CN106897475B - 一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法及其系统，根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程；根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式；在考虑最大注浆压力条件下和不考虑注浆压力条件下，得到最小覆土层厚度取值范围，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。
Description
技术领域
本发明涉及覆土层厚度的确定方法，尤其涉及一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法及其系统。
背景技术
目前，随着经济发展以及交通需求的增长，我国城市地下交通系统的建设进入高峰期，许多城市交通隧道的设计选线无法避开河道和湖泊。在盾构施工中，当盾构机穿越江、海、河和湖时，由于隧道使用线路上的限制及工程造价等原因，使得有时隧道所处位置的上覆土层较浅，如越江隧道、城市地铁隧道施工中穿越河道及湖底等情况。当上覆土层厚度小于1.0D～1.5D(D为开挖外径)时，必须对隧道上覆问题进行研究。在国内外，盾构隧道修建中遇到这一难题的工程实例也不在少数，例如：德国第4条易北河隧道直径为12.33m，最浅处土层的厚度只有7m；我国上海黄浦江复兴东路—大连路隧道最浅覆土仅为5.5m，不足盾构直径的一半；南京地铁南北一期工程，在盾构机穿越秦淮河时，河底标高距隧道顶仅为0.97m，不足隧道直径的1/6；长沙南湖路湘江公路隧道江中段最浅覆土仅为6.73m，约为盾构开挖外径的0.58倍。可以预见，越江跨海盾构隧道建设不可避免的要遇到上覆土层较浅的问题。
目前水下隧道最小覆土层厚度的确定方法主要应用于钻爆法施工的水下隧道工程中，而盾构法施工的水下隧道工程最小覆土厚度确定方法目前较少，局限性较大，且以工程经验法为主，最小覆土层厚度的确定过程中也未能考虑地层条件及施工荷载的影响，造成最小覆土层厚度计算结果偏保守，大幅增加工程造价，无法满足目前浅覆水下盾构隧道建设快速发展的需要。
发明内容
本发明目的在于提供一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法及其系统，以解决现有浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法局限性较大，不考虑工程条件及施工环境影响的现有技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法，包括：
步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程。
步骤S2：根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式。
步骤S3：在考虑最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。
优选地，步骤S1中，隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程为：
其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度。
优选地，步骤S2中最小覆土厚度的计算公式：
为实现上述目的，本发明还公开了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定系统，包括：
数据录入模块：用于输入隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数。
数据处理模块：用于根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立的隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程和最小覆土厚度的计算公式计算在最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，输出最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，供用户结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。
优选地，数据处理模块中隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程：
其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度。
优选地，数据处理模块中最小覆土厚度的计算公式：
其中，k为侧压力系数，c、
分别为土体粘聚力和内摩擦角，R为盾构隧道管片外径，γg为浆液重度，γ为上覆土浮重度，μ为邻接管片间的摩擦系数。
本发明具有以下有益效果：
本发明考虑了多种影响浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定的因素，基于这些因素建立的隧道上覆土的力学平衡方程，与现场实际更为接近，求解结果更加准确可信。本发明还在于考虑上述因素建立的上覆土力学平衡方程，可分别求解得到考虑最大注浆压力和不考虑注浆压力两种极端工况下隧道上覆土处于极限平衡状态时的最小覆土厚度值，该区间即为工程最小覆土层厚度的合理取值范围。之后可根据地层条件，按线性插值的方法进行合理取值。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本实施例浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法流程图；
图2是本实施例最小覆土厚度确定方法示意图；
图3(a)和图3(b)是本实施例最小覆土厚度条件下数值分析示意图；
图4(a)和图4(b)是本实施例未受注浆压力与受最大注浆压力作用下管片内力示意图；
图5是本实施例不同外径条件下两种方法得出的最小覆土厚度值。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1，本发明的一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法，包括：
步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程。
步骤S2：根据隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式。
步骤S3：在考虑最大注浆压力条件下(最不利条件)和忽略注浆压力条件(最保守条件)下，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。
参见图2，步骤S1中，隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程为：
其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面。
根据几何方程推导可得：
dx＝cosθdl
dy＝sinθdl
σ＝kγy sinθ
其中，k为侧压力系数，c、
分别为土体粘聚力和内摩擦角，h为最小覆土厚度，γ为上覆土浮重度。
根据摩尔库伦破坏准则可得：
步骤S1中P0可由下式求得：
其中，F浮为隧道上覆破坏土体所承受的浮力，R为盾构隧道管片外径，G为管片重力。
F浮可由下式求得：
其中，γg为浆液重度，μ为邻接管片间的摩擦系数，Ni为第i个纵向螺栓的预紧力，B为管片宽度，Fj为最大注浆压力，以工程实际最大注浆压力为准。
当忽略注浆压力时，F浮可由下式求得：
将上述所有公式代入平衡方程中，且yA＝0，yC＝h可得：
对上述公式积分可得：
根据上述公式可推导出最小覆土厚度h的计算公式：
