盾構穿越對圓形風井結構的變形內力影響分析
——以南京緯三路過江通道工程盾構穿越梅子洲風井為例

姚占虎，伍國軍，陳衛忠，3，袁敬強

（1.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢 430071；3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南 250061）

盾構穿越對圓形風井結構的變形內力影響分析
——以南京緯三路過江通道工程盾構穿越梅子洲風井為例

姚占虎1，伍國軍2，陳衛忠2，3，袁敬強2

（1.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北武漢 430071；3.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東濟南 250061）

盾構進出工作井是盾構安全施工的關鍵。以南京市緯三路過江通道工程梅子洲圓形風井盾構穿越為研究背景，建立復雜的大型三維計算模型，對盾構穿越區域采用實體單元模擬、土彈簧釋放開挖荷載的特殊模擬方法，首先對盾構破除素混凝土強度的選取進行優化分析，建議采用C15混凝土，既能減小盾構穿越施工的難度，又能保證圍護結構的安全穩定；然后對盾構穿越前后風井地連墻、內襯墻和冠梁等重要圍護結構的變形和內力變化規律進行了研究分析，盾構穿越前后，地連墻的變形和內力變化很大，最大增幅分別為45%和228%，內襯墻的環向彎矩和豎向最大正彎矩均存在較大變化，環向彎矩最大增幅200%，豎向彎矩最大增幅54%，冠梁的最大環向彎矩變化很大，最大增幅為1 160%。因此，工程設計時應對地連墻、內襯墻和冠梁內力較大區域加強配筋，以保證盾構安全順利地通過。

南京緯三路過江通道；盾構；進出工作井；風井；圍護結構；穩定性

Key words：Weisanlu river-crossing tunnel in Nanjing；shield departure and shield reception；ventilation shaft；retaining structure；stability

0 引言

伴隨著我國高速公路及城市地鐵建設的大規模興建，大型復雜工作井和盾構法施工開挖不斷涌現。經過多年來的工程實踐和技術研究，復雜工作井和盾構法設計施工的工程經驗和理論研究得到了長足發展，但盾構穿越的設計施工技術卻依然是困擾工作井和隧道施工的關鍵難題。特別是在設計研究層面，工作井圍護結構強度不夠，盾構穿越時將產生過大變形，使工作井失穩，周邊土體坍塌；盾構前方土體加固不夠，導致破井時產生正面涌水、涌砂、地表塌陷等［1-5］。在我國，上海地鐵2號線體育館車站西端頭井盾構出洞時，因地基加固不良，就曾引起土體塌方滑落；市區建造的某電纜隧道，因土體和支護結構強度不足，在進入洞門時盾構突然下沉1 m，給工程建設帶來了極大的困難［6］。

國內外對于工作井盾構穿越技術的研究非常少見，僅有很少幾篇關于盾構進出洞的穩定性和風險評估分析的論文。如RUI D.H.［7］等、DUN Z.L.等［8］針對南水北調穿黃工程盾構進出工作井開展了土體加固的穩定性研究和風險評估；YANG X.等［9］基于彈性力學理論，對北京地鐵四號線盾構進洞時的土體強度、支護結構內力進行了理論計算，提出了合理的支護材料力學參數；嚴長征等［10］采用層次分析法建立風險指標體系，基于多層次模糊綜合評判模型對盾構進出工作井的主要環節進行了風險評估；周順華等［11］對某地鐵車站施工中的盾構工作井端墻進行了內力現場測試和分析。圓形工作井由于存在拱效應，盾構穿越前后圍護結構的受力變形將會復雜，然而，目前為止，還未查到盾構破除圓形工作井的研究文獻和報道。

由于盾構破除工作井將導致工作井圍護結構的應力和變形產生急劇變化，勢必影響工作井的穩定性。本文以南京市緯三路過江通道工程梅子洲圓形風井盾構穿越為研究背景，建立復雜的大型三維計算模型，通過荷載結構法計算分析盾構穿越前后風井地連墻、內襯墻和環梁等重要圍護結構的變形和內力變化規律，為梅子洲風井的合理設計和安全施工提供依據。

1 梅子洲工作井特點

南京市緯三路過江通道工程是南京市城市快速路系統跨江成網的重要通道之一，設上下層雙向4車道，該過江隧道地質條件復雜多變，地層軟弱不均。其中，盾構直徑達14.93 m，超大斷面獨頭掘進，且隧道埋深變化大、水壓大，具有施工技術新、難度大、標準高的特點。

