（岩土工程专业论文）狮子洋隧道施工过程管片受力特征及开挖面稳定性研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：盾构法作为隧道施工的一种主要的施工方法己经在我国得到了广泛的应用。施工 过程管片结构受力及开挖面稳定性是盾构隧道施工和设计中非常关心的问题。本文以位 于新广深港客运专线上的狮子洋水下铁路盾构隧道为依托，进行管片及螺栓受力测试、 管片结构受力特征分析和泥水盾构开挖面稳定性研究等三个方面的研究工作： ( 1 ) 首次利用光纤光栅传感器测试盾构隧道管片和螺栓受力，得出盾构隧道的相 关规律，为理论的完善提供一些参考。光纤光栅传感器作为一种优越的测试手段，极有 可能成为土建领域的主导测试传感器。 ( 2 ) 分别对修正惯用法、弹性铰接圆环法、梁一弹簧模型法和梁一接头不连续模 型法进行了理论分析和结构计算，对比并选择了合理的设计方法。 ( 3 ) 就泥水盾构隧道开挖面稳定性这一问题，从理论和数值计算两方面进行了研 究。总结了地层损失的开挖面稳定判断方法。在数值分析方面，利用f l a c 3 d 计算软件， 建立三维分析数值模型，研究了不同泥水压力下盾构开挖面前方和地表沉降的规律。 关键词：盾构隧道；管片受力；开挖面稳定；数值模拟 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h es h i e l dd r i v i n gm e t h o d ，a so n eo ft h em a i nc o n s t r u c t i o nm e t h o d so f t u n n e l i n g ，h a sb e e nu s e dw i d e l yi nc h i n a n ef o r m a t i o nd i s p l a c e m e n ta n ds e g m e n ts t r u c t u r e s t r e e si n d u c e db yc o n s t r u c t i o ni st h em a i ni s s u ed u r i n gs h i e l dt u n n e l c o n s t r u c t i o na n d d e s i g n t a k i n gs h i z i y a n g u n d e r w a t e r r a i l w a y s h i e l d t u r m u li nt h en e w g u a n g z h o u s h e n z e n h o n gk o n gp a s e e n g e rd e d i c a t e dl i n ea sb a c k g r o u n d ，t h ep a p e r i n c l u d e s ： f o r c e st e s t i n go ns e g m e n ta n db o l t ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ff o u rs e g m e n td e s i g nm e t h o d sa n d f a c es t a b i l i t yo ft u n n e l i n gi ns l u r r ys h i e l d ： ( 1 ) f o r c et e s t i n go ns e g m e n ta n db o l to fs h i e l dt u n n e lw a sc o m p l e t e db yf i b e rg r a t i n g s e n s o rf o r t h ef i r s tt i m e o b t a i n1 a w a n do f f e rs o m er e f e r e n c ef o rt h e o r e t i c a lp e r f e c t i o n 1 1 1 ef m e r g r a t i n gs e n s o r ，a sas u p e r i o rt e s tm e t h o d ，m a yb e c o m el e a d i n g s e n s o ri nc i v i le n g i n e e r i n g ( 2 ) i ti sa n a l y z e dt h a tt h ek e ys t e p sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o nw i ms h i e l dd r i v i n g m e t h o d ；t h em a i nr e a s o n sf o rs o i ld i s p l a c e m e n t ；a n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e e x i s t e df e ms i m u l a t i o nm e t