盾构上方土体受力分析.docx

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盾构上方土体受力分析

11月16日

6.盾构施工引发周围土体横向位移的分析

   图-18~图-20给出了盾构推动进程中周围土体的横向位移矢量图。

别离表示了切口抵达、盾尾通过和盾构远离测点时周围土体的横向位移

由上述图能够看出，盾构推动进程中，盾构对切口处上方土体要紧表现为向上的挤压作用，对切口侧向的土体要紧表现为向双侧的挤压作用。

盾构对盾尾处上方土体要紧表现为向上的挤压作用，对侧向的土体要紧表现为向双侧的挤压作用，同时，盾构姿态的调整对盾尾处上方的土体横向移动产生专门大的阻碍。

盾构对离开盾尾必然距离的土体移动的阻碍已经不是专门大，这部份土体的横向移动有所答复，可是沉降转变不是专门大。

7.结论

依照对盾构推动进程中周围土体移动的分析研究，能够得出如下结论：

（1）               盾构推动进程中，对隧道上方土体的扰动要远远大于隧道侧面土体的扰动；

（2）               盾构对隧道上方土体以向上和向前的挤压作用为主，对双侧的土体以侧向挤压为主；

（3）               盾构推动进程中，对隧道轴线上方土体的阻碍最大，对切口前方D/2处靠近盾构顶部的土体及产生明显的挤压作用；

（4）               盾构对上方土体的摩擦作用明显带动了土体的进一步移动，盾构后部的土体移动呈现慢慢答复的趋势，但答复量不是专门大；

（5）               盾构推动进程中的姿态调整对上方土体的移动方向及移动量均产生明显的阻碍。

16:

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11月15日

盾构施工引发隧道侧面土体纵向位移分析

图-16和图-17给出了盾构推动时隧道左侧处土体的纵向位移曲线图和位移的矢量图。

由上图能够看出，在盾构机慢慢推动至距离测点（3环）这一进程中，该测点处的土体仅仅产生微量的移动，且移动方向与盾构推动方向相反，最大值不超过。

随着盾构机的进一步推动，隧道左侧土体产生明显的移动，可是移动方向与盾构推动方向相反，而且~区域内的土体移动量较大。

在切口抵达和盾构通过该测点的进程中，盾构左侧的土体继续后移，可是后移的量不是专门大，在1mm之内。

盾构通事后，隧道左侧的土体移动均显现不同程度的答复。

因此，在盾构机推动进程中，隧道左侧土体的移动方向与盾构推动方向相反，这可能是由于盾构在推动通过在测点区时姿态调整引发的。

图-17给出了盾构推动进程中隧道左侧土体的位移矢量图。

由上图能够看出，盾构推动进程中，隧道左侧土体的移动方向与盾构推动方向相反，而且土体的隆沉存在明显的分界面，即在隧道中心线所在平面处，中心线平面以上的土体呈现向上和向后的移动趋势，中心线平面以下的土体那么呈现向下和向后的移动趋势。

而且移动量明显低于轴线上方土体的移动量。

   因此，盾构推动进程中，对隧道上方土体的扰动要远远大于隧道侧面土体的扰动。

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图-14和图-15给出了盾构推动时隧道右上方土体的纵向位移曲线图和位移的矢量图。

