[发明专利]盾构隧道管片上浮量计算方法

说明书

本发明提供了一种盾构隧道管片上浮量计算方法，在不考虑管片自身变形的情况下，综合考虑浆液凝固特性及上覆土层压缩特性对大直径盾构隧道管片上浮量的影响，包括计算管片在浆液中的上浮量S₁及计算上覆土引起的管片上浮量S₂，其中，S₁的计算公式为：S₂的计算公式为：管片总上浮量S为S₁与S₂之和，本发明计算方法用以预测管片脱离盾尾之后的上浮量，为盾构法施工提供参考。

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，具体来说涉及一种盾构隧道管片上浮量计算方法。

背景技术

随着我国城市化建设的发展，隧道工程越来越成为缓解城市交通压力的主要方式。在城市区域进行的隧道建设多为大直径的公路隧道，主要采用盾构法进行开挖施工。大量监测数据表明，在大直径盾构隧道的施工过程中，衬砌管片脱离盾尾之后容易发生上浮现象。管片的受力上浮会导致隧道轴线偏移、管片错台与破损、环间螺栓剪断以及渗漏水等安全事故，也会造成地面隆起，引起地面建筑的损坏，影响隧道的施工及安全运营。

导致管片上浮的原因有很多，如浆液产生的浮力、注浆压力及施工扰动等。如图1至图3所示，在盾构隧道施工过程中，衬砌管片脱离盾尾之后，管片与土层之间存在空隙，需要对此空隙进行注浆填充，这个过程被称为同步注浆。刚注入的浆液尚未凝固呈液体状态，此时被浆液包裹的管片在竖直方向上主要受到浆液浮力F_f、上覆土压力P、千斤顶推进力F_推力对管片产生的竖向分力F_y以及管片自身的重力G。其中，浆液浮力F_f与推进力竖向分力F_y为上浮力，上覆土压力P与管片自重G为抗浮力，当上浮力大于抗浮力时，管片将产生上浮运动。

在浆液刚注入盾尾空隙时，近乎为液体状态，此时上浮力处于最大值。而由于浆液具有凝固特性，此后浮力将随着浆液的凝固而减小，即上浮力将逐渐减小，同时浆液将对管片产生不断增大的粘滞阻力，即抗浮力逐渐增大，直到上浮力与抗浮力相互平衡，管片的上浮运动停止。

目前大多数关于管片上浮的研究主要从隧道上浮原因与隧道结构影响方面进行，只探讨了不同上浮力的产生原因与地层条件等因素对上浮力的影响，很少考虑浆液性质对上浮力的影响，如浆液凝固会导致浮力的减小以及粘滞阻力增大等情况，而且缺少能够较好预测管片上浮量的理论计算方法。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种盾构隧道管片上浮量计算方法，在不考虑管片自身变形的情况下，综合考虑浆液凝固特性及上覆土层压缩特性的大直径以预测管片脱离盾尾之后的总上浮量，为盾构法施工提供参考。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种盾构隧道管片上浮量计算方法，在不考虑管片自身变形的情况下，所述计算方法包括以下步骤：

(1)计算管片在浆液中的上浮量S₁，单位为m；

式中：

M为单环衬砌管片的质量，单位为kg；

K₁为浆液粘滞系数，单位为Pa·h；

F_p为剩余上浮力，单位为N；

t为管片上浮时间，单位为h；

k为浮力随时间变化的系数，单位为N/h；

(2)计算上覆土压缩引起的管片的上浮量S₂，单位为m；

式中：

μ为上覆土的泊松比；

E₀为上覆土的变形模量，单位为Pa；