保持开挖面稳定、顺利施工。排除的土体经消泡后恢复成正常状态的土体， 不需要附属的处理设备。 ( 3 ) e c l ( 挤压混凝土衬砌) 施工法【1 9 】 利用盾构机进行开挖，在盾尾部浇筑混凝土，形成衬砌结构。施工原则是在盾构推进的同时用现浇 混凝土填充，使之与地基紧密结合。 该施工法特点是能构筑高品质的村砌隧道，适应范围广，能抑制地基f 沉、降低施1 ：费、缩短r 朗 等。 ( 4 ) m f 盾构施： 法 将多个圆形盾构机的切刀盘前后错位，利用其重合部分的盾构构筑多种多样的隧道断面。由丁能 第一章绪论 够开挖多元化断面隧道，所以在用地有限和地下构筑物较多的场合。能够开挖切合实际需要的断面。 其特点是，通过圆形断面的多种多样的组合可以构筑任意形状断面，在结构上以圆形为基本单位， 可采用闭胸式泥水加压盾构或土压平衡式盾构等。 ( 5 ) d o t 施工法 d o t 施工法是运用泥水加压式盾构机轮幅状的切土刀采用多个切土刀象齿轮一样啮合配置于同 一平面的d o t 盾构机构筑双连式和三连式隧道的施工方法。相邻的切土刀盘不发生接触和冲突，互为 反方向旋转，同步控制。多余的断面小节省面积，经济效益好。 该旌工法的特点是占地面积小，圆形断面缀合自由，能将切土刀配置于同一平面，降低总成本。 ( 6 ) 扩大盾构机施工法 从盾构隧道的任意位置扩大盾构机刀盘，沿隧道轴向挖掘周围地层并拼装衬砌。不对地面产生影响， 能够根据需要从隧道内部扩大断面空间。 该施工法的特点是能够按照空间开发利用的需要，扩大任意的长度，扩大后的长度仍为圆形，结构 上的稳定性不变，在上下左右任一方向都能偏心扩大，越深的场合越能显示经济性和工期方面的效果， 全部为隧道内施工，不妨碍交通等。 ( 7 ) 霍伦施工法与库仑施工法 霉伦施工法有从竖井开始向横坑连续施工的竖、横盾构和在水平面直角转弯开挖的横、横盾构。 库仑施工法，是通过旋转刀具使得更换钻头成为可能，发挥长距离连续开挖的威力。库仑施工法的 特点是刀头可以随时更换，更换次数不限且作业天数大幅度缩短。 它们的共同特点是深度越深经济效益越显著，深度加深也确保高度安全性。 ( 8 ) h & v 盾构施工法 使复数的盾构机的盾头部分分别向反方向中折，使各盾构机的掘进方向不同的十字联结机构，使得 盾构机产生旋转力，能够螺旋状地掘进。利用仅在隧道接合部扭转的一体型管片，也能构筑螺旋形隧道。 另外利用普通的简单隧道用的管片，也能构筑独立的隧道。 其特点是能从横纵并列向纵横并列连续移动，不需要设置竖井即能构筑分支隧道，能够缩短工期， 能够缩减成本等。 ( 9 ) m s d 施工法 m s d 施工法在盾构机的前部装有独特的接合装置，从两侧开挖接受侧盾构机和顶推侧盾构机在 地下机械合拢，连通隧道。将内置于顶推侧能够滑动的钢贯入环顶推到接受侧的贯入室，使得两者连接， 连接部对抗周围的土压、水压，防止土砂和水侵入内部。连接后。贯入环作为耐力、止水结构的一部分 使f j ； 进行二次衬砌完成隧道施工。 该施：】。法的特点是能够自由选择结合地点，安全可靠，对周围没有影响，能够缩短j i ：期，降低成本 等。 ( 1 0 ) 自由断面盾构施工法 以主切土刀具开挖断面的圆形中心部，其周围以多个行星切土刀进行开挖，因此能够实现自由的隧 道形状。行星切土刀随着主切土刀的旋转，围绕主切土刀进行自转和公转。公转轨迹可以通过调仃转置 4 河海大学博士学位论文 使得行星切土刀的旋转角度任意改变因此能够容易地挖掘矩形、椭圆形，马蹄形等各种断面形状。 