Stress and deformation properties of shield segmental linings under internal water pressures
-
摘要: 对不同埋深的通缝和错缝拼装盾构衬砌结构在内水压作用下的力学响应开展研究，分析了内水压、隧道埋深和衬砌拼装方式对盾构衬砌承载特性的影响规律。研究结果表明，隧道内水从空管变化至满管过程中，衬砌环变形持续增大，内力变化呈现三阶段特性。第一阶段为空管至半管阶段，衬砌环弯矩增大、轴力减小，但二者的变化幅度极小。第二阶段为半管至刚刚满管阶段，衬砌环弯矩增大、轴力减小，轴力的变化幅度小于弯矩。第三阶段为满管后内压增加阶段，衬砌环弯矩和轴力同时减小，但轴力的减幅远大于弯矩。对于有内压作用的盾构衬砌，埋深减小时衬砌结构的内力与变形会随之减小，但局部接缝张开及螺栓应力可能出现增大的现象，较浅覆土处衬砌环接缝的安全储备应引起足够重视。当隧道埋深及内部水压荷载相同时，错缝拼装衬砌结构的收敛变形、局部接缝变形和接缝部位螺栓的受力均优于通缝拼装结构，承受内水压的盾构衬砌可优先考虑采用错缝的方式拼装。Abstract: The mechanical responses of continuous- and stagger-jointed shield lining structures with different buried depths and internal water pressures are investigated, and then the influences of the internal pressure, buried depth and lining assembly manner on the stress and deformation properties of shield segmental linings are analyzed. The results show that the deformations of the shield lining rings increase, and the change of the internal forces presents the characteristic of three stages in the process of inner water inside the tunnel from the empty pipe state to the full one. The first stage is from the empty pipe state to the half one, in which the bending moments and axial forces of the lining rings increase and decrease, respectively, but the change ranges of the bending moments and axial forces are very small. The second stage is from the half pipe state to the full one, in which the bending moments and axial forces of the lining rings increase and decrease, respectively, and the change range of the axial forces is less than that of the bending moments. The third stage is the increase of the internal pressures after the pipe is full, in which the bending moments and axial forces of the lining rings decrease at the same time, but the reduction of the axial forces is much greater than that of the bending moments. The internal forces and deformations of the lining structures reduce with the decrease of the buried depth, but the local joint opening and bolt stress may increase in the shield segmental linings under the internal water pressure. Thus, enough attention should be paid to the safety reserve of the joints in the linings with shallow buried depth. In addition, under the same buried depth at tunnel top and internal water pressure inside the tunnel, the convergence deformation, local joint opening and stress of the bolts at the joint positions of the staggered-jointed lining structures are better than those of the continuous-jointed ones, which means the staggered-jointed assembly manner should be preferred for the shield linings under the internal water pressures.