由上图能够看出，在盾构机慢慢推动至距离测点（1环）这一进程中，该测点处的土体仅仅产生微量的移动，且移动方向与盾构推动方向相反，最大值不超过1mm。

随着盾构机的进一步推动，处的土体第一产生明显的移动，可是移动方向与盾构推动方向相反，以上的土体仅仅产生微量的移动。

处土体在切口抵达时，土体产生明显的后移，移动幅度达。

在盾构通过该测点的进程中，盾构右上方的土体继续后移，可是后移的量不是专门大，在2mm之内。

盾构通事后，隧道右上方的土体移动均显现不同程度的答复。

因此，在盾构机推动进程中，隧道右上方土体的移动方向与盾构推动方向相反，这可能是由于盾构在推动通过在测点区时姿态调整引发的。

图-15给出了盾构推动进程中隧道右上方土体位移矢量图。

   由上图能够看出，盾构推动进程中，切口前方处靠近盾构机顶部的土体受到盾构的挤压作用第一产生较大的位移，位移方向为向上和向后，而且隆起幅度明显大于后移量。

在切口抵达和盾构通过这一进程中，右上方的土体位移量进一步增大，而且在盾构通事后靠近盾构部份土体位移有所答复，与轴线上方和左上方土体位移相较，最大的区别在于轴线上方和左上方土体的移动方向与盾构推动方向相同，而右上方土体移动方向却与盾构推动方向相反，而且移动量远远小于轴线上方土体的移动量。

由此能够看出，盾构推动进程中，对轴线上方土体的摩擦作用远远大于对右上方土体的作用。

土体移动方向相反，可能是由于盾构在推动通过在测点区时姿态调整引发的。

   综上所示，能够看出，盾构推动进程中，对轴线上方土体的扰动最大，对切口前方D/2处靠近盾构顶部的土体及产生明显的挤压作用，而且盾构对上方土体的摩擦作用明显的带动了土体的进一步移动，盾构后部的土体移动呈现答复的趋势，但答复量不是专门大。

盾构推动进程中的姿态调整对上方土体的位移方向及位移量均产生明显的阻碍。

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图-12和图-13给出了盾构推动时隧道左上方土体的纵向位移曲线图和位移的矢量图。

由上图能够看出，在盾构机慢慢推动至距离测点（3环）这一进程中，该测点处的土体仅仅产生微量的移动，且移动方向与盾构推动方向相反，最大值不超过2mm。

随着盾构机的进一步推动，及以下的土体第一产生明显的前移，以上的土体仅仅产生微量的移动。

和处土体在距离切口时，土体移动方向由后移改成前移，转变幅度达2mm和4mm。

说明盾构在推动进程中，刀盘对前方2环左右的深层土体产生明显的挤压作用。

在切口抵达和盾构通过该测点的进程中，在盾构的挤压和摩擦作用下，盾构左上方的土体继续前移，可是前移的量不是专门大，在3mm之内。

当盾构切口通过该测点时，及以下的土体向前移动位移量大幅度增加，增量为3mm左右；以上的土体前移量并非是专门大。

盾构通事后，及以下的土体呈现局部答复的趋势，而以上的土体那么继续向后移动。

因此，在盾构机推动进程中，靠近盾构机顶部的土体由于受到盾构的挤压，会产生较大幅度的前移。

而离开盾构机顶部较远的土体前移不很明显。

能够看出，盾构推动对左上方土体纵向移动的阻碍要紧发生在切口抵达前2环和盾构通过这一进程中。

图-13给出了盾构推动进程中隧道左上方土体位移矢量图。

由上图能够看出，盾构推动进程中，切口前方处靠近盾构机顶部的土体受到盾构的挤压作用第一产生较大的位移，位移方向为向上和向前，而且隆起幅度明显大于前移量。

在切口抵达和盾构通过这一进程中，左上方的土体位移量进一步增大，而且在盾构通事后靠近盾构部份土体位移有所答复，与轴线上方土体位移相较，最大的区别在于轴线上方土体的前移远远大于左上方土体的前移量。

