（水利工程专业论文）盾构技术在黄土隧洞施工中的应用研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：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成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。，与我 一同工作的同志对本文所沦述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：礁缸遵年罗月一口 保护知识产权申明 本人完全了解两安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工人 学，无论何时何地。未经学校许可决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 论文作者签名 导师签名：孽茎鲎兰! ，乒年7 月加目 摘要 盾构技术在黄土隧洞施工中的应用研究 学科：水利工程 作者：张克强 导师：郭增玉教授 吴建民教高 摘要 签名：g 护氲援 签名：押谤王、 舅建氏 本文从分析盾构法施工技术的基本原理和发展应用现状入手，结合工 程着重研究了盾构法应用于黄土隧洞的合理性、遇到的主要问题及可供选 择的解决方案。在对当前应用的盾构机类型评价分析的基础上，还对适用 于黄土隧洞的盾构机类型和衬砌结构做了初步研究。 结合洛惠渠五号洞盾构法施工的工程实践，对黄土地区盾构法施工的 适用条件、盾构机选型的原则、衬砌荷载的确定、结构分析方法和设计指 标的选择等问题进行了深入探讨；对黄土隧洞的盾构法施工工艺做了重点 研究，就盾构方向控制、开挖面稳定、穿越塌方体等特殊问题提出了解决 方法。 本文提出：在土层稳定问题突出、洞线较长、控制地面沉降要求严格 的条件下，盾构技术应用于黄土隧洞有较好的技术适用性和经济合理性； 盾构技术应用于黄土隧洞的主要问题是如何考虑黄土特有的物理和力学 性质，进行合理简化，以降低工程成本；在盾构施工的情况下，对黄土隧 洞的变形规律及测试方法有待进一步的研究。 关键词：盾构，黄土隧洞，施工技术 a b s t r a c t a p p l i c a t i o no f s h i e l dt e c h n o l o g y i nl o e s st u n n e lc o n s t r u c t i o n s u b j e c t ：h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g a u t h o r ： a d v i s o r ： a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a n a l y z i n gt h ef u n d a m e n t a l ，a c t u a l i t yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f s h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h er a t i o n a l i t yo fa p p l y i n gs h i e l dt o l o e s st u n n e l s ，m a i np r o b l e m sw h i c hm a yf a l la c r o s sa n dt h ea l t e r n a t i v es o l v e d s c h e m e sw e r er e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b a s e do nb r i e fi n t r o d u c t i o n so f c u r r e n t l ya p p l i e ds h i e l dt y p e s ，w h i c hs h i e l dt y p e sc a l la p p l yt ol o e s st u n n e l s w a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r a n a l y z e dt h ep r o j e c t i o na p p l i c a t i o no fs h i e l d ，t h e l i n e rs t r u c t u r ea n dt h es t r u c t u r ea n a l y z i n gm e t h o d sw h i c hi sa p p l i c a b l et o l o e s st u n n e lw e r er e s e a r c h e dd e e p l y a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c tp r a c t i c eo fs h i e l dc o n s