盾构隧道管片开裂原因及数值仿真
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示。
大、 顶进过程 中产生偏心距 、 隧道推进过程中产生 扭转、 隧道姿态控制不 良， 以及管片制作精度不够 引起 管片不 平 整 等 原 因 ； 是 隧道 运 营 过 程 中 由 三
于外 界环境 影 响产 生不 均 匀沉 降或者 由于 管片 荷 载变 化 引起管 片 内力增 加 而产 生裂缝 。上 述三 种 情况 既有 单独 出现 ， 有 几种原 因共 同作用 ， 续 也 持 存在 而 引发 隧道 管 片开裂 。但 是上 述三个 原 因引
响等方面分析 了管 片在使用 中的开裂原 因， 并利
收 稿 日期 ： ０ １０ －７ ２ １ －６０
作者简介 ： 刘
鹏 （９７）男 ， １７一 ， 湖北省孝 昌人 ， 博士生 ， 工程师 ， 研究方 向为岩土工程（ ｍ ｉｌ ＿ｏｋ ６．ｏ１ Ｅ ａ ：ｐｒ ＠１３ ｃ ） ｌｐ ｃ ｎ
第２ 期
要： 本文从 地质原因 、 管片接头刚度 、 右线施 工时对左线 管片受力影 响等 方面分析 了某地 铁管 片在使用 中
的开裂原因 ， 利用 数值 方法分析了管片接头刚度变化和右线施工时对左线管片受力的影响 。分 析结果表 明： 并 管片接头处的连接块 和封顶块 变形不相等 ， 封顶块的变形 比连接块 的大 ， 当外荷 载增加 时 ， 连接块 会承担更 多 的荷载 ， 如果超 过其开裂荷载就会产生裂缝 ； 后施 工的右线盾构掘进 过程对先施工 的左线隧道管片受力 也有影
用数值方法 分析 了管 片接头刚度变化和右 线施 工 时对左 线管 片受力 的影 响 。
１ 工 程 概 况
某 市 盾 构 地 铁 在 进 行 巡 检 时 ， 现 既 有 线 发 （ 本文称 左线 ） 长达 ９ 区间 的 多节 管 片 １点 钟 ５ｍ
中， 主要采用单层装配式衬砌 。衬砌为钢筋混凝 土管片构成盾构隧道的主体结构承受 四周土体的 荷载 。 卜 地铁隧道在使 用 中时常发生 管片开裂 的问
定管片是在施工还是在使用期 间开裂的。本文重 点从 开裂 段 的地 质原 因、 片接 头 刚度 、 线施 工 管 右
时对左线 管 片受 力 等方 面分 析 其 开 裂 原 因 ， 对 并
部分原因进行数值仿真分析。 ２ １ 管片 受损段 地质特 点 的 影响 ．
分析 管片开 裂 区域 的左线 地 质剖 面 图 （ ４） 图
刘
鹏等 ： 盾构 隧道管片开裂原 因及数值 仿真
‘ ５・ ４
化 带 。管片 上方 分 布 有 ＜ Ｈ一 ５ １＞、 ４ １＞、 － ＜ — ＜３２
＞、 ２２＞等 砂 质 粘 土 ， 层 比较 软 弱 。各 层 地 ＜－ 地
下水渗 漏 。统计表 明裂 缝 隔片 出现 （ １ 图 ２ ， 图 ， ） 绝大 多数沿 着隧 道轴线 方 向发 展 ， 且多 为通长 ， 最 大宽 度达 １５ｍ 多处 深 达 １０ｍ 并有 个别 贯 ． ｍ， ０ ｍ， 通裂 缝 。而此 时距其 ６ｍ 外 的右 线 刚 竣工 不 久 。 管 片受损 段 工 程 地 质 沿 隧 道 纵 向 剖 面 如 图 ３所
２ 开 裂 原 因及 数值 分 析
影 响 隧道管 片 产 生裂 缝 的原 因很 多 ， 地 铁 本
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
管 片的裂 缝是在 地 铁 运 营 后 发 现 的 ， 法 准确 确 无
起的管片裂缝具有不 同的特点 ， 管片制作过程 中
产 生 的裂缝 一般 规 律 性 较 差 ， 而施 工 和运 营过 程 中产生 的裂 缝具 有 较强 的规 律性 。 本 文结 合 某 地铁 管 片 的开 裂 问题 ， 地 质 原 从 因、 管片接 头 刚度 、 线施 工 时对左 线管 片受力 影 右
响， 后施工 隧道 所产生塌落拱拱脚作用在临近既有隧道斜上 方 ， 会引起既有线路管 片环向拉应力发生 改变。综
合分析地质原 因 、 管片接头 刚度 、 右线施工 时对左线 管片受 力影 响 ， 到 了裂缝 隔片 产生 在连 接块上 的原 因。 找 研究成果对管 片隧道工程在设计和施工 中预防裂缝 出现具有一定 的指导意义 ， 可为类似 工程 提供借鉴 。 关键词 ： 盾构 ； 封顶 快 ； 开裂 ； 管片接头刚度 ； 塌落拱