由此能够看出，盾构推动进程中，对轴线上方土体的挤压和摩擦作用远远大于对左上方土体的作用。

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11月14日

5.盾构施工引发周围土体纵向位移的分析

盾构施工引发隧道上方土体纵向位移分析

依照监测数据，给出了盾构施工进程中周围土体的纵向位移，如图-10~图-15所示。

图-10和图-11给出了盾构推动时隧道轴线上方土体的纵向位移曲线图和位移的矢量图。

由上图能够看出，在盾构机慢慢推动至距离测点（3环）这一进程中，该测点处的土体仅仅产生微量的移动，且移动方向与盾构推动方向相同，最大值不超过2mm。

随着盾构机的进一步推动，及以下的土体第一产生明显的前移，以上的土体仅仅产生微量的移动。

和处土体在距离切口时，即产生相当大的前移，别离达15mm和32mm。

说明盾构在推动进程中，刀盘对前方2环左右的深层土体产生明显的挤压作用。

在切口抵达和盾构通过该测点的进程中，在盾构的挤压和摩擦作用下，轴线上方的土体继续前移，可是前移的量不是专门大，在3mm之内。

当盾构尾部通过该测点时，及以下的土体向前移动位移量大幅度增加，增量为10mm左右；以上的土体前移量并非是专门大。

说明盾构在推动进程中，盾尾对靠近其顶部的土体有专门大的摩擦作用，或盾尾后部的土体填充盾尾间隙而产生较大的位移。

盾构通事后，及以下的土体呈现局部答复的趋势，而以上的土体那么继续向前移动。

因此，在盾构机推动进程中，靠近盾构机顶部的土体由于受到盾构的挤压，会产生较大幅度的前移。

而离开盾构机顶部较远的土体前移不很明显。

能够看出，盾构推动对轴线上方土体纵向移动的阻碍要紧发生在切口抵达前2环和盾构通过这一进程中。

图-11给出了盾构推动进程中轴线上方土体位移矢量图。

   由上图能够看出，盾构推动进程中，切口前方处靠近盾构机顶部的土体受到盾构的挤压作用第一产生较大的位移，位移方向为向上和向前。

在切口抵达和盾构通过这一进程中，轴线上方的土体位移量进一步增大，而且在盾构通事后靠近盾构部份土体位移有所答复，但离开盾构较远的土体位移有继续增大的趋势。

16:

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图-8给出了盾构推动时隧道右上方土体的沉降情形。

由上图能够看出，在盾构机慢慢推动至距离测点（3环）这一进程中，该测点处的土体仅仅产生微量的隆起，隆起最大值为7mm。

随着盾构机的进一步推动，及以下的土体第一产生明显的隆起，以上的土体仅仅产生微量的隆起。

和处土体在距离切口时即产生专门大的隆起，别离达30mm和25mm。

在切口抵达和盾构通过该测点的进程中，及以上的土体产生沉降而且慢慢增大，而且处土体的沉降达到41mm。

而处土体隆起量大体维持不变，处土体的隆起进一步显著增大，并达到52mm。

盾构通事后，各层土体的隆沉会进一步产生，可是转变量不大，为2mm左右。

因此，在盾构机推动进程中，靠近盾构机顶部的土体由于受到盾构的挤压，会产生较大幅度的隆起。

而离开盾构机顶部较远的土体那么显现沉降现象。

能够看出，盾构推动对右上方土体沉降的阻碍要紧发生在切口抵达前2~3环和盾构通过这一进程中。

与隧道左上方土体沉降比较，能够看出，土体沉降的整体趋势相同，可是在处，左上方为隆起，右上方为沉降，二者转变正好相反，可能是由于盾构推动进程中姿态调整引发的。

由上述分析能够看出，盾构推动对右上方土体沉降的阻碍要紧发生在切口抵达前2~3环和盾构通过这一进程中，而且切口前方（2环）处的土体产生隆沉的转变量最大，盾构通事后土体的隆沉转变不大。

图-9给出了盾构推动时隧道左侧处土体的沉降情形.

