盾构隧道盾尾管片上浮机理与控制
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到 了盾尾 后方 管 片 的上 浮 范 围 ；最后 在考 虑管 片纵
层 变形 越来 越 突 出 ，而 盾尾 处 引起 的地层 变形 又 主 要 取决 于 同 步 注 浆 效 果 的 好 坏ｌ 】 ］ 。大 量 研 究 表 明ｌ ３ ］ ，在盾 尾后 方 一 定 距 离 以 内 ，管 片 受 到 向 上
隧道抗浮稳定需要 的浆液最小 屈服强度表达式 ，明确 了浆液 屈服 强度对 隧道抗 浮稳定具 有决定 性作用 、围压对 提高浆液屈服强度有积极 的作 用 。 关键词 ：盾构隧道 ；同步注浆 ；盾尾空 隙 ；上浮力 ；屈服强度
中 图分 类 号 ：Ｕ４ ５ ５ ． ４ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
维 环 状 空 间 ）完 全 能 够 给 隧 道 提 供 足 够 的 上 浮
空间。
Ａ．Ｂ ｅ ｚ ｕ ｉ ｊ ｅ ｎ等 ｌ ＿ ７ 氇 ］ 通 过 对 浆 液 流 动 过 程 的 分 析 ，建 立 了浆液 屈服 强度 与其 所能 抵抗 的 隧道最 大
浮 力之 间 的关 系 ，以及 要 保持 隧道 稳定 需要 浆液 提
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ，２ ０ １ ３
盾 构 隧道 盾 尾 管 片 上 浮 机 理 与控 制
戴 志仁
（ 中铁第一勘察设计 院集 团有 限公司 ，陕西 西安
摘
７ １ ０ ０ ４ ３ ）
要 ：在理想 的同步注浆条件和不计浆液性状 变化影 响 的前提下 ，将盾尾后 方管 片受到 的总上 浮力分 为
的浮托 力 而 出现位 移 ，可能 导致 隧道偏 离设 计 轴线 和管 片 附加应力 的产 生 ，进 而导致 管 片错 台 、裂缝 与渗漏 现 象 。
向约束 的前提 下 ，得 出维 持隧道 抗 浮稳定 需要 的浆
液最 小屈 服强 度 ，并 明确 了盾尾 后方 管片抗 浮稳定
的控 制方 向。
摩 阻力 的作 用使 得浆 液压 力逐 渐减 小 ，拱 顶 与拱底 之 间 的浆 液压 力 差用来 抵抗 隧道 上 浮 ，也 没 有考 虑 管 片之 间 的纵 向约束作 用 ，与 实际情 况存 在差 异 。
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ６ — １ １ ；修 订 日期 ：２ ０ １ ２ — １ ０ — ０ ５ 作者 简介 ：戴 志仁 （ １ ９ ８ １ 一） ，男 ，江 苏 溧 阳人 ，工 程 师 ，博 士 。
叶飞 ＿ ＿ ６ ］ 基 于 管片 吊装 孔 即时注 浆 ，认 为 软 土地
区盾构 管 片受 到 的上 浮力 必须 大 于 隧道 上覆 土 柱荷 载 与管 片 重力之 和才 能导 致 管片上 浮 ，管 片下部 的
注 浆压 力 为施工 期 隧道上 浮 的主要 原 因 ，但 其 没有
考 虑到 隧道 埋深 一定 时 ，盾 尾 空 隙 （ ≥１ ０ ｃ ｍ 的三
随地层条件和隧道埋深 而变化的广义动 态上浮力 以及 由液态 浆液包 裹而产 生 的静 态上浮 力两部 分 ，推导 出这 ２ 种上浮力 的计算公式 。动 态上 浮力 在盾尾后方一定距 离范 围 内长期 存在 ；基 于盾尾 空 隙横 断面 内的浆液压 力梯
度的变化规律 ，给 出静态 上浮力的作用范围 。根据 管片 的上浮模 式 ，考虑 管片环 问 的纵向约束 作用 ，得 出维持
供 的最 小剪 切强 度 。但 其 没有 考虑 浆液 自身 重力 的
影 响 ，认为浆 液从 拱顶 到 拱底 的流 动过程 中 ，由于
管 片 向上运 动 的 那部 分 隧道 上 浮 。工 程 实 践 表 明 ， 在 隧道 覆土 深度 较 大的情 况下 ，盾 尾 空隙 内隧道 的 上浮 （ 第 １阶段 ）才 是盾 尾后 方 隧道上 浮 的主要 原 因 。本 文 的研 究 工 作 针 对 隧 道 第 ｌ阶 段 上 浮 而 展