梅子洲風井建設是過江通道工程的關鍵性工程之一，位于梅子洲尾部一水塘中，平面呈圓形，外直徑為29.2 m，內直徑為26.8 m，底板埋深約為21.152 m，基坑開挖44.452 m。工作井采用了壁厚為1.2 m的圓形地下連續墻，地連墻內上半部分緊貼內襯墻，包括頂冠梁在內的4道鋼筋混凝土環梁對結構進行圍檁支撐，頂冠梁尺寸為1.2 m×2.5 m（高×寬），第1—3道環梁尺寸均為1.2 m×1.5 m（高×寬）。圍護結構形式如圖1所示。

圖1 圍護結構示意圖Fig.1 Sketch map of retaining structure

風井中心處盾構隧道埋深約23.417 m。盾構穿越區地下連續墻采用玻璃纖維（GFRP）筋等強度替代普通鋼筋，以便于盾構直接切割玻璃纖維（GFRP）筋和混凝土，減小盾構穿越風井的施工風險。

風井圍護結構在施工后，由于外圍水土壓力作用處于承力狀態，當盾構穿越時，素混凝土被開挖，地連墻部分被破壞，風井的整個支護結構將發生較大程度的應力和變形調整，特別是地連墻部分被開挖破除，圓形拱效應影響較大。因此，對于梅子洲支護結構，盾構穿越前后地連墻、內襯墻、冠梁和環梁的內力狀態變化情況以及支護結構的整體穩定性評估，都是影響梅子洲風井建設的關鍵性難題。

2 數值分析方法

2.1 計算分析模型

根據梅子洲風井建設的實際特點，采用荷載結構法建立風井結構的三維計算模型，如圖2所示。采用大型巖土有限元軟件ABAQUS進行計算分析。其中，地連墻、內襯墻和底板均采用三維殼單元模擬，冠梁、3道環梁均采用三維梁單元模擬，盾構開挖的土體采用三維實體單元模擬，連續墻槽段之間的接頭采用連接單元連接。

邊界條件：連續墻底部采用豎向約束，地連墻外部施加主動土壓力和水壓力，采用水土分算，內部有水荷載時施加邊墻水壓力，初始地連墻頂面為零水位，因此，圓形風井的外部受力如圖2（b）所示。

圖2 風井結構計算模型Fig.2 Calculation model of ventilation shaft

周邊土體與地連墻的相互作用采用土彈簧模擬，當模擬地連墻內部土體開挖時，采用殺死相應部分土彈簧的方式實現。土彈簧為抗力彈簧，在施工過程中只能承受壓力而不能承受拉力，即土彈簧僅有抗壓剛度。在施工過程中，隨著風井開挖的進行，基坑內側已開挖部分的土彈簧被殺死，同時施加相應支撐與環梁。

2.2 盾構穿越模擬方法

由于圓形地連墻周邊土體與地連墻的相互作用采用土彈簧模擬，當盾構穿越時，為充分模擬盾構區域土體開挖所產生的應力釋放效應，盾構穿越區域采用實體單元模擬。當盾構穿越時，同時將盾構穿越的素混凝土開挖部分和相應的土彈簧一并殺死，從而達到模擬地連墻與周邊土體相互作用的目的，如圖3所示。

3 盾構穿越素混凝土強度優化分析

本次素混凝土強度的選取考慮盾構穿越風井的施工過程。盾構穿越時，考慮到施工的可行性，被開挖破除的素混凝土強度不能太大，且又須滿足盾構穿越開挖時風井的整體穩定性。為此，對風井建設回填的素混凝土材料強度進行計算對比，以提出能滿足盾構施工要求的素混凝土材料。素混凝土分別采用C20、C15、C10 3種強度，通過計算，對結果進行對比分析。各素混凝土的材料參數見表1。