h o d sf o rs h i e l dc o n s t r u c t i o n t h es h o r t a g e so ft h ee x i s t e dm e t h o d m o d e l i n gt h e1 0 a do f s h i e l dc o n s t r u c t i o nw e r ec o v e r e da n dt h e3 df d m m o d e l w a se s t a b l i s h e d s oa st os i m u l a t et h es h i e l dc o n s t r u c t i o np r o c e s sm o r er e a s o n a b l ya n dc o m p l e t e l y ( 3 ) o nt h ep r o b l e mo f t h es t a b i l i t yo f e x c a v a t i o nf a c ei ns l u r r ys h i e l dt u n n e l ，s l u r r ys h i e l d t u n n e lw e r es t u d i e df r o mt h et w oa s p e c t so fat h e o r e t i c a la n dh u m e r i c a lc a l c u l a t i o n a n dt h e d e t e r m i n em e t h o do ft h es 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 eo nt h es o i l1 0 s st h e o r yi ss u m m e d e u ps u c c e s s f u l l y w i t h t h eu s eo ff l a c 3 dc a l c u l a t i o ns o f t w a r ei n e s t a b l i s h i n g t h e t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lt h ef r o n t a g eo fs h i e l de x c a v a t i o nf a c ea n dt h el a wo f g r o u n ds e t t l e m e n tu n d e rd i f f e r e n ts l u r r yp r e s s u r ei si n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：s h i e l dm e t h o d ；s e g m e n tm e c h a n i c s ；f a c es t a b i l i t y ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； c i 。a s s n 0 ： l 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的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。 学位论文作者签名：紫文乒签字日期：2 。7 年6 月j 舌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权 北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：柴支捂 签字日期：oc 7 年占月j 钿 导师签名：嗨7 j 5 跨 签字日期：0 7 年6 月，细 致谢 两年的研究生学习生涯即将结束，对于我来说，这段经历实在有太多感触。两年的 时间虽然短暂，但历经的酷暑严寒难忘、师兄弟情谊难忘、师生恩情最是难忘，更多的 是珍藏了对这段美好时光的回忆。 在这时间里，我首先万分感谢我的导师谭忠盛教授和曾巧玲副教授的悉心指导。感 谢导师在两年里在学习生活上给予的大量帮助，尤其是这段时间内获得了很多锻炼自己 的机会，从论文的选题、思路的形成直到最后的成文，每一环节都凝结着导师的心血和 智慧。值此论文完成之际，谨再次向我的导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢! 同时感谢导师王秀英教授在论文工作中给予了我很大的关心、支持和帮助，在科研 课题中，对于我遇到的问题及时给予帮助，在生活中也对我关心倍加。在此也谨向王老 师致以衷心的感谢! 衷心感谢隧道中心各位老师刘维宁老师、贺少辉老师、项彦勇老师、袁大军老 师、李兆平老师、黄明利老师、张德华老师等在研究生求学过程中给予的帮助，祝他们 工作顺利，事事顺心。 在论文的完成过程中，衷心感谢中隧集团的洪开荣总工及广州狮子洋隧道项目部王 坤经理和杜闯东总工，中隧科研所研究人员的配合，谢谢你们在论文撰写工作中给予的 提供的无私的帮助。 