盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析
盾构法隧道结构(1)
2．砌块
一般适用于含水量较少的稳定地层内。由于隧道衬砌的分块 要求，使由砌块拼成的圆环（超过三块以上）成为一个不 稳定的多铰圆形结构。衬砌h结构在通过变形后（变形25量必 须予限制）地层介质对衬砌环的约束使圆环得以稳定。
衬砌的分类及其比较
（三）按形成方式分类 分为装配式衬砌和挤压混凝土衬砌。 目前我国广泛使用的是钢筋混凝土管片或砌块。
• 容纳各种专门的挖土设备。 • 支承环：承受荷重的核心部分，刚性较好的圆环
结构。 • 水平隔板和竖直隔板：增加盾构刚度 ，水平承受
拉力，竖直承受压力。 • 盾尾：掩护工人在其内部安装衬砌。
h
12
2）推进系统
• 由盾构千斤顶和液压设备组成 ，上下左右 活塞杆伸出长度不同达到纠偏目的。
• 盾构千斤顶一般是沿支承环圆周均匀分布 的；
所必须特殊考虑的荷载。
h
39
表10-2（a） 荷载的分类 1. 地层压力
2. 水压力
基本荷载 3. 自重
4. 上覆荷载的影响
5. 地基抗力
附加荷载
6. 内部荷载 7. 施工荷载
8. 地震的影响
9.h平行配置隧道的影响 40
表10-2（a） 荷载的分类
盾构掘进姿态的影响因素及纠偏
盾构掘进姿态的影响因素及纠偏
Influence Factors and Rectification on Tunneling Attitude of the Shield Machine
山西交通职业技术学院 朱江涛/ZHU Jiangtao
摘 要 ：盾构姿态控制是盾构法施工的三大要素之一。在施工时，盾构机需穿越不同的地质层和承受不同的掘削 阻力，来确保管片的安装轴线与隧道的设计轴线一致。本文结合盾构法实际施工的特点，分析盾构姿态的影响因素， 确定纠偏方法，以供相关人员进行参考。
关键词 ：盾构机 盾构姿态 盾构法纠偏
盾构机掘进姿态控制是以开挖面的设计轴线为标 1.1 地质条件和操作因素
准，根 据自动测量系统 显 示的轴线偏差和偏差 趋势，
在 施 工中， 盾 构 机 穿 越 复 杂 的 地 质 层和 掘 削 各种
结合管片安装情况，在掘进过程中修正盾构机的掘进 障碍物，其掘进时的四周阻力各不相同。为此，推进盾
盾构方位
设计轴线 纠偏曲线
P=n+1 式中 ：P — 油缸压力调整数值，单位为 bar ；
n — 需要调整的次数。
A
（2）
图1 盾构机姿态趋势示意图
D
B
（1）盾构机趋势的分析 盾 构 掘 进 主要 靠 的是顶推油缸 对 管片的顶推 力来
液压缸
实现，油缸的推力是合力。
F 合 =F － (F1+F2+F3+F4) 式中 ：F — 油缸推力 ；
控制好盾构趋势才能有效控制掘进轴线，才能按设计 每加一点其本区的油缸压力要增加 1ba r 以上，其它区
轴线进行隧道掘进。结合某地铁项目案例，根据盾构 油压会大致相应的减少 1ba r 以上，如此在姿态控制时
盾构隧道施工技术
施工监测
详细介绍了盾构隧道施工的各个阶段，包括工作井施 工、盾构机组装与调试、始发掘进、接收井施工等， 以及各阶段的关键技术要点和注意事项。
广州地铁某标段盾构隧道施工案例分析
概述
盾构机选型
施工工艺
施工监测
广州地铁某标段盾构隧道施 工案例，主要介绍了该工程 的基本情况、施工环境、盾 构机选型、施工工艺、施工
在处理过程中，还需要注意对 泥水性质的监测和控制，以防 止泥水对盾构机造成损害。
盾构机姿态控制技术
