盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PARALLEL TUNNEL
HE Chuan，SU Zongxian，ZENG Dongyang
(Department of Tunnel and Underground Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China)
•2064•
岩石力学与工程学报
2007 年
Key words：tunneling engineering；shield tunnel；equivalent stiffness；parallel tunnel；secondary bending moment；secondary axial force
第 26 卷 第 10 期 2007 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.10 Oct.，2007
盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加 内力的影响研究
何 川，苏宗贤，曾东洋
(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)
Abstract：Taking the assembly lining structure of shield tunnel as object of study，the continuum material model with the tunnel circumferential and longitudinal stiffness being discounted is introduced based on equivalent deformation principle. With the Dali interzone of the project Guangzhou metro line 3 as research background， laboratory model test and 3D finite element analysis are both applied to the research on the influence of shield tunnel construction on the constructed parallel one. The longitudinal secondary，longitudinal additional axial force and bending moment，circumferential deformation，circumferential secondary axial force and bending moment of the constructed tunnel brought by the newly parallel one are investigated. Factors such as surrounding soil，clear distance，jacking force，etc.，are also discussed in the distribution and variation of displacement and secondary inner forces of the constructed tunnel during shield tunnel construction. The results indicate that the influence of the newly constructed tunnel mainly occurs on the hance of the constructed tunnel close to the new one，that it is necessary to keep a certain clear distance between two tunnels in the weak stratum and that the jacking force of the shield should be controlled in a certain range，according to surrounding soil，clear distance，possible displacement， relative deformation and secondary inner forces.
得区间盾构隧道纵向等效刚度折减系数分别为
ηN
=
kN
+
kN E1 A1
ls
⎜⎛1 − ⎝
1 ⎟⎞ n⎠
(1)
ηQ
=
kQ
&⎜⎛1 − ⎝
1 ⎟⎞ n⎠
(2)
ηM
=
kM
+
kM E1I1 ⎜⎛1 − ls ⎝
1 ⎟⎞ n⎠
(3)
式中：η N 为纵向等效抗拉压刚度折减系数，ηQ 为 纵向等效抗剪切刚度折减系数，ηM 为纵向抗弯等效 刚度折减系数，ls 为管片幅宽，n 为管片环数。可以 看出，结构刚度(或变位)很大程度上取决于管片与
摘要：以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象，引入各向刚度不等的连续材料模型，按变形等效原则对不连续的
隧道结构横向和纵向的刚度分别进行了等效折减，采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段，
以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道工程为背景，对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变位、纵向附加轴
力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究，探讨和揭示围岩条件，隧道净距，顶推力等因素对已
建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的影响。研究结果表明，新建盾构隧道施工所引起的已建隧道的影响
主要集中于邻近新建隧道侧的拱腰附近，在软弱地层保持一定的隧道净距是必要的，盾构顶推力需控制在一定范