盾 构 掘进对 周 围地层 的扰动 主要 集 中在 掘削 面 与盾尾 处 。随着盾 构施 工技 术 的不 断发展 ，在 掘 削 面稳定 性 得到 有效 控制 的前 提下 ，盾 尾处 导致 的地
本 文基 于理 论解 析法 ，在 理想 的 同步注 浆前 提
下 ，不 考虑 浆液 向周 围地 层 的渗透 与浆 液性 状变化 的影 响 ，将 盾尾 后方 管片 受到 的上 浮力 总结 为 随着 地层 条 件 与 隧 道 埋 深 变 化 而 变 化 的 动 态 上 浮 力 Ｆ 动，以及 由 液 态 浆 液 包 裹 而 产 生 的 静 态 上 浮 力 Ｆ ｎ，推导 这 ２种 上 浮 力 的计 算 公 式 ；进 一 步 以 隧 道横 断 面 内浆 液 压力 的竖 向应力 梯度 为切 人 点 ，得
１ 上浮力计算公式及其作用范 围
根 据 盾尾后 方 管片 的上 浮过 程 ，可 以将 隧道 的 上 浮分 为 ２个 阶段 。第 １阶段 ：盾 尾 空 隙 （ 厚度 ≥
１ ０ ｃ ｍ 的 三维 环 状 空 间完 全 能 够 给 隧道 提 供 足够 的 上 浮空 间） 内的 隧道上 浮 ，这部分 上 浮主要 通 过浆 液 的抗 剪强 度来 限制 ；第 ２阶段 ：依靠 隧道 上覆 土 柱 两侧 滑动 面上 土体 的抗 剪强 度 与土柱 自重 来 限制
第３ ４ 卷， 第１ 期 ２ ０ １ ３年 １月
文章编 号 ：ｌ Ｏ Ｏ ｌ 一 ４ ６ ３ ２（ ２ ｏ １ ３ ）Ｏ ｌ 一 ０ ０ ５ ９ — ０ ８
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＲＡＩ Ｌ Ｗ ＡＹ Ｓ ＣＩ Ｅ Ｎ ＣＥ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． １
６ ０
中
国
铁
道
科
学
第 ３ ４卷
开的。
Βιβλιοθήκη Baidu
式 中 ：Ｒ。 为 管 片 外 半 径 ，ｍｌ ｚ 为 单 环 管 片长 度 ， ｍ； 为管 片 范 围 内 隧 道 的平 均 密 度 ，ｋ ｇ・ｍ＿ ； １ ０ 空和 Ｐ ｃ分别 为空气 密度 、衬砌 密度 ，ｋ ｇ・ ｍ 。 假定 盾尾空 隙处 于理想 充填状 态 ，浆液 充填 率
层 变形 越来 越 突 出 ，而 盾尾 处 引起 的地层 变形 又 主 要 取决 于 同 步 注 浆 效 果 的 好 坏ｌ 】 ］ 。大 量 研 究 表 明ｌ ３ ］ ，在盾 尾后 方 一 定 距 离 以 内 ，管 片 受 到 向 上
隧道抗浮稳定需要 的浆液最小 屈服强度表达式 ，明确 了浆液 屈服 强度对 隧道抗 浮稳定具 有决定 性作用 、围压对 提高浆液屈服强度有积极 的作 用 。 关键词 ：盾构隧道 ；同步注浆 ；盾尾空 隙 ；上浮力 ；屈服强度
中 图分 类 号 ：Ｕ４ ５ ５ ． ４ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
维 环 状 空 间 ）完 全 能 够 给 隧 道 提 供 足 够 的 上 浮
空间。
Ａ．Ｂ ｅ ｚ ｕ ｉ ｊ ｅ ｎ等 ｌ ＿ ７ 氇 ］ 通 过 对 浆 液 流 动 过 程 的 分 析 ，建 立 了浆液 屈服 强度 与其 所能 抵抗 的 隧道最 大
浮 力之 间 的关 系 ，以及 要 保持 隧道 稳定 需要 浆液 提
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ，２ ０ １ ３
盾 构 隧道 盾 尾 管 片 上 浮 机 理 与控 制
戴 志仁
（ 中铁第一勘察设计 院集 团有 限公司 ，陕西 西安
摘
７ １ ０ ０ ４ ３ ）
要 ：在理想 的同步注浆条件和不计浆液性状 变化影 响 的前提下 ，将盾尾后 方管 片受到 的总上 浮力分 为
的浮托 力 而 出现位 移 ，可能 导致 隧道偏 离设 计 轴线 和管 片 附加应力 的产 生 ，进 而导致 管 片错 台 、裂缝 与渗漏 现 象 。
向约束 的前提 下 ，得 出维 持隧道 抗 浮稳定 需要 的浆
液最 小屈 服强 度 ，并 明确 了盾尾 后方 管片抗 浮稳定