盾构机姿态控制是保证隧道施工质量 的关键技术之一，它涉及到对盾构机 姿态的监测和调整。
姿态控制技术还包括对盾构机推进力 的控制，以保持盾构机的稳定推进。
在盾构机推进过程中，需要实时监测 盾构机的位置和姿态，并根据实际情 况进行调整，以确保隧道轴线的准确 性和稳定性。
进行了分析和评估。
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施工工艺
详细介绍了盾构隧道施工的各个阶段，包括工作井施工、 盾构机组装与调试、始发掘进、接收井施工等，以及各阶 段的关键技术要点和注意事项。
施工监测
为了保证施工安全和质量，采用了多种监测手段对盾构隧 道施工过程进行实时监测和数据采集，并对监测结果进行 了分析和评估。
上海地铁某标段盾构隧道施工案例分析
在盾构机推进过程中，需要实时监测土层压力，并根据实际情况调整土压力，以防 止土层塌陷或超挖。
土压力控制技术还包括对盾构机出土量的控制，以保持土层压力的平衡，防止盾构 机前方土体发生过大变形。
泥水处理技术
盾构机在挖掘过程中会产生大 量的泥水，需要进行处理以避 免泥水对隧道施工造成影响。
泥水处理技术包括对泥水的分 离、浓缩、运输和排放等环节 的处理，以确保泥水能够得到 有效的处理和利用。
隧道盾构法施工 盾构法施工的特点及适用条件
盾构法施工的特点及适用条件
盾构机（土压平衡）
盾构法施工的特点及适用条件
2盾构法特点
2.1盾构法优点
（1）、场地作业少，隐蔽性好，因噪音、振动引起的环境影响小；
（2）、隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深浅的影响，适宜于建造覆 土深的隧道；
（3）、穿越河底或海底时，隧道施工不影响航道，也完全不受气候的影响；
01
盾构法施工的特点及适用条件
盾构法施工的特点及适用条件
1.盾构法基本概念
盾构法是在盾构保护下修筑隧道的一类施工方法。 这类方法的特点是地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接 缝防水和盾尾间隙注浆充填等作业都在盾构保护下进行， 并需随时排除地下水和控制地面沉降，因而是工艺技术
要求高、综合性强的一类施工方法。
3盾构法适用条件
适用于各类软土地层和软岩、硬岩地层的隧道掘进，尤其适用于城 市地下隧道工程。
水底公路隧道； 地铁区间隧道； 排水污水隧道； 引水隧道； 公用管线隧道。
（4）、穿越地面建筑群和地下管线密集区时，周围可不受施工影响；
（5）、自动化程度高、劳动强度低、施工速度较快
盾盾构法缺点
（1）施工设备费用较高； （2）覆土较浅时，地表沉降较难控制； （3）用于施工小曲率半径隧道时，掘进较困难。
盾构法施工的特点及适用条件
盾构施工中常见问题分析及防治措施
盾构施工中常见问题分析及防治措施盾构施工过程中，管片上浮、管片错台、管片渗水三类问题是严重影响成型管片的质量与美观。
本文结合施工过程中，对管片错台、管片上浮、管片渗水产生原因加以分析，并提出相应防治措施，以提高盾构隧道的使用效果和延长隧道使用寿命。
一、管片上浮管片上浮是指管片脱离盾尾后,在受到集中应力后产生向上运动的现象。
?规?规定盾构掘进中线平面位置和高程允许偏差为±50mm。
管片拼装偏差控制为±50mm。
隧道建成后，中线允许偏差为高程和平面为±100mm，且衬砌构造不得侵入建筑限界。
由此推算管片上浮允许值与盾构姿态、管片姿态密切相关，因此均应限制在±30mm以才能保证不侵限，并使管片外侧得到均匀的注浆回填。
