（岩土工程专业论文）基于壳弹簧模型的盾构衬砌管片受力特性研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的发展和综合国力的提高，大中城市地下空间开发的高潮已经 到来，地下工程的发展速度加快，而盾构法作为种成熟的施工技术，应用越来 越为广泛，故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 工程实际，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， 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，可以为安全、 经济、合理的管片设计提供指导。 盾构隧道衬砌管片设计的关键问题在于结构模型本身是否能反映管片的实际 受力状态。目前隧道衬砌管片横向理论解析分析方法主要有四种：惯用法、修正 惯用法、多铰环法以及梁一弹簧模型；纵向理论解析分析方法主要有两种：纵向 梁一弹簧模型、纵向等效连续化模型，上述几种模型无一例外的都是将管片沿纵 向或横向简化为梁进行计算，但是盾构隧道是一圆环状结构，又是由许多管片拼 装并用螺栓连接而成，结构性态相当复杂，沿横向和纵向简化为梁，在很多情况 下难以准确反映管片环之间的结构性能，因而与隧道实际的力学特性及结构性能 会有一定的差异。另一方面随蔫设计、施工经验的成熟，国内外盾构衬砌管片环 宽度有增加的趋势，此时用梁来模拟衬砌管片不能完全反映管片的力学特性。而 且隧道纵向结构性能和横向结构性能是密不可分的，隧道衬砌的横向结构性能的 变化将不可避免地引起隧道衬砌的纵向结构性能发生一定的变化，反之亦然。而 目前的结构模型都是仅仅针对纵向结构性能或横向结构性能的，没有一种模型能 同时适用于隧道两个方向的结构性能分析。本文的主要研究如下： 1 、在研究了现有盾构法隧道衬砌管片设计方法的基础之上，提出了能较为全 面反应盾构法隧道衬砌管片力学特性的壳一弹簧模型，并编制了相应的计算机程 序。模型中用矩形平板壳单元来模拟衬砌管片，用弹簧单元来模拟管片的接头效 应，并验证了壳一弹簧模型程序的正确性。 2 、运用壳一弹簧模型和梁一弹簧模型对盾构隧道衬砌管片的横向受力特性进 行研究分析，比较两种模型计算盾构衬砌管片错缝拼装时的力学特性的异同，从 力学机理上来解释梁一弹簧模型和壳一弹簧模型计算导致差异的原因： 3 、分析了随管片环宽、管片厚度、及埋深的不同，梁一弹簧模型和壳一弹簧 模型计算结果的差异，明确了梁弹簧模型的适用范围。 4 、运用壳一弹簧模型对修正惯用法中设计参数管片环弯曲刚度有效率玎和弯 河海大学博士论文 矩提高率f 进行研究，拟合了管片弯曲刚度有效率叩和弯矩提高窄f 的公式，并探 讨j ，合理取值范围。 5 、运用壳一弹簧模型对隧道的纵向等效弯曲刚度进行研究分析，考虑了纵缝 对纵向等效弯曲刚度的影响，同时也考虑了管片通缝拼装、错缝拼装对纵向等效 弯曲刚度的影响文中建市了专门考虑纵缝影响的纵向均质隧道模型，并将分析 结果与等效连传统续化模型、修正等效连续化模型和试验进行了比较。 6 、运用壳一弹簧模型研究隧道和地层共同作用时隧道纵向的力学特性，重点 研究了荷载沿纵向变化、地质条件变化对隧道纵向变形的影响，提出了，一些具有 指导意义的规律和结论。 关键词：盾构隧道、衬砌管片、梁一弹簧模型、壳一弹簧模型、等效弯曲刚度、 横向力学特性、纵向力学特性 h b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n do v e r a l ls t r e n g t ho ft h ec o u n t r y , t h ec l i m a x o fu n d e r g r o u n dc a v i t yo fb i ga n dm i d d l ec i t yi sc o m i n g t h er a t eo fd e v e l o p m e n t u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o ni sf a s t e r , s h i e l dm e t h o di sam a t u r ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e s w h i c hi su s e dm o r ea n dm o r ea b r o a d ，s oi t 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 d t 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 g i nc h i n a w i t h o u tt h eg u i d a n c eo ft h es 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 d t 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 sa r en o tb e n e f i tt o s 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 l a n dl a s t i n gi m p o r t a n c e c a l la v o i d h a p h a z a r dd e s i g no fs h i e l dl 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 gi sv e