（工程力学专业论文）盾构姿态对管片受力的影响研究.pdf

，lt-1 擎一&汀协1、 。 峨 毫骱掣霹蟹*p。誓lf董譬i。 ，。，i矗乒e。i孽誊i女j*，pl o 习!，jrr ， 1鼍，l】，】i】l ad i s s e r t a t i o ni n r e s e a r c ho nt h ei n n u e n c eo fs h i e l d i n gp o s t u r e s t ot u n n e ls e g m e n tf o r c e b yl ij i a n q i a n g s u p e i s o r ：p r o f e s s o rz h a ow r e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 j u n e2 0 0 8 吖川1擞m盈叠量” 。 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 本论文所使用美国a n s y s 公司的计算机辅助工程软件( a n s y s 8 o 版本) ，得到了该公司的授权。 文 学位论文作者签名：鸳耋佟 日期： 汹六加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年圈一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 凄童琵 导师签名：孰 签字日期： 扣子。占印 签字日期：_ 积沙 。1 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i 壅韭盘堂塑堂焦迨耋擅差 盾构姿态对管片受力的影响研究 摘要 盾构法隧道施工是目前国内外地铁、海底等隧道施工中的先进工法，具有很 广阔的发展前景。研究施工过程中盾构隧道管片的受力分布情况，对管片设计、 管片施工、管片裂缝预防处理等都有很重要的意义。 文中所研究的盾构姿态对管片受力分布情况，是以沈阳市地铁l 号线重工街 保工街盾构区间施工为背景。根据现场施工过程中的盾构姿态和水文地质情况， 采用有限元分析软件a n s y s ，进行数值模拟计算分析研究。以无盾构推力时盾 构管片的横向受力分布情况作为基础，对正常施工过程中的盾构管片受力分布情 况、推力重心下移对管片受力分布情况的影响、管片发生上浮现象后的受力分布 情况三个方向进行了分析。研究了盾构姿态引起的管片垂直位移分布情况，进一 步分析管片纵向受力分布情况和管片横向受力分布情况，并与无盾构推力时管片 的受力分布情况进行了比较。 其中，推力重心下移值应控制在4 内和管片最大上浮值应控制在2 0 l l ：l i i l 内，对于同类地质条件下的管片设计、管片施工、管片裂缝预防和盾构姿态调整 等，有指导意义，能为类似工程提供科学依据和技术支持 关键词：盾构姿态；推力重心；管片上浮；有限元分析 ，一，lz 东北大学硕士学位论文 r e s e a r c h0 nt h ei n n u e n c e0 fs h i e l d i n gp 0 s t l l r e st o t h n n e ls e g m e n tf o r c e a b s 仃a c t s h i e l dm 甜1 0 di s 姐a d v 锄c e dm e a i l so ft 蚴n c lb u i l d i n g1 l s i n gi ns u b w a y 锄d & i b m 撕n e nh 鹤l a r g ep o t e n t i a l 柚db 矗g h tf i l t i 】i l lt m m e lo s t l l 】c 石o n 1 tl l 弱 i m p o f t 觚ts i g 越f i c 跹c eo ns t u d yo ff 1 0 r c ed i s 仃i b 砸o i l t i l 】呲e ls e g m c n td e s i 罟廊吕 s 唧e n t c o n s 仃u c 石o n 锄dp e 廿e 舳e n to fs e 舯e n t 丘a c i n l r ed u l 妇gt i l 】嘶e lc o n s t l l j c 蛞o n t h es t u d yo fs l l i e l d i l l gp o s t u l 瑚t 0 咖e ls 唧e n tf o r c cd i s 位南u t i o ni n 1 i sp a p 贫 i sb 弱i so nt l l es _ 1 1 i e l dr e g i o nc o n s 伽】c t i o no fu n d 唧u n di i ls h 岬gc i 秒、) l ，_ l l i c ：h b e l o r l g st 0t l