其特点是能够有效地利用地下空间，按照使用目的选择合理的隧道形状等。 ( 1 1 ) 偏心多轴盾构施工法 偏心多轴盾构施工法( d p l e x ) ，通过改变切土刀盘的形状，能够适用于圆形、矩形、椭圆形等各 种断面。使泥浆压力与地层士压、水压基本一致，调整掘进速度和螺旋式输送机的旋转速度进行开挖。 开挖面的稳定通过圆形断面隧道多采用可靠性高的泥浆加压方式实现。 其特点是能够开挖任意的断面，最适合于大断面盾构，能进行长距离开挖，能以全断面方式向内注 入等。 1 2 盾构隧道衬砌结构设计方法研究现状 1 2 1 隧道结构计算理论发展 早期地下工程的建设完全依据经验，十九世纪初才逐渐形成自己的计算理论，开始用于指导地f 结 构的设计与施工。 在地f 结构计算理论形成的初期，人们仅仿照地面结构的计算方法进行地下结构的计算。经过较长 时期的实践，地下结构的受力变形特点才逐渐被认识，并形成以考虑地层对结构受力变形约束为特点的 地下结构计算理论。二十世纪中期起，电子计算技术的出现和进步大大推动了岩士力学和：【程结构筹学 科的发展，地下结构的计算理论也因此有了更大的发展。例如岩土介质的性态、地层自承力的特点及与 结构相互作用的规律等因素，目前都已经可以在地下结构计算中按连续或不连续介质力学和材料非线性 的原理加以考虑。其发展过程大致可以分为以下七个阶段f ”1 ： 1 ) 刚性结构阶段 1 9 世纪的地下结构大多是砖石砌筑的圬工结构，这类材料的抗拉强度较低，且结构物存在较多接 缝，故容易产生裂缝。为了维持结构稳定，这时的地下结构的截面都定得很大，使结构受力后产生的弹 性变形较小，因而最先出现的计算理论是将地下结构视为刚性结构的压力线理论。 2 ) 弹性结构阶段 1 9 世纪后期，混凝土和钢筋混凝士材料开始出现并被用于建筑地下： 程，使地下结构具有较好 的整体性献这时起地下结构开始按弹性连续框架进行内力计算。荷载为主动地层压力，按超静定结 杜j 力学原理进行计算。 3 ) 假定抗力阶段 混凝土衬砌在受主动荷载的作用产生弹性变形的同时，受到地层对其变形产生约束作用。将地层对 衬砌的约束按衬砌受有弹性抗力作用的形式进行考虑，根据经验假定弹性抗力的分布形式后，地下结构 的计算理论便进入了假定抗力阶段。1 9 2 2 年休特和约翰逊在建议的圆形衬砌计算方法中也将结构视为 受主动荷载和侧向地层抗力联合作用的弹性圆环，其被动弹性抗力形式假设梯形图形，_ 人小根据衬砌备 第一章绪论 点没有水平移动的条件确定，其缺点是过高估计了抗力作用，如图1 3 所示。 测向主动地层 压力及水压力 8 i8 l 朝 e + ( 8 2 8 1 ) 8 2 垂直地层压力及水压力 由矗= 0 的条件决 王i 五 王) q 定弹性抗力图 臼至殂工日至日芷 与垂直压力平衡的反力 图1 3 休特方法计算圆形衬砌的简图 1 9 3 4 年，朱拉波夫和布加也娃对地下结构按变形曲线假定了镰刀形的抗力图形，并按局部变形理 论认为弹性抗力与地层沉陷成正比，由衬砌和地层的变形协调条件计算弹性抗力的量值。如图14 所示。 垂直地层压力及水压力 枉五匾珏皿， 岛y 。 k o y b 图1 4 朱拉波夫一布加也娃法计算圆形村砌的简图 4 ) 弹性地基梁阶段 由于假定抗力法对抗力图形的假定带有较大的任意性，人们开始研究将衬砌视为弹性地基粱弁结构 计算理论。按局部变形弹性圆环理论计算圆形衬砌的方法出现较早，前苏联地下铁道设计事务所在2 0 世纪3 0 年代已经提出这一方法，如图1 5 所示。 