第２ ８卷第 ２期 ２１ ０ １年 ６月
土
木
工
程
与
管
理
学
报
Ｖ ｌ２ ． ｏ ＿ ８ Ｎｏ ２
Ｊ ｕ ａ ｆＣ ｖｌＥ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ Ｍａ ａ ｅ ｎ ｏ ｒ ｌｏ ｉ ｉ ｎ ｉｅ ｒｎ ｎ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｎ
Ｊｎ２ １ ｕ ． ０１
盾 构 隧道 管 片 开 裂原 因及 数值 仿 真
中图分 类号 ：４ １ Ｕ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ５０ ８ （０ １ ０ －０４０ ２ ９ －９ ５ ２ １ ）２０ ４ － ６
与其他交通相 比， 地铁交通 的高效 、 安全、 环 保 等优 势非 常 明显 ， 铁 盾 构法 施 工 有 着广 泛 的 地
应 用前 景 。盾 构 法 施 工 的 隧道 衬 砌 方 式有 两 种 ： 单 层装 配式 衬 砌与 多层 混合 式衬 砌 。在 盾构 施工
刘 鹏 ， 张玉成２ 姚 捷 ， ， 胡海英 ４
（． １ 武汉大学 土木建 筑工程学院 ， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ２ 广东省水利水电科学研究 院 ， ３０ ２； ． 广东 广州 ５０ ４ ４ 珠江水利科学研究 院 ， １６０； ． 广东 广 州 ５０ １ １６０； ５０ １ ） １６ １ ３ 广州市水务规划勘 测设 计研究 院 ， ． 广东 摘 广州
题 。影 响隧道 管 片产 生 裂 缝 的原 因很 多 ， 据 管 根 片 的工作 阶段 可 以分 为 三 类 ： 类 为 管 片生 产 一 过 程 中 由于 温度 变 化 、 混凝 土配 比 以及 施 工 工 艺 的影 响 ； 二是 隧 道施 工 过 程 中 由于 千斤 顶推 力 过
位置内侧表面出现 了不同程 度的裂纹 ， 且伴 随地
大、 顶进过程 中产生偏心距 、 隧道推进过程中产生 扭转、 隧道姿态控制不 良， 以及管片制作精度不够 引起 管片不 平 整 等 原 因 ； 是 隧道 运 营 过 程 中 由 三
于外 界环境 影 响产 生不 均 匀沉 降或者 由于 管片 荷 载变 化 引起管 片 内力增 加 而产 生裂缝 。上 述三 种 情况 既有 单独 出现 ， 有 几种原 因共 同作用 ， 续 也 持 存在 而 引发 隧道 管 片开裂 。但 是上 述三个 原 因引
响等方面分析 了管 片在使用 中的开裂原 因， 并利
收 稿 日期 ： ０ １０ －７ ２ １ －６０
作者简介 ： 刘
鹏 （９７）男 ， １７一 ， 湖北省孝 昌人 ， 博士生 ， 工程师 ， 研究方 向为岩土工程（ ｍ ｉｌ ＿ｏｋ ６．ｏ１ Ｅ ａ ：ｐｒ ＠１３ ｃ ） ｌｐ ｃ ｎ
第２ 期
要： 本文从 地质原因 、 管片接头刚度 、 右线施 工时对左线 管片受力影 响等 方面分析 了某地 铁管 片在使用 中
的开裂原因 ， 利用 数值 方法分析了管片接头刚度变化和右线施工时对左线管片受力的影响 。分 析结果表 明： 并 管片接头处的连接块 和封顶块 变形不相等 ， 封顶块的变形 比连接块 的大 ， 当外荷 载增加 时 ， 连接块 会承担更 多 的荷载 ， 如果超 过其开裂荷载就会产生裂缝 ； 后施 工的右线盾构掘进 过程对先施工 的左线隧道管片受力 也有影
用数值方法 分析 了管 片接头刚度变化和右 线施 工 时对左 线管 片受力 的影 响 。
１ 工 程 概 况
某 市 盾 构 地 铁 在 进 行 巡 检 时 ， 现 既 有 线 发 （ 本文称 左线 ） 长达 ９ 区间 的 多节 管 片 １点 钟 ５ｍ
中， 主要采用单层装配式衬砌 。衬砌为钢筋混凝 土管片构成盾构隧道的主体结构承受 四周土体的 荷载 。 卜 地铁隧道在使 用 中时常发生 管片开裂 的问
定管片是在施工还是在使用期 间开裂的。本文重 点从 开裂 段 的地 质原 因、 片接 头 刚度 、 线施 工 管 右