l e 矗f i l lc o n t r a c ti i l 廿1 e 矗r s tl i r 圮o fu n d e r g r 0 1 m d b 勰e do nm es b i d d i 】略 p o s t l l r 铬觚dh y d r o l o g i c a lg c o l o g yd l l r i n gt 1 1 ec o n s t n j c t i o ns i t e ，n 啪e r i c a ls i l l m l a t i o n 觚a l y s i so ft 1 1 n i l e ls 卿e n th 嬲b e e n 刚i c db yf i i l i t e e l e m e n ta n a l ) 哂ss o f t w a a n s y s g r o u i l do nm e 臼咖：l s v 盯s es 臼璐sd i s t r i b u t i o no ft u n n e ls e 肿e n t 谢m o u tn l n l s t f o r c e ，s 廿骼sd i s t r i b u l ：i o no ft i l 曲ds e 孕n 饥th a v eb 嘲la n a l y z c db yc o n s i d e r i n gm e s i t i l a t i o n su n d 贫m l a lc a 咀s t r 啊m o i l n l m s ts q u a t t i l l g 锄d 衄胁e l 黟n 饥tf l o a 矗n g u p w a r d 、7 酬c a ld i s p l a c 锄e n td i s t r i b u t i o no ft i l n n c ls e 粤n e n tc a u s e db ys b i d d i n g p o s t i l r 锶h 勰b e 睫s t l l d i e d 觚dt l l ep o r t r 越ts 虮怒sd i s t r i b u t i o n 纽d 岫s v e 璐es 臼璐s d i s 灯i b u t i o no ft i l n n d s e g m e n th a v ea n a l y z c di n 觚h 贸s t 印a tl a s t ，t l l e b o m c ( m d i t i o n so fs 仃髓sd i 蛐u t i o nw i t l la n dw i m o 哦l m s tf o r o nt u i m ds e 粤n e n th a v c b 啪0 0 n 臼a s t c d 1 n l i sp 印m e f ea g u i d i n gs i 嘶f i c 雒c e 雒dt e c h n o l o g ys u p p o r tu n d e rt l l e s 锄eg c o l o 酉c a lc o n d i t i o i 培c o n s 仃u c t i o no nt i l l m c ls 唧e n td e s i 2 廊吕 s e 孕n e n t c 0 i 咖c t i o i l ，p 脯e a n n e n to fs e g m e n t 缸c t u ma n d 址c l d i i l gp o s t u r 懿r e g u l a t i o i l w i l ic _ h 廿l eb a r ) ，c e n t 盱o ft l l r 吣tf o r c ed o w n 、御dv a l u e 锄dt i l 】眦e ls e g m e n tm a xn o a t i n g v a l u es h o u l db ec o n 臼0 l l e db e l o w4 0 0 i i l m 锄d2 0 l 】 1 i i ls e p 撒t e l y k e yw o r d s ：s 1 l i e l d i n gp o s t u r 髓；b a r y c e n t 盯o f 廿：1 n l s tf o r c c ；t u m l ds e 舯e n tn o a t i n g u p w a r d ；f e m 勰a l y s i s i - 广，tlj 东北大学硕士学位论文 独创性声明i 摘要i i a b s 打a c t i i i 目录i 第l 章绪论l 1 1 论文的背景及意义l 1 1 1 论文的背景l 1 1 2 论文的意义3 1 2 盾构法概述4 1 2 1 盾构法隧道的发展4 1 2 2 盾构机各部位概述4 1 2 3 盾构法隧道基本特点6 1 2 4 盾构法隧道衬砌的基本特点7 1 2 5 盾构姿态7 1 3 盾构法隧道衬砌管片设计研究现状”1 1 