盾構始發與接收時頂力的數值模擬研究——以北京地鐵15號線某盾構直接切削玻璃纖維筋樁工程為例

劉　軍， 荀桂富， 王　芳， 金　鑫

(1. 北京建筑大學土木與交通工程學院， 北京　100044； 2. 清華大學水利工程系， 北京　100084)

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盾構始發與接收時頂力的數值模擬研究
——以北京地鐵15號線某盾構直接切削玻璃纖維筋樁工程為例

劉軍1， 荀桂富1， 王芳2， 金鑫1

(1. 北京建筑大學土木與交通工程學院， 北京100044； 2. 清華大學水利工程系， 北京100084)

摘要：盾構頂力是盾構始發和接收過程中的主要控制參數。以北京地鐵15號線某6 m盾構直接切削玻璃纖維筋樁工程為背景，采用有限差分軟件FLAC3D研究分析了盾構始發與接收時不同刀盤正面頂力作用下圍護樁體受力以及地表變形規律。研究結果表明： 盾構始發中在切割玻璃纖維筋樁體時，若頂力大于10 000 kN，會引起地表隆起； 盾構接收中在切割玻璃纖維筋樁體圍護結構時，由于樁的一側為臨空面，當盾構頂力大于8 000 kN時，會引起樁體發生向臨空側的倒塌破壞，存在一定的安全隱患。該研究對洞口處玻璃纖維筋樁體的設計和盾構安全施工具有較大的指導意義。

關鍵詞：北京地鐵； 盾構始發； 盾構接收； 頂力； 玻璃纖維筋樁； 數值模擬

0引言

盾構法施工一般劃分為3個階段，即盾構始發、正常掘進和盾構接收[1]。盾構刀盤正常始發掘進隧道時，首先得穿越由鋼筋作為增強材料的混凝土圍護樁或地下連續墻，由于盾構無法直接切削鋼筋，因此，需要對洞口處的鋼筋混凝土圍護結構進行人工鑿除[2-3]。人工鑿除鋼筋混凝土圍護結構時，由于土體暴露，易出現土體塌方等事故，若有地下水，則安全問題更加突出；另外，若在盾構范圍內鋼筋處理不干凈時，還可能造成盾構刀盤、刀具的損壞[4-5]。

近年來，采用玻璃纖維筋等盾構易于切割的材料代替洞口處圍護結構中鋼筋的做法，在國內外均獲得成功[6-11]，該方法不僅能縮短施工工期，且安全性較高； 但由于玻璃纖維筋樁體破壞為脆性破壞[12-13]，盾構始發、接收過程中，在盾構刀盤切割玻璃纖維筋樁體時若頂力過大，可能會引起地表過大隆起或玻璃纖維筋樁體的破壞，特別是在盾構接收時會產生樁體向臨空側的倒塌，存在著一定的安全隱患。因此，研究盾構始發和接收時盾構頂力對圍護結構的影響具有重要的意義。

目前，關于盾構推力方面的研究，國內外學者已經取得了一定的研究成果。如西林聖武等[14]研究了泥水平衡盾構掘進時千斤頂推力與刀盤扭矩的變化情況； 蘇健行等[15]建立了盾構推進過程中所需總推力的數學模型，并推導出了總推力的計算公式； 朱合華等[16]借助于模型試驗的方法，研究了土壓平衡盾構推進過程中頂進推力的變化規律，并在此基礎上推導了盾構千斤頂頂進推力的計算公式。上述成果主要集中于對正常掘進過程中盾構千斤頂推力的研究，對于盾構始發或接收時盾構刀盤正面頂力的研究幾乎沒有涉及。鑒于盾構刀盤正面頂力在盾構始發和接收時的重要性，以北京地鐵15號線某工程為背景，采用數值模擬研究土壓平衡盾構始發和接收時盾構刀盤正面頂力對圍護結構的影響，以期能為洞口處玻璃纖維筋圍護結構的設計、盾構施工的安全控制提供指導。

1FLAC3D計算模型與參數取值

1.1計算模型

北京地鐵15號線某6 m盾構始發與接收豎井為車站基坑，基坑圍護結構采用φ800@1 500 mm的鉆孔灌注樁+預應力錨索形式，在始發與接收洞口處一定范圍采用玻璃纖維筋樁，根據等面積代換的原則用玻璃纖維筋代替鋼筋，鋼筋與玻璃纖維筋采用鋼絲繩卡搭接，搭接長度為40d。基坑開挖范圍內地層依次為粉土填土①層、雜填土①1層、粉土③層、粉質黏土③1層、細中砂④3層、粉質黏土④層和粉土④2層，局部為粉細砂③3層、粉質黏土⑥層和粉土⑥2層。基坑地層剖面如圖1所示。

圖1　基坑地層剖面圖(單位： mm)