t r u c t i o ni nt h ef i f t h t u n n e lo fl u o h u i q ui r r i g a t i o na r e a ，m a n yp r o b l e m sw e r et a k e ni n t o r e s e a r c h i n gs u c ha sa p p l i c a b l ec o n d i t i o n so f s h i e l dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi n l c _ e s sa r e a , h o wt os e l e c tt h es h i e l dt y p e ，h o wt od e f i n et h el o a do ft h el i n e r , a n a l y z e dm e t h o d so ft h es t r u c t u r ea n dh o w t os e l e c tt h ed e s i g ni n d e x b a s e d o nm a i n l yr e s e a r c ho fs h i e l dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi nl o e s st u n n e l ，s o m e r e s o l v e dm e t h o d so fs p e c i a lq u e s t i o n sw e r ep u tf o r w a r ds u c ha sc o n t r o l l i n g t h es h i e l do r i e n t a t i o n , s t a b i l i z a t i o no fe x c a v a t e ds u r f a c e ，c r o s s i n gc o l l a p s e b o d y t h em a i n l yc o n c l u s i o n si nt h i sp a p e rw e r el i s t e d a sf o l l o w f i r s t l y , i nt h e c o n d i t i o n so f e x t r u s i v es t a b i l i z a t i o nq u e s t i o n so f s o i ll e v e l ，v e r yl o n gt u n n e l 西安理工大学工程硕士学位论文 l i n ea n dv e r yh i 曲n e e do fs u r f a c es e t t l e m e n t , t h e r ea r ev e r yg o o d t e c h n i c a l a p p l i c a b i l i t y a n de c o n o m i c a lr a t i o n a i i t yo fa p p l y i n gt h es h i e l d t e c h n o l o g yt ol o e s st u n n e l s s e c o n d ly ，t h em a i n l yp r o b l e m so fa p p l y i n gt h e s h i e l dt e c h n o l o g yt ol o e s st u n n e l sa i 6r a t i o n a l p r e d i g e s t i o no fs h i e l d a n d r e d u c i n gt h ep r o j e c tc o s ti na c c o r d i n gt ot h el o e s sp r o p e r t y t h i r d l y , i nt h e c o n d i t i o no fs h i e l dc o n s t r u c t i o n ，t h ed e f c l r r n a t i o nl a wo fl o e s sa n dt e s t i n g m e t h o d sn e e dt ob ef u r t h e rr e s e a r c h e d k e y w o r d s ：s h i e l d , l o e s st u n n e l ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 1 综逆 1 、综述 1 1 盾构技术的发展现状 盾构法是一种在刚性壳体支持下完成地下洞室掘进和衬砌的综合性 施工技术。据说这种方法最早是从观察蛀虫钻挖木板、用分泌物涂抹加固 孔壁得到启示。1 8 4 3 年英国人首次用这一方法完成了横穿泰吾士河的水底 隧道。经历一百多年的不断发展，盾构技术已成为涉及机械、材料、自动 控制、土力学及结构理论等多学科内容的综合技术。人们用盾构法在各种 复杂条件下构筑了大量的隧道工程。