1 3 1 盾构隧道设计方法分类”l l 1 3 2 管片接头研究现状1 2 1 3 3 管片受力模拟研究现状1 3 1 3 4 存在的若干问题1 5 1 4 论文的研究内容和研究方法15 1 4 1 论文的研究内容”15 1 4 2 论文的研究方法l6 第2 章盾构管片构造及设计方法1 8 2 1 管片类型及参数l8 2 1 1 管片的类型1 8 东北大学硕士学位论文 目录 2 1 2 管片的设计参数2 0 2 2 管片接头形式2 3 2 2 1 管片接头形式2 3 2 3 管片结构设计方法2 7 2 3 1 管片设计计算荷载的确定2 7 2 3 2 管片设计方法及比较”3 2 第3 章正常掘进时管片的受力分布情况3 6 3 1a n s y s 软件介绍3 6 3 2 有限元模型的建立3 7 3 2 1 条件假设3 7 3 2 2 地质参数的选取3 7 3 2 3 模型的选取3 7 3 2 4 材料属性及单元选取3 9 3 2 5 模型的网格划分4 0 3 2 6 模型的边界条件4 0 3 2 7 模型的荷载施加4 1 3 3 无推力作用下的管片受力情况4 2 3 4 正常掘进时管片的受力分布情况4 3 3 4 1 施加盾构推力- 4 3 3 4 2 沿隧道纵向管片的垂直位移分布情况4 4 3 4 3 管片的纵向受力分布情况一4 7 3 4 4 管片的横向受力分布情况“5 0 3 5 本章小结6 0 第4 章推力重心下移对管片受力的影响6 2 4 1 施加盾构推力6 2 4 2 沿隧道纵向管片的垂直位移分布情况6 3 4 3 管片的纵向受力分布情况“6 5 4 4 管片的横向受力分布情况6 9 4 5 本章小结7 9 东北大学硕士学位论文 第5 章上浮管片的受力分布 5 1 有限元模型的建立 5 1 1 条件假设” 5 1 2 模型的建立” 5 1 3 模型的荷载施加” 5 2 上浮管片的受力分布情况 5 2 1 纵向受力分布“ 5 2 2 横向受力分布 5 3 本章小结9 4 第6 章结论9 6 参考文献9 7 致谢1 0 0 尹 ! 一 树一帜，其发展水平越来越高，应用范围越来越广。尤其在城市地铁建设中，具 有影响交通小，施工工期短等明显的优点。盾构法作为修建地铁隧道的一种施工 方法，相对其它施工方法具有明显的优越性，在地铁隧道工程中得到了广泛应用。 沈阳市第一次使用盾构施工方法，有必要针对沈阳的地层、地质情况、盾构施工 工序、盾构施工对周围环境的影响等方面的问题进行研究。从而，盾构施工理论 分析和试验设计是一个亟待研究的课题。 3 、论文的背景情况 本论文以沈阳市地铁一号线第五标段的盾构区间施工作为背景，该标段盾构 区间全长为1 7 2 4 0 8 0 延米。由重工街站启工街站区间和启工街站保工街站区间 组成，其中重工街站启工街站区间长度为7 7 5 2 2 2 m 。区间隧道为单洞单线圆形 断面，线间距为1 3 m ，线路纵向呈“v ”型坡，最大纵坡为2 5 。区间隧道结构 底最大埋深为1 9 7 2 3 m ( 覆土厚度为1 3 7 2 3 m ) ，最小埋深为1 3 8 6 m ( 覆土厚度 为7 8 6 m ) 。启工街站保工街站区间长度为9 4 8 8 5 8 m ，线路纵向呈“v ”型坡，最 大纵坡为2 5 。区间隧道结构底最大埋深为2 2 0 3 m ( 覆土厚度为1 6 0 3 m ) ，最 小平均埋深为1 5 0 9 3 m ( 覆土厚度为9 0 9 3 m ) 。 隧道衬砌采用宽度为1 2 m 、厚度为3 0 0 1 1 1 l i l 、内径为5 4 0 0 i l m 、外径为6 0 0 0 i l 城 的单层钢筋混凝土装配式管片错缝拼装，整环管片由6 块钢筋混凝土管片组成， 即3 块标准环( b 型管片) 、2 块邻接环( l 1 型管片) 和1 块封顶块( k 型管片) 组成，如图1 1 图1 4 所示。区间隧道及其联络线隧道的防水等级为二级。盾构 隧道施工采用一台西6 2 8 0 n l m 的日本株式会社小松制作的t m 6 2 5 p m x 型复合式 土压平衡盾构机掘进。盾构机前体由6 2 5 0 1 n m ，中体巾6 2 4 响m ，盾尾巾6 2 4 衄珊。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 渺 r i 知 5 。 夕秀 霎 毫扩总 蛾渤 蜓。夕 够屯 图1 1 管片衬砌分块图 f i g1 1b l o c k so f t i l l l n e ls e 舯e n t 盾构推进方向 。