时对左线 管 片受 力 等方 面分 析 其 开 裂 原 因 ， 对 并
部分原因进行数值仿真分析。 ２ １ 管片 受损段 地质特 点 的 影响 ．
分析 管片开 裂 区域 的左线 地 质剖 面 图 （ ４） 图
刘
鹏等 ： 盾构 隧道管片开裂原 因及数值 仿真
‘ ５・ ４
化 带 。管片 上方 分 布 有 ＜ Ｈ一 ５ １＞、 ４ １＞、 － ＜ — ＜３２
＞、 ２２＞等 砂 质 粘 土 ， 层 比较 软 弱 。各 层 地 ＜－ 地
下水渗 漏 。统计表 明裂 缝 隔片 出现 （ １ 图 ２ ， 图 ， ） 绝大 多数沿 着隧 道轴线 方 向发 展 ， 且多 为通长 ， 最 大宽 度达 １５ｍ 多处 深 达 １０ｍ 并有 个别 贯 ． ｍ， ０ ｍ， 通裂 缝 。而此 时距其 ６ｍ 外 的右 线 刚 竣工 不 久 。 管 片受损 段 工 程 地 质 沿 隧 道 纵 向 剖 面 如 图 ３所
２ 开 裂 原 因及 数值 分 析
影 响 隧道管 片 产 生裂 缝 的原 因很 多 ， 地 铁 本
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
管 片的裂 缝是在 地 铁 运 营 后 发 现 的 ， 法 准确 确 无
起的管片裂缝具有不 同的特点 ， 管片制作过程 中
产 生 的裂缝 一般 规 律 性 较 差 ， 而施 工 和运 营过 程 中产生 的裂 缝具 有 较强 的规 律性 。 本 文结 合 某 地铁 管 片 的开 裂 问题 ， 地 质 原 从 因、 管片接 头 刚度 、 线施 工 时对左 线管 片受力 影 右
响， 后施工 隧道 所产生塌落拱拱脚作用在临近既有隧道斜上 方 ， 会引起既有线路管 片环向拉应力发生 改变。综
合分析地质原 因 、 管片接头 刚度 、 右线施工 时对左线 管片受 力影 响 ， 到 了裂缝 隔片 产生 在连 接块上 的原 因。 找 研究成果对管 片隧道工程在设计和施工 中预防裂缝 出现具有一定 的指导意义 ， 可为类似 工程 提供借鉴 。 关键词 ： 盾构 ； 封顶 快 ； 开裂 ； 管片接头刚度 ； 塌落拱
第２ ８卷第 ２期 ２１ ０ １年 ６月
土
木
工
程
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管
理
学
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Ｖ ｌ２ ． ｏ ＿ ８ Ｎｏ ２
Ｊ ｕ ａ ｆＣ ｖｌＥ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ Ｍａ ａ ｅ ｎ ｏ ｒ ｌｏ ｉ ｉ ｎ ｉｅ ｒｎ ｎ ｎ ｇ ｍｅ ｔ ｎ
Ｊｎ２ １ ｕ ． ０１
盾 构 隧道 管 片 开 裂原 因及 数值 仿 真
中图分 类号 ：４ １ Ｕ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ５０ ８ （０ １ ０ －０４０ ２ ９ －９ ５ ２ １ ）２０ ４ － ６
与其他交通相 比， 地铁交通 的高效 、 安全、 环 保 等优 势非 常 明显 ， 铁 盾 构法 施 工 有 着广 泛 的 地
应 用前 景 。盾 构 法 施 工 的 隧道 衬 砌 方 式有 两 种 ： 单 层装 配式 衬 砌与 多层 混合 式衬 砌 。在 盾构 施工
刘 鹏 ， 张玉成２ 姚 捷 ， ， 胡海英 ４
（． １ 武汉大学 土木建 筑工程学院 ， 湖北 武汉 ４ ０ ７ ２ 广东省水利水电科学研究 院 ， ３０ ２； ． 广东 广州 ５０ ４ ４ 珠江水利科学研究 院 ， １６０； ． 广东 广 州 ５０ １ １６０； ５０ １ ） １６ １ ３ 广州市水务规划勘 测设 计研究 院 ， ． 广东 摘 广州
题 。影 响隧道 管 片产 生 裂 缝 的原 因很 多 ， 据 管 根 片 的工作 阶段 可 以分 为 三 类 ： 类 为 管 片生 产 一 过 程 中 由于 温度 变 化 、 混凝 土配 比 以及 施 工 工 艺 的影 响 ； 二是 隧 道施 工 过 程 中 由于 千斤 顶推 力 过
位置内侧表面出现 了不同程 度的裂纹 ， 且伴 随地