随着这一技术的不断完善，它越来越 成为人类开发地下空间的重要手段。研究和推广盾构技术对加快我国的基 础设施建设步伐，提高工程技术水平具有重要意义。 1 1 1 盾构技术的基本内容 盾构旌工法最早是为解决在软土中构筑隧洞发明的。其基本原理是： 用坚强壳体( 即盾构) 支承新挖成的洞室，并由适当的机构来稳定开挖面， 在壳体内完成隧洞的开挖和衬砌。施工时边开挖出土，边推进机体，当推 进尺寸满足安装一组衬砌构件时即在后方壳体内拼装衬砌。机体推进的反 力作用在后方已拼成衬砌体上。当衬砌从盾壳脱出后再灌注浆液充填盾壳 在衬砌外留下的间隙。经过不断发展和完善，现代盾构技术的主要内容包 括以下几个方面： 盾构机械。是盾构技术的核心。从盾构法的原理出发，一般盾构机 应包括壳体、掘进系统、掌子面支撑系统、衬砌拼装系统、机体推进系统 几个组成部分。为满足不同地质条件、使用环境及隧道功能的需要，盾构 机结构有以下几种不同的形式： 挖掘式盾构。为较简易的结构形式，靠手工或辅助机械在前方挖掘成 洞。视地质情况，可以在前方加设掌子面支撑机构，般要辅以人工降水 或在洞室内施加气压维持掌子面的稳定 挤压式盾构。靠盾构端头全部或部分挤走土体形成洞室。此种盾构前 西安理工大学工程硕士学位论文 端多采用网格板对掌子面分割，网格开孔大小可调节，以满足掌子面稳定 和控制出土量的需要。 刀盘切削盾构。用机械驱动的大刀盘切削土体成洞。这种盾构在刀盘 后方设有密封仓，靠仓中介质的压力来维持掌子面稳定。按密封仓中的介 质不同，这种盾构又分为土压平衡式、泥水平衡式，气压平衡式( 也称局 部气压盾构) 。 异型盾构。用于非圆型断面或特殊隧洞的施工，如矩形、马蹄形等。 按其掌子面的掘进和稳定方式，又可分别归入以上三种形式。 全断面隧道掘进机( t b m ) 。在结构组成上继承了盾构的主要特点，但 其解决的首要问题为岩石的开凿，其次才是洞室的支护。因此t b m 划归单 独的范畴似更为合理。 成洞过程的土力学机理及衬砌结构理论。包括掘进中土体对盾构机 和衬砌的荷载作用机理、衬砌结构的分析和设计理论、盾构施工过程对土 体稳定的影响、以及控制这种影响的技术等。 衬砌技术。包括与盾构施工适应的隧洞衬砌结构形式、衬砌材料构 件的生产技术、止水材料等。 相关基础技术。主要指与盾构施工关系密切的地层加固技术、勘探 技术、测试技术、自动控制技术、传感技术等。 1 1 2 盾构技术在我国的应用和发展情况 早在4 0 年代初陕西修建洛惠渠5 号隧洞时就曾尝试过盾构法施工， 并已考虑到用压气法做为辅助措施。限于抗战时期的困难条件未能取得成 功。5 0 年代用盾构法完成了埠新煤矿修建疏水巷道和北京城市排水隧道。 6 0 年代上海开始试验在软弱含水土层中进行盾构法旌工，建成了多条水下 或软土隧道，1 9 6 7 1 9 6 9 年采用直径1 0 2 m 的网格式盾构建成了第一条横 穿黄浦江的水底公路隧道。8 0 年代又用直径1 1 3 m 的水力机械出土式网格 盾构建成了延安东路越江隧道。8 0 年代中期以来土压平衡式和泥水平衡式 盾构被较普遍地成功运用，修建了超过l o o k m 的地铁区间隧道和延安东路 1 综述 第二条越江公路隧道等多条公路隧道。在这期间自行设计和制造盾构机的 技术也逐渐成熟，土压平衡盾构技术已接近世界水平。9 0 年代后期广州引 进日本的复合盾构完成了地铁一期工程。为减轻对地面建筑物的影响，2 0 0 4 年北京地铁五号线工程中也引入了盾构法施工。最近国家南水北调中线工 程穿越黄河也已基本确定采用盾构法隧洞方案。除地铁和公路隧洞外，在 国内一些引水隧洞、输电输气管线隧道中也得到了成功的的应用。 1 1 3 盾构施工法的特点 与传统施工方法比较，盾构法具有以下优点： 广泛适应性。现在对各种复杂地质条件，从河( 海) 底淤积层到砂 卵石层，各种土层几乎均有相应的盾构机型满足其成洞需要。特别对其它 无法解决的成洞问题盾构法有时更显出选择的唯一性。其次，对不同断面 型式、不同用途的隧道如地铁站、甚至竖井也可用相应的盾构来进行施工。 快速性。由于盾构法施工可以在最大程度上实现机械化、自动化、 流水化，提高了施工速度。目前盾构法成洞的速度最快可以达到7 0 多米， 是其它施工方法所不能比拟的。由于这一优点，过去人们不敢设想的一些 超长隧道今天已变为现实。 安全性。盾构法把塌方威胁下的隧道掘进、支护、衬砌变为在安全 壳体内进行，有效保障了施工人员的安全。 对环境的少干扰性。盾构施工可以有效防止掘进中的塌方和超挖， 控制掌子面压力的变化，从而显著减少地面沉降，使地面建筑物的安全、 交通等不受影响。盾构法使单个工作面连续推进的距离加长，减少了竖井 数量，减轻了对地面生产生活的干扰，这一点在市政工程中非常重要。 相对经济性。在一般情况下采用盾构法施工因设备、辅助系统较为 复杂，费用较高。但有些情况下盾构法却显得经济。如在软弱地层中盾构 法往往比化学固结、冻结法节省投资；当洞身埋深大、洞线很长时盾构法 可以省去大量的竖井建设费用。 1 1 4 当前盾构技术的发展方向 西安理工大学工程硕士学位论文 尽管盾构法早已成为一项取得辉煌成就的成熟技术，但做为建立在其 它基础技术之上的综合技术，相关领域的每一项进步都会给它带来改进的 机会，因此盾构技术又是一项具有发展活力的技术。