士：；：士：，：i 工! 2：士：； ：士：； ： ：j ：士：j ：丰：， i ；( j ： 2：王： j ：士： ：士： ：丰： ，：t | ；( j2：士：j：士： ；：j ：；：士：j：士：0| ；( ：2：士：j：士： ：士：j：士：，：i ；( j2：丰：；：士：j： c ：j：士：j：士：，ij ： 2：士： ；：士 隧道中心线 图1 2 管片拼装位置展开图 f i g1 2s p r a d i i l go fa 8 s 伽b l i n gt i l 皿e ls e g m e n t - 2 j ， 东北大学 图1 3 成型盾构隧道 f i g1 3s h a p i l i go f s h i c l dt 岫试 、 1 1 2 论文的意义 ， 图1 4 管片接缝图 f i g1 4j o i mo f t u i l l l e ls e g m t 从众多城市地铁盾构法施工的经验中得知，在施工过程中经常出现管片接缝 渗漏、管片开裂、管片错台等现象，带来诸多工程隐患。为了避免出现此类现象 出现，在盾构隧道管片设计和施工过程中要做到尽善尽美。本文主要从施工过程 中的盾构姿态对管片作用方面，对管片受力分布进行研究。 整个盾构隧道在覆土的埋设中，要受到地面荷载、土压力、水压力、管片自 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 重、盾构姿态等荷载的影响。为管片设计中，找到管片的受力薄弱处有重要意义。 对于盾构隧道施工过程中，调整盾构姿态达到预期效果，有一定的指导意义。 1 2 盾构法概述 1 2 1 盾构法隧道的发展 所谓盾构隧道施工方法( 以下简称盾构法) ，就是用盾构掘削机( 以下简称 盾构) 挖土排土构筑隧道的工法。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘 和压力舱、支护围岩的盾构钢壳。所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。 盾构工法的设想于1 8 世纪末产生于英国，至今已有2 0 0 多年的历史。当时 英国人提出在伦敦地下修建横贯泰晤士河隧道的构想，从1 7 9 8 年开始着手工作， 但由于竖井挖不到预定深度而计划受挫。于1 8 1 8 年b n l l l e l 观察了小虫腐蚀木船 底板成洞的经过，从而得到启示，在此基础上提出了盾构工法，并取得了专利。 终于在1 8 4 1 年贯通了横贯泰晤士河的隧道。自b r u n e l 的方形盾构以后，骶a t 采用了新发明的圆形盾构，使用铸铁扇形管片。在1 8 6 9 年j h m a m e a d 在泰晤 士河地下铁隧道中最先使用铸铁管片和圆形盾构。随后m a t 在1 8 8 7 年南伦敦 铁道隧道施工中使用了盾构和气压组合工法获得成功，为今后的盾构法发展奠定 了基础。1 9 世纪末到2 0 世纪中叶盾构法相继传入美国、法国、德国、日本、苏 联等国，并得到不同程度的发展。美国于1 8 9 2 年最先开发了封闭式盾构。1 9 3 1 年苏联用英制盾构建造了莫斯科地铁隧道。1 9 5 4 年我国阜新利用巾2 6 m 的圆形 盾构建造了疏水隧道。1 9 5 7 年我国北京建造了由2 m 、由2 6 m 的盾构下水道隧道。 1 9 6 3 年我国上海隧道工程股份有限公司结合上海软土地层对盾构掘进机、预制 钢筋混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行了系统的试验研究，研 制了1 台由4 2 m 的手掘式盾构n 】。 1 2 2 盾构机各部位概述 以沈阳市地铁l 号线第五合同段盾构施工中使用的日本株式会社小松制作 t m 6 2 5 p m x 型土压平衡盾构机为例，进行盾构机各部位概述，如图1 5 和图1 6 所示。 盾构机设备总重量约为3 3 0 t 。分盾构机主机和后配套设备两大部分，后配套 设备分别安装在后续台车上。 盾构机前部是旋转切削刀盘，工作时，在推进油缸的作用下可以对开挖面双 向( 顺时针，逆时针) 切削。在砂层、砾砂层中掘进，通过切削刀、刮刀、先行 刀等刀具将开挖面上的土体切削下来送入土仓，然后与通过刀盘注入的添加材料 搅拌后以塑流性土体的形式通过螺旋输送机排出。 4 ， 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 主机由前壳体和后壳体构成铰接盾构，是用钢板焊接而成的园形简体，在内 部焊有筋板、环板等一些加强板，具有耐土压、水压的强度。 盾构机壳体和盾尾壳体是由管片的外形尺寸、盾构机壳体在施工时所受的载 荷以及对应于隧道最小曲率半径而决定的。 前后壳体由铰接油缸联接，上下左右可弯曲，在铰接部分设有防水密封( 铰 接密封) 。 在切口环部分装有切削刀盘驱动装置，在土仓壁下部装有螺旋输送机、中部 装有人行闸。 在支撑环部分的内周，装有推进油缸2 2 只、铰接油缸1 6 只，设有管片拼装 机。 在盾尾部分安装有悬臂操作台、整圆装置、盾尾密封等。 在盾构机内还设有检查维修时用的台面、液压、电气仪器、计量仪器、注入 管等附属装置。 