由上图能够看出，在盾构推动进程中，对侧向土体的扰动不是专门大。

在盾构机慢慢推动至距离测点（3环）这一进程中，该测点处的土体仅仅产生微量的隆起，隆起最大值为4mm。

随着盾构机的进一步推动，及以下的土体产生沉降，及以上的土体仅仅产生微量的隆沉。

在切口抵达和盾构通过该测点的进程中，及以下的土体产生沉降而且慢慢增大，可是总的沉降量并非是专门大，仅为。

盾构通事后，各层土体的隆沉会进一步产生，可是转变量不大，为3mm左右。

因此，在盾构机推动进程中，盾构机对侧向土体的扰动不是专门大。

盾构机中心线平面上方的土体仅仅产生微量的隆起，中心线平面及下方的土体在切口抵达及盾构通过时产生沉降，但总的转变量不超过10mm。

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4.盾构施工引发周围土体沉降的分析

依照监测数据，给出了盾构施工进程中周围土体的沉降图，如图-6~图-9所示。

图-6给出了盾构推动时隧道轴线上方土体的沉降情形。

由上图能够看出，当盾构机离开测点（9环）时，处（距离盾构机顶部）的土体时即产生较为明显的沉降，而且随着刀盘切口的接近沉降慢慢增大，当切口抵达距离（4环）时，该处土体发生隆起，而且隆起量达28mm，产生如此大的隆起主若是因为盾构对前方土体的挤压造成的。

在这一进程中，以上的土体仅仅发生微量的隆沉转变，转变量在3mm之内。

随着盾构机的进一步推动至距离测点（2环）左右时，该测点以上的土体显现明显的沉降，随着切口的进一步逼近沉降值也慢慢增大，而且离开地表距离越大，沉降值越小。

当切口抵达时，处的沉降已达到16mm。

在盾构通过该测点的进程中，沉降进一步增大。

盾构通事后，沉降会进一步产生，可是沉降的增量不大，为4mm左右。

因此，在盾构机推动进程中，靠近盾构机顶部的土体由于受到盾构的挤压，会产生较大幅度的隆起。

而离开盾构机顶部较远的土体那么显现沉降现象，而且在切口尚未抵达之前即产生很明显的沉降，在盾构机通过的这一进程中沉降继续增大，在盾构机通事后，仅仅产生微量的沉降。

因此，能够看出，盾构推动对轴线上方土体沉降的阻碍要紧发生在切口抵达前2~4环和盾构通过这一进程中。

图-7给出了盾构推动时隧道左上方土体的沉降情形。

由上图能够看出，在盾构机慢慢推动至距离测点（3环）这一进程中，该测点处的土体仅仅产生微量的隆起，隆起最大值为4mm。

随着盾构机的进一步推动，以下的土体产生明显的隆起，以上的土体产生明显的沉降，而且隆起量要远远大于沉降量。

处的土体既不发生沉降，也无隆起产生。

处土体在距离切口时即产生专门大的隆起，达22mm。

及以下的土体随着切口的逼近，隆起量进一步增大。

在切口抵达和盾构通过该测点的进程中，及以下的土体隆起量进一步增大，而处土体隆起量大体不变，处土体的沉降进一步增大。

盾构通事后，各层土体的隆沉会进一步产生，可是转变量不大，为4mm左右。

因此，在盾构机推动进程中，靠近盾构机顶部的土体由于受到盾构的挤压，会产生较大幅度的隆起。

而离开盾构机顶部较远的土体那么显现沉降现象。

能够看出，盾构推动对左上方土体沉降的阻碍要紧发生在切口抵达前2~3环和盾构通过这一进程中。

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11月13日

2.盾构施工对地层的扰动

盾构施工引发的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地表沉降的大体缘故。

引发地层损失的施工及其他因素包括开挖面土以移动、土体挤入盾尾间隙、盾壳移动对地层的摩擦和剪切、盾构后退等。

盾构隧道周围土体受到盾构施工的扰动后，便在隧道周围形成超间隙水压力区。

盾构在施工进程中，隧道周围土体产生的变形一样包括施工变形、后期固结和蠕变变形等。

当盾构推动进程中，开挖面洞周围土体受到较大扰动或对盾尾间隙未及时注浆发生较大移动时，开挖面因土体扰动、土体应力释放产生的弹塑性变形在整个变形中将占有较大比重。

地层移动的阻碍因素很多，归纳起来要紧有：

（1）               开挖面土体的移动。

当开挖面得支护力小于外侧水土压力时，开挖面土体向盾构内侧移动，一路地层损失而致使盾构上方地层沉降；反之，当开挖面的支护力大于外侧水土压力时，正面土体向上、向前移动，一路负的地层损失及致使盾构上方地层隆起。