当前其发展方向主要 在以下几方面： 适应性的增强。首先是成洞断面的不断丰富，一是向大型化发展， 适应大断面隧道的需要，如海湾公路隧道、大型引水隧道等；二是向小型 化发展，适应城市各种管道、线路小隧道的需要；三是向异型化发展，适 应特殊断面如矩形、马蹄形、蛋形隧道的需要：四是向多用途化发展，如 竖井、隧道一体化盾构等。 耐用性和易维护性的改进。通过引进新材料和改进设备结构，延长 盾构刀头的使用寿命，延长盾构可一次性持续推进的周期。提高易损耗件 更换的方便性，降低施工成本。 施工自动化程度的提高。用泵送砼现浇衬砌代替预制拼装衬砌，省 去预制砼生产环节，改善施工速度，降低成本。 1 2 黄土洞室的特点及其施工技术 黄土是一种第四纪沉积物，在全世界有较广泛的分布，全球有9 3 陆地表面被黄土覆盖。我国黄土的分布面积和沉积厚度均居世界首位，黄 土分布面积约有6 4 万多k m 2 ，占国土面积的6 6 。其中包含甘肃省中部及 东部、陕西省陕北及关中，山西及河南省西部的黄河中游带是我国黄土 分布最为典型的地区。 一般认为，“标准黄土”具有如下特征。“： a 、颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色； b 、颗粒组成以粉粒( 粒径0 0 5 o 0 0 5 m m ) 为主，含量一般在6 0 以 上，粒径大于0 2 5 r a m 的很少： c 、有肉眼可见的大孔隙，较大孔隙直径一般在1 o m m 左右； d 、富含碳酸盐类，垂直节理发育。 有的还将具湿陷性作为黄土的标准特征之一“1 。如果只有上述特征的 1 综述 一部分，则称之为黄土状土。工程习惯上，黄土往往是标准黄土和黄土状 土的泛称。 在黄土地区进行基本建设，经常需要在黄土地层中构筑各种地下结 构，其中黄土洞室为最常见的建筑结构之一。 1 2 1 黄土洞室的特点 洞室的稳定问题突出。由于黄土在总体上为一种特殊的软弱岩层， 洞周土体往往不能承受岩体对洞室形成的荷载，如何维持施工和运行过程 中的洞室稳定是黄土洞室遇到的首要问题。 地下水对洞室稳定有决定影响。黄土的力学性质随着含水量的改变 极为敏感，当含水量接近饱合或洞室处在地下水位以下时，极易发生坍塌 或渗透破坏，使施工难度显著增加。 土层变形对洞室稳定有持续影响。与岩层比较，土层的变形量一般 较大，而且过程较长，当土层的变形性质和含水量关系密切时问题将更为 复杂。这一点往往对洞室的稳定和正常运用带来持续性影响。 1 2 2 黄土洞室施工技术 黄土的力学特性决定了黄土洞室施工技术的核心在于解决施工过程 中的洞室稳定问题，其主要包括以下方面 洞室支护与跟进衬砌。及时的对新开挖洞室进行支护，及时进行衬 砌，短开挖，强支撑，快衬砌被当作黄土洞室施工的要诀。 排水技术。当洞室处在地下水位以下，土的力学指标严重降低或地 下水引起土体渗透破坏时，常采用人工方法降低地下水位，减少洞周土体 的含水量，降低施工难度。常用的降水方法有管井抽水、轻型井点降水、 工作面排水等。 分部成洞。当洞室设计断面较大，一次开挖成洞在工序时间上不能 保证洞室稳定时，将洞室分割为几个部分，分次完成整体洞室。先进行的 部分称为施工导洞。 地层加固技术。对特殊软弱土层，如可能发生流沙的沙层、洞身与 e 西安理工大学工程硕士学位论文 竖井交接部位的软土层等，为提高其强度和不透水性，采取水泥注浆或化 学注浆法进行加固处理。 顶管技术。在管道开口向前开挖土体成洞，每开挖一定进度后，即 在后方的工作井内向前顶进管道，由管道支承新形成的洞室，最终由连续 管道组成洞室结构。有刀盘削土的机械项管法与盾构法有很大的相似之处。 1 3 盾构技术在黄土洞室中的应用研究现状 按照传统的观点，盾构技术主要用于解决软土( 如河床淤积层) 隧洞 的施工问题，而黄土洞室的稳定问题相对容易解决，因此过去盾构技术很 少在黄土洞室中应用。只有在个别黄土隧洞面临特殊施工困难时才考虑盾 构法施工的必要性。近年来，我省在洛惠渠五号隧洞改造工程中使用了手 掘式盾构施工，西安市在城市排污管道施工中采用过与盾构法类似的机械 顶管施工，取得了一定经验。此外在省外也有个别工程偿试了盾构法施工， 总的看，盾构法旌工在黄土洞室中尚未得到较普遍的应用。 1 4 本项研究的内容和目的 在备类工程建设中会大量的遇到黄土洞室。当洞线较长和地质条件特 殊时现有施工方法常存在施工困难、工期长等问题，使工程的安全性、经 济性受到影响，而吸收盾构法的一些优点，有可能使问题得到解决。由于 黄土力学性质的特殊性，盾构法在黄土洞室中应用时会遇到与以往的软土 隧洞中不同的问题。本项研究的内容为探索盾构法在黄土洞室中应用时面 对的施工工艺、围岩变形和对衬砌的作用机理、工程结构设计等问题及其 解决方法，并结合工程实例进行分析。 本项研究的目的，是通过对盾构技术的分析了解和对工程实例的分析 和总结，初步提出盾构法在黄土隧洞施工中的应用条件、相关的工程设计 方法和施工工艺，为拓展黄土隧洞的旌工技术进行探索。 