r y v a l u a b l ef o ra c a d e m ya n da p p l i c a t i o n ，w h i c hh a ss o m eg u i d a n c ef o rd e s i g n i n gs h i e l d s e g m e n ti nt l l ea s p e c t so fs e c u r i t y , e c o n o m ya n dr a t i o n a l i t y 1 1 1 em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mo ft h e o r yo fs h i e l ds e g m e n td e s i g ni sw h e t h e rt h e d e s i g nm o d e lc a nr e f l e c tt h ep r a c t i c a ls l a e s s o ft h es e g m e n t t h em o d e l so fc r o s s s t r u c t u r ef o rd e s i g nc a l c u l a t i o n sa r ec l a s s i f i e db yj o i n te v a l u a t i o n sa sf o l l o w s ：u s u a l c a l c u l a t i o nm e t h o d ，m o d i f i e du s u a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ，r i n g 晰t i lm u l t i p l eh i n g e d j o i n t sc a l c u l a t i o nm e t h o da n db e a m s p r i n gm o d e lc a l c u l a t i o nm e t h o d 1 1 1 el o n g i t u d i n a l h a v et w os t r u c t u r em o d e l s ，i n c l u d i n gl o n g i t u d i n a lb e a m - s p r i n gm o d e la n dl o n g i t u d i n a l e q u i v a l e n tr i g i d i t ym o d e l a l lt h e s em o d e l sa r es i m p l i f yt h es e g m e n ta sb e a mi nc r o s so r l o n g i t u d i n a ld k e c t i o n b u ts h i e l dt u n n e li sa r o u n dh o l es h a p es t r u c t u r e ，a n di sm a d eu p o fm a n ys e g m e n t s , s t r u c t u r ep e r f o r m a n c ei sq u i t ec o m p l e x r e f l e c t 也es t r u c t u r e p e r f o r m a n c eb e t w e e ns e g m e n tr i n g si sd i f f i c u l tw h e ns i m p l i f yt h es e g m e n ta sb e a mi n c r o s sd i r e c t i o no rl o n g i t u d i n a ld i r e c t i o n s oi ti sd i f f e r e n c ef r o mt h em e c h a n i c s c h a r a c t e ra n ds t r u c t u r ep e r f o r m a n c eo ft h es h i e l dt u n n e l d e v e l o p m e n tw i mt h em a t u r e o f d e s i g na n dc o n s t r u c t i o n , t h ew i d t ho f s e g m e n ti sm o r ea n dm o l ew i d e ，t h i st i m eb e a m w h i c hs i m u l a t i n gt h es e g m e n tc a nn o tr e f l e c tt h ep r a c t i c a lm e c h a n i c sc h a r a c t e ro ft h e s e g m e n t a n dt h el o n g i t u d i n a ls t r u c t u r ep e r f o r m a n c eo ft u n n e li sr e l a t e dt ot h ec r o s s s t r u c t u r ep e r f o r m a n c eo ft u n n e l w i t ht h ea l t e r a t i o no ft h el o n g i t u d i n a ls t r u c t u r e p e r f o r m a n c eo ft u n n e l ，t h ec r o s ss t r u c t u r ep e r f o r m a n