（2）               施工中盾构倒退。

使开挖面塌落和松动造成地层损失，引发地层沉降。

（3）               土体挤入盾尾间隙。

由于压浆不及时，或压浆量不足，或压浆压力不适当，使盾尾后部隧道周边的土体失去原始的平稳状态，向盾尾间隙塌陷，产生地层损失，引发地层沉降。

盾构在软粘土类含水不稳固的地层中掘进时，这一因素是引发地层损失的要紧缘故。

（4）               盾构推动方向的改变。

盾构推动进程中，盾位纠偏、仰头推动、磕头推动、曲线推动等都会使实际开挖面形状大于设计开挖面形状，从而引发地层损失。

实际轴线与设计轴线偏离越大，所引发的地层损失也越大。

（5）               盾壳移动与地层间的摩擦和剪切，引发地层损失。

（6）               土体受施工扰动的固结作用。

盾构隧道周围土体受施工扰动后，将形成超超孔隙水压力区，盾构离开该区后，超超孔隙水压下降，超孔隙水消散，引发地层沉降，这部份为主固结沉降；随后，软粘土土体进一步产生随时刻增加而进展的蠕变，持续次固结沉降，此固结沉降往往要持续几年以上，它所占总沉降量的比例高达35%以上。

（7）               随盾构推动而移动的正面障碍物，使地层在盾构通事后产生间隙而又未能及时充填注浆。

（8）               在水土压力作用下隧道衬砌变形和沉降，会引发小量的地层损失。

土层状况反映了土体的抗扰动能力，由于盾构施工对土体的扰动，其应力状态和应变状态均发生了不同程度的改变，不同土性对施工扰动有其不同的变形响应。

本文分析盾构推动对周围地层移动的阻碍时，将别离就盾构在典型的不同施工时期引发隧道上方和侧向土体的位移进行分析。

盾构典型的施工时期要紧分盾构接近、盾构穿越和盾构远离测孔区三个时期。

并结合该测孔区水、土压力的转变进行分析。

3.测点布置

实验段设在920环～928环之间，隧道中心轴线埋深约，顶部覆土约为9m。

水土压力和深层土体位移测点布置如图-3~图-5所示，别离监测该区域的水土压力和深层土体位移。

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各地层要紧物理力学性质如表-1所示。

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盾构施工引发周围土体位移的分析研究

商涛平

1.工程概况

上海市轨道交通6号线工程滨州路站～成山路站区间段，采纳土压平稳盾构从滨州路站南端头井沿下行线由北向南推动，穿越齐河路、汤家浜、昌里路，抵达到山路站北端头井，如图-1所示。

盾构外径6340mm，隧道外径6200mm，由6块管片拼装而成，管片厚350mm，长1200mm，该区间隧道总掘进长度2599m。

盾构施工穿越土层为③2灰色粘质粉土、③3灰色淤泥质粉质粘土、④1灰色淤泥质粘土、⑤1-1灰色粘土和⑤1-2灰色粉质粘土，如见图-2所示。

各地层要紧物理力学性质如表-1所示。

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8月23日

5.结论

超大直径隧道施工时隧道的上浮现象是隧道推动进程中必需重视的关键施工环节之一。

作用在隧道上的浮力要紧与隧道断面的大小、同步注浆浆体的充填度及强度的增加速度、隧道的推动速度等指标有关。

而抗击隧道上浮的因素那么有隧道本身自重、覆土深度、盾构机正面土压力、环间摩擦力和纵向螺栓的剪切强度等，隧道上浮力是隧道纵向上浮力和断面方向的断面力综合作用的复杂受力现象。