共同变形弹性地基粱理论也被用于地下结构的计算。1 9 5 4 年奥尔洛夫用弹性理论进一步研究了按 地层共同变形理论计算地下圆形隧道的方法，如图1 6 所示。舒尔茨和杜德克在1 9 6 4 年分析圆形衬砌 6 河海大学博士学位论文 时不但按共同变形理论考虑了径向变形的影响，而且还计入了切向变形的影响。 图i 5 链杆法 图i 6 奥尔洛夫注计算简醋 5 ) 连续介质阶段 鉴丁人们逐渐认识到地下结构与地层是一个受力整体，按连续介质力学计算地下结构内力的方法也 逐渐有所发展。 史密德和温德耳斯得出了接连续介质力学计算圆形衬砌的弹性解。费道洛夫得出了有压水工隧洞 j 砌的弹性解，缪尔伍特提出了圆形村砌的简化弹性解析解，克铁斯又对此法作了改进。塔罗勃和卡斯特 奈得出了耐形洞室的弹塑性解。塞拉塔和柯橡斯采用岩士介质的各种流交模型进行圆形隧道的秸弹性分 析。我国学者同济大学侯学渊等利用地层与衬砌之间的位移协调条件得出了圆形隧道的弹塑性解和粘性 解。 6 ) 数值方法阶段 由连续介质力学建立地下结构的解析计算方法是一个困难的任务，目前仅对圆形衬砌中的简化本构 关系有了较多的研究成果。2 0 世纪6 0 年代以来，随着电子数字计算机的推广和岩土介质本关系研究的 进展，地f 结构的数值计算方法有了较大的发展。莱亚斯和迪尔在1 9 6 6 年应用特鲁克一普拉格屈服准 则进行了圆形洞室的弹塑性分析。 9 6 8 年，晋齐维齐等按无拉力分析研究了隧道的应力幂l 变形，提出 了可按初应力释放法模拟其开挖效应的概念。库尔荷威于1 9 7 5 年用有限元法探讨了几种因素对地下洞 室受力变形的影响。1 9 7 7 年维特基分析围岩节理及施工顺序对f | 可室稳定的影响。我国学者近年来在地 下洞宝用育限元分析分析方面做了大量工作。同济大学采用粘弹性本构模型分析了地f 浅埋圆形隧道。 7 ) 极限和优化阶段 以上所述各种计算方法大都假定衬砌处于弹- 陛受力阶段，这些方法常不能反映实际结构破上1 ：时的极 限承载能力。实际上，整体式衬砌的最大受力截面发生裂缝或装配式衬砌的接缝发生塑性变形，并不意 味着衬砌结构的承载力己消耗殆尽，衬砌结构此后仍可继续维持稳定。由此，前苏联地f 隧道设计事务 所曾研究过按极限状态计算衬砌隧道的方法，同济大学也曾试验得出了按极限状态计算地f 结构公式， 日本铁道建设公司通过对整环管片进行极限承载力试验，通过研究发现，当管片截面力达到截面承载力 第一章鳍论 时，管片环并没有坍塌。也就是说，目前根据管片截面承载力进行管片环设计的方法值得进一步探讨( ”。 正在兴起的结构优化设计理论法着眼于各种可能设计方案中寻求最佳结构，以达到重餐最小、材料 最省或造价最低等目的，从而使结构设计的质量达到新的水平。同济大学曾提出地下结构优化设计的 些方法。 应该指出，地下结构计算理论的上述七个阶段在时间上没有截然先后之分，后期提出的计算方法一 般也不否定前期的成果。豁于土层介质眭质的复杂多变，这些方法各有其适用场合和一定的局限性。 1 2 2 隧道设计方法 1 2 2 1 隧道设计方法的分类 目前众多的隧道计算方法构成一个繁杂方法系统，鉴于土层介质性质的复杂多变，管片设计新方法 不断涌现，而各计算方法又有自己的适用场合和一定的局限性，不利于工程设计人员选用和识别。为了 更好地总结这方面的研究成果以及便于交流、推广简单有效实用的管片设计方法，提高各国隧道结构管 片设计能力，国际隧道协会( 1 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没计 模型。