1、上浮的原因及分析结合在轨道交通一号线望湖城至大店盾构区间的施工经历，可从以下四个方面来分析管片上浮的原因。
〔1〕同步注浆不饱满，从而存在上浮空间盾构区间圆形隧道〔管片〕外径6.0m，径5.4m，管片厚度300mm，管片宽度1.5m，分块数为6块〔管片由一块封顶块、两块邻接块、三块标准块构成〕。
盾构机与管片之间存在着150㎜的建筑空隙，如果同步注浆不饱满，使管片外侧与土层之间的间隙没有及时有效地充填，就必然出现管片上浮的空间。
其次，在同步注浆不饱满时，地层土软硬不同，产生的管片上浮情况也不同。
一般情况下，软地层不容易上浮，而硬地层却有空间导致管片上浮。
这是因为在掘进过程中，对于软地层，上部松软地层土的自稳性差，会因为自重、存在空隙而有相对的下沉，从而使因注浆不饱满造成的管片和土层之间的剩余空隙根本消失。
硬地层由于自稳能力强，完整性好，能很好的控制自身沉降。
使管片有足够的上浮空间和时间，且地层越硬，管片上浮的情况越严重。
〔2〕过量超挖盾构机在掘进过程中的隧道轴线与理论轴线有一定的差值，在掘进过程中时时在调整盾构机的姿态，盾构机走的线形是“蛇形〞。
当盾构机刀盘处于几种地层交织界面时，盾构机很容易产生“爬坡〞和“栽头〞现象。
盾构法隧道管片设计建造与保护[详细]
![盾构法隧道管片设计建造与保护[详细]](https://img.taocdn.com/s3/m/ceeb7bc5f46527d3240ce0bd.png)
一、盾构法隧道管片设计
3、衬砌型式及厚度 (2)衬砌厚度选择
1)衬砌管片厚度取值4～6%D,地铁区间隧道一般为4.5～ 5.6%D;大直径隧道相对厚度较小,一般为4～5%D,个人认为从 目前运营的角度看,建议取厚点,管片刚度大, 也有个别隧道达到7%D(青草沙水源地输水隧道,外径6.4m)
2)二次衬砌厚度150mm～350mm, 衬砌厚度的选择与地质条件、荷载条件密切相关,但更多情 况下是经验取值,经计算确定,
控制混凝土入模温度,冬季、夏季施工
要有针对性措施, (1)、从拌站出拌机的湿料,应在半小时之内到达浇捣点, 塌落度50~80mm,和易性满足浇捣要求,(坍落度检查) (2)、湿料拌制过程中应选加含气量小的,易于气体排出的外加剂,最大限度变 的减少,尤其侧板处的气泡, 浇筑与振捣(欠与过均不合规,试验确定), (1)、砼湿料应分层布料,料斗应紧贴外弧面,分层厚度不大于30cm,插入或振捣 的插入距离应考虑激振力一般不大于30cm, (2)、刮尺应反复多拉,保证外弧面密实,补料较多处一定要振捣, (3)、收水作业必须随捣随光,直到外弧面光实发生初凝,芯棒的松动和拔出应 随温度和季节,一般应在浇捣完后二小时,(混凝土浇捣记录,混凝土试块)
必要是可采用钢筋钢纤维(聚丙烯纤维复合管片), 在常州地铁1号线穿越某大学图书馆设计中,采用钢纤维
管片,效果很好,
二、盾构法隧道管片设计
9、管片防水及耐久性设计 管片防水及耐久性设计应给出水压条件下的抗渗等级,地铁
一般为C50P10,一般要求抗渗透能力不低于2倍的实际水压,地 铁规范要求检漏水压是实际水压的3倍,目前水下隧道管片等级 最高C60P12,下一步根据穿江越海隧道的高水压要求会进一步 提高管片性能等级,
从受力角度,要考虑纵环缝根据地质条件 及抗不均匀沉降的需要,是否设置榫槽,是全缝 面设置、局部设置还是设置抗剪切件,
盾构隧道结构内力分析与施工保障措施
