盾构隧道穿越新建海堤时的设计与沉降观测分析

中 国 电 机 工 程 学 会 电 力 土 建 专 业 委 员 会 盾 构 隧 道 穿 越 新 建 海 堤 时 的 设 计 与 沉 降 观 测 分 析 2009 年 4 月 杭 州 1

盾 构 隧 道 穿 越 新 建 海 堤 时 的 设 计 与 沉 降 观 测 分 析 1 引 言 1 吴 建 国 1 童 建 国 2 边 学 成 1 黄 建 武 (1 2 浙 江 大 学 ) 与 传 统 的 地 下 隧 道 施 工 方 法 比 较, 盾 构 法 隧 道 施 工 具 有 在 软 弱 地 质 条 件 适 应 性 好 施 工 速 度 快, 以 及 对 周 围 建 筑 物 影 响 较 小 等 优 点, 在 地 下 工 程 中 得 到 了 广 泛 应 用 近 几 年 来, 在 浙 江 沿 海 软 土 地 区 许 多 大 型 火 力 发 电 厂 循 环 水 取 排 水 工 程 中 也 得 到 了 成 功 应 用 沿 海 新 建 电 厂 往 往 利 用 滩 涂 进 行 围 海 造 地, 海 堤 采 用 排 水 固 结 加 固 软 土 地 基, 循 环 水 取 排 水 使 用 盾 构 隧 道 需 要 穿 越 新 建 海 堤 时, 由 于 海 堤 尚 未 完 成 最 终 沉 降, 使 得 盾 构 隧 道 只 进 行 横 向 设 计 已 不 能 满 足 要 求, 必 须 考 虑 纵 向 不 均 匀 沉 降 对 盾 构 隧 道 的 影 响 此 外, 盾 构 施 工 过 程 中 也 不 可 避 免 地 会 扰 动 地 层, 使 地 层 原 始 应 力 发 生 改 变 和 土 体 平 衡 状 态 遭 到 破 坏, 引 起 较 大 的 地 表 沉 降 当 地 层 变 形 超 过 一 定 范 围 时, 会 严 重 危 及 周 围 建 构 筑 物 的 安 全 因 此, 研 究 和 预 测 盾 构 掘 进 对 周 围 环 境 的 影 响, 特 别 是 在 敏 感 建 筑 物 附 近 的 地 面 沉 降 问 题, 始 终 为 工 程 界 所 重 视 如 能 掌 握 盾 构 施 工 时 地 层 沉 降 规 律, 并 预 先 评 估 其 影 响 程 度, 对 工 程 的 顺 利 实 施 极 有 意 义 本 文 就 浙 能 乐 清 发 电 厂 取 水 工 程 采 用 盾 构 隧 道 穿 越 新 建 海 堤 时 的 结 构 设 计 与 沉 降 观 测 结 果 进 行 分 析, 为 类 似 工 程 设 计 提 供 参 考 2 工 程 概 况 2.1 概 况 浙 能 乐 清 电 厂 装 机 容 量 为 4 600MW, 电 厂 场 地 由 开 山 与 围 海 筑 堤 回 填 组 成 循 环 水 进 水 系 统 由 取 水 口 盾 构 引 水 隧 道 循 环 水 泵 房 等 组 成, 经 优 化, 每 2x600MW 机 组 配 置 1 座 循 环 水 泵 房 1 条 引 水 隧 道 循 环 水 泵 房 位 于 电 厂 东 南 面, 在 厂 区 围 堤 内 的 海 涂 围 填 区, 原 始 场 地 地 面 标 高 0 米 左 右 (85 国 家 高 程, 下 同 ), 设 计 场 地 地 面 标 高 4.2 米, 原 场 地 采 用 塑 料 排 水 板 堆 载 预 压 固 结 处 理 每 座 循 环 水 泵 房 地 下 结 构 长 54 米 宽 32 米, 基 础 埋 深 约 24 米, 采 用 沉 井 法 施 工, 下 部 采 用 大 直 径 钻 孔 灌 注 桩 加 固,2 座 泵 房 地 下 结 构 间 距 1

12 米, 地 上 结 构 连 为 一 体 ; 引 水 隧 道 自 循 环 水 泵 房 始, 向 东 南 方 向 海 域 延 伸, 中 心 标 高 -10~-26 米, 单 长 约 1500 米, 引 水 隧 道 采 用 盾 构 法 施 工, 两 条 隧 道 中 心 距 约 42 米, 隧 道 内 径 4.84 米, 盾 构 隧 道 部 位 海 床 地 面 标 高 约 0~-14 米, 取 水 口 位 于 盾 构 隧 道 的 末 端, 每 根 盾 构 末 端 设 置 8 个 取 水 竖 井, 竖 井 由 盾 构 内 垂 直 顶 升, 竖 井 总 高 度 10 米 左 右, 内 尺 寸 为 1.5 1.5 米 根 据 布 置, 引 水 隧 道 必 须 穿 越 新 建 海 堤, 新 建 海 堤 为 一 级 防 洪 堤, 按 大 火 规 200 年 一 遇 高 潮 位 加 累 计 频 率 50 年 一 遇 波 浪 爬 高 加 安 全 超 高 的 要 求 设 计, 堤 顶 标 高 8.0m, 防 浪 墙 顶 标 高 9.2m, 堤 轴 线 处 海 涂 原 始 标 高 为 0~-3m, 堤 顶 宽 8.0m, 底 宽 约 110 米, 海 堤 采 用 塑 料 排 水 板 堆 载 预 压 固 结 处 理 至 盾 构 推 进 时, 海 堤 已 填 筑 至 8.0m 高 程 2.2 地 质 循 环 水 泵 房 及 盾 构 引 水 隧 洞 部 位 地 层 主 要 有 第 四 系 全 新 统 海 积 软 土 上 更 新 统 冲 海 积 粘 性 土 及 中 更 新 统 坡 洪 积 碎 石 类 土 组 成 其 中 盾 构 引 水 隧 洞 部 位 以 全 新 统 海 积 软 土 为 主 穿 越 海 堤 处 土 层 性 状 与 分 布 见 图 2.2, 主 要 土 层 物 理 性 质 参 数 见 表 2.2.1: 图 2.2.1 地 质 剖 面 图 (2-1) 淤 泥, 青 灰 色 灰 褐 色, 饱 和, 流 塑 含 有 机 质 及 云 母 片, 混 少 量 贝 壳 碎 片, 粘 塑 性 好 土 质 欠 固 结, 下 部 (6m 以 下 ) 土 质 较 上 部 稍 好 该 层 一 般 顶 部 有 0.5~1 米 左 右 的 海 涂 浮 泥 层 底 标 高 -12.50~-15.50m; 层 厚 9.80~ 12.0m 2