c eo ft u n n e la l s ow i l lc h a n g e b u t n o wa l lt h em o d e l sc a no n l yr e f l e c tt h ec r o s so rl o n g i t u d i n a ls t r u c t u r ep e r f o r m a n c e ，a n d n om o d e lc a nr e f l e c tb o t ht h ec r o s ss t r u c t u r ep e r f o r m a n c ea n dl o n g i t u d i n a lp e r f o r m a n c e a t o n e t i m e 河海大掌博士论文 1 o nt h eb a s eo ft h ep r o f o u n dc o m p r e h e n s i o nt h ed e s i g nm e t h o do fs h i e l dt u n n e l s e g m e n t ，an e ws h e l l s p r i n gm o d e lw h i c hc a n r e f l e c tt h ep r a c t i c a lm e c h a n i c sc h a r a c t e r o ft h es h i e l dt u n n e ls e g m e n ti sp u tf o r w a r d a n dat h r e ed i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n t m e t h o dp r o g r a mi sp r o g r a m m e d i nt h em o d e lr e c t a n g l ep l a t es h e l le l e m e n ti su s e dt o s i m u l a t et h el i n i n gs e g m e n t ，t h ej o i n te l e m e n ti su s e dt os i m u l a t et h ej o i n te f f e c t ，a n dt h e c o l t e c t n e s so f t h ep r o g r a mo f t h es h e l l s p r i n gm o d e li sv e r i f i e d 2 + a n a l y s i st h ec r o s sm e c h a n i c sc h a r a c t e ro ft h es e g m e n tw i t ht h eb e a m s p r i n g m o d e la n ds h e u - s p r i n gm o d e l ，c o m p a r et h em e c h a n i c sc h a r a c t e rs h i e l dt u n n e lw i t h s e g m e n ts e a m si ns e q u e n c ea n dw i t hs e g m e n ts e a r r l si ns t a g g e r , e x p l a i nt h er e a s o ni n m e c h a n i c sw h yt h es h e l l - s p r i n gm o d e l sr e s u l t si sd i f f e r e n c ef r o mt h eb e a m s p r i n g m o d e l s a n da n a l y s i st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es h e l l s p r i n gm o d e la n db e a m s p r i n g m o d e lw i t hv a r i a t i o no fs e g m e n tw i d t h ，s e g m e n tt h i c k n e s sa n db u r i e dd e p t h t h es h i e l d t u n n e lw i t hs e g m e n ts e a l n si ns e q u e n c ei sc a l c u l a t e dw i t hs h e l l s p r i n gm o d a la n d b e a m s p r i n gm o d a l ，a l s ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fs h e l l s p r i n gm o d a li se q u a lt ot h e r e s u l to f b e a m s p r i n gm o d a l ，s ot h es h e l l - s p r i n gm o d a lc a l c u l a t i o nm e t h o di sc o r r e c t 3 s t u d yo nt h ee f f e c t i v eb e n d i n gr i g i d i t yr a t i o s 叩a n dm o m e n ti n c r e a s i n gr a t e s o ft h em o d i f i e dr o u t i n em e t h o dw i