在车架上安装有完成盾构机各种动作的动力、液压、电气、控制、测量设 备、管路等。 图1 5 盾构机结构 f i g1 5s m 蜘l 坞d i a g 锄o f s h i e l dm a c h i l l c 幽1 6 盾构机模型 f i g1 6m o 蹦o f s h i e l dm a c h i n c 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 3 盾构法隧道基本特点 近些年来，随着我国经济建设的迅猛发展，城市化程度的日益提高，城市的 交通拥挤状况日渐突出。为解决这一问题，我国许多大城市竞相发展轨道交通， 先后已有2 0 多个城市进行了轨道交通项目建设和前期准备工作。目前，已经通 车的城市有北京、上海、天津、广州、深圳、南京、重庆等。北京从上世纪6 0 年代开始建造地铁，目前己建成轨道交通线路约1 1 4 k m ，按照规划至2 0 5 0 年将 达到l o o o k m 。从上海从上世纪9 0 年代的开始讯速发展轨道交通，目前上海己投 入运营线路总长1 1 2 如，远期轨道线网由1 7 条线路组成，总长约8 l o 。沈阳 市从0 5 年开始修建地铁，目前已规划9 条线路，规划线路里程达3 0 0 多妯，基 本覆盖沈阳市的主要城区及副城新区。于2 0 0 7 年1 2 月8 日，北京市地铁6 号线、 8 号线二期、1 0 号线二期、亦庄线、大兴线同时开工建设，总里程接近1 4 0 h 。 预计到2 0 1 5 年，北京轨道交通里程将达到5 6 1 k m ，以轨道交通为主干的城市公 共交通网络将基本建成。全国的城市轨道交通正在如火如荼的建设着。 在城市轨道交通建设中，在市区进行明挖隧道施工，对城市生活的干扰问题 日益严重。特别在市区中心遇到隧道埋深较大，地质复杂的情况，若用明挖法建 造隧道难度非常大。在这种情况下，盾构施工法以其明显的技术经济优势和对城 市地面环境影响较小的特点口1 ，成为城市地铁隧道的主要施工方法。此外，在建 造穿越水域、沼泽和山地的公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往因它在 特定条件下的经济合理性而得到采用口，。 盾构机的分类方法很多，可按盾构切削断面的形状，盾构自身构造的特征、 尺寸的大小、功能，挖掘土体的方式，掘削面的挡土形式，稳定掘削面的加压方 式，施工方法，适合土质的状况等多种方式分类n 1 。目前常见盾构主要有两大类， 就是土压平衡式盾构和泥水加压式盾构。 盾构法属于暗挖法，其优点是：对环境影响小；掘进不受地形、地貌、江 河水域等地表环境条件的限制；地表占地面积小；适合大深度、大地下水压施工； 挖土、排土量少，故成本低；抗震性好；适用地层土质范围宽等。目前盾构法已 在地铁隧道，污水排放隧道，江河湖海底交通隧道，电力、电信、供水、引水、 供气及共同沟等城市基础建设工程中占有绝对的统治地位n 1 。其缺点是：盾构施 工是不可后退的，盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于管片外径小于盾 构外径，如需后退，必须拆除己拼装的管片，这是非常危险的。另外盾构后退也 会引起开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列问题。 特别是1 9 9 0 2 0 0 3 年这段时间里盾构法的技术进步极为显著。归结起来有 以下几个特点：( 1 ) 盾构隧道长距离化、大直径化；( 2 ) 盾构多样化；( 3 ) 施工 自动化u 。 _ 、 ， 载和稳定能力，隧道衬砌常被设计成半柔性的地下结构，隧道和土体之间存在着 复杂的共同作用。盾构隧道由于其衬砌结构的特殊性和结构受力的复杂性，使得 管片设计有很大难度。隧道环向与纵向管片仅用螺栓连接，其结构形态具有典型 非线性特征。接头是装配式管片衬砌的薄弱环节，它很大程度上控制着衬砌结构 整体的变形和承载力。 盾构衬砌管片环一般是在盾尾直接将预制好的管片拼装而成，一环衬砌通常 由三种管片组成，标准块、相邻块、封顶块，即a 、b 、k 三种管片，其中k 管 片主要是为了便于现场的拼装施工而设计的。k 管片有径向插入、轴向插入或两 者联合插入。盾构隧道管片的拼装方式有两种，通缝拼装和错缝拼装，如图1 7 所示。当管片接头在隧道纵向贯通时称为顺缝拼装，当相邻环的管片接头在纵向 上不连通时称为错缝拼装。通缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较小，导致变 形较大、内力较小。而采用错缝拼装时，管片衬砌结构的整体刚度较大，导致变 形较小、内力较大。同时错缝拼装时，要求纵向螺栓的布置能够进行一定角度的 错缝拼装，因此，对于管片的分块设计要求比通缝拼装条件下较高。 