-
0. 引言
随着地下空间开发与利用,盾构隧道、基坑工程以及各类管道、管廊工程相互交叉、同时施工的情况越来越多。浅层地下空间的开挖不可避免地会引起周边土体的变形和周边挡土结构土压力变化,可能诱发地面沉陷、周边建筑物以及地下管线等城市生命线工程的破坏,造成经济损失和社会影响。
城市复杂环境中建（构）筑物地下室、基坑以及大型的桩（墩）基础存在侧向限制边界条件,当盾构穿越房屋地下室外墙或桩基附近地层时,会引起建筑物基础及其挡土结构土压力产生非线性变化。由于城市浅层地下空间环境以及边界条件的复杂性,普遍采用数值模拟作为分析手段。Jenck等[1]采用有限差分法和3D有限元建立了隧道掘进和临近建筑的3D数值模型,分析了隧道掘进对临近建筑物的影响。杨海鹏等[2]、朱育才等[3]对不同参数下隧道开挖对临近建筑物的作用进行分析,探讨了不同距离隧道开挖对建筑的作用规律及程度。刘松玉等[4]、张冬梅等[5]采用数值计算方法研究了隧道掘进对基坑的影响与两者的相对距离、相对位置有关,且基坑受影响最大的部位位于隧道的埋深位置。矫伟刚[6]结合实际工程,得到不同工况下隧道掘进对地下结构产生的附加荷载的大小及变化规律。目前对于地下开挖对临近挡土结构土压力的影响规律还缺乏深入研究,地下开挖引起地表沉降的计算常采用经验预测法。对于无侧限条件下的地下空间开挖,Peck[7]通过对大量的地表沉降数据和有关工程资料进行分析后,得到地表沉降槽呈似正态分布的结论,并提出地表沉降分布和地表最大沉降量的估算公式。Rowe等[8]、Attewell等[9]、刘建航等[10]对该公式进行了修正和补充。然而,在城市复杂边界条件下,浅层地下开挖引起地层变形的经验预测与实际可能存在较大差别。现有的土压力与地表沉降预测理论还不足以对这些复杂边界条件下的施工安全评估提供可靠的评估依据。
盾构隧道掘进过程中,推力、土仓压力、同步注浆等因素的综合影响使地层产生变形,多数情况下会因应力释放而带来地层损失与地表下沉,严重时会造成地面塌陷等事故的发生,这是目前的研究主要关注的情况。因此,针对城市浅层隧道开挖涉及的土压力与土体变形问题,课题组开发了挡土结构土压力及活动门模型试验装置,针对应力释放引起地层损失的情况,采用活动门[11]模拟地下开挖地层损失。针对盾构隧道穿越临近建筑物地下室（群）的条件,对侧限条件下隧道开挖引起的地下挡土结构物土压力分布规律以及上覆土体变形规律进行了探讨。
1. 模型试验设置与试验安排
1.1 模型试验装置
采用课题组自主开发的二维挡土结构土压力与活动门模拟试验装置进行模型试验,见图1。该装置由挡土板位移控制组件、活动门位移控制组件、测力板、加载组件与外框架组成,填料箱最大尺寸为800 mm×665 mm（宽×高）。
活动门位移控制组件由10块钢质活动板和升降机等组成,每块活动板宽75 mm,可通过螺栓连接到下方的位移控制组件以模拟地下开挖引起的地层损失,并通过升降机和百分表手动地对地层损失量进行精确地控制。
采用粒子图像测速（PIV）技术[12]获取全场位移。挡土板上安放了18块悬臂梁式载荷计组成的测力板,可以测量传递到挡土结构物上的土压力。
1.2 椭圆钢棒相似土填料
试验采用二维椭圆钢棒相似土作为填料,将模型试验转化成二维条件以消除前后挡板的摩擦影响,提高试验测试的准确性和可重复性。椭圆钢棒相似土采用椭圆形退火201不锈钢。椭圆形钢棒相似土由3种尺寸（A,B和C）的钢棒混合而成,其短轴×长轴分别为3 mm×6 mm、4 mm×8 mm、5 mm×10 mm按照质量比为1∶1∶1均匀混合配制成相似土,见图2。
分层填筑并充分振动使得相似土达到最为密实的状态,孔隙率约为0.17,对应的重度为65.93 kN/m3。为了验证钢棒相似土与砂填料的相似性,课题组进行双轴压缩试验。试验所得的应力–应变曲线与密实砂土特性相似,能够较好的反映砂土的峰值强度与剪胀性,通过休止角试验测得的相似土休止角为28.2°[13-14]。
1.3 隧道开挖模拟
Peck[7]1969年首次提出地层损失的概念,地层损失通常指隧道开挖过程中,实际开挖土体体积与竣工后隧道体积的差值。Peck认为,地层损失是引起地层变形的首要原因,而开挖引起的地表沉降通常在不排水的情况下发生,因此Peck假定地表沉降槽体积与地层损失体积相等。地层损失率Vl为
V1=S1S2, (1) 式中,S1为地层损失面积,S2为隧道开挖面积。
O’Reilly等[15]统计分析了英国地层损失的数据,给出了地层损失率取值范围在0.5%～2.5%,并建议砂土取0.5%。Jaky[16]通过实测数据的反分析得到砂卵石地层损失率取值为0.87%～0.96%。假设活动门顶面为圆形隧道的顶点处,地表沉降槽体积等于地层损失体积。隧道开挖变形在断面分布存在不均匀性,Rui等[17]通过活动门试验证明,地层损失的不均匀性在活动门顶面1.5倍活动门宽度高度消失,以上的部分变形只与下沉体积有关。因此,可以采用活动门试验装置模拟隧道开挖。
1.4 试验安排
选择侧限宽度w,开挖距离s（开挖边缘至一侧挡墙）,开挖宽度B作为试验影响参数。其中w取600,450,300 mm,s取225,150,75 mm,B取225,150,75 mm。将隧道中心位置深度作为隧道埋深H,对于各组试验均取为600 mm,试验安排表见表1。