6 2 盾构法施工的设计计算方法 2 、盾构法施工的设计和计算方法 2 1 盾构法技术的主要问题 盾构法以盾构壳体做为暂时支撑洞室的临时支护以适当的盾前机 构作为维持掌子面稳定的临时支护，靠专门机构完成洞室开挖、机体推进、 隧洞衬砌等施工工序，因此盾构法施工技术的关键问题如下： ( 1 ) 、土力学问题：合理估计土体的稳定性，以确定适当的盾构机 类型；确定在施工过程、工程运行等各种情况下围岩的土压力大小及其在 施工期、运行期的变化规律，为分析盾构机和衬砌结构的荷载提供依据。 ( 2 ) 、衬砌结构的设计：与施工工艺相适应，盾构法隧洞的衬砌一 般多采用预制拼装结构，此种衬砌结构的工作条件和对荷载的响应不同于 传统衬砌形式。 ( 3 ) 、盾构机及配套的施工工艺：包括与工程条件适应的盾构主机 型式、功能参数、配套的辅助机械、施工方法等。 2 2 与土力学问题相关的设计和计算方法 与盾构法技术关系最密切的是土压力的计算问题，这既是进行盾构 机和隧洞结构设计的依据，也是确定盾构机在施工过程中推进阻力的依 据。计算土压力的基础是分析洞周土体的变形机理、破坏形态及其变化过 程，以计算不同情况下盾构机或隧洞受到的土压力。 洞周土体松动后垂直作用在盾构和洞身外表面的土压力。土压力由 围岩的土性、洞室开挖后土体松动破坏的形态决定，一般有以下方法： l 、当洞室埋藏较浅( 一般以洞径的5 倍为界线) ，士体强度较低形 不成坍落拱时，直接按土柱重量计算垂直土压力和侧向土压力。 上部垂直应力p ，= y h ， 下部垂直压力p ，一y h + wn 目自 侧向压力p h _ k p 式中k 。为侧向土压力系数。 西安理工大学工程硕士学位论文 2 、普氏理论。当洞室埋藏较深，覆土深度h 5 6 洞径d ，上部能 形成稳定的坍落拱时，一般可按压力拱理论计算主动土压力。坍落拱的参 数依据土体力学指标和工程经验确定。对黄土洞室，特别是在洞室处在地 下水位以上时，采用坍落拱法计算洞周压力为较传统的方法。 垂直压力q = yh 水平压力e = y h y 一土体容重 一侧压力系数，由土体的普氏坚固系数和内摩擦角确定， h f b 。l ，九= t 9 2 ( 4 5 中2 ) 。普氏坚固系数厶由土体的综合力学指标确 定，理论上普氏系数f , ：t g d d 。巾。为岩体的视在摩擦角。实用上参照类 似工程经验确定。普氏推荐的各种土体的坚固系数见表2 1 。 文献“1 根据对一些黄土洞室的调查，得出部分典型黄土层的建议普 氏系数如表2 2 。 表2 1土层的普氏系数 土体坚硬程度地层类型 f 碎石土、破坏的片岩、散处的卵石和碎石、硬 相当软 1 4 1 8 煤、硬化粘土 软地层紧密的粘土、普通煤、硬冲程土、粘土质土壤 1 软地层 略带砂性粘土、黄土、砂砾、软煤 0 6 l 土质地层种植土、泥炭、略带砂性沃土、湿沙 0 6 散粒地层砂、漂砾、小砂砾、松散土、开采出的煤 o 5 流砂类地层流砂、沼泽土、含水黄土和其它含水土壤 o 1 o 3 2 盾构法施工的设计计算方法 表2 2部分黄土层建议f 值 地层类别调查f 范围平均值f 计算值建议值 q 。、q 。黄土 0 6 4 1 0o 8 5o 6 3 0 9 3o 8 - q 2 2 黄土o 7 4 1 1 21 o o0 6 4 1 0 1o 9 5 q 。1 、。黄土 1 o 1 4 01 1 50 8 6 1 1 51 1 5 表中f 建议值是在干土中得出的，当土层饱合或洞身位于地下水位 以下时值将显著降低，应在o 1 o 3 之间取值。因为地下水位以上及下 层之间的f 值差异较大，当按洞室所在层f 值推算的坍落拱超出地下水位 较多时，应按上层的f 值对坍落拱进行修正。 3 、计入两侧土体影响的土柱重量法 ( 1 ) 太沙基法 太沙基考虑两侧土体对洞顶土柱的作用，采用积分法推导出如下公 式：口 麟则城删燃峪 t 篇羔祟撩。 n t m 叼勰丌删 图2 1 t 十l jdl上 西安理工大学工程硕士学位论文 只：出掣+ q e - b 妒 1 k 1 2 固 门：旦一k ：! ! 式中 bl 。口， ( 2 ) 滑动体平衡平衡法，如图2 2 示。 9 2 詈呐”! 警) 撒眈引。 b 为隧洞跨度，h 。为洞顶岩体高度，x 意义同前。 甫柳俘十援而总 图2 2 4 、弹塑性理论 文献。1 对黄土洞室围岩压力的弹性理论、弹塑性理论解析解做了介 绍，两种理论的解均是在侧压力系数k o = t 的假定下得出的。 ( 1 ) 弹性理论解 其围岩压力的表达式为： 111 + 4 pp 、jk cl l ? 一一 2 盾构法施工的设计计算方法 p ：x 啦 前po + kc t xo “ 墨一意篆 。 ( 1 2 。) + ，2 。】 u 。l 无衬砌洞室围岩的位移，弘。”- p 2 g o r t 。 x o 衬砌前围岩己释放的那部分位移 一 胚衬砌后在衬砌约束下围岩所完成的位移 v o 一o a4 面一 p l ( c 嘴帅0 ) ( 1 - s i n c v ) 印怒一c 喀妒 r 。； 【坐趔兰型 怒 耻1 焉( c c t g 嗍q j + p o ) ( 1 - s i n 咄, p ) 妒 啬 此时围岩压力的表达式与上面相同。式中m 。2 p 。s i n q 9 + 2 c c t 9 9 ， 西安理工大学工程硕士学位论文 其它符号同前。 由于理论计算的力学模型与实际有一定差距，加之一些参数的测定 有很大的离散性，理论计算公式在实际工程中的应用还不成熟。