汹譬_ 片在糖疆上的姐鲁f 坼疆缝糟囊汹镬麓村确 图1 7 盾构隧道衬砌管片的组成及拼装方式 f i g1 7c o n l p o n e n t sa n d 弱m b l i n gm e m o d so fs h i e l dt i l 肋e l 1 2 5 盾构姿态 盾构姿态就是指盾构机主机的姿态，主要是推进系统和铰接系统的姿态。以 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 沈阳市地铁1 号线第五合同段盾构施工中使用的日本株式会社小松制作 t m 6 2 5 p m x 型土压平衡盾构机为例，介绍盾构姿态。 l 、推进系统 推进系统配备了大排量、高压力的变量泵，采用一台7 5 k w 的电机驱动。推 进油缸2 2 只油缸，在工作压力3 2 3 m p a 时，可产生总推力3 8 5 0 t ( 开挖面1 2 5 5 2 ) 的推力，无负载时2 2 只油缸全伸可达到6 洲n 的推进速度，最高可达 8 5 幽i i l 。2 2 只油缸被安装在中胴上，布置在盾构机壳体四周，被编为4 个组， 分上、下、左、右可分别进行独立控制的4 个液压区，如图1 8 和图1 9 所示。 考虑k 型管片可3 6 0 度范围任意位置的拼装，2 2 只油缸行程均为2 1 5 0 i l m ，推 进油缸撑靴与管片之间距离9 0 0 i l ：l i i l ，布置及行程充分考虑了管片的构造及拼装 管片的方便。 推进千斤项可按照需要单独分别选择。在上、左、右每个区域中各有一只油 缸( 5 # 、1 7 撑、2 2 # ) 安装测量油缸伸出长度的行程传感器，且四个区域各有一 只正比例控制的减压阀通过操作台上的触摸屏来调节每个区域中油缸的推进压 力，形成基本导向装置系统。所配置的千斤顶长度传感器可靠，并能在操作室内 的操作触摸屏上准确、直观地显示盾构机千斤项伸缩的数值，如图1 1 0 所示。 推进油缸撑靴与推进油缸活塞头部是用可任意方向转动的球铰联接，能够充 分对应管片与盾构机的倾斜，保证撑靴平面与管片密贴。为了能使推进油缸的推 力均匀地传递给管片，推进油缸撑靴面积要适当大些。撑靴表面有一聚安脂胶垫， 千斤顶撑靴在与管片接触时能保证推力缓和均匀地作用在管片上，确保管片衬砌 环面的完整。 图1 8 推进油缸分区 图1 9 推进油缸选择画面 f i g1 82 加i n g0 f p p i l l s i 伽c y l i n d e 憾f i g1 91 a b l 璐o f p m p i l l s i c y l i i l d 哪sc h o i c e 8 1 j ， 东北大学硕士学位论 图1 1 0 推进计测监控四面 f i g1 1 01 a b l 时嘴o f p r o p u l s i 强，c a l c l l l a t e 觚dm e 蚓玳，m o n i t 耐n g 2 、铰接系统 铰接系统的铰接油缸安装在前后壳体上、铰接处有防水密封，可使前后盾构 最大左右弯曲1 5 度、上下弯曲1 o 度。 1 ) 铰接装置的类型为推进油缸安装在后壳体上，单道密封，能耐l m p a 压力。 铰接装置是将盾构本体前后2 部分用1 2 个2 9 4 t 液压油缸连接成一个整体；通过 液压油缸的行程之间的差来弯曲盾构本体的一种装置。通过液压油缸的动作，能 在上下、左右方向上调整盾构本体弯曲角度。 2 ) 铰接装置上下、左右方向的弯曲角度全部通过1 6 个铰接油缸进行，在 上下铰接方向与其他厂家采用销轴形式不同也是采用铰接油缸进行，可以灵活的 进行纠偏角度的操作，确保较大的角度。如图l 。l l 所示。 3 ) 在前后壳体连接部位，采取防止土砂、水等浸入的密封措施前体与中 体通过铰接油缸相连，可使盾构在掘进中转过较大的角度，前体与中体的铰接部 分设置有一道密封，在密封处中体上涂有一层特殊涂料，铰接密封可耐lm p a 水 压，能够保证开挖过程中地下水不会由此处进入到盾构内部。如图1 1 2 所示。 4 ) 铰接装置是为顺利进行曲线施工的一种辅助手段，在进行曲线施工时， 一定要与推进油缸的单侧推进、锥形管片的使用、超挖的实施共同进行，以实现 所定的曲率半径。 5 ) 铰接油缸行程可通过上下左右( n o 5 、1 l 、1 7 及2 2 ) 4 个油缸行程检测 装置在操作盘上显示。 6 ) 铰接动作： ( 1 ) 在曲率半径r - 1 5 0 i i l 时，铰接角度1 5 。，油缸行程差为1 2 2 m m ，刀盘 超挖3 7 m 。 ( 2 ) 在铰接动作中，如超出铰接范围时，联锁机构起动，这时只能进行将 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 弯曲状态返回工作范围的操作。操作盘上的显示灯：方向修正不可j 闪亮。 ( 3 ) 因铰接量和曲率半径的关系是计算值，所以，在施工时必须要边测量 确认曲率半径及曲线长度边进行曲线施工。 