摘 要 盾 构机 在 穿越 软硬 交错 分布 的地层 时 ， 密闭 舱 内土压 力的大 小是保 证前 方土体 稳 定的重 要 因素 。 以北京地 铁 的设计 与施 工 为研 究对 象 ，在 盾 构 隧 道 穿越 复 杂 多 变的地 层 条件
纵 向接头 的环 间传 力效果 。
２计算条件与计算模型
２ ． １计算 条件 隧道采 用单 层装 配式钢 筋混凝土 管 片衬 砌 ，隧道 内直径 ５ ４ ０ ０ ｍｍ，管片厚 ３ ０ ０ ａ ｒ ｍ， 宽１ ２ ０ ０ ａｍ。衬 砌环 分 为 ６ ｒ 块 ，下 部三 块标 准块 的圆心 角为６ ７ ． ５ 。 ，两邻 接块 的 圆心角 为６ ７ ． ５ 。 ，封顶块 的 圆心角 为２ ２ ． ５ 。 。管片 衬砌 环在纵 向按 错缝式拼 装 ，纵 向接 头 为１ ６ 处 ，按等 角度２ ２ ． ５ 。布 置 。拼装方 案 ：以两 环为 一组 ，第一 环左 偏２ ２ ． ５ 。 ，第二环 右偏 ２ ２ ． ５ 。的拼 装 。分块 图见 图１ 所示 。
ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｚ ｅ ｏ ｆ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｓ ｅ ａ ｌ ｅ ｄ ｃ ａ ｂ ｉ ｎ ｉ ｓ ｔ Ｏ ｅ ｎ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ｓ ｏ ｉ ｌ ｓ ｔ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ
ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｓ．
盾构法施工引起地面沉降原因分析及防治措施
盾构法施工引起地面沉降原因分析及控制方法进入21世纪，世界经济的迅猛发展使城市化建设得到了大幅度的提速。
目前，人口不断地向城市聚集，使城市人口和建筑的密集度快速上升，造成能被利用的地面空间越来越少，因此，当今城市现代化建设的重要课题之一便是开发地下空间，为人类创造价值。
但各种用途的管线被布置在地下，这便产生了在地下工程施工背景下的一种最佳方法——盾构法。
盾构法施工虽然优点颇多，但是也存在诸多问题。
本文就盾构法施工过程中引起的地面沉降问题展开讨论，分析产生的原因及寻找控制方法。
一，地面沉降产生原因1、地层隆沉的发展过程盾构推进引起的地面沉降包括五个阶段：最初的沉降、开挖面前方的沉降、盾构机经过时沉降、盾尾空隙的沉降以及最终固结沉降，如图l所示。
第一阶段：最初的沉降。
该压缩、固结沉降是因为地基有效上覆土层厚度增加而产生的沉降，也是盾构机向前掘进时因为地下水水位降低造成的。
指从盾构开挖面距地面沉降观测点还有一定距离(约3～12m)的时候开始，直至开挖面到达观测点这段时间内所产生的沉降。
第二阶段：开挖面前方的沉降(或隆起)。
这种地基塑性变形是由土体应力释放、开挖面的反向土压力、或机身周围的摩擦力等作用而产生的。
它是从开挖面距观测点约几米时开始至观测点处于开挖面正上方这段时间所产生的沉降(或隆起)。
第三阶段：盾构机经过时沉降。
该沉降是在土体的扰动下，从盾构机的开挖面到达测点的正下方开始到盾构机尾部通过沉降观测点该段时期产生的沉降(或隆起)。
第四阶段：盾尾空隙沉降。
该沉降产生于盾尾经过沉降观测点正下方之后。
土的密实度下降，应力释放是其土力学上的表现。
第五阶段：固结沉降，它是一种由地基扰动所产生的残余变形沉降。
