砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

第28卷第5期 岩 土 力 学 V ol.28 No.5 2007年5月 Rock and Soil Mechanics May 2007

收稿日期：2005-06-08 修改稿收到日期：2006-01-09

作者简介：何川，男，1964年生，博士，教授，博士生导师，主要从事隧道及地下工程研究。

论文联系人：曾东洋，男，1977年生，博士，主要从事盾构隧道设计理论与方法研究。E-mail: zdyandlj@

文章编号：1000－7598－(2007) 05－0909－06

砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

何 川1，曾东洋1, 2

（1.西南交通大学 地下工程系，成都 610031；2.中交第一公路勘察设计研究院，西安 710075）

摘 要：以南京地铁一号线穿越砂性地层盾构隧道为研究对象，对管片环施工全过程和稳定期进行了现场系统研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型进行理论计算，探讨了砂性地层中盾尾注浆、土体应力松弛、水压力及拼装方式对管片环土水压力、纵缝张开量、内力等的分布和变化规律的影响，揭示了砂性地层中地铁盾构隧道管片环的结构性能及其与地层的相互作用特性，提出了适用于砂性地层条件下的地铁盾构隧道设计原则与方法。 关 键 词：盾构隧道；管片环；土压力；纵缝；内力；梁-弹簧模型 中图分类号：U 451 文献标识码：A

Research on mechanical characteristics of metro shield

tunnel segment in sandy strata

HE Chuan 1

, ZENG Dong-yang 1, 2

(1. Department of Tunnel &Underground Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. The First Highway Survey & Design Institute of China Communications, Xi’an 710075, China)

Abstract: Based on the Nanjing metro shield tunnel traversing sandy strata, systematic in-situ investigation and theoretical simulation of the beam-spring model with consideration of the interactions between lining structure and surrounding soil during the segment assembly and stabilization are carried out. Influences of the shield tail serum injection, soil stress relaxation, water pressure and segment ring assembly on the distributions and varying laws of sandy strata segment ring soil pressure, the longitudinal joint gap and internal forces are discussed. The characteristics of the interactions between shield tunnel segment and the sandy strata are investigated. The applicable principle and method for metro shield tunnel segment design in sandy strata are also proposed. Key words: shield tunnel; segment ring; soil pressure; longitudinal joint; internal force; beam-spring model

1 前 言

根据隧道所处地层围岩的渗透性差异，国内外地铁盾构隧道管片结构设计中，对作用于衬砌结构 的土水压力计算提出了水土分算和水土合算两种模式[1]，并对特定地层情况下修建隧道时的管片结构及围岩应力分布等进行了一系列研究。日本山野一良等[2]对干砂中修建隧道的成拱问题进行了试验研究，日本T. Yoshimura 等[2] 通在离心机试验测量了盾构开挖中的土体位移和衬砌应变，朱合华[3]结合地铁盾构隧道施工所测衬砌结构内力，对衬砌结构外荷载分布形式进行了反演，金康宁[4]在考虑了土体切向和法向抗力的前提下，对隧道结构内力计算模型进行了探讨，周小文[2]等对影响隧道衬砌结构

承载的砂性地层松动土压力等进行了研究，陈伟[5]等结合广州地铁区间隧道施工中管片结构的工作性能进行了试验研究。

由已有成果可知，目前盾构隧道管片结构性能的研究还主要集中于结构荷载和围岩应力分布地研究，而对制约结构设计的施工全过程和稳定期间的管片结构性能及其与地层共同作用下的变形和内力分布较少研究，基于此，本文以南京地铁一号线砂性地层中的盾构隧道为研究对象，采用现场试验和理论计算相结合的手段，对施工全过程和稳定期的管片受力特征进行研究，探明了砂性地层条件下的管片结构与地层之间的相互作用特征，明确了砂性地层中修建盾构隧道的设计原则和方法，研究成果可供工程设计和施工借鉴和参考。

岩 土 力 学 2007年

2 工程概况

南京地铁一号线TA15标段属古河道漫滩地貌，基岩埋藏较深，均大于25 m 。区间盾构隧道主要位于淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂地层，地质条件复杂，具体表现为地下水埋藏较浅、土层透水性强、上覆土层多，且土质差异较大等特点。结合隧道处于高透水性砂性土和地下水水位较高等特点，隧道施工选用土压平衡式盾构机，并采取加强防水，实施壁后同步注浆等措施以改善承载衬砌结构内力分布，确保施工安全。

地铁区间盾构隧道采用单层装配式钢筋混凝土管片构筑衬砌环，管片环内直径为5.50 m ，幅宽

1.20 m ，厚0.35 m 。衬砌环由6块管片组成，封顶块圆心角为21.5°，2个邻接块圆心角为68.0°，3372断面进行试验测量，该断面隧道顶部埋深约 12 m ，洞身位于粉砂夹细砂，上覆地层主要为粉砂夹细砂、粉土、淤泥及淤泥质黏土，地下水位较高

且砂性土层具有良好的透水性，试验断面地质剖面如图2所示。

Fig.2 The geologic section of the test plane

A(B)-2

土水压力测点布置

C-3C-4 C-6

C-5

C-7

D-2

D-3

(b) 测缝仪和应力应变仪布置

图3 试验管片环测点布置

Fig.3 Monitor distribution in the test ring

68.0°

°

910