但是，理 论研究的一些结果仍有非常重要指导意义。如弹性理论和弹塑性理论的解 析解均说明，隧洞施工中尽早设置衬砌，哪怕是很薄的衬砌，对限制围岩 的变形均有关键性作用。3 ，这一点与工程实际中的观察结论是完全吻合 的，对研究隧洞的衬砌设计和施工有重要作用。 5 、实测类比法 通过积累大量的工程实测资料，类比采用相似工程的实测值。对类 似的土层，可以借用其实测的水平土压力与垂直土压力的比值来估计土层 压力。 6 、地层抗力的计算 地层抗力即因衬砌变形而引起的土层压力。其分布和计算较为复 杂，实用上假定其分布，通常有两种假定方法：布加也姓一朱氏法和三角 形分布法，其分布见2 4 3 。 2 3 盾构推进力的计算 计算盾构推进力有两个重要作用，一是盾构机推进系统设计的依据 之一，二是施工过程中衬砌环在洞轴线方向的最主要的荷载。构成盾构前 进阻力的因素非常复杂，且在实际施工中变化很大，难以准确计算。可在 对以下各种阻力估算的基础上，按偏于安全的原则综合合确定： 1 、盾构与土体的摩擦力 盾构壳体与洞周土体为压力接触，其大小决定于土压力大小和两者 的摩擦系数。 f 。= u ( 2 p ，+ 2 p 。+ w ) l 。w 为盾构自重，l 为盾构长度；摩擦系数 u 宜以现场试验为基础或参考类似工程的实测资料确定。对粘性土取较 大值，砂性土取较小值。 2 、盾构与土体的粘聚力 2 盾构法施工的设计计算方法 i e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! | ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! 詈s ! 目| ! | ! ! ! s ! ! ! ! g ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! 曼 因盾壳表面与土体紧密接触而产生粘聚作用，特别在盾构因某种原 因有较长时间未推进时，重新推进时这一作用将更加显著。对这一作用的 估算可参照按土体本身的粘聚系数c 进行。 f 2 = d l c 3 、盾构正面( 切削或开挖面) 阻力 分几种情况 ( 1 ) 当为全挤压推进时( 在浅埋深的流塑土中) ，可按被动土压力 估计。 f 产k 。d 2 4y h 式中k 为被动土压力系数。 ( 2 ) 当为切削推进时 f 。；pnd 2 4 式中p 为切削刀盘密封腔体的压力。 ( 3 ) 当盾构前方为开敞或半开敞时 应按欠挖面积参考工程经验确定。 4 、其它阻力 有盾构附属系统与轨道的摩擦力、盾构内衬砌环与盾壳的摩擦力等， 可按其相应重量估算。 总推进力f = f 。在估算的基础上应与实际工程类比，综合确定，确 定时要使盾构有足够的超载能力，以便在非常情况下仍能推动盾构。 2 4 盾构法隧洞的衬砌设计 对盾构法隧洞的衬砌结构形式和计算方法繁多，目前尚无统一、规范 化的设计方法，需要设计者根据工程条件分析解决，对重要工程还应进行 结构模型试验。 2 4 1 衬砌结构形式的选择 衬砌结构形式的选择取决于隧洞的断面形式、地质条件、施工方法和 运行条件。传统的盾构法隧洞多为圆形断面，所以其衬砌多采用拼装式管 状结构。按材料分有铸铁、钢及钢筋混凝土管片，按拼接形式有错缝衬砌 和不错缝衬砌，按衬砌的层次有一次和二次衬砌等。目前使用最多的是高 13 西安理工大学工程硕士学位论叉 高精度预制钢筋混凝土管片一次拼装衬砌。 当渗水会对施工安全或隧洞运行造成严重危害时，一般应采用高精度 管片衬砌。当运行中有降低糙率要求时可在一次拼装衬砌的基础上进行二 次混凝土现浇衬砌。 对于黄土洞室，地下水涌水量有限，不象水底隧洞那样会对施工安全 造成严重威胁，可以适当简化拼装衬砌，也可在较简易的一次衬砌上进行 二次现浇衬砌，通过二次衬砌提高结构强度和防水性能。 2 4 2 衬砌的接头方式和接头防水构造 一般拼装衬砌由4 8 块管片组成一封闭圆环，管片在环向和环间采 用螺栓连接，接缝设止水构造。为了满足严格的防水要求，管片精度通常 要求较高，其尺寸误差可控制在l m m 之内。常用的管片接头和止水方式见 下图2 3 示。 图2 3 2 4 3 衬砌结构的设计计算 衬砌结构计算模型的研究一直是盾构法技术发展和进步的主要方向 之一。随着对地层与衬砌相互作用机理的不断深入认识、新材料和新工艺 的不断引进、试验和设计手段的不断丰富、工程实测资料的不断积累，国 内外研究和工程单位都在寻求更为适用的计算模型。由于问题本身的复杂 性和不同工程的差异性，目前尚没有普遍适用的计算模型。在我国目前主 1 4 2 盾构法施工的设计计算方法 要有以下计算方法。 ( 1 ) 等刚度整体圆环法 将隧洞衬砌视为等刚度的整体圆环，利用力法方程求解，其基本荷 载和计算模型如图2 4 示。 图2 4 用弹性中心法求解的有关系数为： “= 百1 m ，2 且d 妒= 鲁 耻击w 脚= 1 刖? f ( - ec o s 心= 等 一古fm ， a 2e = 一r 班 f l mbc 妒d ， 整体圆环法有计入和不计入地层抗力两种设计方法。根据工程实际 观测，不计入地层抗力时计算的衬砌弯矩值往往偏大。