根据极限平衡的思想，通过上述的推导得到最小覆土厚度的计算公式，并且在考虑注浆压力和忽略注浆压力条件下，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值。该大小边界值即为最小覆土层厚度的合理取值范围，工程上可根据具体情况进行取值。
某浅覆水下盾构隧道连接水面东西两岸，隧道管片外径5.65m，内径5.15米，管片宽度2m，管片重度25kN/m3，管片环间通过纵向均布的36条M30斜螺栓连接，纵向螺栓预紧力为6.5kN，管片环间摩擦系数为0.6，同步注浆浆液重度为15kN/m3，最大注浆压力0.2MPa。隧道围岩主要为强风化砾岩，根据勘察报告，该隧道围岩为Ⅴ级围岩，地层饱和重度23.5kN/m3，地层粘聚力0.2kPa，内摩擦角为38°，静止侧压力系数为0.33。通过计算得到最小覆土厚度取值范围为3.43m～6.21m。考虑到地层为Ⅴ级围岩，地层条件一般，在实际设计时地层最小覆土厚度应取较大值，基于线性插值的方法，选取本工程最小覆土厚度值h＝5.75m。之后综合考虑两岸接线难度和安全系数储备等因素，最终确定本工程最小覆土层厚度h＝6.75m。
参见图3，图3所示为按最小覆土层厚度6.75m建立数值模型，分析盾构隧道在上浮力作用下结构安全和覆土变形情况。从数值计算结果可知，在最大注浆压力作用下，隧道管片有向上移动的趋势，计算上浮量为32.2mm，对管片上覆地层产生一定扰动，但并未出现剪切破坏面，说明上覆土足够保持稳定，不会发生顶破现象。
参见图4，管片结构未受注浆压力作用时，最大弯矩为474kN·m，最大轴力2859kN，受最大注浆压力作用时，最大弯矩为520kN·m，最大轴力3163kN。受最大注浆压力作用后，轴力和弯矩均有所增长，但总体仍处于规范规定的安全范围内。现场监控量测结果也表明隧道结构受力与变形较小。因此可认为，按最小覆土层厚度6.75米进行设计与施工，可确保隧道结构的安全与稳定。
根据《道路隧道设计规范》给出的最小覆土层厚度确定方法计算得到本工程最小覆土层厚度为11.43m。综合考虑线路调整情况，隧道埋深总体减小了约4.68m。在相同接地点高程和纵坡条件下，依据本发明确定的隧道长度缩短了约200米，按水下盾构隧道每延米16万元人民币造价估算，直接工程建设费用减少3200万元人民币。此外，本发明确定的浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度的确定方法，满足了两岸的接线要求，充分发挥了隧道的跨越和分流功能，所产生的社会效益和环境效益显著。
参见图5，在其他条件一致的情况下，本发明提供的浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度计算方法比传统的规范算法得出的计算值要小，且随着隧道直径的增大，其结果相差越大。实际上，随着隧道直径的增大，对埋深要求也增大。所以传统的不考虑现场施工因素及土体剪切力的计算方法会得到不太合理的埋深，而且这种误差随着隧道直径的增大，增长速度加快。在进行大直径盾构隧道最小覆土厚度设计过程中，本发明得出的结果更加符合实际，合理地减小了隧道埋深，节约了工程建设成本。
与上述方法相对应的，本实施例还公开了一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定系统，包括：
数据录入模块：用于输入隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数。
数据处理模块：用于根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立的隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程和最小覆土厚度的计算公式计算在最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，输出最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，供用户结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。
优选地，数据处理模块中隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程：
其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面。
优选地，数据处理模块中最小覆土厚度的计算公式：
其中，k为侧压力系数，c、
分别为土体粘聚力和内摩擦角，R为盾构隧道管片外径，γg为浆液重度，γ为上覆土浮重度，μ为邻接管片间的摩擦系数，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度。
依托上述系统，只需要通过参数的输入即可快速的得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值。此后便可以该大小边界值为基准，供用户根据实际状况来确定最小覆土层的厚度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程，隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程：
其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度；
步骤S2：根据所述平衡方程，综合考虑隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数得到最小覆土厚度的计算公式，最小覆土厚度的计算公式：
其中，k为侧压力系数，c、
分别为土体粘聚力和内摩擦角，R为盾构隧道管片外径，γg为浆液重度，γ为上覆土浮重度，μ为邻接管片间的摩擦系数；
步骤S3：根据所述最小覆土厚度的计算公式，分别计算在最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，得到最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度。
2.一种浅覆水下盾构隧道最小覆土层厚度确定系统，其特征在于，包括：
数据录入模块：用于输入计算最小覆土厚度所需的隧道管片外径和内径、管片重度、管片环间螺栓连接的螺栓预紧力、管片环间摩擦系数、同步注浆浆液重度、地层饱和重度、地层摩擦角和静止侧压力系数；
数据处理模块：用于根据极限平衡的思想，由∑Y＝0建立的隧道上覆土处于极限平衡状态时的平衡方程和最小覆土厚度的计算公式计算在最大注浆压力条件下和忽略注浆压力条件下的最小覆土层厚度值，输出最小覆土层厚度取值范围的大小边界值，供用户结合包括地层围岩种类、两岸接线难度和安全系数储备因素，最终确定最小覆土层厚度，覆土处于极限平衡状态时的平衡方程：
其中，σ、τ分别为破裂面上的法向应力与切向应力，θ为上覆土体发生剪切破坏时的破坏面与水平面的夹角，P0为管片浮力对土柱底部的作用力，W为上覆土破裂体重力，AC为沿X轴方向夹角为θ的剪切破坏面，且yA＝0，yC＝h，yA和yC为A和C在Y轴方向的长度；
最小覆土厚度的计算公式：
其中，k为侧压力系数，c、
分别为土体粘聚力和内摩擦角，R为盾构隧道管片外径，γg为浆液重度，γ为上覆土浮重度，μ为邻接管片间的摩擦系数。
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| 浅埋盾构隧道端头土体稳定性极限平衡分析;宋克志等;《岩石力学与工程学报 工程科技II》;20150228(第2期);全文 * |
| 钱塘江盾构越江隧道最小覆土厚度的确定;沈林冲等;《岩土力学》;20110110;第32卷(第1期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106897475A (zh) | 2017-06-27 |
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