围内，具体视围岩、净距以及可能造成的位移、相对变形和附加内力情况而定。
关键词：隧道工程；盾构隧道；等效刚度；平行隧道；附加弯矩；附加轴力
结合研究地铁区间盾构隧道穿越地层地质情 况，主要采用了满足几何相似比 1∶40 和容重相似 比 1∶1 的室内相似模型试验对新建盾构隧道施工 所引起的已建平行隧道的纵向变形、纵向附加弯矩 和轴力进行研究，采用室内相似模型试验和三维有 限元数值计算相结合的研究手段对新建盾构隧道施 工所引起的已建平行隧道横向变形和附加内力的影 响进行了对比印证。 3.1 等效刚度折减系数
图 1 管片环分块图 Fig.1 Division of the segmental ring
3 研究内容及测点布置
2 工程概况
广州地铁三号线大沥区间盾构隧道北起大塘 站，南到沥滘站，沿线穿越大片农田和地表建筑物 密集地带，其中盾构隧道右线区间全长 2 594 m，左 线区间全长 2 490 m。盾构区间隧道埋深(1～3)D(其 中 D 为衬砌管片环外直径)，主要位于中风化和微 风化岩层内，围岩风化带层位起伏变化大。隧道 进出口段位于饱和易液化的淤泥、淤泥质土和淤 泥质砂地层中，易塌方、流砂、流泥，淤泥质砂易 液化，软土易触变，自身结构性差；泥岩和粉砂质 泥岩易风化开裂，遇水软化。参考设计资料，围岩 划分根据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》
本文以盾构隧道为研究对象，引入各向刚度不 等效连续材料模型[10]，在分别沿横向和纵向对区间 盾构隧道装配式衬砌结构进行刚度等效折减[11]基 础上，以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道为工程 背景，分别采用室内相似模型试验和三维有限元数 值计算方法相结合的研究手段，对盾构隧道施工所 引起的已建邻近隧道纵向和横向变位(形)的分布及 变化规律进行了定性分析，对影响已建隧道变形和 附加内力分布变化规律的各因素(如围岩条件、隧 道净距、顶推力等)及其影响规律进行了探讨，研究 成果可供工程参考。
1引言
(GB50307–1999)进行，隧道所穿越地层围岩的物理 力学参数如表 1 所示。
随着我国城市现代化建设的迅猛发展，采用盾 构法修建的地下平行隧道逐渐增多，如何控制新建 盾构隧道施工所引起围岩扰动对已建平行隧道的变 形和附加内力影响，对于确保已建隧道的正常运营 以及新建盾构隧道的修建都具有重要的指导意义。
管片间的联结情况以及管片数量。
试验中取 40 环管片长盾构隧道为研究对象，将
n = 40 分别代入式(1)～(3)计算可得各等效刚度折减
系数为η N = 0.012，ηM = 0.010，ηQ = 0.011 ，结合 试验研究目的和重点，取纵向综合刚度折减系数
0.010。
3.2 等效刚度的确定
盾构隧道纵向刚度是影响其纵向变位和附加内
力分布变化规律的主要因素。盾构隧道纵向等效刚
度的确定是在运用地基梁–弹簧模型理论[13]的基
和抗弯刚度分别为 E1A1，G1A1 和 E1I1，纵向接头分 别由刚度为 kN，kQ 和 kM 的抗拉(压)、抗剪和抗弯弹 簧简化代替。刚度等效折减后沿纵向为一均质圆筒，
抗拉(压)、抗剪和抗弯刚度分别为ηNE1A1，ηQG1A1 和ηME1I1。
由何 川[11]的研究成果得等效前后盾构隧道纵
向拉伸变形量、剪切变形量和弯曲变形量相等，可
3.1.1 横向等效刚度折减系数
鉴于管片环横向等效刚度影响因素的多样性和
复杂性，结合修正惯用法将具有若干环向接头的管
片环横向进行连续介质圆环化，取横向等效刚度折
减系数为 0.70[12]。
3.1.2 纵向等效刚度折减系数
取具有 n 个管片环和 n 个纵向接头的区间盾构
隧道为研究对象，管片环抗拉(压)刚度、抗剪刚度
收稿日期：2007–02–05；修回日期：2007–06–05 基金项目：国家高技术研究发展专项(863 计划)资助项目(2006AA11Z116) 作者简介：何 川(1964–)，男，博士，1984 年毕业于西南交通大学地下工程系，现任教授、博士生导师，主要从事公路、铁路及城市地铁隧道等方 面的教学与研究工作。E-mail：Chuanhe21@
目前，盾构隧道管片结构的设计主要以横向受 力作为参考[1～4]，而近年学者在进行近接施工、地 表沉降及隧道纵向变形等问题的研究进行了大量有 价值的工作[5～8]，但还较少考虑到隧道结构在横向 和纵向上刚度折减不一致的特点，若在计算中引入 接头的模拟[9]，同时考虑横向和纵向的力学行为， 对计算硬件要求很高，模拟纵向上数十上百米的长 度花费时间很长，也难以模拟地层–结构模式下的 开挖效应，因此需寻求一种较合理高效的模拟手段。
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)10–2063–07
RESEARCH ON INFLUENCE OF SHIELD TUNNEL CONSTRUCTION ON DEFORMATION AND SECONDARY INNER FORCE OF CONSTRUCTED
II
19.06 41.21 19.49 0.33
8.28
6.20
区间盾构隧道衬砌管片环由 C50 钢筋混凝土制 成，管片环外径为 6 000 mm，内径为 5 400 mm， 管片厚度 300 mm，幅宽 1 500 mm。管片结构由 1 个封顶块、2 个邻接块和 3 个标准块构筑成衬砌环， 如图 1 所示。其中，封顶块、邻接块和标准块的圆 心角分别为 15.0°，64.5°和 72.0°，管片之间以 12 根 M27 环向螺栓、环与环间以 10 根 M24 纵向螺栓 连接。
表 1 围岩物理力学参数
Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rocks
围岩 级别
容重 /(kN·m－3)
黏聚力 /kPa
内摩擦角 /(°)
泊松比
弹性变形 模量/MPa
厚度 /m
I
18.28
9.83 16.86 0.37
3.04 19.82
受环缝和纵缝影响，盾构隧道装配式衬砌管片 与管片间、管片环与管片环间的协同受荷变形机理 十分复杂，鉴于此，本文在采用等效刚度模型基础 上，结合盾构隧道拼装式衬砌结构特点对其横向和
第 26 卷 第 10 期
何 川，等. 盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究