事实上衬砌初始受 力时垂直向压力显著大于水平压力，衬砌环向水平椭圆变形，在水平方向 将引起地层抗力。地层抗力的产生使衬砌环受力趋于均匀化，使弯矩值降 低。计入地层抗力时如前所述一般有两种处理方法，一是假定地层抗力在 且垦帛重一 。且茸璺三 西安理工大学工程硕士学位论文 水平方向呈三角形分布( 见图2 5 ) ，二是假定地层抗力按朱氏法分布( 见 图2 6 ) 。 一卜 越、。、茵 j 专 兰趣、 三鱼垄亟塑坌塑圈 三角形分布法分布值为最= k j , y o 一2 j c 。s 帅，y 为水平直径处的变 一堕二! ! ! 二1 2 堡2 丝 形，。2 4 ( 唧+ o 0 4 5 4 k h r ：) 。 n 为圆环刚度的有效系数，取0 2 5 o 8 ，r 。为衬砌的计算半径，k 侧向地层的弹性反力系数。 朱氏一布加耶娃分布法为： 9 0 0 e 1 8 0 0k6 = k6 。s i n 2 ；+ k6 。c o s 2 l k6 。、k6b - 水平和垂直半径处的地层抗力，k 一地层抗力系数，6 一各点的径向位移。 ，7 、。醚。 汐 1 6 2 盾构法施工的设计计算方法 ( 2 ) 弹性铰法 考虑衬砌环由多块管片拼成，管片的接头刚度有差异，计入接头变 形对计算的影响，这种实际上是对整体圆环模型的改进，其计算模型如图 2 7 示。 该模型对接头刚度的取值需在实验的基础上确定。根据设计的接头 构造，通过模型试验总结出其变形一内力关系，并参照类似工程的经验后 确定接头的刚度值。包括弯曲刚度k 。，轴向刚度k 。，剪切刚度k ，对弯 曲刚度k 。，正反方向的弯矩可能取不同值。 弹性铰模型的计算仍可采用力法方程，只是在力法系数中计入接头 刚度的影响。当忽略剪力和轴力变形影响时，力法系数为： c 。扩蠹 一曼5 莹口e。码 丁f 7 一1 d 口7 _ j 。_ 。 、i # 土乏一 ， ，一一 耻等+ 专心。刊 4 2 - - - - 鲁饿 弹性铰法计算简图 图2 7 k p ( i c o s q ，i ) ( i = 1 n ) 日卧审垦一“目蚓目旦一 西安理工大学工程硕士学位论文 反，：垫+ r 2 ! “ 2 日 ( 1 - c o s q ，f ) ( i = 1 n ) 据文献 1 对工程实例分析，与等刚度整体圆环比较，具有均匀对 称布置的弹性铰的圆环，在不考虑地层抗力时，内力没有变化，而结构位 移与接头剐度关系较大，一般接头刚度越小，位移越大：考虑地层抗力时， 弯矩有较大幅度减少( 5 9 7 9 ) ，而位移有所增加( 3 7 5 4 9 8 ) ，但位 移的量级仍在l o - 3 m ；结构的轴力有一定增加。 弹性铰法同时考虑了地层抗力和接头刚度的影响，较为符合实际， 是目前工程实用上采用较多的方法之一。 ( 3 ) 收敛限制法 根据实际施工中实际测量的洞径收敛值计算衬砌的内力。 m = 3 e i6 a 2 ( 1 + b ) a 一衬砌半径， b = 3 e i a k 。( c o so 。c o s 201 + c o se ：c o s 2e 。) ，el 、o2 表示水平位移 引起管片端铰处的角位移。 ( 4 ) 多铰圆环法 在地层可提供必要的弹性抗力的条件下，将衬砌环作为具有多 个理想铰的圆环来考虑，土层对衬砌的抗力用弹簧来表示，见下图示。 这一模型适应于管片接头接近于理想铰的情况。根据文献 9 对工程实 例的研究，用多铰圆环法计算的弯矩值在各种方法中最小，但位移值 最大。因此，这种结构计算宜在地层条件较好时使用。对黄土洞室， 当土层强度允许、对衬砌的防水要求不非常严格，或者设计有二次现 浇衬砌时，有条件采用不用连接螺栓的接头方式，其只能传递轴力和 剪力，不传递弯矩，这时正适用于用多铰圆环法计算。 多铰圆环的计算一般采用假定弹性后抗力分布的方法。较有代 表性的为日本山本稔法。其原理是：多铰圆环在主动荷载下变形，引 起弹性抗力，逐渐由可变结构转变为稳定结构。圆环变形过程中铰不 2 盾构法施工的设计计算方法 发生突变，在一定条件下多铰圆环能起到稳定结构的功能。 计算采用5 条假定： 第一，适用于圆形结构； 第二，对管片作刚体处理； 第三， 衬砌环上的地层反力为连续分布，其大小沿圆周均匀变 化； 第四，不计衬砌与土层之间的摩擦： 第五， 弹性反力和地层变形的关系符合温克尔假定，即一点的地 层反力与该点变形成正比。 衬砌上各截面处的地层抗力为： p k - 仇。一，+ ( p - i - p m t ) ( 中，一中j - l ) 计算模型如图2 8 示：( n 一1 ) 个铰上作用地层抗力，剩余一个为非 约束铰，其位置常在主动荷载一侧。整体结构按静定结构分析。计算时将 每一个管片作为单元，列出3 个平衡方程，解出各铰上的约束力( 水平力 及及垂直力) 各地层抗力。 工卫卫工二口 ， 、一io jj 。? 、 e 2 ) 时，结构不敏感，地层抗力和管片弯矩、轴力均无明显变化。而当偏压发 4 盾构法在洛惠渠五号隧洞改造中的应用 生在左侧( 封拱块一侧e 2 e 1 ) ，结构敏感，最大地层抗力分别增加8 0 9 6 1 0 6 ，弯矩增加8 0 11 1 ，最大轴力则稍有上升。见图4 4 示。但从计 算果看，虽然第二种偏压引起的地层抗力和管片弯矩增加均较大，但仍不 致给设计造成特殊困难。