表 1 试验安排Table 1. Test arrangement编号 隧道埋深H/mm 侧限宽度w/mm 开挖宽度B/mm 开挖距离s/mm H/w H/B H/s S1 600 600 75 225 1.0 8.00 2.67 S2 600 600 75 150 1.0 8.00 4.00 S3 600 600 75 75 1.0 8.00 8.00 S4 600 600 150 225 1.0 4.00 2.67 S5 600 600 150 150 1.0 4.00 4.00 S6 600 600 150 75 1.0 4.00 8.00 S7 600 600 225 150 1.0 2.67 4.00 S8 600 600 225 75 1.0 2.67 8.00 S9 600 450 75 150 1.3 8.00 4.00 S10 600 450 75 75 1.3 8.00 8.00 S11 600 450 150 150 1.3 4.00 4.00 S12 600 450 150 75 1.3 4.00 8.00 S13 600 450 225 75 1.3 2.67 8.00 S14 600 300 75 75 2.0 8.00 8.00 S15 600 300 150 75 2.0 4.00 8.00 试验开始前,调节挡土板位置至设定的侧限宽度。分层填筑钢棒,每层填筑完毕后记录载荷计应变值,再进行下一层的填筑,直至达到指定高度。填筑结束后,控制活动门下降的位移,每移动0.01 mm采集一张图像,并记录相应的载荷计数据,直到下降位移为40 mm时停止。
2. 隧道开挖对临近地下结构土压力的影响规律
2.1 试验结果
（1）静止土压力
为了方便对比,对深度z做标准化处理。不同侧限宽度w下,以试验S1、S9和S14为例,挡土板上作用的静止土压力随深度的关系如图3所示。将试验结果与不考虑摩擦影响的Jaky法[17]和考虑两侧箱体摩擦效应影响的Janssen法[18]计算结果进行对比。
Jaky法：
σo=γz[(1−sinφ)1+23sinφ1+sinφ], (2) 式中,
φ 为土内摩擦角,γ 为土体重度,z为挡土墙深度。Janssen法：
σo=γ⋅B2μ[1−exp(−2k0μzB)], (3) 式中,B为填土宽度,μ表示墙土摩擦系数,μ=tan
δ ,δ 为墙土摩擦角。从图3可以看出：
a）埋深较浅时,土压力基本呈线性分布。随着埋深的增大,土压力呈现非线性分布,其主要原因是填料箱两侧摩擦力的影响。侧限宽度越小,摩擦影响越明显,w=300 mm的试验S14埋深较浅时侧向土压力亦出现了较大的偏差。
b）挡土墙实测土压力值介于Jaky公式和Janssen公式计算值。在侧限宽度较小时,接近考虑两侧摩擦影响的Janssen公式计算值,在侧限宽度较大时,接近不考虑摩擦影响的Jaky公式计算值。
（2）土压力随活动门下沉变化
为了探究隧道开挖过程中,临近地下结构挡墙土压力的变化规律,试验S3,S10,S14土压力增量Δp随活动门下沉的土压力分布变化如图4所示。
![]()
图 4 活动门下沉过程中的土压力分布Figure 4. Distribution of earth pressure during sinking of trapdoor从图4可以看出：随着活动门的下沉,挡墙底部土压力减小,而上部一定深度以上的挡墙土压力增加,存在一个转折点。在活动门下沉量较小时,随着活动门下沉量的增加,挡墙底部土压力的减小量越来越大,而转折点上方的土压力增加量也提高,同时转折点逐渐升高；在活动门下沉量大于5 mm后,土压力变化值趋于稳定。
为了对这一现象进行深入分析,取S3,S10,S14三组试验在活动门下沉量Δ=5 mm时的位移云图,见图5。从图5可以看到,挡墙底部土压力减小的位置基本位于活动门下沉影响区域下方。挡墙土压力变化可能与土拱效应有关,转折点上方填料内部形成了以活动门右侧底部固定边界与挡墙为拱脚的拱结构。拱结构形成了“架空”效应,使得转折点上方挡墙土压力增大、下方的土压力减小。当活动门下沉距离增加时,挡墙与活动门右侧边界形成的架空拱结构不断上升,土压力增量转折点抬高。同时,在图5上作出土体位移扩散角α,从图5看出,随着侧限宽度的减小,土体位移扩散角也逐渐减小。
2.2 隧道埋深与宽度比影响
为了研究隧道埋深与宽度比H/B对土压力的影响,按照不同的隧道埋深与开挖宽度比（H/B为8,4,2.67）,取侧限宽度w与开挖距离s相同的试验组,将S2,S5,S7（w=600 mm,s=150 mm）和S3,S6,S8（w=600 mm,s=75 mm）以及S10,S12,S13（w=450 mm,s=75 mm）各分为一组。实际地层损失率一般不大于1%,取损失率0.85%,对应开挖宽度75,150,225 mm的活动门下沉量分别为0.5,1,1.5 mm。在对应的活动门下沉量下,各组挡墙土压力增量Δp与隧道埋深z/H关系如图6所示。
![]()
图 6 不同隧道埋深与宽度比挡墙土压力增量变化Figure 6. Variation of increment of earth pressure with different ratios of excavation depth to width从图6可以看出,相同的地层损失率条件下,H/B越小,相同的开挖高度下开挖宽度越大,土体损失量绝对值越大,卸荷越明显,导致挡墙底部土压力减小。转折点上方的土拱效应有所加强,导致转折点上方土压力增加,挡土墙土压力变化的转折点有所抬高。
2.3 隧道埋深与侧限宽度比影响
为了研究隧道埋深与侧限宽度比H/w对土压力的影响,取地层损失率为0.85%,按照不同的隧道埋深与侧限宽度比（H/w为1.0,1.3,2.0）,取开挖距离s与开挖宽度B相同的试验组,将S3,S10,S14（s=75 mm,B=75 mm）和S6,S12,S15（s=75 mm,B=150 mm）各分为一组,各组挡墙土压力增量Δp与隧道埋深z/H关系如图7所示。
![]()
图 7 不同隧道埋深与侧限宽度比下挡墙土压力增量变化Figure 7. Variation of increment of earth pressure with different rations of excavation depth to lateral width从图7可以看出,随着开挖深度与侧限宽度比H/w的增大,挡土墙底部土压力减小的值越大,减小的范围越来越大,但转折点上方的土压力受影响而增大的现象减弱,说明在两侧侧限的条件下开挖,易引起挡土结构土压力大大减小。