还要感谢已毕业的各位师兄师姐一郑鹏武、董志明、宋艳彬、刘芳、吴金刚、代忠 梅、刘恒、张宇川、张鹏、唐培连，金建伟、张明德、周小兵、李云丽，谢谢你们给予 的学习上的帮助，也感谢你们给我们创造了一个集体活泼的团队精神，给我们留下一个 严肃活泼的集体氛围，同时也要感谢于清浩、袁慧、倪鲁肃、李健、严竞雄、程志鹏以 及万飞、朱海涛、方华、黄启迪、唐一丰、何信等，感谢你们在学习中给予的帮助。同 时要感谢李鹏飞博士和黄清飞博士，在课题中给予的大量指导和鼎立支持。祝已工作的 师兄师姐工作顺利，祝仍在校园学习的师弟们美梦能成真，为了自己的理想继续努力。 深深感谢我敬爱的父母，谢谢你们对我做出的每个人生决定的支持，我将永远都感 激你们给我的一切。祝家人身体健康! 柴文书7 k j o1 7 2 0 0 9 年6 月 1 1问题的提出 1 引言 盾构施工技术自1 8 2 3 年由布鲁尔首创于英国伦敦的泰晤士河的水底隧道工程 以来，已有1 6 0 余年的历史。二十世纪初，盾构施工法已在美、英、德、法等国 开始推广。从2 0 世纪6 0 年代起，盾构法在日本得到迅速发展，用途越来越广。经 过几代人的努力，盾构隧道从一种只能极少数欧美发达国家中才应用的特殊技术， 发展成在发达国家中极为普遍，在发展中国家亦应用的隧道施工技术。我国自5 0 年代开始采用盾构隧道发展以来，已修建直径2 1 l m 的多种用途隧道；6 0 年代几 乎与国际盾构隧道发展同步，通过相继在上海软弱饱和汗水地层中进行的一系列 盾构发掘进工程试验，不仅建成了多座盾构隧道，而且还从工程设计中获得了一 系列的成功经验。但是目前有两类技术问题需要进一步的深入研究。 ( 1 ) 管片受力特征研究 在盾构施工中，衬砌管片的投资一般占工程投资的3 0 4 0 ，是影响施工经济 性和结构安全性的重要因素。虽然我国的一些地区性规范中己涉及到一些盾构隧 道管片的设计方法，但目前尚无完整的盾构隧道管片设计规范。而各地区在盾构 隧道管片设计中采用的方法不管是使用的结构模型还是何在系统都是借用其它国 家的经验，对于这种方法是否适合我国各地区的条件，尚无进行理论性总结和探 讨。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。 ( 2 ) 开挖面稳定性的研究 随着泥水盾构隧道在世界范围内广泛成功的应用，其正面稳定问题越来越引 起人们的重视。g a n a g n o s t o u 等认为刀盘开挖面的支撑和开挖面上的渗流控制是泥 水盾构和土压平衡盾构在开挖隧道的过程中需要注意的两个问题，如果开挖面不 能提供足够的支撑力就会导致盾构正面失稳，因此泥水平衡盾构刀盘正面的开挖 面稳定性问题是盾构掘进时必须考虑的一个重要课题。 1 2国内外的研究现状 1 2 1管片计算理论的发展 圆形衬砌作为地下结构中的一种，由于其形状的规则性及适用场合，在计算 北京交通大学硕士学位论文 理论上有其自己的特点。本节试图按出现顺序对圆形衬砌考虑地层作用的计算理 论进行简介。 1 9 2 2 年h e w e r 和j o h a s o n 最早提出圆形衬砌应考虑弹性抗力，根据圆形衬砌 水平直径处位移等于零的条件来计算地层给予衬砌的抗力。这个建议的缺点，在 于不正确地考虑了衬砌变形情况。 1 9 2 6 年s e h m i d 提出按弹性介质分析并考虑地层与衬砌间的相互作用，该方法 适用于相当厚的衬砌。 1 9 3 6 年波德洛夫根据苏联地下铁道实践的经验，应用w i n k l e r 假设以三角级数 表示衬砌的径向位移值，并应用量小功能原理来确定级数各项的系数。 1 9 3 9 年波德洛夫及马捷里，提出了著名的链杆法，以刚性链杆替代衬砌结构 与地层间的直接接触作用，地层受力与变形的关系按w i n k l e ：假设。 1 9 4 4 年b u l l 提出对圆衬砌合理考虑弹性抗力的建议，拱项部分的受拉约束忽 略不计。该法采用叠加原理，求得各种集中荷载下，沿衬砌各等分点的径向位移。 1 9 5 7 年e n g e l b r e t h 根据连续介质模型理论，退到了平面应变下衬砌应力和变 形的封闭解。 1 9 6 0 年日本土木工程协会( j s c e ) 提出惯用设计法，这种方法不考虑管片接头 柔性特征，地层抗力假设仅在水平方向正负4 5 。范围内按三角形规律分布。 1 9 6 1 年m o r g a n 根据直觉假定，圆形衬砌变形成为椭圆，并忽略切向应力和与 之相应的切向变形，由此得到了封闭解。此法所得弯矩在理论上是偏小的。 1 9 6 4 年s c h u l z e 和d u d d e k 提出了浅埋隧道模型的通解和封闭解。 1 9 6 8 年久保( k u b o ) 提出了模拟圆形装配式衬砌接头效应的梁一弹簧模型。该 法将管片用梁替代，接头用弹簧代替。 1 9 7 2 年m u i r w o o d 改进了m o r g a n 的方法，考虑了切向地层应力，初始地应力 的影响及由于接头导致的衬砌刚度降低。 1 9 7 6 年c u r t i s 发展了m u i rw o o d 的方法，计入了切向地层应力引起的径向变 形及刚度比随时间的变化( 蠕变) 。 