经前人研究发现，第一阶段沉降占总沉降的0～4．5％，第二阶段沉降占总沉降的0～44％，第三阶段沉降占总沉降的15～20％，第四阶段沉降占总沉降的20～30％，第5阶段沉降占总沉降的5～30％。
2、地表沉降的因素影响分析该因素影响分析的平台是当前使用较为广泛的大型三维有限元分析软件ANSYS，盾构开挖面掘进引起的地表沉降的客观因素包括盾构直径、土体刚度、隧道埋深、施工状况等设计条件；而其主观因素包含施工管理、盾构机的选用形式、盾尾注浆、辅助施工方法等。
盾构施工对桩基的影响及桩基近邻度划分_王立峰
土体发生变形，图 1 中虚线表示盾构施工土体的影 响区域。桩 C 在影响区域的边界线，桩基理论认为 桩的承载力由侧向摩阻力和端部承载力组成的，桩 A、B 的端土层会受到盾构影响从而使桩的承载力 会有一定程度的下降。桩 D 穿过盾构隧道，一般这 种情况会作特殊处理，而桩 A、B 则为上方桩，其 受到盾构开挖的影响程度与桩的摩擦类型、隧道与 桩底间的距离、土质条件等有关，本文不考虑这两 种情况。桩 E、F 离为侧方桩，理论上说只要原土 层中的应力和变形发生改变，桩的承载性状就会因 此而改变，若这种影响对于桩基承载性能和建筑物 不造成任何损害，那么可以认为桩 E、F 一般不会 受到盾构施工的影响。实际上盾构施工对近邻桩基 若影响较大，原有建筑物、道路和管线等就会遭到 破坏，同时也妨碍了隧道的安全施工。由于盾构施 工过程中的地质条件、施工因素如盾构推进速度、 盾构压力、注浆时间、充盈系数及桩基因素如桩径 大小、深度与隧道间的关系等都会对近邻桩基的造 成影响，因此，究竟多少范围内的盾构会对近邻桩 基产生影响及影响的程度， 是一个非常复杂的问题。
收稿日期：2013-11-20 作者简介：王立峰，男，1968 年生，博士，教授，主要从事地基处理和软黏土力学方面的教学和科研工作。E-mail: wanglfzust@
320
岩
土
力
学
2014 年
主要（控制）因素。Loganathan 等[2]运用离心模型试 验和数值解析方法，研究了隧道推进引起临近桩基 产生相当大的轴力和弯矩。李永盛等 [3]利用 Kelvin 解及弹性地基梁理论，导出盾构推进对相邻桩体内 力及挠曲影响的计算公式。张志强等 [4]针对城市地 铁新建隧道近接民房桩基的工程情况，进行了三维 有限元数值模拟研究，并与实测数据进行了对比分 析。Mroueh 等[5]运用三维弹塑性有限元，对单桩和 群桩基础在临近隧道时进行了模拟计算，结果表明 隧道掘进会引起临近桩基内力的显著增加，隧道掘 进引起的桩基轴力与桩基和隧道轴线的水平距离以 及桩尖和隧道轴线在竖向的相对位置密切相关。朱 逢斌等 [6] 采用 Mohr-Coulomb 弹塑性屈服准则，建 立三维有限元模型，研究了软土地区盾构隧道开挖 对邻近桩基的影响规律。郑刚等 [7]对基坑开挖临近 桩基影响进行了实测和数值模拟分析，发现基坑开 挖对临近桩基产生明显影响，当排桩间距变大时其 后止水帷幕的水平位移大于排桩水平位移，并分析 了桩基和基坑间距、桩基刚度、桩顶竖向荷载和桩 基顶部约束条件等对桩基附加弯矩、位移的影响。 日本已将近距离条件下地下结构施工定义为 “邻接施工影响的问题” 。 然而， 国内外文献中的 “近 距离” 、 “邻接” 、 “近邻”是一个模糊的概念，什么 样的桩基为近邻桩基没有一个明确的说法。文献研 究表明[8－11]，对近邻桩基承载性状的影响因素有桩 基离开盾构隧道的距离、土体力学性质、桩基原有 荷载的大小、桩长、桩径、衬砌支护时间、盾尾后 注浆质量、盾构面水土平衡压力和盾构机的盾构姿 态等。这些因素中必然有主要因素和次要因素，水 土平衡压力大小、注浆量等因素可以看作是对土体 应力释放的补偿，可以用盾构隧道周围土体应力释 放量进行模拟。本文应用正交试验，找出盾构施工 中影响近邻桩基的影响因素大小，根据方差分析结 果提出桩基近邻度的概念，并给出一个工程实例， 为设计和施工等提供参考。