2.4 隧道埋深与开挖距离比影响
为了研究隧道埋深与开挖距离比H/s对土压力的影响,取地层损失率为0.85%,按照不同的隧道埋深与开挖距离比（H/s为2.67,4.00,8.00）,取侧限宽度w与开挖宽度B相同的试验组,将S1,S2,S3（w=600 mm,B=75 mm）和S4,S5,S6（w=600 mm,B=150 mm）各分为一组,各组挡墙土压力增量Δp与隧道埋深z/H关系如图8所示。
![]()
图 8 不同隧道埋深与开挖距离比下挡墙土压力增量变化Figure 8. Variation of increment of earth pressure with different ratios of excavation depth to distance从图8可以看出,当H/s=8,开挖距离为75mm时,挡墙上部土压力增量急剧变化。当H/s为2.67,4时,挡墙土压力增量变化越小。说明开挖距离越远,地下开挖对挡土墙土压力的影响越小,当H/s达到2.67时,开挖对上部挡墙结构上部分土压力的影响几乎可以忽略。
3. 隧道开挖对侧限土体地表沉降影响规律
3.1 隧道埋深与宽度比影响
为了研究隧道埋深与宽度比H/B对上覆土体地表沉降曲线的影响,仍控制地层损失率为0.85%。按照不同的隧道埋深与开挖宽度比（H/B为8.00,4.00,2.67）,取侧限宽度w与开挖距离s相同的试验组,将S2,S5,S7（w=600 mm,s=150 mm）和S3,S6,S8（w=600 mm,s=75 mm）以及S10,S12,S13（w=450 mm,s=75 mm）各分为一组,各组地表沉降曲线如图9所示。
![]()
图 9 不同隧道埋深与宽度比地表沉降曲线Figure 9. Curves of surface settlement with different ratios of excavation depth to width由图9可知,在非对称开挖的情况下,地表沉降曲线表现出“勺子”形,在H/B较小时,曲线曲率较大,曲线比较陡峭,H/B较大时,曲线曲率较小,曲线比较平缓；随着埋深与宽度之比H/B的减小,相同的开挖高度下开挖宽度越大,土体损失量绝对值越大,地表沉降曲线最大位移逐渐增加；同时可以看到,侧限宽度减小时,地表沉降曲线趋于平缓。
3.2 隧道埋深与侧限宽度比影响
为了研究隧道埋深与侧限宽度比H/w对上覆土体地表沉降曲线的影响,取地层损失率为0.85%,按照不同的隧道埋深与侧限宽度比（H/w为1.0,1.3,2.0）,取开挖距离s与开挖宽度B相同的试验组,将S3,S10,S14（s=75 mm,B=75 mm）和S6,S12,S15（s=75 mm,B=150 mm）各分为一组,各组地表沉降曲线如图10所示。
![]()
图 10 不同隧道埋深与侧限宽度比地表沉降曲线Figure 10. Curves of surface settlement with different ratios of excavation depth to lateral width由图10可以看出,在H/w=2时,地表沉降最大值较大,曲线曲率较大,在H/w为1.0,1.3时,地表沉降最大值较小,曲线比较平缓。
3.3 隧道埋深与开挖距离比影响
为了研究隧道埋深与开挖距离比H/s对上覆土体地表沉降曲线的影响,取地层损失率为0.85%,按照不同的隧道埋深与开挖距离比（H/s为2.67,4.00,8.00）,取侧限宽度w与开挖宽度B相同的试验组,将S1,S2,S3（w=600 mm,B=75 mm）和S4,S5,S6（w=600 mm,B=150 mm）各分为一组,各组地表沉降曲线如图11所示。
![]()
图 11 不同隧道埋深与开挖距离比地表沉降曲线Figure 11. Curves of surface settlement with different ratios of excavation depth to distance由图11可知,隧道埋深与开挖距离比H/s越大,地表沉降最大值越大,土体表面沉降曲线曲率越大,同时,由于不对称性,曲线呈现“勺子”形。随着隧道埋深与开挖距离比的减小,地表沉降曲线的沉降最大值逐渐减小,曲率也逐渐减小。
4. 侧限情况下Peck经验预测公式修正
4.1 现有的计算方法
Peck假定在不排水的情况下,地下开挖引起的地表沉降槽的体积等于地层损失的体积,在隧道开挖方向上地层损失均匀分布,提出了横向地表沉降槽近似呈正态分布,并给出了地表沉降预测的预测公式。
S(x)=AVli√2π⋅exp(−x22i2)≈AVl2.5i⋅exp(−x22i2)。 (4) 式中 S(x)为地面任一点的沉降值；x为计算点到对称中心的距离；A为开挖面积；i为沉降槽宽度,指从沉降曲线对称中心到拐点的距离,
i=H√2πtan(π/2−φ), (5) 其中,H为隧道中心点埋深。
由于Peck公式是基于有限地区的实测资料提出的经验公式,对于侧限土体条件是否适用,需要进一步的探讨。
4.2 实测值与Peck公式预测值的对比
以下探讨H/B,H/w,H/s对地表沉降曲线的影响,由于存于非对称的情况,将式（4）修正为
S(x)=AVl2.5i⋅exp(−(x+w/2s−B/2)22i2)。 (6) 试验S3,S12,S15地表沉降曲线实测值与由式（5）,（6）计算出的表面沉降预测值如图12所示。
由图12可知,侧限条件下,实测值与Peck公式预测值存在较大差异。实测地表沉降曲线最大值远大于预测值,曲线曲率也存在一定的差异。
4.3 侧限条件下Peck公式的修正
针对Peck公式不再适用于侧限条件的情况,引入地表沉降最大值修正系数C1和沉降槽宽度修正系数C2,并将Peck公式改写为
S(x)=C1⋅AVl2.5i⋅exp(−(x+w/2−s−B/2)22(C2⋅i)2)。 (7) 预留S7,S11两组试验进行后期验证,其余组拟合得到的C1,C2的值见表2。