1 9 7 8 年村上博智( m u r a k a m i ) 和小泉( k o i z u m i ) 等进一步发展了梁一弹簧模型， 该模型除了考虑管片接头转动刚度，还考虑接头的剪切刚度。 1 9 8 2 年，我国侯学渊教授运用弹塑性理论和位移协调方程，解出了可考虑衬 砌刚度的地层压力值，该方法将地层自重理想化为无限远的荷载。 我国近几年在衬砌结构理论方面也开展了研究，如同济大学朱合华教授等对 梁一弹簧模型进行了一系列研究，提出了梁一接头不连续模型，该模型从结构的 非线性出发，引进了非线性介质力学数值分析的古德曼单元思想，并认为接头单 元具有抗拉伸作用。 1 引言 1 2 2泥水盾构隧道开挖面稳定性理论 早在上世纪六十年代p e c k 就提出了地层损失这一概念，并给出了盾构法修建 隧道所引起的土体横向和纵向的沉降曲线；b r o m s 及b e n n e r m a r k 推导并提出了正面 稳定系数 m = 掣( 1 1 ) 乙 这一概念来判断盾构开挖面稳定。对于不排水条件下的工作面稳定性问题， b r o m s 和b e n e r m a r k ( 1 9 6 7 ) n 】首次提出了工作面稳定性系数的经典概念。工作面稳 定性系数从可用式( ( 1 2 ) 表示。 m = ( 吒+ 厂z o 一啡) 瓯( 1 2 ) 式中，y 一土的容重； z o 一地表至隧道中心轴线的距离( 若埋深用z 表示，则z o z + d 2 ) ； 仉一地表附加荷载； 一隧道工作面的主动支护力； s 。一隧道轴线上的土体不排水剪切强度。 基于实验室试验和现场量测，给出的工作面失稳临界值n ，约小于等于6 。还 指出：当( ( h d ) = 1 5 时，n = 5 7 开挖面处于稳定，可以看出盾构埋深与直径的比值 是一个重要影响因子。所以随着这个比值的不同超载系数也会有很大的波动。 p e e k 等( 1 9 6 9 ) t 2 1 也给出了类似的结论。k i m u r a 等( 1 9 8 1 ) 3 1 基于离心模型试验， 给出了考虑埋深的工作面稳定性系数n 在5 1 0 。 d a v i s 等( 1 9 8 0 ) 1 4 1 基于c a i m c r o s s ( 1 9 7 3 ) 和m a i r ( 1 9 7 9 ) 在剑桥大学所做的离心 模型试验，给出了粘土中浅埋隧道工作面失稳的4 种机理模式( 如图1 1 所示) 。分 析认为当埋深z 与隧道直径d 之比较d , ( z d 3 ) 时，认为选择机理c 比较适宜。依 据塑性极限理论，研究了不排水条件下隧道工作面的稳定性问题。其结论是：对浅 埋隧道的未衬砌段，无支护距离愈长，则稳定工作面需要的支撑压力就越大；对 ( z d ， 1 付，删 图1 - 3 村山氏公式计算模型 盾构推进时，作用在开挖面上的全部土压力p d ，是与图1 3 中的松弛竖直土 压力g 占、滑动线围住部分的土体重量肌作用于滑动面上的反力和阻力有关， 可以图1 3 中的0 点作力矩平衡分析来求出； p d = w 1 w + g b ( 乞+ 譬) 一警】( 1 6 ) 式中：、1 w 、乞分别表示力p a 、w 、g b 对应于0 点的力臂。 c 一松弛区范围土体的内聚力； 以一松弛区范围土体的内摩擦角( 。) ； 名一从原点0 到对数螺线滑动面起点的距离( 如图1 3 所示) ，单位m 且有 尼= i 专五r ( 1 - 7 ) 署+ 纠- - s i n 纠 r 一是从原点e l 到对数螺线滑动面上任一点的距离，单位m ， 且式中的r 。计算如下式： 足= r 也彻( 1 - 8 ) 其余符号意义见图1 3 。 根据式子求功时，将图1 3 中的点8 左右移动，求出最大值凡。作用在 开挖面全断面的主动土压力的合力p 便为 7 北京交通大学硕士学位论文 p = 2 乞等= 詈d ( 1 - 9 ) jj 或者，从安全角度考虑，按下式进行估算 p = 局d ( 1 - 1 0 ) 式中：d 一盾构直径，单位m 。 关于地下水位以下的土层，则用水中土的浮容重进行计算，由于孔隙水压的 各向同性特征，分开计算的水压部分需再加上。 村山氏等根据许多试验，提出的修正式基本上能求出对数螺线滑动面以及上 部松动土压。但是因为修正式计算复杂，而且和式( 1 6 ) 计算结果的差值是包含 在因施工技术以及土质波动等引起的误差范围内，因此式( 1 6 ) 在施工中己足够 满足要求。 随着盾构技术在隧道工程中的广泛应用，国内研究人员对于盾构正面稳定性 的研究也逐渐增多，多为采用数值模拟的方法研究，以及模型试验方法。 国内的徐东、周顺华等利用离心模型试验针对上海粘土的成拱能力作了研究 【2 0 1 。研究认为：对于无支护情况，开挖双孔隧道，隧道底部以上8 m 厚的土层不能 形成稳定的天然拱，成拱厚度至少需要1 2 m 。 长江科学院的程展林( 2 0 0 1 ) 【2 1 】以南水北调中线穿黄工程隧道方案为研究对 象，建立模拟盾构开挖面稳定试验系统，采用专门加工的盾构开挖面稳定试验系 统，包括模型箱、盾构模型、压力控制台及测试系统测定在刀盘活动及改变泥浆 压力过程中开挖面前缘土体中的应力变化，以确定开挖面的稳定性，对泥浆盾构 施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机理、开挖面前缘土体的应力变化规律、泥浆 压力作用机理及泥膜形态进行了研究。