的控 制方 向。
摩 阻力 的作 用使 得浆 液压 力逐 渐减 小 ，拱 顶 与拱底 之 间 的浆 液压 力 差用来 抵抗 隧道 上 浮 ，也 没 有考 虑 管 片之 间 的纵 向约束作 用 ，与 实际情 况存 在差 异 。
收稿 日期 ：２ ０ １ ２ — ０ ６ — １ １ ；修 订 日期 ：２ ０ １ ２ — １ ０ — ０ ５ 作者 简介 ：戴 志仁 （ １ ９ ８ １ 一） ，男 ，江 苏 溧 阳人 ，工 程 师 ，博 士 。
叶飞 ＿ ＿ ６ ］ 基 于 管片 吊装 孔 即时注 浆 ，认 为 软 土地
区盾构 管 片受 到 的上 浮力 必须 大 于 隧道 上覆 土 柱荷 载 与管 片 重力之 和才 能导 致 管片上 浮 ，管 片下部 的
注 浆压 力 为施工 期 隧道上 浮 的主要 原 因 ，但 其 没有
考 虑到 隧道 埋深 一定 时 ，盾 尾 空 隙 （ ≥１ ０ ｃ ｍ 的三
随地层条件和隧道埋深 而变化的广义动 态上浮力 以及 由液态 浆液包 裹而产 生 的静 态上浮 力两部 分 ，推导 出这 ２ 种上浮力 的计算公式 。动 态上 浮力 在盾尾后方一定距 离范 围 内长期 存在 ；基 于盾尾 空 隙横 断面 内的浆液压 力梯
度的变化规律 ，给 出静态 上浮力的作用范围 。根据 管片 的上浮模 式 ，考虑 管片环 问 的纵向约束 作用 ，得 出维持
供 的最 小剪 切强 度 。但 其 没有 考虑 浆液 自身 重力 的
影 响 ，认为浆 液从 拱顶 到 拱底 的流 动过程 中 ，由于
管 片 向上运 动 的 那部 分 隧道 上 浮 。工 程 实 践 表 明 ， 在 隧道 覆土 深度 较 大的情 况下 ，盾 尾 空隙 内隧道 的 上浮 （ 第 １阶段 ）才 是盾 尾后 方 隧道上 浮 的主要 原 因 。本 文 的研 究 工 作 针 对 隧 道 第 ｌ阶 段 上 浮 而 展
盾 构 掘进对 周 围地层 的扰动 主要 集 中在 掘削 面 与盾尾 处 。随着盾 构施 工技 术 的不 断发展 ，在 掘 削 面稳定 性 得到 有效 控制 的前 提下 ，盾 尾处 导致 的地
本 文基 于理 论解 析法 ，在 理想 的 同步注 浆前 提
下 ，不 考虑 浆液 向周 围地 层 的渗透 与浆 液性 状变化 的影 响 ，将 盾尾 后方 管片 受到 的上 浮力 总结 为 随着 地层 条 件 与 隧 道 埋 深 变 化 而 变 化 的 动 态 上 浮 力 Ｆ 动，以及 由 液 态 浆 液 包 裹 而 产 生 的 静 态 上 浮 力 Ｆ ｎ，推导 这 ２种 上 浮 力 的计 算 公 式 ；进 一 步 以 隧 道横 断 面 内浆 液 压力 的竖 向应力 梯度 为切 人 点 ，得
１ 上浮力计算公式及其作用范 围
根 据 盾尾后 方 管片 的上 浮过 程 ，可 以将 隧道 的 上 浮分 为 ２个 阶段 。第 １阶段 ：盾 尾 空 隙 （ 厚度 ≥
１ ０ ｃ ｍ 的 三维 环 状 空 间完 全 能 够 给 隧道 提 供 足够 的 上 浮空 间） 内的 隧道上 浮 ，这部分 上 浮主要 通 过浆 液 的抗 剪强 度来 限制 ；第 ２阶段 ：依靠 隧道 上覆 土 柱 两侧 滑动 面上 土体 的抗 剪强 度 与土柱 自重 来 限制
第３ ４ 卷， 第１ 期 ２ ０ １ ３年 １月
文章编 号 ：ｌ Ｏ Ｏ ｌ 一 ４ ６ ３ ２（ ２ ｏ １ ３ ）Ｏ ｌ 一 ０ ０ ５ ９ — ０ ８
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ Ｉ ＮＡ ＲＡＩ Ｌ Ｗ ＡＹ Ｓ ＣＩ Ｅ Ｎ ＣＥ
Ｖｏ １ ． ３ ４ Ｎｏ ． １
６ ０
中
国
铁
道
科
学
第 ３ ４卷
开的。
Βιβλιοθήκη Baidu
式 中 ：Ｒ。 为 管 片 外 半 径 ，ｍｌ ｚ 为 单 环 管 片长 度 ， ｍ； 为管 片 范 围 内 隧 道 的平 均 密 度 ，ｋ ｇ・ｍ＿ ； １ ０ 空和 Ｐ ｃ分别 为空气 密度 、衬砌 密度 ，ｋ ｇ・ ｍ 。 假定 盾尾空 隙处 于理想 充填状 态 ，浆液 充填 率