衬砌劣化对水下盾构隧道变形的影响分析
２ ０ １２ 年 ２ 月
公 路 工 程
Ｈｉｈｗａ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｇ ｙ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖｏ ． ７，Ｎｏ １ １３ ．
Ｆｅ ． ， ｂ ２ ０１２
衬砌 劣 化对 水 下盾 构 隧道变பைடு நூலகம்形 的影 响 分析
孔 祥兴 ，夏才 初 ， 玉 良 仇 ，匡希龙
湖南 长沙 ４００ ） １０３
［ 摘
要 】针 对 目前 世 界 最 大 直径 水 下 盾 构 隧 道 的工 程 背 景 和 劣 化 环 境 ， 过 分 析 衬 砌 劣 化 机 理 和 行 业 规 范 通
标 准 确定 了 以有 效 厚 度 考 量 衬砌 结构 劣 化 ， 用 强 度 折 减 原 理 对 强 度 参 数 进 行 逐 步 地 折 减 ， 立 了考 虑 地 层 土 性 采 建 和 覆 土厚 度 影 响 的水 下 盾 构 隧 道 衬 砌 劣 化 模 型 ， 用 数 值 计 算 方 法 分 析 了衬 砌 劣 化 的 多 种 组 合 工 况 ， 而 对 衬 砌 运 从 劣 化 引 起 上海 长 江 隧道 （ 明 越 江 通 道 ） 形 的特 征 表 现 和 趋 势 规 律 进 行 了 研 究 和 探讨 。研 究 结 果 表 明 ： 于 有 效 崇 变 基 厚度 折减 的衬 砌 劣 化 分 析 方 法 能 够有 效 地 反 映 劣化 后 隧 道结 构 的 整 体 变 形 状 况 ， 计算 结 果 可靠 合 理 ， 为 盾 构 且 可 隧 道 健康 状态 诊 断 与分 析 提 供 理 论依 据 和 技 术 支 持 ， 可 为 运 营 管 理部 门正 确及 时 的养 护 维 修 提 供 借 鉴 和 指 导 。 也 ［ 键 词 ］水 下 盾 构 隧 道 ； 砌 劣 化 ； 效 厚 度 ； 度折 减法 ；隧 道 变 形 ； 值 模 拟 关 衬 有 强 数 ［ 中图 分 类 号 ］Ｕ４ ５９ ５ ． １ ［ 献 标 识 码 ］Ａ 文 ［ 章 编 号 ］１７ — ６ ０ ２ １） １ ０ ２ — ６ 文 ６ ４ ０ １ （０ ２ ０ — ０ ６ ０
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盾构法隧道衬砌荷载影响因素分析
摘要:不同的地质条件、施工方法、隧道埋深以及衬砌刚度等条件的差异,会不同程度地影响
隧道衬砌上荷载的分布。结合上海软土盾构法隧道设计和施工的具体情况,分析影响软土隧
道衬砌荷载的影响因素,可为地铁隧道的设计和施工提供参考。关键词:隧道;衬砌;刚度
隧道设计时,只有在准确估计作用在衬砌上荷载的基础上才能正确地进行隧道衬砌设计,然而
由于地层条件的变化和不确定性、盾构推进前后的地层变形导致的应力重分布,以及施工条
件的差异,很难做到准确地估计作用在衬砌上的荷载。本文结合上海盾构隧道具体情况,讨论
影响软土隧道衬砌荷载的影响因素。
1衬砌荷载的分布
衬砌是直接支承地层、保持规定的隧道净空、防止渗漏,同时又能承受施工荷载的结构。衬