圖3 盾構穿越開挖模型Fig.3 Model of shield crossing

表1 素混凝土材料參數Table 1 Parameters of plain concrete

表2—5為工況1至工況3關于地連墻變形和受力、內襯墻、素混凝土的受力計算結果對比。從表2—5可以看出：對于地連墻來說，工況1和工況2的內力計算結果相差較小，即采用C15和采用C20混凝土對地連墻影響相似，工況3的計算結果稍大；變形方面主要體現在地連墻的徑向，C20和C15混凝土產生的地連墻徑向變形分別為6.09 mm和6.12 mm，C10混凝土的地連墻徑向變形稍大，為6.28 mm；對于內襯墻來說，3種工況的環向軸力、豎向軸力、豎向彎矩和環向彎矩量值都較為接近，僅工況3的豎向彎矩稍大；素混凝土受力結果表明，3種工況的最大壓應力幾乎一致，工況3（C10）的最大拉應力偏大，為1.15 MPa。

表2 地連墻內力對比Table 2 Internal force of diaphragm wall

表3 內襯墻內力對比Table 3 Internal force of inner wall

表4 地連墻變形對比分析Table 4 Deformation of diaphragm wallmm

表5 素混凝土受力對比分析Table 5 Stress of plain concreteMPa

基于以上分析，3種工況結果相差均不大，但工況3（C10）的變形和最大拉應力稍大，為減小盾構穿越施工難度，建議素混凝土采用C15，既能保證受力構件的安全，又利于盾構施工開挖。

圖4 地連墻變形云圖（單位：m）Fig.4 Distribution diagram of deformation of diaphragm wall（m）

4 盾構穿越前后支護結構受力分析

在確定破井開挖所用的混凝土強度后，采用數值分析方法對梅子洲風井盾構穿越時地連墻、內襯墻、冠梁及3道環梁等主要受力結構進行計算分析。

4.1 盾構穿越前后地連墻的變形受力分析

4.1.1 地連墻變形

盾構穿越后，地連墻的變形增長較大，以徑向變形為主。破井前最大位移為2.04 mm，進洞時最大位移為3.8 mm，破除素混凝土時的最大位移為5.5 mm，增幅約45%，分布在盾構開挖后隧道拱腰部位，如圖4所示。

4.1.2 地連墻受力

盾構穿越對地連墻的內力影響較大，如圖5和圖6所示。此處定義豎向彎矩向風井外為正，環向彎矩以逆時針方向為正。由圖5和圖6可知，盾構穿越前后的地連墻內力變化較大。盾構穿越前，內力主要分布在地連墻中部區域，盾構穿越后，內力主要分布在盾構后的隧道周邊。其中：豎向最大正彎矩為811 kN·m，出現在隧道拱腰3～5 m范圍區域；最大負彎矩為600 kN·m，出現在隧道拱頂兩邊區域；環向最大正彎矩為126 kN·m，出現在盾構隧道上方部位；環向最大負彎矩為557 kN·m，出現在隧道拱腰區域，內力最大增幅達228%。地連墻的最大彎矩如表6所示。

圖5 盾構穿越后地連墻環向彎矩（單位：N·m）Fig.5 Circumferential moment of diaphragm wall after shield crossing（N·m）

圖6 盾構穿越后地連墻豎向彎矩（單位：N·m）Fig.6 Vertical moment of diaphragm wall after shield crossing （N·m）

4.2 盾構穿越前后內襯墻的受力分析

盾構穿越前后，內襯墻除豎向最大負彎矩值變化較小外，環向彎矩和豎向最大正彎矩均存在較大變化。盾構穿越前，內襯墻整體內力較小，僅在頂冠梁和3道環梁部位內力較大。豎向最大正負彎矩分布在頂冠梁和第1道環梁部位，最大正彎矩為130.2 kN·m，最大負彎矩為84.6 kN·m；環向最大正負彎矩分布在環梁部位，最大正彎矩為21.4 kN·m，最大負彎矩為132 kN·m，如圖7和圖8所示。

表6 地連墻的最大彎矩Table 6 Maximum moment of diaphragm wall kN·m

圖7 盾構穿越前后環向彎矩對比（單位：N·m）Fig.7 Circumferential moments of inner wall before and after shield crossing（N·m）

盾構穿越時，內襯墻豎向最大正負彎矩分布在底板和第3道環梁部位，最大正彎矩為200 kN·m，最大負彎矩為69.3 kN·m，環向最大正彎矩較小，為64.3 kN·m，最大負彎矩分布在環梁部位，為194 kN·m。內襯墻豎向彎矩最大增幅54%，環向彎矩最大增幅200%。破井前后的內襯墻最大彎矩對比見表7。