(2-2) 层, 淤 泥, 灰 褐 色, 浅 灰 绿 色, 饱 和, 流 塑 似 鳞 片 状 结 构, 片 径 2-3 毫 米, 厚 层 状, 粘 塑 性 好, 偶 见 碎 石 及 白 色 贝 壳 碎 片 层 底 标 高 -26.40~ -27.90m; 层 厚 12~13.9m (3) 层, 淤 泥 质 粘 土, 灰 色, 饱 和, 流 塑 ~ 软 塑 具 有 明 显 的 细 鳞 片 状, 粘 塑 性 好, 偶 见 贝 壳 碎 屑 层 底 标 高 -29.81~-31.00m; 层 厚 3.40~4.30m (5) 层, 粘 土, 灰 绿 色, 湿, 可 塑 厚 层 状, 粘 塑 性 好, 混 铁 锰 质 结 核 层 顶 标 高 -26.76~-51.57m; 层 厚 大 于 3.90~22.60m 表 2.2.1 各 土 层 物 理 力 学 性 质 指 标 地 层 编 号 地 层 名 称 含 水 量 重 度 灵 敏 度 孔 隙 比 液 限 塑 限 液 性 指 数 塑 性 指 数 水 平 渗 透 系 数 垂 直 渗 透 系 数 ω r St e WL WP IL IP KH KV % kn/m 3 -- -- % % -- -- cm/s cm/s 2-1 淤 泥 70.3 15.64-1.998 48.9 28.1 1.91 20.1 6.0E-07 4.9E-07 2-2 淤 泥 69.5 15.67-1.977 50.7 29.3 1.68 21.0 1.2E-07 1.0E-07 3 淤 泥 质 粘 土 61.2 16.18-1.751 46.8 26.6 1.39 19.7 -- -- 续 表 2.2.1 压 缩 压 缩 固 结 快 剪 UU 试 验 CU 试 验 静 探 地 层 编 号 地 层 名 称 系 数 模 量 粘 聚 内 摩 粘 聚 内 摩 粘 聚 内 摩 力 擦 角 力 擦 角 力 擦 角 锥 尖 阻 力 侧 壁 阻 力 α1-2 Es1-2 c ϕ c ϕ C ϕ qc fs -- MPa kpa kpa MPa kpa MPa kpa 2-1 淤 泥 2.043 1.507 - - - - 6.7 15.0 - - 2-2 淤 泥 2.3 1.30 - - - - 13.3 13.9 - - 3 淤 泥 质 粘 土 1.5 2.3 14.6 9.1 14.6 4.6 - - 0.92 15.2 3 海 堤 沉 降 3

3.1 海 堤 及 原 位 观 测 断 面 布 置 海 堤 平 面 布 置 见 3.1.1 图, 为 加 强 对 施 工 质 量 控 制, 业 主 委 托 浙 江 省 水 利 河 口 研 究 院 对 海 堤 建 设 进 行 原 位 观 测, 观 测 断 面 布 置 在 1+645m 断 面 处, 位 于 2# 盾 构 隧 道 穿 堤 处 南 面 约 50m 原 位 观 测 桩 位 置 示 意 见 图 3.1.2 图 3.1.1 图 3.1.2 1+645 地 表 桩 相 对 海 堤 横 断 面 布 置 图 3.2 海 堤 加 载 与 沉 降 观 测 结 果 海 堤 于 2005 年 3 月 开 始 填 筑, 填 至 标 高 1.5m, 填 筑 荷 载 83.3kPa, 待 其 固 结 259 天, 再 填 筑 第 二 层, 其 后 每 层 填 筑 1 米, 于 2006 年 7 月 底 填 至 标 高 8m, 海 堤 的 填 筑 荷 载 达 298kPa 整 个 填 筑 进 图 如 图 3.2.1 所 示 3.2.1 海 堤 填 筑 施 工 进 度 图 4