• 2065 •
纵向刚度分别进行折减，具体方法如下。
HE Chuan，SU Zongxian，ZENG Dongyang
(Department of Tunnel and Underground Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，Sichuan 610031，China)
•2064•
岩石力学与工程学报
2007 年
Key words：tunneling engineering；shield tunnel；equivalent stiffness；parallel tunnel；secondary bending moment；secondary axial force
第 26 卷 第 10 期 2007 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.10 Oct.，2007
盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加 内力的影响研究
何 川，苏宗贤，曾东洋
(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)
Abstract：Taking the assembly lining structure of shield tunnel as object of study，the continuum material model with the tunnel circumferential and longitudinal stiffness being discounted is introduced based on equivalent deformation principle. With the Dali interzone of the project Guangzhou metro line 3 as research background， laboratory model test and 3D finite element analysis are both applied to the research on the influence of shield tunnel construction on the constructed parallel one. The longitudinal secondary，longitudinal additional axial force and bending moment，circumferential deformation，circumferential secondary axial force and bending moment of the constructed tunnel brought by the newly parallel one are investigated. Factors such as surrounding soil，clear distance，jacking force，etc.，are also discussed in the distribution and variation of displacement and secondary inner forces of the constructed tunnel during shield tunnel construction. The results indicate that the influence of the newly constructed tunnel mainly occurs on the hance of the constructed tunnel close to the new one，that it is necessary to keep a certain clear distance between two tunnels in the weak stratum and that the jacking force of the shield should be controlled in a certain range，according to surrounding soil，clear distance，possible displacement， relative deformation and secondary inner forces.
得区间盾构隧道纵向等效刚度折减系数分别为
ηN
=
kN
+
kN E1 A1
ls
⎜⎛1 − ⎝
1 ⎟⎞ n⎠
(1)
ηQ
=
kQ
&⎜⎛1 − ⎝
1 ⎟⎞ n⎠
(2)
ηM
=
kM
+
kM E1I1 ⎜⎛1 − ls ⎝
1 ⎟⎞ n⎠
(3)
式中：η N 为纵向等效抗拉压刚度折减系数，ηQ 为 纵向等效抗剪切刚度折减系数，ηM 为纵向抗弯等效 刚度折减系数，ls 为管片幅宽，n 为管片环数。可以 看出，结构刚度(或变位)很大程度上取决于管片与
摘要：以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象，引入各向刚度不等的连续材料模型，按变形等效原则对不连续的
隧道结构横向和纵向的刚度分别进行了等效折减，采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段，
以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道工程为背景，对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变位、纵向附加轴
力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究，探讨和揭示围岩条件，隧道净距，顶推力等因素对已
建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的影响。研究结果表明，新建盾构隧道施工所引起的已建隧道的影响
主要集中于邻近新建隧道侧的拱腰附近，在软弱地层保持一定的隧道净距是必要的，盾构顶推力需控制在一定范
围内，具体视围岩、净距以及可能造成的位移、相对变形和附加内力情况而定。