所建立的FLAC3D計算模型如圖2和圖3所示，模型中周邊土體采用實體zone單元模擬，使用Mohr-Column模型； 圍護樁結構采用zone單元模擬，冠梁結構采用zone單元模擬，錨索結構采用cable單元模擬，管片采用shell單元模擬。

圖2　FLAC3D計算模型

圖3　圍護結構示意圖

1.2計算參數

在跨度、截面尺寸和配筋量等均相同的情況下，玻璃纖維筋混凝土構件開裂前的剛度明顯小于鋼筋混凝土構件。按照等效剛度原則，并考慮實際工程中樁體都為帶裂縫工作，因此鋼筋混凝土樁的彈性模量為28.0 GPa。根據玻璃纖維筋力學性能試驗，其彈性模量為48.0 GPa[12-13]，按照等效剛度原則，玻璃纖維筋樁的彈性模量計算值為28.6 GPa。實際上玻璃纖維筋為彈性材料，玻璃纖維筋樁開裂荷載為鋼筋混凝土樁的80%，并且玻璃纖維筋與混凝土的黏結力明顯小于鋼筋與混凝土的黏結力[17-18]； 因此，玻璃纖維筋樁的彈性模量為22.0 GPa。土層和結構的物理力學參數見表1和表2，其中土層物理力學參數由地勘報告得出。

表1　土層物理力學參數

注：t為土層厚度；E為彈性模量；μ為泊松比；γ為重度；c為黏聚力。

表2　結構物理力學參數

1.3監測數據與計算結果的對比分析

該車站基坑的開挖和數值模擬計算過程如下： 1)開挖至地表下3.5 m，設置第1道錨索； 2)開挖至地表下8.5 m，設置第2道錨索； 3)開挖至地表下12.0 m，設置第3道錨索； 4)開挖至地表下15.0 m，設置第4道錨索； 5)開挖至設計基坑底，部分樁體設置第5道錨索。地表沉降測點DB1—DB7位于基坑外側3.5 m處。測點布置情況如圖4所示。

圖5為基坑開挖完成后玻璃纖維筋樁體水平位移計算值與監測值的對比圖。根據監測數據顯示，隨著基坑開挖樁體逐漸向基坑內側移動，樁體最大水平位移為-18 mm，出現在樁體埋深12～16 m處； 而數值計算最大水平位移約為-20 mm，發生位置與監測結果相同。

4#樁為玻璃纖維筋混凝土樁，其余為鋼筋混凝土樁。

圖4地表沉降測點布置圖

Fig. 4Layout of monitoring points

圖5　樁體水平位移計算值與監測值對比

Fig. 5Comparison between calculated horizontal displacement of pile and measured horizontal displacement of pile

圖6為基坑開挖完成后距基坑東側外緣3.5 m處地表沉降數值模擬計算值與監測值的對比圖。由結果可知，由于圍護樁剛度大，基坑開挖過程對基坑外側地表沉降影響較小，測點的最大沉降值為4.16 mm，部分測點有隆起現象，最大隆起值為1.17 mm； 隨著施工的進行，測點有逐漸下沉的趨勢。數值模擬計算產生的最大沉降值為5.84 mm，出現在中間位置。

圖6　地表沉降計算值與監測值對比

Fig. 6Comparison between calculated ground surface settlement and measured ground surface settlement

在計算分析中假設每層土層為均勻分布，與實際地層條件存在差異，加之實際施工中不確定性因素較多； 因此，理論分析結果與監測值略有差別，但計算結果和監測結果都較為接近，故模型與參數可以作為后續研究的基礎(后續盾構始發與接收的研究均以基坑施工完畢后的工程作為基礎)。

2盾構始發時頂力對圍護結構的穩定性影響

從盾構始發受力情況來看(見圖7)，在刀盤貼近玻璃纖維筋樁體時土倉內形成不了壓力，頂力通過刀盤作用在玻璃纖維筋圍護結構上，然后又傳遞至樁體背后的土層中。若頂力過大，會引起地表隆起，但過大的頂力可使玻璃纖維筋樁體發生剪切破壞，利于始發。為了研究盾構頂力對圍護結構的影響，選取洞口附近點1和點2進行分析研究(點1和點2處為玻璃纖維筋與鋼筋搭接位置)。

圖7　樁體玻璃纖維筋與鋼筋搭接處內力測點示意圖

Fig. 7Internal force monitoring points at connections between GFRP and steel bars

2.1圍護結構樁體的內力變化規律

表3為盾構始發時不同頂力作用下玻璃纖維筋與鋼筋搭接處的彎矩值，正值表示樁體朝向基坑一側受拉，負值表示相反方向一側受拉。由表3可以看出，上方搭接處彎矩(點1)比下方搭接處彎矩(點2)大，頂力增大時搭接處的彎矩也隨之增大。