1+645 截 面 随 海 堤 填 筑 过 程 各 点 沉 降 情 况 如 图 3.2.2 所 示, 该 截 面 距 离 #2 盾 构 隧 道 约 50 米, 反 映 整 个 施 工 过 程 中 海 堤 自 由 固 结 沉 降 情 况, 从 图 中 可 以 看 出, 初 始 段 沉 降 较 平 缓, 是 填 筑 1.5m 后 海 堤 的 固 结 沉 降,2005 年 12 月 起, 填 筑 筑 第 二 层, 海 堤 沉 降 迅 速 增 加, 不 同 位 置 填 筑 高 度 不 同, 沉 降 曲 线 也 出 现 分 叉 海 堤 中 心 C 点 总 沉 降 最 大, 截 至 2007 年 9 月 19 日, 沉 降 已 达 7.11m 海 堤 放 坡 的 F 点 总 沉 降 最 小 3.26m,E 点 沉 降 居 中 图 3.2.2 1+645 截 面 A-F 点 沉 降 随 时 间 变 化 3.3 沉 降 拟 合 对 1+645 截 面 的 5 个 沉 降 点 沉 降 曲 线 进 行 拟 合 : A 点 拟 合 方 程 为 S=-5.224+9.872e -t/290.69, 最 终 沉 降 5.224m, 已 完 成 沉 降 4.788m, 残 余 沉 降 0.436m( 见 图 3.3.1) C 点 拟 合 方 程 为 S=-7.618+28.69e -t/219.55, 最 终 沉 降 7.618m, 已 完 成 沉 降 7.11m, 残 余 沉 降 0.508m( 见 图 3.3.2) D 点 拟 合 方 程 为 S=-6.530+27.297e -t/211.769, 最 终 沉 降 6.53m, 已 完 成 沉 降 6.203m, 残 余 沉 降 0.327m( 见 图 3.3.3) E 点 拟 合 方 程 为 S=-5.554+14.906e -t/252.149, 最 终 沉 降 5.554m, 已 完 成 沉 降 5.236m, 残 余 沉 降 0.294m( 见 图 3.3.4) 5

F 点 拟 合 方 程 为 S=-3.60+4.786e-t/400.338, 最 终 沉 降 3.60m, 已 完 成 沉 降 3.261m, 残 余 沉 降 0.339m( 见 图 3.3.5) 图 3.3.1 A 点 沉 降 曲 线 拟 合 图 3.3.2 C 点 沉 降 曲 线 拟 合 图 3.3.3 D 点 沉 降 曲 线 拟 合 图 3.3. 4 E 点 沉 降 曲 线 拟 合 图 3.3.5 F 点 沉 降 曲 线 拟 合 3.4 沉 降 计 算 海 堤 沉 降 计 算 采 用 土 力 学 分 层 总 和 法, 经 过 计 算, 海 堤 堤 中 心 处 ( 相 当 于 上 面 的 C 点 ) 最 终 沉 降 为 7.48m, 与 拟 合 预 测 的 7.61m 较 为 接 近 浙 江 大 学 采 用 有 限 元 软 件 PLAXIS 对 此 进 行 模 拟 计 算, 得 到 海 堤 堤 中 心 处 ( 相 当 于 上 面 的 C 点 ) 最 终 6

沉 降 为 7.58m 上 述 三 种 方 法 分 析 均 较 为 接 近, 因 此, 预 计 海 堤 最 大 还 有 0.50m 左 右 的 残 余 沉 降 4 盾 构 隧 道 设 计 4.1 隧 道 横 截 面 设 计 目 前 隧 道 的 设 计 主 要 集 中 在 其 横 截 面 结 构 特 性, 分 析 盾 构 隧 道 的 环 向 受 力 变 形 性 能, 是 隧 道 设 计 的 重 要 参 考 依 据, 隧 道 衬 砌 管 片 横 向 计 算 理 论 很 多, 目 前 工 程 上 主 要 有 均 值 圆 环 法 和 弹 性 铰 法 (1) 均 值 圆 环 法 均 值 圆 环 法 也 称 惯 用 法 ( 修 正 惯 用 法 ), 最 早 提 出 于 1960 年, 并 在 日 本 得 到 广 泛 运 用 主 要 计 算 假 定 有 : 假 设 管 片 环 是 弯 曲 刚 度 均 匀 的 圆 环, 不 考 虑 接 头 所 引 起 的 管 片 环 局 部 刚 度 降 低 假 设 垂 直 方 向 地 层 抗 力 为 均 布 荷 载, 水 平 方 向 地 层 抗 力 为 自 衬 砌 环 顶 部 向 左 右 45 ~135 分 布 的 均 变 三 角 形 荷 载, 其 大 小 和 位 移 大 小 成 正 比 (Winkler 线 性 假 定 ) 下 图 是 均 值 圆 环 法 的 计 算 模 型 ( 图 4.1.1) 图 4.1.1 均 值 圆 环 法 计 算 模 型 图 4.1.2 均 值 圆 环 法 基 本 结 构 均 值 环 的 内 力 求 解 是 采 用 弹 性 中 心 法, 取 力 学 模 型 的 基 本 结 构 为 图 4.1.2 建 立 力 法 方 程 : (4.1) 7

δ 11,δ 22,Δ 1p,Δ 2p 分 别 为 ( 忽 略 轴 向 和 剪 切 变 形 ): 由 力 法 方 程 可 得 到 : M 1, M 2 为 基 本 结 构 在 单 位 荷 载 作 用 下 的 弯 矩 ;Mp 为 基 本 结 构 在 荷 载 作 用 下 的 弯 矩 任 意 截 面 的 内 力 可 以 表 示 为 : (4.2) (2) 弹 性 铰 法 与 均 值 法 相 比, 弹 性 铰 法 在 假 定 管 片 是 一 个 自 由 变 形 的 圆 环 外, 还 考 虑 了 管 片 接 头 对 结 构 内 力 的 影 响 由 于 盾 构 隧 道 管 片 衬 砌 是 通 过 多 块 圆 弧 管 片 用 螺 栓 拼 装 起 来 的, 各 圆 弧 管 片 的 接 头 处 存 在 一 个 能 承 担 一 部 分 弯 矩 的 弹 性 铰, 它 既 非 刚 接, 也 不 是 完 全 铰, 其 承 担 弯 矩 的 多 少, 与 接 头 刚 度 的 大 小 成 正 比 因 此, 管 片 各 接 头 假 定 是 一 个 理 想 弹 性 铰, 弹 性 铰 接 圆 形 管 片 的 模 型 如 图 4.1.3 所 示 弹 性 铰 模 型 的 计 算 采 用 与 均 值 环 类 似 的 方 法, 再 考 虑 上 弹 性 铰 的 抗 弯 刚 度 对 内 力 的 影 响, 基 本 结 构 如 图 4.1.4 所 示 8