表 2 修正系数拟合结果Table 2. Fitted correction coefficients编号 H/w H/B H/s C1 C2 S1 1.0 8.00 2.67 1.72 0.80 S2 1.0 8.00 4.00 2.25 0.61 S3 1.0 8.00 8.00 2.43 0.50 S4 1.0 4.00 2.67 1.62 0.83 S5 1.0 4.00 4.00 1.96 0.63 S6 1.0 4.00 8.00 2.13 0.43 S8 1.0 2.67 8.00 2.09 0.60 S9 1.3 8.00 4.00 2.41 0.51 S10 1.3 8.00 8.00 2.68 0.45 S12 1.3 4.00 8.00 2.30 0.52 S13 1.3 2.67 8.00 2.12 0.62 S14 2.0 8.00 8.00 3.13 0.46 S15 2.0 4.00 8.00 2.75 0.43 为了判定C1,C2与H/B,H/w,H/s之间的关系式,取相同参数的平均值进行拟合分析,见图13～15。
![]()
图 13 C1,C2与H/B关系式Figure 13. Relationship between correction coefficients and ratio of excavation depth to width![]()
图 14 C1,C2与H/w关系式Figure 14. Relationship between correction coefficients and ratio of excavation depth to lateral width![]()
图 15 C1,C2与H/s关系式Figure 15. Relationship between correction coefficients and ratio of excavation depth to distance从图13～15可以发现,C1,C2与H/B,H/w均存在幂函数关系。通过多元非线性拟合,得到多元非线性回归方程式为
C1=1.03⋅(Hw)0.34⋅(HB)0.19⋅(Hs)0.23, (8) C2=1.55⋅(Hw)−0.16⋅(HB)−0.17⋅(Hs)−0.4。 (9) 4.4 修正后的Peck公式的验证
S7,S11实测值与修正后的Peck公式计算值的对比见图16。
从图16可以看出,引入地表沉降最大值修正系数C1和沉降槽宽度修正系数C2后,拟合情况良好,实测值与理论值误差较小。
5. 结论
（1）侧限条件下,挡土墙土压力值介于Jaky公式和Janssen公式计算值之间。在侧限宽度较小时,呈非线性分布,接近考虑两侧摩擦影响的Janssen公式计算值。在侧限宽度较大时,基本呈线性分布,接近不考虑摩擦影响的Jaky公式计算值。
（2）地下开挖过程中,随着活动门的下沉,地下结构挡墙底部土压力急剧减小,当埋深小于一定的深度时,挡墙土压力增量开始反转,挡墙土压力增加,随着活动门下沉距离的增加,挡墙底部土压力的减小量越来越大,上部土压力增大的部分的增加量也越来越大,转折点逐渐升高。
（3）地下开挖过程中,隧道埋深与宽度之比H/B的越小,挡墙底部土压力减小值越大,上部土压力增大部分的土压力增加值也略有变大,转折点逐渐升高。同时,地表沉降曲线最位移逐渐增加,曲率逐渐增大。
（4）隧道埋深与侧限宽度之比H/w越大,挡土墙土压力减小的范围越来越大。同时,上覆土体表面沉降值越大,曲线曲率也越大。
（5）隧道埋深与开挖距离之比H/s越大,挡土结构土压力变化越明显,地下开挖对挡土墙土压力的影响越大。同时,上覆土体表面沉降曲线最大沉降值越大。
（6）针对城市侧限条件下Peck公式不再适用的情况,引入地表沉降最大值修正系数C1和沉降槽修正系数C2,采用多元非线性拟合得到C1,C2与H/B,H/w,H/s之间的关系式。通过验证,修正后Peck公式预测效果较好。
由于钢棒相似土重度较大,采用钢棒相似土可以缩小相似比,但试验的尺寸仍然较实际工程中的盾构隧道尺寸有一定差距。因此,试验得到的公式修正系数还有待根据实测结果进一步确定。
-
![]()
图 7 数值模型合理性验证中荷载位移边界条件
Figure 7. Boundary conditions of load and displacement in numerical models for verification
![]()
图 10 衬砌环内力(实线表示弯矩，虚线表示轴力)
Figure 10. Internal forces of lining rings (solid and dotted lines represent bending moments and axial forces, respectively)
![]()
图 12 50 m埋深、0.6 MPa内水压时衬砌环纵缝螺栓应力
Figure 12. Stresses of bolts in segmental joints of lining rings with buried depth of 50 m and internal water pressure of 0.6 MPa
![]()
图 13 隧道顶部埋深变化时衬砌截面偏心距
Figure 13. Eccentricities of lining sections under change of buried depth of tunnel
表 1 衬砌环外侧土压力
Table 1 Earth pressures outside lining rings
埋深/m p/kPa pk/kPa q1/kPa q2/kPa 30 540 585 420 560 40 720 765 560 700 50 900 945 700 840 
下载: 导出CSV