关键词：隧道工程；盾构隧道；等效刚度；平行隧道；附加弯矩；附加轴力
结合研究地铁区间盾构隧道穿越地层地质情 况，主要采用了满足几何相似比 1∶40 和容重相似 比 1∶1 的室内相似模型试验对新建盾构隧道施工 所引起的已建平行隧道的纵向变形、纵向附加弯矩 和轴力进行研究，采用室内相似模型试验和三维有 限元数值计算相结合的研究手段对新建盾构隧道施 工所引起的已建平行隧道横向变形和附加内力的影 响进行了对比印证。 3.1 等效刚度折减系数
图 1 管片环分块图 Fig.1 Division of the segmental ring
3 研究内容及测点布置
2 工程概况
广州地铁三号线大沥区间盾构隧道北起大塘 站，南到沥滘站，沿线穿越大片农田和地表建筑物 密集地带，其中盾构隧道右线区间全长 2 594 m，左 线区间全长 2 490 m。盾构区间隧道埋深(1～3)D(其 中 D 为衬砌管片环外直径)，主要位于中风化和微 风化岩层内，围岩风化带层位起伏变化大。隧道 进出口段位于饱和易液化的淤泥、淤泥质土和淤 泥质砂地层中，易塌方、流砂、流泥，淤泥质砂易 液化，软土易触变，自身结构性差；泥岩和粉砂质 泥岩易风化开裂，遇水软化。参考设计资料，围岩 划分根据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》
本文以盾构隧道为研究对象，引入各向刚度不 等效连续材料模型[10]，在分别沿横向和纵向对区间 盾构隧道装配式衬砌结构进行刚度等效折减[11]基 础上，以广州地铁三号线大沥区间盾构隧道为工程 背景，分别采用室内相似模型试验和三维有限元数 值计算方法相结合的研究手段，对盾构隧道施工所 引起的已建邻近隧道纵向和横向变位(形)的分布及 变化规律进行了定性分析，对影响已建隧道变形和 附加内力分布变化规律的各因素(如围岩条件、隧 道净距、顶推力等)及其影响规律进行了探讨，研究 成果可供工程参考。
1引言
(GB50307–1999)进行，隧道所穿越地层围岩的物理 力学参数如表 1 所示。
随着我国城市现代化建设的迅猛发展，采用盾 构法修建的地下平行隧道逐渐增多，如何控制新建 盾构隧道施工所引起围岩扰动对已建平行隧道的变 形和附加内力影响，对于确保已建隧道的正常运营 以及新建盾构隧道的修建都具有重要的指导意义。
管片间的联结情况以及管片数量。
试验中取 40 环管片长盾构隧道为研究对象，将
n = 40 分别代入式(1)～(3)计算可得各等效刚度折减
系数为η N = 0.012，ηM = 0.010，ηQ = 0.011 ，结合 试验研究目的和重点，取纵向综合刚度折减系数
0.010。
3.2 等效刚度的确定
盾构隧道纵向刚度是影响其纵向变位和附加内
力分布变化规律的主要因素。盾构隧道纵向等效刚
度的确定是在运用地基梁–弹簧模型理论[13]的基
和抗弯刚度分别为 E1A1，G1A1 和 E1I1，纵向接头分 别由刚度为 kN，kQ 和 kM 的抗拉(压)、抗剪和抗弯弹 簧简化代替。刚度等效折减后沿纵向为一均质圆筒，
抗拉(压)、抗剪和抗弯刚度分别为ηNE1A1，ηQG1A1 和ηME1I1。
由何 川[11]的研究成果得等效前后盾构隧道纵
向拉伸变形量、剪切变形量和弯曲变形量相等，可
3.1.1 横向等效刚度折减系数
鉴于管片环横向等效刚度影响因素的多样性和
复杂性，结合修正惯用法将具有若干环向接头的管
片环横向进行连续介质圆环化，取横向等效刚度折
减系数为 0.70[12]。
3.1.2 纵向等效刚度折减系数
取具有 n 个管片环和 n 个纵向接头的区间盾构
隧道为研究对象，管片环抗拉(压)刚度、抗剪刚度
收稿日期：2007–02–05；修回日期：2007–06–05 基金项目：国家高技术研究发展专项(863 计划)资助项目(2006AA11Z116) 作者简介：何 川(1964–)，男，博士，1984 年毕业于西南交通大学地下工程系，现任教授、博士生导师，主要从事公路、铁路及城市地铁隧道等方 面的教学与研究工作。E-mail：Chuanhe21@
目前，盾构隧道管片结构的设计主要以横向受 力作为参考[1～4]，而近年学者在进行近接施工、地 表沉降及隧道纵向变形等问题的研究进行了大量有 价值的工作[5～8]，但还较少考虑到隧道结构在横向 和纵向上刚度折减不一致的特点，若在计算中引入 接头的模拟[9]，同时考虑横向和纵向的力学行为， 对计算硬件要求很高，模拟纵向上数十上百米的长 度花费时间很长，也难以模拟地层–结构模式下的 开挖效应，因此需寻求一种较合理高效的模拟手段。
中图分类号：U 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)10–2063–07
RESEARCH ON INFLUENCE OF SHIELD TUNNEL CONSTRUCTION ON DEFORMATION AND SECONDARY INNER FORCE OF CONSTRUCTED
II
19.06 41.21 19.49 0.33
8.28
6.20
区间盾构隧道衬砌管片环由 C50 钢筋混凝土制 成，管片环外径为 6 000 mm，内径为 5 400 mm， 管片厚度 300 mm，幅宽 1 500 mm。管片结构由 1 个封顶块、2 个邻接块和 3 个标准块构筑成衬砌环， 如图 1 所示。其中，封顶块、邻接块和标准块的圆 心角分别为 15.0°，64.5°和 72.0°，管片之间以 12 根 M27 环向螺栓、环与环间以 10 根 M24 纵向螺栓 连接。
表 1 围岩物理力学参数
Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rocks
围岩 级别
容重 /(kN·m－3)
黏聚力 /kPa
内摩擦角 /(°)
泊松比
弹性变形 模量/MPa
厚度 /m
I
18.28
9.83 16.86 0.37
3.04 19.82
受环缝和纵缝影响，盾构隧道装配式衬砌管片 与管片间、管片环与管片环间的协同受荷变形机理 十分复杂，鉴于此，本文在采用等效刚度模型基础 上，结合盾构隧道拼装式衬砌结构特点对其横向和
第 26 卷 第 10 期
何 川，等. 盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究
• 2065 •
纵向刚度分别进行折减，具体方法如下。