不同注浆阶段矩形盾构隧道衬砌结构的力学性态研究（论文）.pdf

2018·7·Building Construction 1228 不同注浆阶段矩形盾构隧道衬砌结构的力学性态研究 王新新 上海建工集团工程研究总院 上海 201114 摘要： 矩形盾构隧道受力相比圆形隧道存在受力较不均匀的缺点，在各种施工荷载作用下局部会产生较大弯矩与剪 力。结合现场工程，采用将理论分析、数值仿真与现场实测相结合的方法，研究不同注浆阶段矩形盾构隧道衬砌结构 力学性态。研究结果表明，梁 - 弹簧模型能较为准确地反映矩形衬砌施工期的受力情况，施工期由于注浆作用导致衬砌 所受的弯矩和剪力增大，应加强此阶段的衬砌管片力学性态的监控。 关键词： 矩形隧道衬砌；施工期力学性态；注浆；结构受力 中图分类号： T U 94 文献标志码： A 文章编号： 1 004-1 001(2 018)0 7-1 228-0 5 DOI： 1 0.1 4144/j. c nki. jz sg .2 018.0 7.0 61 Study on Mechanical Behavior of Lining Structure of Rectangular Shield Tunnel at Different Stages of Grouting WANG Xinxin Engineering General Institute of Shanghai Construction Group, Shanghai 201114, China 市政工程 MUNICIPAL ENGINEERING 施 工阶段隧道衬砌管片的约束条件复杂，且存在较多 影 响因素 [7 ]。 因此，本文结合现场工程采用理论分析、数 值 仿真与现场实测相结合的方法研究不同注浆阶段矩形盾 构 隧道衬砌结构力学性态，为后续施工提供指导。 1 工程概况 某地下通道工程全长470 m ， 其中下穿高架段采用矩形 隧 道施工法，盾构段长度为83.9 5 m 。 隧道衬砌结构每环由 6 块 复 合管 片拼 装而成 ，在管 片的纵 向与 环向 都采 用直 螺栓 的 连接形式通缝拼装，其具体的结构参数为：结构内部净 空 宽8.6 5 m 、 高3.8 5 m ， 扁平率0.4 4， 衬砌厚度0.5 5 m ， 拱 顶 起拱量0.1 5 m ， 拱腰起拱量0.1 0 m （ 图1） 。 图1 矩形衬砌结构单元效果图 2 矩形隧道衬砌内力理论解析 2.1 矩形盾构隧道计算模型 考 虑矩形盾构隧道衬砌由若干管片拼装通过螺栓连接 而 成，接头具有非连续性的特点，为模拟管片接头刚度， 降 低对衬砌环整体刚度的影响，本文采用隧道设计中常用 的 荷载结构模型（梁-弹 簧模型）。其中，管片被离散为梁 近 年来伴随城市地下空间开发的迅猛发展，盾构法施 工 应用越来越广泛。特别是矩形盾构隧道因相比圆形隧道 具 有显著的空间断面利用率高、安全埋置深度浅、土地占 用 率低等优点，在工程中得到了越来越多的应用。然而， 矩 形盾构隧道受力相比圆形隧道存在受力较不均匀的缺 点 ，在各种施工荷载作用下局部会产生较大弯矩与剪力。 因 此，研究施工期各种施工荷载对矩形管片结构受力特性 的 影响已迫在眉睫 [1 -2 ] 。 目 前，对矩形盾构管片施工期受力特性的研究较少， 主 要采用模型试验法和现场实测法。张冠军等 [3 ]通 过国内 首 台6 m × 4 m 大 断面矩形隧道拼装式管片结构承载力试 验 ，分析了大断面矩形管片的受力情况，得到 矩形管片在 结 构设计荷载下管片的弯矩和变形规律。杨方勤等 [4 ]建 立 了 考虑衬砌接头刚度的梁-弹 簧计算模型，为了验证矩形 管 片刚度、强度是否满足设计要求，进行了矩形衬砌管片 1 ∶ 1三 环结构试验。孙巍等 [5 ]系 统性研究了大断面矩形盾 构 法隧道衬砌受力的影响因素，其中注浆荷载对矩形盾构 法 隧道受力影响较大，需要与施工工艺结合来合理地确定 注 浆荷载。王东方等 [6 ]以 结合宁波类矩形盾构隧道研究了 施 工同步注浆对衬砌结构力学特性的影响。 基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目课题 （ 16D Z1201601） 。 作 者简介：王新新（1985— ），男，硕士，工程师。 通 信地址：上海市闵行区新骏环路700号 （201114） 。 电 子邮箱：wan gxx@ sc gtc .c o m .c n 收 稿日期：2018-0 4-1 8 建筑施工·第40卷·第7期 1229 单元，管片环向接头由转动弹簧 kθ、轴向弹簧 kn、剪切弹 簧ks三部分组成（图2） 。图2中 H0为 地下水位至地面的距 离； H为隧道顶部覆土厚度； q1为隧道顶部的水土荷载； q2 为隧道底部的水反力（水土分算时）； e1，e2分别为隧道顶 部 与底部的侧向水土压力； g为衬砌自重； kr为地层抗力综 合系数，包括径向和剪切刚度系数。 管片接头 H g q 1 H0 H1 e1 e2 q2 kr kθ ,kn,ks 图2 梁-弹簧模型 2.2 地质参数及理论分析参数 2.2.1 地质参数 隧道覆土厚度为7 m ， 位于②3灰 色粉砂、③灰色淤泥 质 粉质黏土、④灰色淤泥质黏土之中，土层分布及力学特 性如表1所 示。 表1 隧道周边土层分布及力学特性 层号 土层 重 度/ （ kN · m -3） 黏 聚力/ k P a 内 摩擦角/ （ °） 侧 压力系数 ② 3 灰色粉砂 18.2 0 3 31 0.3 7 ③ 灰 色淤泥质 粉 质黏土 1 7.6 0 11 16 0.4 2 ④ 灰色淤泥质黏土 16.8 0 13 11 0.5 8 根 据地质报告，工况中假定地下水埋深为地表下 0.5 m 。 2.2.2 理论计算参数 1） 管片材料弹性模量 E=2.5 × 10 8 k P a， 转动惯量 I= 1.4 × 10 -2 m4， 截面面积