图 4.1.3 弹 性 铰 计 算 模 型 图 4.1.4 弹 性 铰 法 基 本 结 构 建 立 力 法 方 程 为 : (4.3) 式 δ11 12 21 22 1P 2P 中, δ δ δ Δ Δ 分 别 为 : 式 中 :i 表 示 管 片 接 头 个 数,j 表 示 荷 载 作 用 类 型 数,n 为 铰 的 个 数 9

最 后 得 到 任 意 截 面 的 内 力 : (4.4) 浙 大 利 用 matlab 编 制 了 可 以 考 虑 任 意 铰 数 目 和 可 以 考 虑 接 头 不 同 刚 度 的 弹 性 铰 模 型 ( 3) 计 算 结 果 分 析 下 面 是 同 一 种 工 况 下 的 计 算 结 果 比 较 隧 道 顶 部 上 层 土 层 厚 度 18.04 米, 正 常 使 用 工 况, 管 片 参 数 与 土 层 参 数 见 下 表 表 4.1.1 管 片 参 数 管 片 参 数 外 径 D 宽 B 厚 度 一 次 衬 砌 半 径 R 0 管 片 中 心 半 径 R c 单 位 m m m m m 数 值 5.5 0.90 0.33 2.75 2.585 管 片 参 数 C50 弹 性 环 向 惯 性 距 I 环 向 面 积 A C50 容 重 γ c 自 重 g 模 量 E 单 位 kpa m 4 m 2 kn/m 3 kn/m 2 数 值 3.45E+07 0.0022 0.23 26 8.58 表 4.1.2 土 层 参 数 土 层 容 重 γ kn/m 浮 容 重 γ' kn/m 3 3 基 床 系 数 K,kN/m 3 侧 压 力 系 数 λ (2-1) 淤 泥 15.64 6 3000 0.8 (2-2) 淤 泥 15.67 (3) 淤 泥 质 粘 土 16.18 堤 顶 堆 石 25 堤 内 碎 沙 石 20 10

a) 均 值 圆 环 法 计 算 结 果 图 4.1.5 均 值 圆 环 法 计 算 内 力 图 最 大 弯 矩 值 为 0,41.5kN*m, 该 处 轴 力 585.5kN; 最 小 弯 矩 77.5, -33.7kN*m, 该 处 轴 力 680.2kN; 最 大 轴 力 在 180 处,689.6kN 整 个 衬 砌 截 面 在 顶 部 和 底 部 向 内 变 形, 在 两 腰 处 向 外 突 出, 由 于 结 构 刚 度 均 匀, 轴 力 变 化 比 较 均 匀, 剪 力 ( 呈 反 对 称 形 式 ) 在 截 面 肩 部 比 较 突 出, 上 部 较 大, 下 部 较 小, 总 的 也 是 比 较 小, 比 较 均 匀 b) 弹 性 铰 法 计 算 结 果 铰 的 抗 弯 刚 度 取 9800kN*m/rad, 计 算 结 果 内 力 图 如 下 : 图 4.1.5 弹 性 铰 法 计 算 内 力 图 计 算 结 果 最 大 弯 矩 在 0,56.1kN*m/ 环, 该 处 轴 力 为 581.4kN; 最 小 弯 矩 在 80,-28.1kN*m/ 环, 该 处 轴 力 为 680. 6kN; 最 大 轴 力 为 180,693.7kN 弯 11

矩 轴 力 和 剪 力 图 的 形 式 和 弹 性 铰 法 很 类 似 c) 通 过 比 较 发 现, 同 一 工 况 下, 二 种 计 算 方 法 内 力 图 形 非 常 相 似, 但 均 值 圆 环 法 最 大 弯 矩 比 弹 性 铰 法 小, 设 计 时 应 予 注 意 此 外, 管 片 设 计 时 需 结 合 工 程 实 际 情 况, 对 各 种 工 况 进 行 计 算, 取 得 最 不 利 情 况 进 行 结 构 设 计 4.2 隧 道 纵 向 分 析 目 前, 国 内 外 对 盾 构 法 隧 道 衬 砌 结 构 设 计 主 要 采 用 横 向 设 计, 而 未 考 虑 纵 向 变 形 的 影 响 上 海 市 地 基 基 础 设 计 规 范 1999 版 中 对 盾 构 隧 道 纵 向 变 形 进 行 了 一 定 的 考 虑, 提 出 盾 构 隧 道 纵 向 不 均 匀 沉 降 的 影 响 是 不 可 忽 视 的 国 际 隧 道 协 会 (ITA) 在 2000 年 盾 构 法 隧 道 设 计 指 导 中 也 提 出 在 必 要 时 将 隧 道 纵 向 沉 降 的 影 响 列 入 荷 载 种 类 的 其 它 荷 载 项 予 以 考 虑 这 表 明 隧 道 纵 向 变 形 尤 其 是 不 均 匀 变 形 对 隧 道 的 影 响 已 经 引 起 国 内 外 工 程 界 的 重 视 目 前 进 行 纵 向 变 形 分 析 的 方 法 主 要 两 种 : 1 纵 向 梁 弹 簧 模 型 : 小 泉 淳 等 提 出 的 纵 向 梁 弹 簧 模 型 在 横 向 梁 弹 簧 模 型 的 基 础 上 以 弹 簧 的 轴 向 剪 切 和 转 动 效 应 模 拟 接 头 和 螺 栓, 以 弹 簧 模 拟 土 体 与 隧 道 之 间 的 相 互 作 用 缺 点 是 以 单 元 为 基 础, 计 算 采 用 矩 阵 形 式, 计 算 比 较 繁 琐, 也 无 法 模 拟 土 体 分 层 情 况 2 等 效 连 续 化 模 型 : 志 波 由 纪 夫 川 岛 等 人 提 出 了 纵 向 等 效 连 续 化 模 型 该 模 型 认 为 隧 道 在 横 向 为 一 匀 质 圆 环, 在 纵 向 采 用 刚 度 等 效 的 方 法, 把 由 接 头 和 管 片 组 成 的 盾 构 隧 道 等 效 为 具 有 相 同 刚 度 和 结 构 特 性 的 均 匀 连 续 梁 根 据 变 形 协 调 和 力 的 平 衡 分 析 螺 栓 应 力 及 接 缝 张 开 量, 可 计 算 隧 道 不 均 匀 沉 降 处 的 最 大 曲 率 半 径 本 文 运 用 等 效 连 续 化 模 型 进 行 纵 向 变 形 分 析 4.2.1 等 效 连 续 化 模 型 该 模 型 有 以 下 三 点 假 设 : 1) 隧 道 产 生 纵 向 变 形 时, 管 片 在 纵 向 及 衬 砌 纵 缝 上 的 剪 应 力 及 其 变 形 可 以 忽 略, 且 不 考 虑 衬 砌 环 在 圆 周 方 向 的 不 均 匀 性, 认 为 隧 道 横 断 面 是 连 续 均 匀 的 2) 衬 砌 环 间 的 连 续 螺 栓 可 用 弹 簧 模 拟, 根 据 荷 载 试 验 的 结 果, 其 力 学 性 12