砌在施工阶段作为隧道施工的支护结构,起保护开挖面、防止土体变形、土体坍塌及泥水渗
入,并承受盾构推进时的千斤顶顶力以及其他施工荷载的作用;竣工后,衬砌单独或与内衬一
起作为隧道永久性支撑结构,可以防止泥水渗入,同时支承衬砌结构周围的水、土压力以及使
用阶段和某些特殊需要的荷载,以满足结构使用要求(图1)。
当隧道衬砌半径与其埋深比r/H≤1/5时,可视衬砌受无限远的边界力,如图1(a)所示。与此同
时,当衬砌在上述主动土压力作用下发生压扁变形时,还引起介质的被动土压力kδA(k为介质
基床系数),它只分布在水平轴上下45°的范围。其全部荷载简化如图1(b)所示。从图中
很容易得到衬砌上任意点的径向土压力[1]:式中,pr为角θ1处的径向压力,pV、pH分别为垂
直和水平压力。
衬砌设计时必须考虑的荷载包括[2]:土层压力、地下水压力、结构自重、超载以及地层抗力。
根据具体情况还要考虑内部荷载、施工荷载以及震动影响,特殊情况还要考虑相邻隧道的影
响和沉降的影响。
2衬砌荷载的影响因素
由于土拱作用,隧道衬砌上的荷载很少情况下等于上覆土重,很多因素影响着衬砌上荷载的分
布。为正确估计作用在衬砌上的荷载,就必须深入理解这些影响因素。
2.1地质条件
地质条件是影响隧道施工的最主要的因素,要找到完全相同地质条件的隧道几乎是不可能的。
沿隧道截面的水平方向和垂直方向,地质条件经常在不断变化。通常在垂直方向,随着深度的
增加,土的内聚力和强度不断增加,所以作用在衬砌上的荷载也会减小。在不同的土层中作用
在衬砌上的土压力不同,在淤泥质地层中,当覆盖层不是特别厚时,垂直地层压力PV等于隧道
埋置深度H和周围土层密度γ的乘积,即PV=γH。但当地层为强度及刚性较大的硬粘土及有
粘性的密实砂土,而覆盖层又有一定厚度时,土层会与岩层相仿,顶部有起拱作用,此时PVγH。
2.2衬砌和土层的相对刚度
隧道衬砌既受到周围地层的荷载,又受到它的约束。主动荷载使衬砌形状改变,产生地层给衬
砌的被动抗力,地层位移后会产生相应的剪力,而把重力传到更远的地层中去,这样就会减少
传给衬砌的垂直荷载。图2表示土层中刚性和柔性衬砌的应力分布和变形情况,地层中的原
始垂直应力为σ,水平静止侧压力系数为K0,则原始水平应力为K0σ。刚性衬砌几乎不变形,
故原始应力维持不变,这样刚性衬砌受到较大的弯矩,其数值的大小取决于垂直应力和水平应
力之差。相反,柔性衬砌大致变形呈椭圆,垂直方向的向内变形会调动地层中的剪应力,而使垂
直应力减小;水平方向的向外变形会产生被动抗力,而使水平应力增加,直至作用在柔性衬砌
上的地层压力接近均匀,故柔性衬砌的弯矩比刚性衬砌小得多[3]。
因此,衬砌对于周围地层的相对刚度必然会影响衬砌上荷载的分布。相对刚度越大,作用在衬
砌上的荷载也就越大。衬砌的刚度大小主要取决于衬砌的厚度、管片的拼装方式、接头刚度。
工程实践表明:在保证接头放水要求的情况下,尽可能减小衬砌厚度和降低接头刚度的作法可
以增加结构的柔性,大大减小结构所受的弯矩,而轴力却会得到提高,偏心矩进一步减小。在同
等条件下,错缝拼装衬砌比通缝拼装衬砌具有较高的整体刚度。2.3施工方法
尽量减少对土层的扰动是减少衬砌上荷载的有效方法。不同的施工方法对土层的扰动是不一
样的,例如在软土地区,通常采用土压平衡式盾构(EPB)和挤压盾构,但两种方法对地层的扰动
程度不同,所以作用在衬砌上的荷载也是不一样的[4]。
EPB盾构正面为密闭状态,能有效控制工作面的土压力和地表的沉降。其工作原理是:由大刀