表 2 衬砌环纵缝螺栓最大应力
Table 2 Maximum stresses of bolts at segmental joints of lining rings
内水压/
MPa30 m埋深 40 m埋深 50 m埋深 通缝结构螺栓应力/MPa 错缝结构螺栓应力/MPa 通缝结构螺栓应力/MPa 错缝结构螺栓应力/MPa 通缝结构螺栓应力/MPa 错缝结构螺栓应力/MPa 0.1 70.9 61.8 90.0 71.4 112.8 84.7 0.3 176.2 142.9 189.7 147.7 200.8 156.5 0.6 542.7 371.5 481.3 317.5 428.0 303.8
下载: 导出CSV
-
[1] 周龙, 朱合华, 闫治国, 等. 深埋高内水压盾构隧道管片衬砌力学特性足尺试验研究[J]. 土木工程学报, 2022, 55(9): 94-105, 117. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC202209009.htm ZHOU Long, ZHU Hehua, YAN Zhiguo, et al. Full-scale loading test on mechanical properties of deep-buried shield segmental linings bearing high inner water pressure[J]. China Civil Engineering Journal, 2022, 55(9): 94-105, 117. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC202209009.htm
[2] 王建平, 何贞俊, 潘文慰, 等. 广州深隧排水系统东濠涌试验段物理模型试验研究[J]. 中国给水排水, 2020, 36(23): 108-112. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GSPS202023022.htm WANG Jianping, HE Zhenjun, PAN Wenwei, et al. Physical model test of Donghaochong test section of deep tunnel drainage system in Guangzhou city[J]. China Water & Wastewater, 2020, 36(23): 108-112. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GSPS202023022.htm
[3] 安瑞冬, 游景皓, 廖磊, 等. 深层隧道排水系统中井隧水力学特性研究[J]. 水利学报, 2021, 52(12): 1498-1507. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202112010.htm AN Ruidong, YOU Jinghao, LIAO Lei, et al. Study on the hydraulic characteristics of dropshaft and tunnel in the deep tunnel drainage system[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2021, 52(12): 1498-1507. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SLXB202112010.htm
[4] 朱建文, 孟晗, 闫治国, 等. 高承载力盾构管片接头预埋件抗拉性能试验[J]. 中国公路学报, 2017, 30(8): 149-155. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL201708017.htm ZHU Jiannwen, MENG Han, YAN Zhiguo. Test of tensile performance for embeded part with high bearing capability of segment joints in shield tunnel[J]. China Journal of Highway and Transport, 2017, 30(8): 149-155. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL201708017.htm
[5] GUO R, ZHANG M Y, XIE H M, et al. Model test study of the mechanical characteristics of the lining structure for an urban deep drainage shield tunnel[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 91: 103014. doi: 10.1016/j.tust.2019.103014
[6] 刘威, 王祺, 庄欠伟, 等. 深埋排水调蓄盾构隧道管片1∶1力学试验系统的研发与应用[J]. 中国公路学报, 2020, 33(2): 103-113, 157. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL202002010.htm LIU Wei, WANG Qi, ZHUANG Qian-wei, et al. Development and application of a 1∶1 mechanical testing system for deeply-buried water storage and sewage shield tunnel[J]. China Journal of Highway and Transport, 2020, 33(2): 103-113, 157. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGL202002010.htm