能 可 理 想 化 为 受 拉 双 线 性 材 料, 受 压 时 完 全 刚 性 环 缝 张 开 量 用 螺 栓 的 伸 长 量 来 求 解 3) 隧 道 在 受 拉 区, 由 管 段 混 凝 土 和 连 接 螺 栓 共 同 承 担 拉 应 力, 在 受 压 区, 由 管 段 混 凝 土 单 独 承 担 压 应 力, 管 段 混 凝 土 应 力 始 终 处 于 弹 性 状 态 ; 截 面 变 形 符 合 平 截 面 和 小 变 形 假 定 图 4.2.1 盾 构 隧 道 纵 向 变 形 示 意 图 图 4.2.2 等 效 连 续 化 模 型 由 于 管 片 的 拼 装 一 般 采 用 螺 栓 连 接, 故 首 先 要 考 虑 螺 栓 的 预 应 力 问 题 该 模 型 把 螺 栓 预 应 力 当 作 作 用 在 螺 栓 上 的 外 力 加 以 考 虑 螺 栓 的 变 形 应 力 是 预 应 力 和 外 力 引 起 的 变 形 应 力 的 叠 加 图 4.2.3 为 螺 栓 的 受 力 变 形 图 : 图 4.2.3 接 头 螺 栓 N-δ 图 13

其 中,Kj1=nKs1,Kj1=nKs1 分 别 为 纵 向 接 头 的 弹 性 和 塑 性 刚 度 (Ks1,Ks2 为 单 个 螺 栓 弹 性 和 塑 性 刚 度,n 为 纵 向 螺 栓 的 个 数 ), 设 Ej,A,L分 别 为 单 个 螺 栓 的 弹 性 模 量 截 面 积 和 长 度 α 为 螺 栓 弹 性 和 塑 性 刚 度 比 Ks1= EjA/L,Ks1= αk s1, Ny 和 δ y 分 别 为 弹 性 极 限 拉 力 和 极 限 伸 长 量 等 效 轴 向 刚 度 : 单 元 受 拉 时 混 凝 土 和 螺 栓 一 起 受 力, 当 单 元 受 压 时, 混 凝 土 单 独 承 受 压 力, 螺 栓 不 再 受 力, 根 据 变 形 协 调 和 力 的 平 衡, 将 螺 栓 等 效 为 混 凝 土 截 面 进 行 拉 压 计 算, 下 面 是 等 效 轴 向 拉 伸 弹 性 刚 度 : (4.5) (4.6) ls 为 一 个 管 段 长,Ec,Ac 分 布 为 管 段 截 面 弹 性 模 量 和 截 面 积 ; Ny 为 盾 构 法 隧 道 的 弹 性 极 限 拉 力,E1 为 螺 栓 屈 服 应 力,N1 为 螺 栓 预 紧 力,d1 为 螺 栓 直 径 等 效 弯 曲 刚 度 : 当 隧 道 的 连 接 螺 栓 处 于 弹 性 受 拉 状 态 时, 下 图 显 示 了 一 部 分 螺 栓 完 全 在 弹 性 时 的 应 力 和 变 形 情 况, 由 变 形 协 调 和 力 的 平 衡, 中 性 轴 位 置 由 下 面 的 方 程 确 定 : (4.7) 图 4.2.4 弹 性 状 态 的 应 力 应 变 图 14

隧 道 的 一 次 等 效 弯 曲 刚 度 为 : (4.8) 管 段 的 等 效 弯 矩 曲 率 关 系 为 : (4.9) 等 效 弹 性 极 限 弯 矩 为 : (4.10) 受 拉 侧 接 头 螺 栓 的 最 大 张 开 量 为 : (4.11) 当 隧 道 的 一 部 分 螺 栓 进 入 塑 性 状 态 时, 应 力 应 变 图 如 下 图 所 示 : 图 4.2.5 塑 性 状 态 的 应 力 应 变 图 仍 由 变 形 协 调 和 力 的 平 衡 可 以 得 到 一 下 关 系 式 (φ 为 接 头 螺 栓 变 形 等 于 螺 栓 弹 性 极 限 变 形 的 位 置 ): (4.12) 15