并得到了中粗砂地层中维持盾构施工开挖 面稳定的最小泥浆压力即临界泥浆压力公式： p n 厂= ( o 6 o 7 ) t a n 2 ( 4 5 d 一矽2 ) ( c r v - u ) + u ( 1 - 1 1 ) 式中，矽。一地基土有效内摩擦角； 泸一孔隙水压力； 瓯，一上覆土体竖向应力； ( o 6 加7 ) 反映砂土地基的拱效应。 这种方法考虑到了拱效应和孔隙水压对稳定的影响，与国外最简单的泥浆压 力按地下水所产生的静水压力再加上2 0 k p a 来确定临界压力的方法相比考虑更为 全面且符合实际情况。 秦建设( 2 0 0 s ) t 2 2 】通过对砂土地层盾构施工数值模拟计算研究开挖面稳定问题， 并与前人的离心试验研究成果进行对比研究，指出，开挖面支护压力大小与开挖 面前方土体水平位移关系如图1 4 所示，随着开挖面支护压力的减小，开始时，开 1 引言 挖面的水平位移不受到应力释放的影响，当支护压力减小到一定程度时，开挖面 前方土体水平位移量随着支护压力的减小而逐渐线性增加，当支护应力减小到某 一值时，位移量急剧增大，此时可认为开挖面上所施加的支护压力即为极限最小 支护压力。 并指出，砂土地层中盾构隧道开挖面失稳破坏形状表现为：在开挖面前方为 楔型状，而在上方呈烟囱状，且其破坏的发展是由开挖面顶部往地表逐渐发展。 裴洪军等【2 3 1 ( 2 0 0 5 ) 认为盾构开挖面稳定性需要得到关注，综述了一些开挖面 稳定性的研究方法。 藿 菇 泌 越 毽 辎 凝 s o l o 0 1 0 3 0 弹挖西空护毯力风p l 图1 - 4 开挖面土体水平位移与支护压力关系 以上国内外研究，对隧道工作面的稳定性分析以及如何控制其稳定性，提供 了许多可资借鉴的观点。 判断开挖面稳定性的方法主要是从以下三个方面：掘削土砂量控制、溢水量 控制和地表沉降与信息反馈。大直径隧道的开挖面稳定性给大直径断面的施工带 来了很大的挑战，常规的土压力计算方法继续应用是否可靠、常规的正面稳定性 判断方法是否需要改进，这些都需要科学的分析与论证。 1 3 本文的研究内容和方法 1 3 1研究内容 本文通过查阅大量文献资料、对国内外相关研究成果归纳总结，找出此类问 题需要进一步研究的内容，主要如下： ( 1 ) 选取现场三个断面进行衬砌背后土压力测试、衬砌内部钢筋受力测试、 管片接触压力测试及螺栓受力测试，通过测试数据，计算出隧道衬砌结构断面内 力分布，得出受力规律，为结构设计提供依据。 9 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 利用荷载结构法对测试断面采用四种管片设计模型进行计算，对比分析 各种模型的特点，进一步研究管片的结构受力特征。 ( 3 ) 采用稳定系数n l 、地面土层沉降值、盾构开挖面上的压力差和泥水流 量控制几个影响因素判断盾构正面稳定性。利用三位数值模拟，对比不同泥水压 力下土体的稳定性和位移，得出一些有益于盾构隧道施工的规律。 1 3 2研究方法 本文在进行上述内容研究中综合运用了以下研究方法： ( 1 ) 查阅相关研究文献，对相关研究成果进行归纳总结。结合具体工程对盾 构隧道管片施工过程中受力分析进行研究。 ( 2 ) 利用三维有限差分分析软件f l a c 和通用有限元计算分析软件a n s y s 进行数值模拟计算。 ( 3 ) 总结己有的盾构开挖面稳定性研究成果，对泥水盾构开挖面平衡理论和 稳定机理进行分析研究。 1 0 2 施工过程管片受力计算分析 在盾构隧道施工中管片受力是个复杂的多因素问题，其中最大的问题在于 模型本身是否能反映工程的实际情况。这就涉及到两个主要问题，即管片设计方 法的选择，以及管片设计相关参数的影响规律的研究。 针对上述两个问题，本文依托狮子洋隧道，从盾构隧道管片设计方面进行研 究。首先从理论上分析和对比了四种主要的管片设计方法，然后对所选管片结构 进行计算分析，探讨管片结构受力规律。有限元计算有其自身的优越性，可以对 结构的破坏机理进行较全面的分析，所得的结论一般具有较好的通用性，因此， 本文将使用有限元计算进行研究。 2 1 工程概况 2 1 1地理位置 广深港铁路客运专线广深段位于广东省中南部，该线北起广州铁路枢纽的新 广州站，向南经番禺区的沙湾，然后折向东经黄阁镇，下穿狮子洋后进入东莞市， 经过东莞市沙田、虎门、长安等镇，进入深圳市，并在龙华设新深圳站。 狮子洋隧道位于广深港铁路客运专线东涌站一虎门站区间，全长i o 8 k m 。该 隧道是世界上速度目标值最高的水下隧道，是全路第一条水下隧道，是铁路客运 专线水下太直径泥永盾构圆形隧道，是广深港客运专线全线的控制性工程。 本标段位于狮子洋隧道的东莞侧，起点处与s d i i 标相接，左线起始点 d i k 3 8 + 5 5 0 右线起始点d i k 3 8 + 2 5 0 ，终点为d i k 4 3 + 8 0 0 。包括了隧道土建工程 ( 不舍轨道工程) 及其配套工程的施工、竣工和缺陷修复。工程位置及纵剖面图 见图2 1 ，2 - 2 。 