左右弯曲 上下弯曲 小松公司全方向油压方式 左右弯曲 图1 1 1 铰接形式 f i g1 1 lf 锄so f a n i c i i l a t i e d 上下弯曲 其他公司竖销方式 图1 1 2 铰接装置 f i g1 1 2d e v i o f 枷叫删 1 方法，提高各国盾构隧道衬砌管片设计能力，国际隧道协会在1 9 7 8 年成立了盾 构隧道结构设计模型研究组，收集各会员国采用的地下结构设计模型。1 9 8 2 年 该研究组发表了其所调查的各种问题的汇总结果 2 d ，全周弹簧模型 oh = 入o ， 法国有限元或全周弹簧模型 。v = 全部覆土重 k ：e ( 1 + u ) r 或t e r z a g l l i 松弛土压公式 o ，= 全部覆土重 中国经验法 o h ： 。， 垂直、水平荷载板 试验求得 入一经验值 日本 惯用法或梁一弹簧模型 。v = 全部覆土重 oh = 入ov 西班棚地翟爹阚的焉器考虑向 西班牙 。 考虑半径方向 b u q e 豫法( 粘聚力忽略不计) ov = 全部覆土重 英国全周弹簧模型m 血酬o - = ( 1 + ) 2o ，三轴试验确定 入= k o 美国弹性地基圆环法 。v = 全部覆土重 室内实验确定 oh = o7 1 3 2 管片接头研究现状 众所周知，在盾构隧道衬砌结构中管片接头( 以下称管片接头) 和管片环间接 头( 以下称环间接头) 对衬砌结构的内力和变形，尤其是接头部分的内力和变形起 着极其重要的影响作用。梁一接头连续模型是把管片视为梁、接头视为变形连续 的弹簧，分别用来模拟管片和接头的力学性态，该模型又称梁一弹簧模型近年来 在日本已得到广泛的工程应用。但是，梁一接头连续模型是建立在适用于线弹性 介质的卡式( c 枷百i 锄) 第二定理的基础上，它不能全面、准确地模拟管片接头 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 的非线性性状。试验表明接头内力一变形关系在整个加载过程中表现出明显的非 线性特征。而且盾构隧道衬砌结构是由螺栓连接的若干管片组成，其本身的非连 续性是固有的。因此，管片接头的相邻两管片间的转角是不连续的。再者，运用 梁一接头连续模型不能直接和精确地得到管片接头的内力和张开位移，而这正是 设计者非常关心的问题。基于以上观点，朱合华、丁文其、李晓军等m 1 提出了 一种新的模型梁一接头不连续模型。该模型从结构的非线性出发，引进了非 线性介质力学数值分析的古德曼( g o o d m 觚) 单元的思想，并认为接头单元具有抗 拉伸作用，以模拟螺栓的连结作用。另一方面，设计过程中，如何确定作用在衬 砌管片上的压力荷载的分布模式和大小也是人们十分关心的问题，它包括土压力 与变形压力。大量实测数据表明，按现行规范给定的设计荷载较实测荷载大得多。 首先概述了梁一接头不连续设计模型，然后，根据管片的轴向力和弯矩的实测值， 通过反分析的方法推定作用在衬砌管片上的分布压力荷载。假设衬砌管片外缘上 的水平向和竖直向的分布压力荷载呈抛物型变化，并采用了最优化技术单 纯形最优化方法。同时，采用反分析方法对局部和全周地层弹簧作用模型进行了 比较，计算过程中还考虑了盾构管片纵向上的错缝拼装效应。 黄正荣西1 进行了基于壳一弹簧模型的盾构衬砌管片受力特性研究。运用壳一 弹簧模型对隧道的纵向力学特性进行研究分析，相对于目前传统等效连续化模型 中求隧道纵向等效弯曲刚度时没有考虑纵缝的影响，建立了纵向均质隧道( 即隧 道衬砌管片只存在纵缝，没有环缝) ，应用壳一弹簧模型研究了纵缝对隧道纵向 等效弯曲刚度的影响。同时文中还建立了横向均质隧道模型( 即隧道只有环缝， 没有纵缝) 、通缝拼装隧道模型、错缝拼装隧道模型，运用壳一弹簧模型对这几 种拼装方式的隧道的纵向等效弯曲刚度进行了研究分析，并与传统等效连续化模 型、修正连续化模型及试验作了比较分析。 现在大部分计算成果对接头模型均存在一定程度的简化，即将模型简化为 二维平面结构，或将螺栓简化为梁单元，而忽略螺栓孔对接头受力的影响等等。 俞涛、何川、曾东洋n 们等以广州地铁三号线为背景，运用a n s y s 有限元软件对管 片接头进行了分析。同时还探讨了接头所受的不同轴力、弯矩、连接螺栓的预紧 力大小等对接头抗弯刚度的影响规律，为管片设计提供了依据。 1 3 3 管片受力模拟研究现状 张海波、殷宗泽、朱俊高、李翠霞n n 等通过对盾构隧道衬砌在施工阶段承受 的盾构千斤顶压力、注浆压力、周围土体压力等进行三维有限元模拟，分析通、 错缝两种拼装形式下衬砌的受力性能，并与连续型衬砌进行比较，计算结果显示 通缝、错缝拼装衬砌环的变形刚度仅相当于连续型衬砌的o 5 5 和0 6 5 倍，因此在 盾构隧道设计时，必须考虑由于接缝而引起衬砌环刚度的降低。