其 中 : δymax 为 受 拉 侧 接 头 螺 栓 极 限 伸 长 量, δy 为 螺 栓 弹 性 伸 长 量 相 应 的 隧 道 曲 率 为 : (4.13) 4.2.2 计 算 结 果 分 析 隧 道 临 界 值 曲 率 半 径 有 两 个, 一 个 是 最 外 面 螺 栓 恰 好 进 入 塑 性 状 态 时 的 隧 道 曲 率 半 径, 用 ρ0 表 示 ; 另 一 个 是 最 外 面 的 螺 栓 应 力 恰 好 达 到 极 限 状 态 时 的 隧 道 曲 率 半 径, 用 ρmin 表 示 采 用 的 隧 道 结 构 参 数 如 下 : 隧 道 外 径 :Douter=5.50m; 每 环 宽 带 :ls=0.9m; 螺 栓 直 径 :d=0.03m; 螺 栓 个 数 :n=12; 螺 栓 屈 服 应 力 :E1=9E+5kpa; 弹 塑 性 刚 度 比 :a=0.01; 隧 道 内 径 :Dinner=4.84m; 混 凝 土 弹 性 模 量 :Ec=3.45E+7kpa; 螺 栓 长 度 :l=0.4m; 螺 栓 弹 性 模 量 :Ej=2.06E+8kpa; 螺 栓 极 限 应 力 :E2=1.0E+6kpa; 螺 栓 预 应 力 :N1=7E+4kpa; 采 用 matlab 编 程, 经 过 迭 代 计 算 : ρ0=2632.8 m ; ρmin=217.8m 结 合 工 程 的 实 际 情 况, 土 体 在 海 堤 荷 载 作 用 下 沉 降 的 发 生 和 盾 构 隧 道 的 施 工 出 现 了 交 叉 情 况, 这 种 工 况 下, 盾 构 隧 道 势 必 会 产 生 较 大 的 不 均 匀 的 纵 向 变 形 不 考 虑 隧 道 与 土 体 的 相 互 作 用, 假 设 隧 道 变 形 与 土 体 变 形 是 协 调 的, 根 据 海 堤 沉 降 计 算 与 实 测, 并 通 过 采 取 工 程 措 施, 预 估 海 堤 60m 范 围 内 的 不 均 匀 沉 降 可 控 制 在 30.0cm 以 内, 则 2 2 2 R -(R-0.30) =60 得 到 曲 率 半 径 R=6000 m 16

目 前, 国 内 外 对 进 排 水 隧 道 的 变 形 曲 率 半 径 尚 无 相 应 规 定, 国 内 主 要 参 考 上 海 地 铁 保 护 标 准 该 结 果 不 能 满 足 上 海 地 铁 隧 道 保 护 标 准 曲 率 半 径 15000m 的 要 求, 但 大 于 隧 道 的 临 界 曲 率 半 径 2632.8m, 对 于 隧 道 纵 向 受 力 情 况 分 析 看 来, 隧 道 纵 向 不 均 匀 沉 降 作 用 下 管 节 纵 向 螺 栓 尚 处 于 弹 性 工 作 状 态, 但 是 超 过 了 上 海 地 铁 隧 道 保 护 标 准, 需 要 通 过 一 定 的 工 程 措 施 减 少 通 过 海 堤 段 盾 构 隧 道 的 不 均 匀 沉 降 由 该 曲 率 半 径 计 算 得 环 缝 的 张 开 量 0.33mm, 满 足 接 缝 张 开 值 : 按 地 铁 隧 道 设 计 要 求, 接 缝 的 张 开 值 δ 2 mm; 把 曲 率 半 径 6000m 代 入 式 (7.5) 计 算 得 M=5.77E+3kN*m, 把 M 值 代 入 式 (7.6) 求 得 N=3.09E+3kN 然 后 代 入 式 (7.2) 求 得 此 时 螺 栓 拉 应 力 : σ=4.425e+5kpa < [σ]=9e5kpa 12 个 M30 机 械 性 能 等 级 10.9 的 螺 栓 满 足 要 求 4.3 本 工 程 隧 道 穿 越 新 建 海 堤 采 取 的 工 程 措 施 根 据 总 平 面 布 置, 引 水 隧 道 需 在 新 建 海 堤 底 下 穿 越, 与 海 堤 成 正 交, 由 于 所 在 处 滩 涂 淤 泥 深 厚, 含 水 量 高 地 基 承 载 力 低 可 压 缩 性 强, 虽 然 海 堤 通 过 前 期 排 水 固 结 处 理 后 完 成 了 大 部 分 沉 降, 但 尚 有 较 大 残 余 沉 降 存 在, 对 盾 构 隧 道 穿 堤 后 的 安 全 运 行 带 来 很 大 隐 患, 为 此, 对 隧 道 穿 越 新 建 海 堤 段 约 120 米 范 围 内 采 取 工 程 措 施 如 下 : (1) 尽 早 完 成 穿 堤 段 海 堤 的 排 水 固 结 地 基 处 理 与 施 工 加 载 工 作 (2) 隧 道 在 穿 越 海 堤 部 分 进 行 预 起 拱, 最 大 预 起 拱 量 约 为 300mm 左 右 (3) 待 隧 道 穿 越 海 堤 后 立 即 进 行 管 底 高 压 旋 喷 桩 施 工, 高 压 旋 喷 桩 按 梅 花 形 布 置, 桩 底 进 入 持 力 层, 桩 顶 离 隧 道 管 片 底 部 约 1500mm, 施 工 过 程 中 应 进 行 监 测, 防 止 由 于 高 压 旋 喷 桩 施 工 造 成 隧 道 上 拱, 使 管 片 开 裂 (4) 高 压 旋 喷 桩 施 工 完 成 后, 通 过 隧 道 预 留 注 浆 孔 对 隧 道 四 周 淤 泥 进 行 压 密 注 浆 加 固, 使 其 成 为 一 个 整 体, 共 同 受 力, 改 善 隧 道 管 片 的 受 力 状 况, 防 止 应 力 集 中 (5) 加 强 纵 向 钢 筋 与 纵 向 螺 栓 配 置 17