t hs h e l l - s p r i n gm o d e l ，p r e s e n tt h ef i t t i n gf o r m u l ao f t h ee f f e c t i v eb e n d i n gr i g i d i t yr a t i o sa n dm o m e n ti n c r e a s i n gr a t i o s ，a n dd i s c u s st h e r e a s o n a b l er a n g e 4 s t u d yo nt h el o n g l t u d i n a le q u i v a l e n tm o m e n tr i g i d i t yo ft h es h i e l dt u n n e lw i m t h es h e l l s p r i n gm o d e l ，l o n g i t u d i n a ls e a mi st a k e ni n t oa c c o u n tw h i c hc a ni n f l u e n c et h e a l s os h i e l dt u n n e lw i t hs e g m e n ts e a m si ns e q u e n c ea n dw i t hs e g m e n ts e a m si ns t a g g e ri s t a k e ni n t oa c c o u n t i nt e x t ，t h el o n g i t u d i n a lh o m o g e n a t em o d e li se s t a b l i s h e dw h i c hc a n e v a l u a t et h el o n g i t u d i n a ls e a n l si n f l u e n c e a n dc o m p a r et h er e s u l t so fs h e l l s p r i n g m o d e l sw i mt h el o n g i t u d i n a le q u i v a l e n tm o d e l s m o d i f i e dl o n g i t u d i n a lm o d e l a n d t e s t s 5 s t u d yo nt h el o n g i t u d i n a lm e c h a n i c sc h a r a c t e ro ft h es h i e l dt u n n e lw h i c h i n t e r a c t i v ew i t ht h es o i l e m p h a s e so n s t u d y i n g t h ei n f l u e n c eo fl o n g i t u d i n a l d e f o r m a t i o nw i t hl o a da n ds o i lc o n d i t i o nv a r i a n ti nl o n g i t u d i n a l ，a n dg i v es o m er u l e a n dc o n c l u s i o nw h i c hh a ss o m eg u i d a n c e k e yw o r d s ：s h i e l dt u n n e l ，l i n i n gs e g m e n t ，b e a m s p r i n gm o d e l ，s h e l l - s p r i n g m o d e l ，e f f e c t i v eb e n d i n gr i g i d i t y , c r o s sm e c h a n i c sc h a r a c t e r , l o n g i t u d i n a lm e c h a n i c sc h a r a c t e r 前言 刖 菁 近年来，我国丌展大规模的城市市政工程建设，尤其是几个重要城市都已开 始了地下铁路的建设工程。在这些地下工程中，由于受到旌工场地、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。在盾构施工法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，因此安全、经 济、合理的进行盾构衬砌设计具有重大的意义。 盾构隧道衬砌管片设计关键问题在于模型本身是否能反映管片的实际受力性 能，目前国内外常用隧道衬砌管片设计方法有：惯用法、修正惯用法、多铰环法 以及梁一弹簧模型四种方法；这四种方法无一例外都是用梁单元来模拟管片，即 默认每环管片为平面应变状态，不能完全反映管片错缝拼装下的真实受力状态， 因为管片错缝拼装条件下，衬砌受力状态为非平面应变状态。 随着设计、施工经验的成熟，国内外盾构衬砌管片宽度有增加的趋势。随着 管片宽度的增加，由于管片环接头螺栓处产生的剪切力的作用，导致管片弯曲应 力增加，并且集中于管片断面的边缘部位，这引起了工程界的担心，由于目前四 种模型都默认每环管片都是平面应变状态，故不能反映管片断面边缘弯曲应力集 中的现象。 国际隧道协会( i t a ) 在盾构法隧道设计指导中对隧道纵向结构性态的考虑 就是沿纵向选择几个典型断面，这样虽然对隧道纵向结构问题有所考虑，但并没 有考虑到土性变化的分隔段或过度段。