为提高结构的安全性，通过加强对衬砌的壁后注 浆来有效调动地层抗力非常必要。 图4 4 4 、计算结果的判定指标 对本工程的无螺栓多铰圆环衬砌结构，应满足如下条件： a 、应力值限制。衬砌外任一点的抗力值不应为负值，抗力值与主动 应力之和不超过最大值限制，即0 盯+ 女p 】。 o 可采用同一部位的 原始应力值。对本工程竖向压力不存在问题，水平应力限值可取 盯】= _ l 口0 ，根据地据报告的试验结果，u = 0 2 5 ，按隧洞埋深7 0 9 0 m l 一“ 计算，可取 o = 4 5 0 6 0 0 k n m 2 。 b 、铰约束力限制。因铰上无连接螺栓，铰上的约束力不能为负值( 拉 力) ； 西安理工大学工程硕士学位论文 c 、变形限制。节点径向变形为h = 竿式中k 为土层的抗力系数， 肝 单位k n m 3 ( 老单位k g c m 3 ) 是围岩产生单位变形所需要的接触压力。从 原理上分析，土层k 值一般受土层的压缩和变形特性、初始应力、接触应 力等影响，但目前对土质隧洞还缺少有关k 值确定方法的研究，文献嘲 提出了隧洞围岩抗力系数的确定方法为k o2 而者_ 五，径向抗力系数 打：坚。其中r 为隧洞半径，单位取c m ：e 为岩石的弹模，单位k g c m z ： r u 为岩石的泊松比。地质报告“3 提供了主要的洞周土层一粉质壤土的e 。、 u 值，但根据文献。懒资料。由于实验过程的扰动，一般实验室取得的e 值总比现场测试的e 0 值小。根据文献 1 1 对五号洞抗扰动较强的q 。粉质 粘土所做的三轴等压试验( 见图4 5 ) ，在压力3 0 0 4 0 0 k p a 时，土样的 体应变为1 7 5 1 9 8 ，取= o 2 5 ，占，= - _ = l _ 可估算出土样的弹性 z “十j 模量为4 3 5 m p a ，较地质报告中的值高出很多。文献。3 统计，在孔隙比 e = 1 0 时m = e 。e ：在1 9 8 3 8 3 之间，还有资料显示m 与土的空隙比有 m e = 2 7 1 8 的关系。工程相应土层的空隙比为0 6 1 9 ，e 。= 1 2 4m p a ，由 此取e o = 4 e 。= 4 9 6 m p a = 4 9 6 k g c m 2 ，可估计得k 。- - 2 5 k g c m 3 。按此计算正常 工况下围岩提供抗力而产生的最大径向变形为8 8 哪，偏压工况下最大为 1 9 r a m 。但在施工过程中实际测量的洞径收敛值均在r a i n 量级，并且难以发 现其变形规律。这可能有三方面原因，一是由于测量手段的限制，测量时 机过晚。测量时主要的变形已发生f 二是五号洞埋深在7 0 m 以上，垂直应 力很大，土层较干容重在1 6 5 1 7 1 i ( n i n 3 ，原始压缩较为充分，其变形 模量比估计的为高：三是地质报告的试验指标是在低压下( 1 2 k g c m 2 ) 得出，当实际应力较大时变形模量比试验指标高。对围岩变形的限制，一 是要求变形不致于对衬砌结构造成影响，二是不破坏结构的稳定性。从估 4 盾构法在洛惠渠五号隧洞改造申的应用 算结果看，估计的最大变形值在结构可承受的限度之内。从实际施工和运 行中观测的结果看，衬砌在组装完成后可测量到的变形量非常小，工程运 行4 年来，衬砌结构未发现因变形过大引起的问题。 均压不回弹试验ev p 曲线【1 1 图4 5 d 、构件强度验算。在地层抗力和各铰约束力解出之后，对各管片进 行不同工况下的强度校核，包括管片的偏心受构件强度校核和铰接头的抗 剪校核。在施工阶段的校核，主要为盾构推进中管片侧向集中受压。计算 结果，局部集中受压是管片强度的控制情况，设计采用管片混凝土强度为 c 4 0 。 4 4 施工工艺 正常施工环节包括盾构机的就位拼装、初始推进、正常掘进、衬砌 拼装、注浆、施工运输、管片预制等，主要施工过程如图4 6 示： 西安理工大学工程硕士学位论文 目r手扭最瑟特点施工垃覆帚患 图4 6 4 4 1 盾构机的就位拼装和初始推进 五号洞的盾构法施工，是在原施工方案中断的情况下实施的，盾构 机必须在恢复已破坏的工作面之后接续推进。为此设计在拟恢复工作面附 近新开座竖并，在该井内完成盾构机的拼装。竖井深7 9 m ，内径4 8 m ， 采用钢筋混凝土衬砌。为保证盾构准确就位，在井底设盾构就位台，台顶 预埋轨道，以方便盾构拼装过程中移动。与竖井的工作空间配合，盾构机 分三节制作，逐节吊入，在井下拼焊成整体机构。 盾构拼装调试后，即开始初始推进。初始推进中主要解决三个问题。 一是掘进工作面的恢复，二是建立初始推进的后座装置，三是进洞后开始 阶段保证衬砌能顺利拼接成环。对恢复工作面，设计借助盾构壳体及盾构 前封挡机构的保护来完成：在竖井底部安装半环衬砌，在衬砌上部安装临 时性钢框架，共同作为初始推进的后座装置，上部采用钢框架的主要目的， 4 盾构法在洛惠渠五号隧洞改造中的应用 是为保证施工中竖井的上下运输不受影响。为使正式进洞后衬砌能拼接成 环，开始阶段使用的预制管片中预埋有连接钢板，使之焊接成环，以后再 安装的管片则可以以这些拼成环为依托，顺利成环。待掘进深入到新鲜工 作面、洞内拼装的衬砌能安全承受盾构推进的后