图 4.3 盾 构 隧 道 穿 越 新 建 海 堤 地 基 处 理 示 意 图 5 盾 构 施 工 时 沉 降 观 测 与 分 析 5.1 测 点 布 置 监 测 海 堤 地 表 的 沉 降, 采 用 在 测 量 区 域 埋 设 沉 降 板, 用 地 表 桩 引 到 地 表, 用 精 密 水 准 仪 来 测 量 地 表 桩 的 平 面 布 置 如 图 5.1 所 示, 共 用 30 个 地 表 桩,A 点 距 2 号 工 作 井 85m, 其 中 第 三 排 的 5 个 布 置 在 海 堤 中 心 处, 前 后 排 间 隔 距 离 为 5m 测 18

点 相 对 海 堤 横 断 面 的 位 置 如 图 5.1 所 示 图 5.1 地 表 桩 相 对 海 堤 断 面 位 置 示 意 5.2 盾 构 施 工 时 的 海 堤 沉 降 2007 年 5 月 21 日 开 始 监 测 时, 盾 构 施 工 已 经 掘 进 到 D 监 测 点 下 方, 经 过 20 天, 推 进 到 深 海 处, 盾 构 推 进 进 度 如 图 5.2.1 所 示 图 5.2.1 盾 构 推 进 进 度 表 图 5.2.2 A-F 点 沉 降 随 时 间 变 化 图 隧 道 中 心 处 A-F 点 沉 降 随 时 间 变 化 如 图 5.2.2 所 示, 从 图 上 可 以 看 出,D E F 点 沉 降 相 对 较 大,A B C 三 点 沉 降 相 对 较 小, 最 大 沉 降 在 D F 处, 达 0.2m 5.3 与 1+645 断 面 原 位 观 测 比 较 为 分 析 盾 构 施 工 对 海 堤 沉 降 的 影 响, 本 文 比 较 隧 道 处 A-F 点 与 1+645 截 面 A-F 点 同 期 的 沉 降, 二 者 之 间 的 差 值 即 为 盾 构 施 工 引 起 的 扰 动 沉 降 取 出 1+645 截 面 2007-5-19 至 7-22 日 这 段 时 间 内 的 沉 降 进 行 研 究, 其 沉 降 情 况 如 图 5.3.1 所 示, 该 段 时 间 内,D E F 三 点 沉 降 较 大, 这 一 趋 势 跟 盾 构 施 工 上 方 所 测 沉 降 趋 势 相 同,F 点 沉 降 最 大, 达 0.33m,E 点 次 之, 沉 降 约 0.28m 19

C D 点 填 筑 较 高, 超 荷 较 大, 固 结 较 快, 先 期 固 结 沉 降 较 大, 故 在 该 段 时 间 内 沉 降 相 对 较 小 从 沉 降 速 率 来 看,F 点 沉 降 速 率 最 大 前 一 个 月 沉 降 速 率 达 6mm/day, 后 慢 慢 减 少 至 2mm/day,E 点 沉 降 速 率 次 之,C D 点 沉 降 速 率 基 本 稳 定 在 2mm/day 左 右,A 点 沉 降 速 率 最 小 大 约 1-1.5mm/day 图 5.3.1 1+645 断 面 A-F 点 沉 降 随 时 间 变 化 图 图 5.3.2 A 点 同 期 沉 降 比 较 图 5.3.3 C 点 同 期 沉 降 比 较 图 5.3.4 D 点 同 期 沉 降 比 较 图 5.3.5 E 点 同 期 沉 降 比 较 图 5.3.6 F 点 同 期 沉 降 比 较 20