目前常用的纵向结构解析分析模型主要有 两种：纵向梁一弹簧模型、纵向等效连续化模型，这两种模型都是将管片沿纵向 简化为梁进行计算，但是隧道衬砌是一圆洞状结构，又是由许多管片拼装并由螺 栓连接而成，结构性态相当复杂，沿横向和纵向简化为梁，难以准确反映衬砌环 之间的结构性能，因而与隧道的力学特性及结构性能会有一定的差异，而且隧道 纵向结构性能和横向结构性能是密不可分的，隧道衬砌的横向结构性能的变化将 不可避免地引起隧道衬砌的纵向结构性能发生一定的变化，反之亦然，但这种变 化由于隧道结构良好的横向变形适应能力此前并未引起工程师的特别注意，但随 着研究人员对隧道纵向变形性能的关注正在发生改变，工程环境变化引起的地铁 隧道级向不均匀变形问题的日益增多，也使得技术人员对隧道结构的空间问题越 来越重视。 河海大掌博士论文 目前的模型都是仅仅针对纵向结构性能或横向结构性能的，没有一种模型能 同时适用于隧道两个方向的结构性能分析。基于以上原因提出了一种新的模型： 壳一弹簧模型，并编制了相应的计算机程序，它既能反映隧道衬砌的横向受力性 能，包括管片断面边缘弯曲应力集中，又能反映隧道衬砌的纵向结构性能，较为 真实的反映了管片的实际受力状况。 为了研究盾构法隧道衬砌管片的受力特性，本文主要从以下几个方面开展研 究，并取得了相应的成果： 1 建立了壳一弹簧模型并编制了相应的计算机程序，验证了模型及程序的正 确性。 2 运用壳一弹簧模型和梁一弹簧模型对盾构隧道衬砌管片的横向力学特性进 行研究分析，比较盾构衬砌管片错缝拼装时的力学特性，从理论上说明了用梁一 弹簧模型或其它平面模型计算出的管片内力较试验或现场实测内力为大的原因。 3 比较分析了不同管片环宽度，不同管片环厚度及不同埋深时壳一弹簧模型 和粱一弹簧模型计算结果的差异，给出了梁一弹簧模型的适用范围。 4 运用壳一弹簧模型对修正惯用法中设计参数管片环弯曲刚度有效率玎和弯 矩提高率f 进行研究，拟合了管片弯曲刚度有效率玎和弯矩提高率善的公式。 5 运用壳一弹簧模型对隧道的纵向等效弯曲刚度进行研究分析，文中建立了 专门考虑纵缝影响的纵向均质隧道模型，研究明确纵缝对隧道纵向等效弯曲刚度 的影响是不可忽略的；隧道衬砌管片的横向拼装方式对隧道的纵向等效弯瞳刚度 也是有影响的，通缝拼装隧道的纵向等效弯曲刚度要小于错缝拼装隧道的等效弯 曲刚度。 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) 砻0 里l 2 。7 年1 月2 2 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)耋坠墅2 。7 年1 月2 2 日 第一章 绪论 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 盾构技术基本特点及原理 近些年来，随着我国经济建设的迅猛发展，城市化程度日益提高，城市的交 通拥挤状况同渐突出，为解决这一问题，我国许多大城市竞相发展各自的轨道运 输系统，先后已有2 0 多个城市进行了轨道交通项目建设的前期工作和可行性研 究，目前通车的城市有北京、上海、天津、广州、深圳、南京、重庆等。北京从 上世纪6 0 年代开始建造地铁，目前已建成轨道交通线路约1 1 4 k m ，按照规划至 2 0 5 0 年将达到1 0 0 0 k m 1 i 。上海从上世纪9 0 年代的开始讯速发展轨道交通，目前 已投入运营线路总长1 1 2 k m ，远期轨道线网由北到1 7 条线路组成，总长约 9 1 0 k r a 2 1 。 在城市轨道交通建设中，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，盾构施工法以其明显的技术经济优势和对城市地面 环境影响较小的特点【3 1 ，成为城市环境下地铁隧道的主要旌工方法。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1 4 j 。 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) 就非常重要。 盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工，从而最大 限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。为了达到这一目的，除了刀盘 和盾构钢壳可以被动地产生支护作用以外，使用压力舱内泥土或泥水压力平衡开 挖面上的作用土压力和水压力；使用壁后注浆及时充填由开挖产生的盾尾空隙， 主动地控制围岩应力释放和变形是盾构技术的关键。 盾构的类型一般可根据头部的结构、开挖方式、开挖面稳定原理进行分类。 在盾构使用的早期阶段，没有压力舱的敞开式盾构曾一度广泛的受到使用。但是 近1 0 年，由于设置压力舱的闭胸式盾构在控制围岩稳定性方面发挥出的卓越作 河海大掌博士论文 用，敞开式盾构的使用越来越少，可以将其称为旧式盾构。而我们现在常说的、 常用的多为闭胸式盾构，也可将其称为现代盾构。现代盾构主要有两人类，也就是 土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。在土压平衡式盾构中，又可以根据在开挖面 或压力舱内是否添加促进泥土塑性流动化状态的添加剂( 泥浆、减水剂、泡沫等) 分为土压式和泥土压式两种。 盾构隧道旋工技术的特点可以归纳为以下几点1 5 】【6 ) 1 7 1 1 3 i ： f a ) 对城市的正常功能及周围环境的影响很小。除盾构竖井处需要一定的施工 场地以外，隧道沿线不需要施工场地，无需进行拆迁而对城市的商业、交通、住 居影响很小。可以在深部穿越地上建筑物、河流；在地下穿过各种埋设物和已有 隧道而小对其产生不良影响。施工一般不需要采取地下水降水等措施，也无噪声、 振动等施工污染。 f m 盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。