图2 - 1 工程位置圈 北京交通大学硕士学位论文 2 1 2工程与水文地质 盾构隧道洞身7 5 处于岩石弱风化层，隧道顶线大部分地段通过第四系冲积 砂层，隧底线部分地段通过岩石弱风化带和岩石强风化带，部分地段通过第四系 砂层。隧顶从里程d i k 4 2 + 3 6 0 d i k 4 3 + 0 0 0 、隧底从y d i k 4 2 + 3 6 0 - y d i k 4 2 + 5 0 0 经过的岩土层有海陆交互相沉积的淤泥层、淤泥质土层、冲积形成的粘性土层及 粉细砂层或中粗砂层，第四系砂层地下水丰富，与珠江河水有一定水力联系。隧 道在局部地段存在软硬( 土岩分界面) 不均工作面，盾构掘进时应防止偏心；弱 风化岩岩石强度变化较大，最大值为8 2 8 m p a ；弱风化岩部分地段裂隙发育，地下 水丰富，盾构施工时应注意隧道涌水及其水头压力。 隧道工程所在地位于珠江三角洲冲积平原区，地形平坦开阔，其上村庄、房 屋、农田、水塘、果园、道路、河网密布，地面标高：0 8 - 1 5 m 。线路从西而东 跨越狮子洋水道，所处区域水系发育，其间还跨越较多小河涌。狮子洋水道水深 流急，在过江处江面宽达3 3 0 0 r n 、主航道宽约7 0 0 m 、最大水深2 6 6 m 。 岩层主要分为以下四层：第四系全新统人工填土层( q 4 m 1 ) ；第四系全新统海 陆交互层( q 4 m c ) ；第四系残积层( q e l ) ；基岩主要为下白垩系( k l b ) ，按风化 程度可分为全风化、强风化、弱风化。 地处南亚热带季风气候区，雨量充沛，地表河塘广布，珠江、北江和东江流 经本标段，地表水丰富，为地下水补给提供充足的补给来源。可分为两大基本类 型：第四系松散岩类孔隙水和白垩系基岩( 红层) 裂隙水。 2 1 3工程设计 狮子洋隧道工程线路平面出s d i i 标段后( 左线d i k 3 8 + 5 0 处、右线d i k 3 8 + 2 5 0 处) ，以直线下穿狮子洋水道、虎门港沙田港区6 号泊位、规划虎门港的监管保税 仓库后，在左线d i k 4 2 + 4 3 1 3 2 处、右线d i k 4 2 + 3 1 5 1 1 处以7 0 0 0 m 曲线半径右转 下穿沿江高速公路后出地面。隧道工程范围全长5 4 k m ，其中曲线段长1 4 2 5 m ，占 隧道全长的2 8 。 狮子洋隧道工程线路纵向出s d i i 标段后，通过沙仔岛进入狮子洋深水航道下， 左线在d i k 3 8 + 5 5 0 处以7 0 0 m 长、3 的下坡进入隧道，接着于d i 瞄9 + 2 5 0 处以 1 7 5 0 m 长、3 的上坡通过狮子洋航道和虎门港沙田港区6 号泊位，最后于 d i k 4 1 + 0 0 0 处以3 2 7 6 3 5 m 长、2 0 的上坡通过规划虎门港的监管保税仓库，在沿 江高速公路东侧出洞。 1 2 2 施工过程管片受力分折 隧道右线在d i k 3 8 + 2 5 0 处以1 0 0 0 m 长、3 的下坡进入隧道，接着于 d i k 3 9 + 2 5 0 处以1 7 4 8 m 长、3 的上坡通过狮子洋航道和虎门港沙田港区5 、6 号 泊位，最后于d i k 4 0 + 9 9 8 处阻3 2 7 67 5 m 长、2 0 的上坡通过规划虎门港的监管保 税仓库在沿江高速公路东侧出洞。 变坡点设置竖曲线，竖曲线半径2 5 0 0 0 m 。隧道工程范围全长5 4 0 0 m ，其中盾 构段长4 6 0 0 m 。于明挖隧道与盾构隧道之间设一工作井，长度为2 3 m 。隧道轨面 最低点标高为- 6 0 8 7 6 m ，距百年一遇高潮位约6 4 m 。盾构穿越基岩( 岩石弱风化层) 、 半岩半土、第四系覆盖物地层的长度分别为3 0 6 7 m 、1 1 0 7 m 、4 2 6 m ，分别占掘进 长度的6 6 7 、2 4 1 、93 。隧道纵断面见“图1 3 1 隧道纵断面图”。 2 1 4工程施工 广深港狮于洋客运专线狮子洋盾构隧道施工采用德国维尔特集团属下的n f m t e c h n o l o g i e s 公司开发研制的是全新的膨润土- 气垫式泥水盾构。该盾构是一个具备 多种功能于一体的综合性设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、出土、支护、 注浆、导向等全部的功能。 泥水平衡式盾构在结构上包括刀盘、盾壳、人舱、碴破碎系统、泥水输送 系统、管片安装机和后配套拖车等；在功能上包括推进系统、管片安装系统、泥 水输送系统、永循环系统、同步注浆系统、二次通风系统、p p s 激光导向系统、p d v 数据采集系统等。其结构见图2 - 2 。 麓薹琴霹霉 糜 幽2 - 2 泥水平衡盾构示愈图 刀盘2 旋转时，开挖面上的泥土被挖下，沿刀盘的开口落至泥水仓的泥浆3 ) 中。刀盘的旋转空间”) 称泥水仓。泥水仓与气垫室9 之间由一道隔板分隔，在隔板 的下部设有开口，开挖下来的土抖经由此开口被输送到碎石机，然后再到排泥管。 泥土和支护泥浆通过排泥管”排出泥水仓，然后泵送到地面上的泥水分离站。