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 黄钟辉n 羽在研究已有接头模型的基础上，引入了相应简化假设，推导出了盾 构法隧道管片平面型接头力学模型，利用该模型不仅能够得到表征接头抗弯性能 曲线、接头转角及张开量等，而且还能确定接头面处接触受压区的受力状态，这使 得能够从接头受力张开以及接头面混凝土接触受压两个方面更加可靠和全面地 判断接头是否处于安全状态。此外，还建立三维有限元模型对接头进行了纵缝接 头的受力状态的弹性分析。 肖石林n 3 1 对现有盾构隧道管片衬砌结构的设计理论进行了总结和比较。对 管片的构造及其类型，进行了详细的分析，提出了改进的方案。用a n s y s 软件 针对管片的结构受力进行了分析，其中当在盾构推进时，推进千斤项对关片的挤 压分析。 陈俊生、莫海鸿等n 帕采用三维有限元法，利用通用有限元软件a d i n a ，建 立一段具有9 环管片的盾构隧道数值模型。通过加入与施工阶段相对应的注浆压 力、千斤顶顶力及初步引入盾尾刷的挤压作用，分析盾构隧道的变形特点及应力 分布。分析结果表明，在施工阶段，管片外荷载沿隧道纵向的差异使管片环的位 移及应力沿隧道纵向产生变化，各环变形的特征也不相同。由于楔形块构造的原 因，使得在均匀的注浆压力下，管片环仍然出现平面外的位移，并造成一定的错 台量。若注浆压力不均匀，错台量将增大，甚至能造成管片开裂。于斤项项力对 施工阶段管片的位移、应力有明显的影响，千斤顶项力作用是管片在施工状态下 最不利的工况。 钟小春n 副以土压力研究为核心，由于管片真实工作土压力的研究比较困难， 选用基于管片内力反分析方法来探讨管片工作土压力，反演时输入参数为易测量 且受施工影响较小的钢筋应力推算的管片截面内力。 秦建设、朱伟、陈剑等n 6 1 从分析盾构机与管片相互作用入手，研究了盾构机 姿态与衬砌走向不协调导致管片错台及混凝土开裂问题，并给出一些相关建议。 何川、曾东洋等n 刀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 的梁一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。 黄钟晖、廖少明、侯学渊等n 町通过错缝拼装衬砌的三维受力性态分析，研究 在错缝拼装条件下环缝接头对管片接头的约束作用以及由此而产生的环间弯矩 传递。得出在错缝拼装衬砌的最大弯矩比通缝衬砌大一些，但在管片接头处，弯 矩以及接头张开量却明显比通缝的小，表明错缝拼装方式能够有效约束管片接头 的变形。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 李围、孙继东、李成等n 们以铰接圆环、匀质圆环和梁一弹簧模型三种力学模 式对盾构隧道管片衬砌的内力进行了计算分析，得出用梁一弹簧模型计算的弯矩 值介于铰接圆环和匀质圆环的内力值之间。梁一弹簧模型直接考虑接头的抗弯刚 度，能够真实地模拟管片衬砌的力学行为。 张强结合上海地铁二号线西延伸段标区间隧道工程中盾构管片结构的 上浮和错台的现场监测分析，应用有限元数值模拟和力学理论研究相结合的方 法，重点研究了盾构隧道推进顶力和衬砌背后注浆等因素造成隧道管片上浮和错 台的机理，为盾构管片结构上浮和错台的施工控制提供理论依据。 鞠杨、徐广泉、谢和平等乜根据广州地铁工程的要求，为了准确地分析衬 砌结构的应力、应变分布与开裂性质，为衬砌的抗裂和抗渗设计提供依据，应用 三维有限元模型和a n s y s 程序分析了上部和周围土体荷载作用下钢筋混凝土衬 砌的应力、应变分布与开裂规律。模型考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体 和钢筋混凝土材料的弹塑性性质，通过刚度折减考虑了管片接头不连续性对衬砌 应力、应变与开裂性质的影响。 1 3 4 存在的若干问题 ( 1 ) 针对盾构姿态引起的管片受力分布研究不够全面。大多只研究盾构总 推力对管片受力的作用，缺少盾构推力重心等对管片受力分布的影响研究。 ( 2 ) 有分析盾构姿态与衬砌相互之间不协调引起的管片上浮、错台等现象 的研究，缺少针对具体事件相对应的管片受力情况研究。 ( 3 ) 研究接头受力情况时，主要是讨论土压力、水压力等管片周围荷载， 缺少盾构推力对管片接头受力的影响。 ( 4 ) 建立管片受力的模型时，影响的因素比较多，如管片宽度、厚度、接 头螺栓、接缝防水、管片的配筋、盾构姿态、土压力、水压力、周围的其他荷载 等等，难以逐一实现。 ( 5 ) 缺少对盾构姿态调整的系统方案，用于指导工程实践。 1 4 论文的研究内容和研究方法 ，1 4 1 论文的研究内容 l 、研究内容 ( 1 ) 以现场施工参数作为基础，采用盾构机正常掘进时的盾构姿态参数， 分析正常掘进时管片的垂直位移分布情况、纵向和横向的受力分布情况。 ( 2 ) 分析盾构推力重心下移对管片受力分布的影响。 ( 3 ) 分析管