圖8 盾構穿越前后豎向彎矩對比（單位：N·m）Fig.8 Vertical moments of inner wall before and after shield crossing（N·m）

表7 內襯墻的最大彎矩對比Table 7 Maximum moment of inner wallkN·m

4.3 盾構穿越前后冠梁和環梁的受力分析

盾構穿越前后最大豎向彎矩變化不大，破井前為38.6 kN·m，破井后為41.5 kN·m，最大負彎矩基本為25 kN·m左右。環向彎矩變化很大，破洞前最大正彎矩為37.9 kN·m，破洞后為479 kN·m，破井前最大負彎矩為52.4 kN·m，破井后為620 kN·m。冠梁豎向彎矩最大增幅為7.5%，環向彎矩最大增幅為1 160%，如圖9和圖10所示。

圖9 冠梁豎向彎矩破井前后變化（單位：N·m）Fig.9 Vertical moments of top beam before and after shield crossing（N·m）

圖10 冠梁環向彎矩破井前后變化（單位：N·m）Fig.10 Circumferential moments of top beam before and after shield crossing（N·m）

此外，3道環梁的受力盡管在盾構破洞前后內力也有較大變化，但總體量值均較小，完全能滿足配筋需要。

5 結論與討論

盾構穿越是工作井盾構施工中極易出現工程事故的重要環節。本文通過建立復雜的三維計算模型，采用荷載結構法對南京緯三路過江通道工程梅子洲圓形風井進行了計算分析，得出以下主要結論。

1）通過對破井所用的3種強度素混凝土進行計算對比，建議采用C15混凝土，既能減小盾構穿越施工難度，又能保證圍護結構的受力安全穩定。

2）對破井前后的梅子洲風井圍護結構采用特殊的數值模擬方法，盾構穿越區域采用實體單元，約束采用土彈簧模擬方式，既大大減少了數值模型的單元數量和計算時間，又便于結構分析，同時還能滿足工程精度要求。

3）破井前后地連墻的變形和內力變化都很大，特別是盾構區域附近的豎向和環向彎矩，最大增幅分別為45%和228%。內襯墻除豎向最大負彎矩值變化較小外，環向彎矩和豎向最大正彎矩均存在較大變化，豎向彎矩最大增幅54%，環向彎矩最大增幅200%。冠梁的最大豎向彎矩變化不大，但最大環向彎矩變化很大，最大增幅為1 160%，3道環梁的內力值在盾構穿越前后均較小。因此，工程設計時應對地連墻、內襯墻和冠梁內力較大區域加強配筋，以保證盾構安全順利地通過。

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Analysis on Deformation and Stress of Ventilation Shaft Influenced by Shield Crossing：Case Study on Meizizhou Circular Shaft of Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

YAO Zhanhu1，WU Guojun2，CHEN Weizhong2，3，YUAN Jingqiang2

（1.China First Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100024，China；2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，Hubei，China；3.Research Center of Geotechnical＆Structural Engineering，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China）

Shield departure and reception is one of the most important issues when shield crosses working shaft.In the paper，complex 3D calculation model is established，with shield crossing Meizizhou circular ventilation shaft as background，and numerical simulation is conducted by using solid elements and soil spring releasing excavation load.Firstly，the grade of the plain concrete that the shield will cut is analyzed.Conclusion is drawn that C15 concrete，which can not only decrease the difficulty of shield crossing，but also can guarantee the safety and stability of the retaining structures，should be adopted.Secondly，the deformation and internal forces of the retaining structures，including the diaphragm wall，the inner wall and the ring beam，are analyzed.Conclusion is drawn as follows：Compared to those before shield crossing，the maximum deformation and internal force of the diaphragm wall after shield crossing increase by 45%and 228%respectively，the maximum circumferential moment and the maximum vertical positive moment of the inner wall increase by 200%and 54%respectively，and the maximum circumferential moment of the top beam increases by 1 160%.Therefore，during the design of the works，the reinforcement for the zones of the diaphragm wall，inner wall and top beam with large stress shall be strengthened so as to ensure the successful crossing of the shield.

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.003

U 455

B

1672-741X（2015）11-1127-07

2015-08-12；

2015-09-22

姚占虎（1977—），男，陜西西安人，2000年畢業于石家莊鐵道學院，土木工程專業，本科，高級工程師，主要從事盾構施工技術研究和管理工作。