二十多年过去了，入江健- - - - ( 1 9 9 3 ) 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 1 1 2 0 l ： 表1 1 各国隧道衬砌设计模型统计表 8 河海大学博士学位论文 从上表可看出，使用最多的墁计模型仍是弹性地基圆环法。国际隧道协会科研与开发t 作组副组长 高野佳博( 1 9 9 7 ) 提出了研究报告盾构隧道衬砌设计指南( 草案) ，该草案也推荐使用( 修正) 惯用设 计法、弹性地基粱法及有限元法。 文献 1 8 根据我国地下结构设计的特点，将隧道设计模型分为4 种：经验类比法；荷载结构法； 地层结构法；收敛限伟法。其中认为地层对结构的作用只是作用在地下结构上的荷载( 包括主动的 地层压力和被动的地层抗力) ，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法称为荷载结构法。弹 性连续框架法、假定抗力法和弹性地基梁法等都属于荷载结构法。荷载结构法又可分为两类：局部变形 理论计算方法和共同变形计算方法。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 理来计算衬砌和地层的计算方法称为地层结构法。常见的有圆形衬砌的弹性解、粘弹性解和弹塑性解。 然而，由于数学上求解的困难，目前地层结构法中获得精确解析解的研究成果有限。荷载结构模型用于 隧道常规设计，地层结构模型用于特殊设计，并用收敛限制模型来监控设计。 荷载结构模型是使用最多的一种，我国地下铁道及铁路隧道设计规范中均推荐使用。采用这种设计 模型，计算方法简单，工作量小具有明确的受力概念及清楚的安全系数评价方法。在我国铁路隧道结 构设汁中大量采用的基于前苏联朱一布模型的衬砌标准图，就属于荷载结构法。在意大利、德国、日本 等国家也曾大量采用这类设计方法。 地层结构模型( 或称连续体模型) 将地层和衬砌结构视作共同受力的统一体，可以分别计算村砌和地 层的内力并据此验算地层的稳定性和进行结构截面设计。从理论上讲，这种模型最为合理，但由于实 际情况的复杂性，目前只有小部分问题取得了解析解口“，一部分是在作各种简化条件下的近似解，而 大部分阔题只能依赖数值解。对数值解而言，使用最多的是有限元。有g 艮元是种繁琐、耗时的计算方法尽 管方法本身严密精确，由于岩土本构关系的复杂性岩计算参数的不精确性以及其结果难以验证的特 点，有限元计算结果未能在工程中得到直接应用，只能作为设计人员的定性参考。 收敛约束模型，是以测试为主的设计方法，因为它能提供直觉的材料，以更确切地估计地层和结 构的稳定性和安全程度，常受到现场人员的欢迎。但收敛约束法的原理还不完善，存在很多问题雉以解 决。如地层和衬砌的响应曲线目前仍无法正确确定，使得该方法仍只能停留在定性的描述阶段。 1 2 2 2 荷载结构法的研究 荷载结构法具有概念清楚，受力明确，计算简单等优点由于各国隧道设计规范中大多选用荷载结构 模型，下面详细介绍荷载结构模型中的几种常用管片设计方法口i 。 盾构衬砌管片环般是在盾尾直接通过预制好的管片拼装而成，一环衬砌通常由三种管片组成，即 a 、b 、k 三种管片，其中k 管片主要是为了便于现场的拼装惑工两设计的。k 管片有径向插入、轴向 插入或两者联合插入。当管片接头在