泥 水仓和工作室内被排空部分的体积将由来自送泥管卿提供的新自# 膨润泥浆予以 北京交通大学硕士学位论文 填充。盾构上的常压区域与高压区域由隔板分隔开来。工作室内的压力由气压平 衡仓( 7 ) 予以设定，该压力略高于隧洞开挖面上的土压和水压，以维持开挖面的稳定。 支护压力通过气压平衡仓进行控制的。 隔板后部的液位随气压而变化，而隔板前面的泥水仓则完全充满泥浆。通过 压力调节系统，可以精确控制气压平衡仓内的气压，可以准确地保持其额定压力 值。气压平衡仓形成空气缓冲层，气压作用在泥浆接触面上，由于接触面上气、 液具有相同压力，因此只要调节空气压力，就可以确定和保持在开挖面上相应的 泥浆支护压力。盾构掘进时，有时由于泥浆的流失或推进速度的变化，进排泥浆 量将会失去平衡，气液接触面就会出现上下波动现象。但气压平衡仓的空气缓冲 层可以非常容易地对泥浆回路中的压力波动以及土压和水压的变化进行补偿i 为 了避免泥浆回路中发生堵塞，确保泥浆泵平稳工作，在吸泥管的前面安装了一个 栏石栅( 1 ”，以防止大石块进入排泥管中。膨润土泥浆和泥土的混合物在隧洞外部 进行水土分离；经分离后的泥浆在调浆池中进行质量调整后重新送入盾构的泥水 室。隧洞的内衬采用钢筋棍凝土管片，管片在盾尾使用管片安装机进行拼装。 在推进过程中管片与开挖直径之间建筑间隙通过盾剧”进行同步注浆填充。 泥水平衡机理见图2 - 4 。开挖仓内的泥水压力通过气压调节方式，对泥水压力 进行控制，气压调节采用自动调节方式。根据设定的泥水压力，气压仓压缩空气 能自动达到设定的压力。当地层的水压力和土压力大于开挖仓内的泥水压力时， 气压调节仓内的泥水水位升高，空气被压缩，压力自动升高，开挖仓泥水压力与 地层水压力及土压力平衡。当地层的水压力和土压力小于开挖仓内的泥水压力时， 气压调节仓内的泥水水位降低，空气膨胀，压力自动降低，开挖仓泥水压力与地 层水压力及土压力达到平衡。 图2 4 泥水平衡机理及压力调整原理图 2 2 盾构管片计算模型 2 施工过程管片受力分析 目前国内外有四种常用的盾构管片计算模型：修正惯用法【2 1 、梁弹簧法、弹 性铰接圆环法和梁弹簧不连续法。以下分别对四种模型进行理论分析及数值计算， 将结果对比，得出一种最优模型。 2 2 1修正惯用法 惯用法是将管片环作为刚度均匀的环来考虑的设计计算法，此方法不考虑管 片接头部分的弯曲刚度下降，管片环和管片主截面具有同样刚度、并且弯曲刚度 均匀的方法；管片间接头存在使得整体刚度降低的折减系数刀，则其等效刚度为 刀口，即e ：= , l e i ( 0 r h 时，表明此时管片接头全接触面受压，此时螺 栓仍然受拉，则按照图2 - 9 所示的计算模型分析可得： 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 9 螺栓受拉且全截面受压状态下接头模型 五知f o - “= 警一警p 2 3 ， f t o = 一 ! 兰生+ ( 一d ) 臼 ) 岛( 2 2 7 ) c i ( d 一三h ) + c 2 ( d 一了h ) 一n ( d 一 ) = m ( 2 - 2 8 ) 红等一h 陆姗 n + t o + k , o ( d i h ) 肚1 - 上_ ( 2 - 3 1 ) 1 + = ：1 2 4 2荷载计算 盾构管片荷载计算模式分为水土分算和水土合算，其中水土分算计算模式见 图2 1 ，水土合算只需将上部与左右两侧的水压力和围岩压力合二为一，按土体饱 和重度计算土体重度，下部水压力去掉。对水底盾构隧道，地面以上水位以超载 形式施加。 2 4 2 1 水土分算 一 眦 一 砣古一避 2 施工过程管片受力分析 垂直荷载： 日= 觚锄+ 儿口舭砌一2 r r 和- i 万r 2 = 儿。胁砌j i z 0 + t u r a t i o n r ( 1 一三万) ( 2 3 2 ) 日= + 儿口舭砌一扣= 儿砒朋砌z + 以口一专万) u j 纠 管片自重( 单位宽度) ： p o - - ) s h i e l d 警善- - y s h l e l d 刀( 脚) ( 2 3 3 ) 烈丁 水平荷载( 矩形) ： 形2 ( k 曲。一九) h o + y w h o f 2 。3 4 ) 水平荷载( 三角形) ： 是角形= ( 儿。觚砌一y w ) 2 r + y w 2 r ( 2 3 5 ) 2 4 2 2 水土合算 垂直荷载： 2 r r 一三万尺2 最2 以训h o + y s o l lx 2 以州7 2 0 + 比r ( 1 一百1 万) ( 2 - 3 6 ) 管片自重( 单位宽度) ： 异= 刎型著矾洲r 叫( 2 - 3 7 ) 2 x ： 水平荷载( 矩形) ： 瑶形= x 0 7 山t , o ( 2 - 3 8 ) 水平荷载( 三角) ： 堡角形= 矿”2 r ( 2 - 3 9 n - o j s o i l ) o 三角形一 ”厶。， 由于隧道位于强风化层，且上部为中砂层，所以按水土分算计算：顶部压力 为4 7 7 9 7 k p a ，顶部侧压为2 7 5 16 k p a ，底部侧压为4 2 2 0 3 k p a ，底部对管片压力为 4 0 4 8 5 k p a 。