盾构 机必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进行设计、制 造或改造，所以是适合于某一区问的专用设备。当将盾构机转用于其它区段或其 它隧道时，必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等基本条件是否 相同，有差异时要进行改造。 ( c ) 对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程，盾构施工对精度的要求非 常之高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调整， 对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。 f d l 盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于管 片外径小于盾构外径，如要后退必须拆除已拼装的管片，这是非常危险的。另外 盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列的问题。所以，盾构 施工的前期工作是非常重要的，一旦遇到障碍物或刀头磨损等问题只能通过实施 辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入孔进入压力舱进行处理。 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，从开口式发展至0 闭胸式， 从仅局限单圆形隧道发展到多圆及非圆形复合隧道，已经基本上能够适应各种复 杂地质条件隧道的建设。但是施工方法的总体要求并没有发生变化，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【9 1 。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 市区人口稠密区和商业闹市区时，也很难满足对地表沉降的苛刻要求。于是为传 第一章 绪论 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，采用这一施工方法时在压缩空气 f 旌工会产生障碍，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没有成功，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合二为一。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工作面支护，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【l o 1 1 1 1 【1 2 1 。 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。我国大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t 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 的管道大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。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工经验。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 雒够有效地将地面沉降控制在+ 1 0 m m - - 3 0 m m 的范围内，如盾构穿越上游引水 箱涵时地表沉降控制在+ 5 m m - - 一1 0 l l 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f 1 3 】【1 3 】1 1 5 j 。 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 】种盾构施工技术【1 6 1 【1 6 1 【1 8 l 【1 9 1 1 2 0 l ： ( 1 ) 泥水加压式盾构工法； ( 2 ) 气泡盾构施工法； f 3 ) e c l ( 挤压混凝土衬砌) 施工法 ( 4 ) m f 盾构施工法 - 3 河海大掌博士论文 ( 5 ) d o t 施工法 ( 6 ) 扩大盾构机施工法 ( 7 ) 霍伦旖工法与库仑施工法 f 8 ) h & v 盾构施工法 f 9 i s d 施工法 ( 1 0 ) 自由断面盾构掩工法 ( 1 1 ) 偏心多轴盾构旌：i = 法 1 2 盾构法隧道衬砌管片设计方法研究现状 1 2 1 隧道设计方法分类 目前众多的盾构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，提高各国盾构隧道衬砌管片 设计能力，国际隧道协会在1 9 7 8 年成立了盾构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 汇总结果一关于隧道工程结构设计模型一文。之后，该研究组又继续收集补 充更多的隧道结构设计的经验，在1 9 8 8 年第三次地下空间和岩土国际会议上，作 为隧道设计的指导方针以大纲形式提出。二十多年过去了，入江健二( 1 9 9 3 ) 汇总 了调查结果，加入1 9 7 8 年i t a 的调查结果，见表l 一1 f “。 