通 过 有 无 盾 构 施 工 情 况 海 堤 沉 降 的 对 比 ( 如 图 5.3.2 图 5.3.6 所 示 ), 可 以 看 出 : A 点 受 盾 构 施 工 影 响, 总 体 沉 降 加 大,42 天 时 最 大 值 26.6mm, 第 53 天 时 最 小 增 加 沉 降 7.7mm C 点 也 是 总 体 趋 势 沉 降 增 大, 在 第 24 天 最 大 35.8mm, 最 小 增 加 19.7mm, 在 第 53 天 由 于 施 加 荷 载 影 响, 差 异 沉 降 增 大, 最 大 值 44.7mm D 点 第 19 天 最 大 增 加 沉 降 57.3mm, 最 小 增 加 沉 降 19.7mm E 点 前 20 天, 盾 构 施 工 处 沉 降 较 大, 增 加 沉 降 28.9mm, 后 无 盾 构 施 工 处 海 堤 沉 降 速 率 较 大, 海 堤 只 有 固 结 沉 降 大 于 盾 构 施 工 处 的 沉 降, 盾 构 扰 动 减 小 的 沉 降 最 大 99.8mm F 点 跟 E 点 趋 势 相 同, 前 20 天 盾 构 施 工 处 海 堤 沉 降 较 大, 增 加 沉 降 最 大 34.4mm, 后 45 天 无 盾 构 处 海 堤 沉 降 较 大, 盾 构 施 工 上 方 沉 降 相 对 较 小, 差 异 最 大 值 121.1mm 盾 构 施 工 面 E F 两 点 处 沉 降 趋 势 与 A C D 三 点 不 同, 其 原 因 在 于 E F 两 点 填 筑 厚 度 相 对 较 小, 受 盾 构 施 工 扰 动 影 响 较 大 盾 构 施 工 采 用 的 是 网 格 式 盾 构 工 法, 由 于 盾 构 是 挤 入 地 层 的, 故 盾 构 通 过 时 地 层 隆 起, 通 过 后 直 到 被 扰 乱 地 层 恢 复 稳 态 期 间, 地 层 呈 现 沉 降, 与 泥 水 盾 构 工 法 和 土 压 盾 构 工 法 相 比, 沉 降 量 和 隆 起 量 均 比 较 大, 结 合 以 上 分 析 可 以 看 出 : (1) 盾 构 推 进 时, 盾 构 中 心 上 方 海 堤 地 表 沉 降 最 大, 向 两 侧 递 减, 其 中 轴 线 右 侧 沉 降 较 大, 远 离 隧 道 中 心, 累 计 沉 降 较 小, 而 且 轴 线 5 米 范 围 之 内, 沉 降 差 异 较 小 (C 点 ), 盾 构 隧 道 半 径 范 围 内 整 体 变 形 ; (2) 沿 海 堤 纵 向 方 面, 海 堤 中 心 C 点 沉 降 较 小, 随 着 上 覆 土 层 的 减 小,D E 点 该 段 时 间 内 沉 降 稍 微 偏 大,E 点 出 现 明 显 的 隆 起 现 象 ; (3) 开 始 测 量 时 盾 构 刚 过 C 点, 沉 降 是 盾 构 通 过 之 后 的 自 由 固 结 沉 降, 而 D E 能 显 示 盾 构 掘 进 时 的 瞬 时 沉 降, 从 前 5 天 的 沉 降 看,D E 点 增 量 沉 降 明 显 高 于 C 点 ; (4)C D E3 点 5 天 至 52 天 盾 构 处 的 增 量 沉 降, 都 是 10cm 左 右, 表 明 盾 构 通 过 后, 较 长 时 间 内 盾 构 隧 道 纵 向 整 体 下 沉, 而 无 盾 构 处 的 CDE3 点 自 由 固 结 沉 降 差 异 较 大, 因 此 整 体 下 沉 的 原 因 是 盾 构 施 工 扰 动 引 起 的 21

6 结 论 通 过 前 述 各 章 的 分 析, 可 以 得 出 如 下 结 论 : (1) 本 工 程 地 基 土 体 软 弱, 压 缩 性 高, 新 建 海 堤 本 身 的 工 后 沉 降 很 大, 对 盾 构 隧 道 的 施 工 和 工 后 运 行 有 较 大 的 影 响 隧 道 设 计 按 常 规 只 进 行 横 截 面 设 计 已 不 能 满 足 要 求, 必 须 考 虑 纵 向 不 均 匀 沉 降 的 影 响 (2) 对 于 隧 道 截 面 内 力, 总 体 上 弯 矩 值 都 是 在 圆 环 水 平 直 径 两 端 和 竖 直 直 径 两 端 绝 对 值 比 较 大 轴 力 值 变 化 都 相 对 比 较 的 均 匀, 全 截 面 轴 力 的 变 化 不 是 很 大 剪 力 值 都 是 在 圆 环 两 肩 位 置 比 较 大, 竖 向 对 称 轴 上 点 的 剪 力 值 几 乎 为 零, 其 它 位 置 总 体 数 值 不 大, 对 整 个 管 片 截 面 设 计 的 影 响 不 大 (3) 对 于 隧 道 纵 向 受 力 情 况 分 析 看 来, 隧 道 纵 向 不 均 匀 沉 降 作 用 下 管 节 纵 向 螺 栓 尚 处 于 弹 性 工 作 状 态, 但 是 超 过 了 上 海 地 铁 隧 道 保 护 标 准, 需 要 通 过 一 定 的 工 程 措 施 减 少 通 过 海 堤 段 盾 构 隧 道 的 不 均 匀 沉 降 (4) 对 于 穿 越 新 建 海 堤 段 的 盾 构 隧 道 采 取 注 浆 预 起 拱 与 加 强 纵 向 螺 栓 的 措 施, 对 减 少 不 均 匀 沉 降 引 起 的 不 利 作 用 保 证 隧 道 安 全 运 行 是 非 常 有 益 的 (5) 盾 构 施 工 时, 地 表 的 沉 降 速 率 为 2mm/day, 并 持 续 较 长 时 间, 通 过 与 无 盾 构 施 工 处 沉 降 比 较, 二 者 沉 降 趋 势 相 同, 随 填 筑 高 度 不 同, 施 工 扰 动 对 海 堤 固 结 沉 降 影 响 差 异 较 大, 在 接 近 堤 内 的 A C D 观 察 点 处 填 筑 较 高, 施 工 扰 动 产 生 的 沉 降 较 大, 而 填 筑 高 度 较 小 的 E F 点 受 盾 构 施 工 扰 动 有 隆 起 现 象, 盾 构 通 过 后, 受 盾 构 施 工 影 响, 较 长 一 段 时 间 内 隧 道 管 片 处 整 体 下 沉 (6) 由 监 测 数 据 可 知, 截 止 07 年 9 月, 海 堤 中 心 C 点 沉 降 最 大, 达 7.11m, D E A 点 次 之,F 点 最 小 经 沉 降 曲 线 拟 合 分 析, 之 后 残 余 沉 降 还 有 0.5m 左 右 22