[7] HUANG X, LIU W, ZHANG Z X, et al. Exploring the three-dimensional response of a water storage and sewage tunnel based on full-scale loading tests[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2019, 88: 156-168.
[8] HUANG X, LIU W, ZHANG Z X, et al. Structural behavior of segmental tunnel linings for a large stormwater storage tunnel: insight from full-scale loading tests[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2020, 99: 103376.
[9] ZHANG Z X, LIU W, HUANG X, et al. Exploring the three-dimensional response of water storage and sewage tunnel based on 3D finite element modeling[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2022, 120: 104269.
[10] ZHOU L, ZHU H H, SHEN Y, et al. Full-scale experimental investigation on progressive failure characteristics of shield segmental lining connected through segmental joints containing ductile-iron joint panels[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2022, 22: 120.
[11] ZHOU L, SHEN Y, GUAN L X, et al. Full-scale experiment for segmental linings of deep-buried shield tunnels bearing high inner water pressure: comparison of mechanical behaviors of continuous- and stagger-jointed structures[J]. Underground Space, 2023, 8: 252-266.
[12] 丁发兴, 余志武. 混凝土受拉力学性能统一计算方法[J]. 华中科技大学学报(城市科学版), 2004, 21(3): 29-34. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCJ200403008.htm DING Faxing, YU Zhiwu. Unified calculation method of mechanical properties of concrete in tension[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Urban Science), 2004, 21(3): 29-34. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHCJ200403008.htm
[13] 余志武, 丁发兴. 混凝土受压力学性能统一计算方法[J]. 建筑结构学报, 2003, 24(4): 41-46. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJB200304005.htm YU Zhiwu, DING Faxing. Unified calculation method of compressive mechanical properties of concrete[J]. Journal of Building Structures, 2003, 24(4): 41-46. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJB200304005.htm
[14] SU D, CHEN W J, WANG X T, et al. Numerical study on transverse deformation characteristics of shield tunnel subject to local soil loosening[J]. Underground Space, 2022, 7(1): 106-121.
[15] KOYAMA Y. Present status and technology of shield tunneling method in Japan[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2003, 18(2/3): 145-159.