国际隧道协会将目前采用的隧道结构设计模型分为4 种： ( 1 ) 连续体或不连续体模型 地层可模拟为匀质的或异质的，各向同性的或异性的，模拟为二维的或三维 的弹性介质。衬砌既可模拟为具有抗弯刚度的梁单元，也可模拟为连续体。计算 采用解析解( 弹性、塑性、粘弹性等) 和数值解( 有限元、边界元等) ； ( 2 ) 作用一反作用模型( 基础梁模型) 作用的地层压力由给出的荷载表示，地层抵抗变形的被动反作用则由w i n k l e r 地基弹簧模拟； ( 3 ) 收敛一约束模型 根据隧道径向向内位移和支护反力的相互作用特征曲线，以及表示衬砌结构 受力变形的支护限制线，用两者的交点表示的支护抗力值设计衬砌结构： ( 4 ) 工程类比法( 经验方法) j 第一章 绪论 隧道的初步支护，很多是由经验来选择，把从成功的隧道工程中取得的经验 转用到相似的新隧道工程上。 表1 - 1 各国隧道衬砌设计模型统计表1 2 刘建航，候学渊吲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；收敛限制法。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。 实际上两种分类从本质上说是类似的。我国工程技术人员更习惯于按后者分 类。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。 1 2 2 荷载结构法的研究 由于荷载结构法具有概念清楚，受力明确，计算简单等优点，各国隧道设计 河海大掌博士论二走 i i 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。 盾构衬砌管片环一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 施工而设计的。k 管片有径向插入、轴向插入或两者联合插入。当管片接头在隧道 轴向上贯通时称为顺缝拼装，当相邻环的管片接头在轴向上不连通时称为错缝拼 装，如图1 1 所示。正是因为管片之间存在接头，其刚度( 尤其是弯曲刚度) 与管片 主截面的刚度相比有较大的下降，怎样评价浚接头部分的刚度下降，对推算管片 环的响应及防水具有重要的影响。因此，在荷载结构模型中，对管片接头的考虑 不同，形成= = i 同的结构计算方法。例如，1 i 直接考虑接头存在对管片环整体刚度 的降低影响，而将管片环作为一个完全等刚度的均质环的方法称为惯用法( 修正 惯用法) ；将管片接头当作弯曲刚度为零的方法称为多绞环法；将管片接头作为 具有弯曲刚度的旋转弹簧，同时环与环之问接头作为剪切弹簧考虑的方法称为梁一 弹簧模型法。典型的几种方法对结构的考虑如图l 一2 所示。 ( a ) 通缝拼装 ( b ) 错缝拼装 图1 - 1 盾构村砌管片的拼装方式 第1 ( a ) 完全等刚度圆环和 ( b ) 多铰圆环( c ) 平均等刚度圆环 和剪切弹簧的圆环 图l - 2 典型的管片环结构计算方法 6 - 向剪切弹簧 产11il产 第一章 绪论 惯用法假设管片环是弯曲刚度均匀的环，假设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同样刚度、并且弯曲刚度均匀的方法。惯用法的思 想早在1 9 6 0 年就提出了，在日本国内得到了广泛的应用。图1 3 给出了惯用法所 使用的荷载系列。垂直方向的地层抗力假定为等分布荷载，而水平方向的地层抗 力则假定为自环顶部向左右4 5 。1 3 5 。分布的均变( 三角形) 荷载。地基抗力大小 按照局部变形理论，即地层抗力与地层被动位移成正比。 圆犁蚓，日 一雠 也堕蚓，叩e ， 簿 锄酏募刷襄耪 一瓣 一嗵二争 三 嘉襄耨r 寸 图l - 3 作用于管片上的荷载 接头的存在较大程度上削弱了管片环弯瞌刚度，在采用了惯用法的6 0 年代， 怎样评价错缝拼接效应是一个热点问题。于是，对带有螺栓接头的管片环进行多 次核对研究时，首次引入了弯曲刚度有效率玎这一概念。修正惯用法是假设将接 头部分弯曲刚度的下降评价为环整体弯曲刚度的下降，管片环具有r l e l ( 弯曲刚度 的有效率玎) 型弯曲刚度的均质环的方法。修正惯用法还考虑错缝拼装的接头部分 弯矩的重分配，在从具有q e i 型均匀弯曲刚度的环推算出来的截面内力中，对弯 矩只增减掌( 弯矩的提高率善1 ) ，即( 1 + f ) m 为主截面的设计用弯矩，( 1 4 ) m 为 接头的设计弯矩。 对管片环即便进行错缝拼装，其变形仍然大于完全均质环。围岩条件不好时， 即便改变弯曲刚度的有效率玎，在截面内力的计算上，差异并不大。而围岩条件 较好时，由于会产生伴随环变形而产生的地层抗力，所以玎对截面内力的影响较 大。瑁因管片的种类、管片接头的结构特性、环相互之间的交错组装的方法及其 河海大掌博士论文 结构特性等因素改变而不同，目前对7 7 和f 值的确定主要以试验结果等为基础， 凭借以往工程实践经验确定，具有很大的随意性和不确定性。 采用修正惯用法推算截面内力时，过小地评价叩就是过大地评价围岩的地层 抗力，其结果会导致估算环上产生的截面内力偏小，对此应有足够的注意。另一 方面，管片接头由于存在一些铰的功能，所以可以认为弯矩并不是全部都经由管 片接头传递，其一部分是利用环接头的剪切阻力传递给错缝拼装起来的邻近管片。 弯矩的提高率亭如图1 4 所示，是传递给与接头邻近的管片上的弯矩m ：与 t e l 型弯曲刚度均质环上产生的弯矩m 之比m ，m ，该值和刁一样，是以实验结 果等为基础，凭经验确定。 隧 道 轴 向 l ，m 2 1 2 m 2 2 m = m l + m 2 l ，、m 2 2 jm ，2 图1 4 接头处弯矩传递示意图 惯用设计法最初是在1 9 6 0 年日本土木协会( j s c e ) 的隧道工程研讨会上提出 来的，随后又