盘切削土层,切削后的泥土与开挖面的土压力取得平衡的同时,由隧道和土腔相通的螺旋输送
机输出,装于排土口的排土装置在出土量和进土量取得平衡的条件下,盾构不断推进。挤压盾
构的胸板上常开有可开启的进土孔,在极软弱的土层中,胸板前方还常设有网格板。盾构推进
时,正面土体呈挤压状态,被挤压的土体通过进土孔,挤入盾构胸板内侧。进土孔的数量和大小
按地质条件而定。为适应各种条件的变化,常将胸板上的每个进土孔设计成可开闭的千斤顶
闸门形式,以此调整开口率。
EPB盾构和挤压盾构控制地层移动方式的不同,必然造成在隧道掘进的过程中以及施工后隧
道周围土层的变化不同,从而使得作用在隧道上的地层压力不同。
2.4隧道直径和埋深
隧道埋深对于作用在隧道上的地层压力具有决定作用,但要明确划分隧道深埋与浅埋的界限,
目前尚无公认的理论依据。一般认为,对于大开挖施工的大型地下管道以及埋深较浅的小直
径顶管衬砌结构都属于浅埋隧道结构,而对于矿山法暗挖或用盾构法暗挖的隧道常称为深埋
隧道。深埋隧道与浅埋隧道在土压力计算上有两个不同点:一是要考虑周围土体对隧道顶面
以上土柱的摩擦力以及土体卸载拱效应,从而减少了竖向土压力;二是埋深的增加会使侧向土
压力数值与竖向土压力数值趋向一致。浅埋圆形隧道地层土压力的计算通常如图3所示。圆
形隧道顶部作用的竖向土压力由土柱理论计算,拱背弧形部分的土体重量可近似简化为均布
荷载,侧向土压力一般也是按朗肯土压力理论计算,地基反力也可由静力平衡条件确定。在地
层的相对刚度较大的情况下,侧向弹性抗力的作用将会明显地表现出来。在深埋的情况下,由
于考虑土体的成拱效应,采用太沙基公式计算松弛压力,使有效的土层高度减小,结构受力降
低。理论和实践都证明:随着隧道的埋深不同,地层压力的分布规律和数值大小也就不同,因此,
确定划分浅埋和深埋的界限是十分必要的。
在埋深不变的情况下,衬砌内力基本随着隧道外径的变化呈向下凸的抛物线形变化,在外径不
断变化的过程中,其内力的增加量急剧增大,且内力较大的截面在直径加大后其内力加大的幅
度也最大。
2.5地下水位的变化
对处于含水层和不透水层等复杂地层中的隧道来说,在长期使用过程中,地下水位的变化将导
致隧道荷载的变化。在隧道开挖阶段,为增加工作面的稳定性,常需要采取一定的降水措施。
衬砌施工后,地下水位随之上升。显然,这两种情况下作用在衬砌上的荷载是不相同的,通常后
者要大于前者[5]。
2.6外界环境的变化
隧道邻近范围内的各种施工活动,如基坑开挖、增加地面荷载、新建高层建筑物及相邻隧道
施工,都会不同程度地扰动隧道周围的土体,对土层施加新的附加荷载,导致作用在衬砌上的
荷载变化。
3结束语
由于地铁隧道工程跨越区域大,涉及面广,同一条隧道需要经过不同的土层,影响因素众多。为
了准确估计衬砌上的荷载,就必须结合工程实际情况,认真分析各种影响因素,从中甄别出主
要因素,最终为衬砌的准确设计打下基础。
参考文献
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[2]WorkingGroupNo.2,ITA.Guidelinesforthedesignofshieldtun-nellining.TunnelingandUndergroun
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[4]蒋洪胜,候学渊.软土地层中的圆形隧道载荷模式研究(J).岩石力学与工程学
报,2003,22(4):651-658.