地层反力系数根据施工单位提供的资料取值，为2 0 0 k n m 3 。 2 4 3计算结果 ( 1 ) 修正惯用法计算时，刚度折减系数t = 0 8 ，弯矩分配系数e = 0 ，即不考虑 非接头处弯矩的增大，采用相关软件计算。轴力图见图2 1 0 ，剪力图见图2 1 1 。 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 0 管片环轴力图( 单位：k n )图2 - 1 1 管片环弯矩圈( 单位：k n m ) 拱顶弯矩最大，为4 5 16 k n n l ，其次为仰拱底部，为3 7 2 0 k n 1 1 ，并且都是 内侧受拉，拱肩到拱脚之间相差不大，大部分在2 0 0 3 0 0 k n 1 , i 1 之间。轴力相对均 匀，在1 3 0 0 1 8 5 0 k n 之间。最危险截面为拱顶，偏心距为1 0 5 9 4 m m 。表2 - 4 为管 片内力及偏心距值。 表2 4 管片不同位置内力及偏心距 曙赫孤女 拱顶4 5 1 6 0 0 0 0m 6 2 7 0 0 0 01 0 59 4 拱肩 5 0 08 04 7 2 3 1 0 0 0 00 1 1 拱腰- 2 6 9 1 0 00 04 1 0 6 6 0 0 0 05 2 7 0 拱脚5 0 4 2 0- 4 9 4 1 3 0 0 0 0 0 1 0 拱雇3 7 2 0 0 0 0 0- 4 8 2 6 2 0 0 o o7 7 0 8 ( 2 ) 弹性铰接圆环法模型采用有限元通用软件a n s y s 计算，管片选用s o l i d 6 5 混凝土单元进行模拟，采用d m c k e r - p r a g e r 模型；螺栓选用l i n k l 0 单元，参数按表 2 2 选取，荷载计算和地基抗力与修正惯用法相同，轴力及弯矩图如图2 1 2 ，2 1 3 。 圈2 - 2 管片环轴力图( 单位：i d a )圈2 1 3 管片环弯矩圈( 单位：k n * m ) oq 2 施工过程管片受力分析 拱腰处轴力最大为5 1 0 6 6k n ，拱顶最小为4 2 6 27k q ，其他各处介于之间。 两侧拱肩处弯矩最大，为2 0 8 6k n m ，外侧受拉；其次拱腰内侧受拉，为2 5 4 5 k n * n l ，拱顶和拱底处分别为8 0 8 k l q m 和1 8 3 1 k n m 可见，按弹性铰接圆环法 计算时最危险界面发生在左右拱肩处，偏心距为4 4 1 7 m m ，而拱顶和仰拱受力较 小。表2 5 为管片内力及偏心距值。 表2 - 5 管片不同位置内力发偏心距 位置弯矩( n m ) 轴力( n ) 偏心距( m m ) 拱顶8 0 8 17 0m 6 2 7 0 0 0 0 l9 0 拱肩0 0 8 m 4 0- 4 7 2 3 i o o 0 0 拱腰2 5 “6 肿 1 0 6 6 0 0 0 04 9 8 拱脚1 6 5 1 5 m 拱底1 8 3 1 4 0 0- 4 8 2 6 2 0 0 0 03 7 9 ( 3 ) 梁弹簧连续模型计算采用a n s y 8 有限元软件计算，为了便于分析和 数值模拟的实现，建立有限元模型之前，先做如下假设简化：将隧道的坡度简 化为平坡； 把接头面看作是一个纯平面； 不考虑螺栓孔；选取隧道区间的 一段管片进行计算模拟，确定为2 环。图2 1 4 为计算模型。模型管片外径为1 0 8 m ， 内径为98 m ，管片宽2 m ，共2 环。沿z 轴的正向，每环有8 块，错缝拼装，错缝 角度3 2 。地层等参数和上述计算相同。其它参数现场施工时的数据。千斤顶推 力为3 5 0 0 吨，注浆压力为0 2 m p a 。 图2 - 1 4 计算模型图 管片选用s o l i d 6 5 混凝土单元进行模拟，管片采用c 5 0 混凝土，材料采用 d r u e k e r - p r a g e r 模型 螺栓选用l i n k l 0 单元，并以初始应变形式施加预紧力。 计算结果如图2 - 1 5 ，2 1 6 。 k 北京交通r 大学硕士学位论文 蹰臣_ ? qf0 图2 1 5 管片环轴力图( 单位：k n ) 图2 1 6 管片环弯矩图( 单位：k n m ) 拱腰处轴力最大为5 1 1 04k n ，拱顶最小为4 2 5 87k n ，其他各处介于之问， 与弹性铰接圆环法相等。两侧拱肩处弯矩最大，为2 1 1 8 8 k n m ，外侧受拉：其次 拱腰内侧受拉，为2 58 k n m ，拱顶和拱底处分别为95 9 k n r f l 和1 72 5 k n - m 。与 弹性铰接圆环法相似，按梁一弹簧法计算时最危险界面发生在左右拱肩处，偏心 距为4 46 4 m m ，拱顶和拱底受力较小。表2 - 6 为管片内力及偏心距值。 表2 q 5 管片不同位置内力及偏心距 位置弯虹( n m ) l轴力( n )偏心距( m m ) 拱曩 22 5 拱腰 5 1 1 0 4 0 00 050 4 拱膨15 5 4 50 0 - 4 9 6 5 9 0 0 0 03 l3 拱底17 2 5 10 04 8 7 6 0 0 00 035 4 ( 4 ) 粱一接头不连续模型采用a n s y s 有