[16] 廖少明, 门燕青, 肖明清, 等. 软土盾构法隧道纵向应力松弛规律的实测分析[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(5): 795-803. doi: 10.11779/CJGE201705003 LIAO Shaoming, MEN Yanqing, XIAO Mingqing, et al. Field tests on longitudinal stress relaxation along shield tunnel in soft ground[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(5): 795-803. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE201705003
[17] 柳献, 杨振华, 门燕青. 盾构隧道环间纵向压力时变规律研究[J]. 岩土工程学报, 2021, 43(1): 188-193. doi: 10.11779/CJGE202101022 LIU Xian, YANG Zhenhua, MEN Yanqing. Temporal variation laws of longitudinal stress on cross section of shield tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2021, 43(1): 188-193. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202101022
[18] CHEN R P, CHEN S, WU H N, et al. Investigation on deformation behavior and failure mechanism of a segmental ring in shield tunnels based on elaborate numerical simulation[J]. Engineering Failure Analysis, 2020, 117: 104960.
[19] 黄宏伟, 徐凌, 严佳梁, 等. 盾构隧道横向刚度有效率研究[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(1): 11-18. http://www.cgejournal.com/cn/article/id/11891 HUANG Hongwei, XU Ling, YAN Jialiang, et al. Study on transverse effective rigidity ratio of shield tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(1): 11-18. (in Chinese) http://www.cgejournal.com/cn/article/id/11891
[20] 王士民, 申兴柱, 何祥凡, 等. 不同拼装方式下盾构隧道管片衬砌受力与破坏模式模型试验研究[J]. 土木工程学报, 2017, 50(6): 114-124. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC201706013.htm WANG Shimin, SHEN Xingzhu, HE Xiangfan, et al. A model test for the mechanical property and failure mode of lining segments with different assembly types of shield tunnel[J]. China Civil Engineering Journal, 2017, 50(6): 114-124. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC201706013.htm
-
期刊类型引用(14)
1. 刘小锐，张晗. 盾构隧道下穿施工对严重倾斜挡墙影响及加固措施分析. 粉煤灰综合利用. 2025(01): 145-149 . 
百度学术
2. 余鹏. 盾构隧道穿越在建PBA车站风险控制技术研究. 铁道标准设计. 2025(04): 148-156 . 百度学术
3. 马昭，张明礼，段旭晗，赵博. 大断面浅埋隧道地表沉降Peck修正公式及其应用. 长江科学院院报. 2024(03): 118-125 . 百度学术
4. 陈湘生，全昭熹，陈一凡，沈翔，苏栋. 极端环境隧道建造面临的主要问题及发展趋势. 隧道建设(中英文). 2024(03): 401-432 . 百度学术
5. 张子新，李小昌，李佳宇. 软土地层盾构掘进土体稳定性模型试验研究. 土木与环境工程学报(中英文). 2024(03): 41-51 . 百度学术
6. 刘彦良. 水下大直径盾构下穿施工对防汛大堤影响研究. 建筑机械. 2024(07): 142-146 . 百度学术
7. 黄震，黄侦谦，侯东祥，尤伟军，管世玉. 盾构掘进对浅基础建筑物的扰动及影响分区研究. 科技通报. 2024(07): 97-106 . 百度学术
8. 高泉平，杨硕，芮瑞，张泉，聂利文，孙天健. 邻近挡土结构隧道开挖引起地层变形的试验研究. 武汉理工大学学报. 2023(09): 75-82 . 百度学术
9. 张恒旭. 某过江隧道江心洲防洪大堤开挖对周围环境的影响分析. 工程技术研究. 2022(09): 13-17 . 百度学术
10. 王智德，武海港，杨文东，李杰，李根，刘奇. 地铁隧道近距离侧穿邻近桩基影响的试验研究. 武汉理工大学学报. 2022(06): 69-77 . 百度学术
11. 王长虹，马铖涛，吴昭欣，王昆，汤道飞. CPTU数据校准黏土和砂土统一模型本构参数的随机力学-贝叶斯方法. 土木工程学报. 2022(10): 101-116 . 百度学术
12. 董立波. 上软下硬复合地层中盾构下穿既有建筑物受力性能研究. 智能城市. 2021(04): 15-16 . 百度学术
13. 芮瑞，翟玉新，徐杨青，何清. 邻近地层损失对地下挡土结构土压力与地表沉降影响试验研究. 岩土工程学报. 2021(04): 644-652 . 本站查看
14. 魏勇，许强，王卓，李骅锦，李松林. 动态摄影测量在物理模型实验全过程地形数据获取中的应用. 地球科学进展. 2020(10): 1087-1098 . 百度学术
其他类型引用(11)
-
其他相关附件
计量
- 文章访问数: 746
- HTML全文浏览量: 82
- PDF下载量: 270
- 被引次数: 25