盾构出洞段周围覆土深度约，在采纳隧道公司技术中心研发的单液同步注浆的工况条件下，浆液在3天后能达到土体抗压强度。

假设隧道推动速度为5环/天，隧道的抗浮和管片的裂痕宽度能知足设计所要求的许诺值，但隧道抗浮平安系数仅为。

就隧道的抗浮平安系数而言，由于隧道上浮引发的管片纵向螺栓的破坏状态为脆性破坏，若是管片一旦发生上浮，其后果相当严峻，且修复困难。

因此，建议对隧道覆土深度小于的浅覆土施工条件下，除操纵隧道推动速度在低于5环/天的同时，管片的环和环之间增设剪切键以提高隧道的抗浮能力，增加隧道推动施工进程中的抗浮平安性。

当隧道的覆土深度大于时，可操纵推动速度在5环/天以上，管片的环和环之间可不设剪力键。

综上所述，由于利用的单液同步注浆具有较快的强度进展，在3天后能够达到土体强度，使管片所受浆液浮力的长度仅为脱出盾尾后15环左右，隧道稳固性在此浮力下大体不受阻碍。

因此，单液同步注浆对隧道的稳固和平安起到了相当重要的作用。

8:

16 | | | | |

管片间错位量（踏步）验算

表-9给出了上浮力在3941kN时垂直方向（y方向）的错动量和“上海长江隧道衬砌结构整环实验隧道上浮工况实验”中取得的许诺错动量的比较一览表。

从表中能够看出，事实上浮力在3941kN时，管片环间发生的最大错动量，小于许诺错动量【】。

表-9管片环间错动量的比较

角度

（°）

Y向错动量

（mm）

允许错动量注1）

（mm）

0

9

47

85

90

124

160

180

200

236

270

275

313

     注:

管片间的许诺错动量参照上海长江隧道衬砌结构整环实验隧道上浮工况实验结果

   通过数值计算及进行相应的隧道平安性验算，能够看出，在超大直径超长距离隧道施工中采纳单液同步注浆，能够知足隧道稳固的要求。

8:

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管片接头变形量验算

隧道上浮工况接头变形量的计算结果与验算结果如表-8所示，接头计算最大变形量为，而设计许诺值为，故接头变形量知足设计要求。

表-8 环向接头变形量计算结果（上浮力3941kN）

环向螺栓位置

︒

︒

︒

︒

︒

︒

︒

︒

︒

︒

弯矩计算值

（kNm）

-1089

242

768

522

-726

-726

522

768

242

-1089

弯矩调整系数

ζ＝

弯矩验算值

（kNm）

轴力（kN）

-5868

-6498

-6880

-6900

-6632

-6632

-6900

-6880

-6498

-5868

最大变形量（mm）

对称计算略

允许值（mm）

验算结果

OK

OK

OK

OK

OK

OK

注：

轴力受压为正，受拉为负；弯矩外侧受拉为正，内侧受拉为负

8:

14 | | | | |

管片结构裂痕宽度验算

表-7中给出了由事实上浮力产生的管片最大弯矩及裂痕宽度的验算结果。

隧道在上浮力3941kN作用下，其内侧受拉处所产生的裂痕宽度为，大体操纵在设计要求的许诺值【】范围内。

表-7管片最大弯矩计算结果及裂痕宽度验算

上浮力

项 目

最大正弯矩

最大负弯矩

 3941kN

弯矩计算值（kNm）

922

-1470

弯矩调整系数ζ

验算弯矩值（kNm）

1106

-1764

对应轴力值（kN）

-7120

-5930

裂缝宽度计算值（mm）

裂缝宽度允许值（mm）

验算结果

满足

满足

   注：

轴力受压为正，受拉为负；弯矩外侧受拉为正，内侧受拉为负

8:

13 | | | | |