表3盾構始發時不同頂力作用下樁體玻璃纖維筋與鋼筋搭接處彎矩值

Table 3Bending moments of connection between GFRP and steel bars under different thrusting forces of shield launching

頂力/kN點1處彎矩/(kN·m)點2處彎矩/(kN·m) 0(主體完成)-490.0-519.0 5000237.2203.8 8000491.7376.7 10000663.8461.4 12000835.5546.5 150001092.0873.0

注： 通過FLAC內置函數調取測點應力，然后利用材料力學公式σ=My/I反算測點彎矩。

對于玻璃纖維筋混凝土樁，當直徑等于0.8 m時，極限承載力作用下的彎矩值Mu為800 kN·m。由表3可知： 當頂力為12 000 kN時，上方搭接處彎矩大于800 kN·m，超出了玻璃纖維筋樁的極限承載力，這樣就使得玻璃纖維筋樁提前斷裂，而這種破壞狀態不是工程中希望出現的狀態，即盾構刀盤切割與圍護樁破壞同步，對安全施工不利。

2.2地層土體變形規律

為了進一步研究盾構頂力對地層土體的影響，分析了不同頂力下洞口土體及地表的變形規律，如圖8所示。圖8中土體水平方向位移為正值，表示位移與盾構頂力方向一致，隨著頂力的增加，土體位移也逐漸增大，且地表隆起。

由圖8可知： 當頂力為10 000 kN時，洞口土體朝頂力方向的位移增大，在接近地表及地表處出現略微隆起現象； 當頂力為12 000 kN時，洞口土體朝頂力方向的位移繼續增大，在接近地表及地表處有較明顯的隆起趨勢。綜合考慮不同頂力作用下，圍護樁受力與洞口土體位移狀態和地表沉降規律，確定始發時盾構頂力取10 000 kN左右為宜。

3盾構接收時頂力對圍護結構的穩定性影響

盾構接收時圍護結構的受力狀態如圖9所示，雖然此時有維持刀盤前方水土壓力的土倉壓力，但土倉壓力也會隨著盾構接近圍護結構而逐漸轉換為有限土壓并逐漸減小，當盾構刀盤貼近圍護結構時，土倉壓力為零。本文只研究盾構頂力對樁體產生的影響，因此忽略了在接收過程中土倉壓力對圍護結構樁體的影響。

(a)頂力10 000 kN

(b)頂力12 000 kN

(c)頂力15 000 kN

Fig. 8Contour maps of soil and ground surface displacement under different thrusting forces of shield launching

圖9　盾構接收時圍護結構的受力狀態

表4為盾構到達樁體時不同頂力作用下玻璃纖維筋與混凝土搭接處的彎矩值，正值表示樁體朝向基坑一側受拉，負值表示相反方向一側受拉。由表4可知： 上端搭接處彎矩值與下端搭接處彎矩值的大小與盾構始發時樁體內力相同，均為上端大于下端； 樁體內力隨著頂力的增大而增大，而且增加幅度較大，頂力為12 000 kN時搭接處的彎矩值已經是5 000 kN時彎矩值的2倍，可見頂力對樁體內力影響較明顯。當頂力為8 000 kN時，樁體彎矩約為800 kN·m； 若頂力大于10 000 kN時，樁體彎矩均大于800 kN·m，超過玻璃纖維筋樁的承載力設計值，有可能使洞口附近樁體被剪切破壞，并出現向臨空側倒塌現象，此時的玻璃纖維筋樁體不是被磨斷的，而是被過大頂力推斷的。該現象對洞口處施工會造成一定的安全影響，因此，在盾構接收中直接切割圍護樁體時，建議盾構頂力減至8 000 kN以下。

表4盾構接收時不同頂力作用下樁體玻璃纖維筋與鋼筋搭接處彎矩值

Table 4Bending moments of connection between GFRP and steel bars under different thrusting forces of shield receiving

頂力/kN點1處彎矩/(kN·m)點2處彎矩/(kN·m) 0(基坑主體完成)-490-519 5000-713-611 8000-785-726 10000-1009-901 12000-1468-1310 15000-1848-1715

4結論與建議

文章以北京地鐵15號線某工程為背景，采用數值模擬分析方法研究了土壓平衡盾構始發和接收時盾構刀盤正面頂力對圍護結構的影響，得出如下結論。

1)盾構直接始發時，當盾構頂力大于10 000 kN，會發生隆起現象； 若盾構頂力繼續增大至12 000 kN，不僅會使地表略微隆起，同時還會因為頂力過大造成玻璃纖維筋樁發生突然性整體破壞。因此，對于6 m直徑盾構直接始發時，建議頂力為10 000 kN，從而可以有效控制地表位移、刀盤前方土體位移以及樁體受力狀況。

2)相比較于盾構始發時盾構頂力對圍護結構的影響情況，由于在盾構接收時玻璃纖維筋混凝土圍護結構承受著盾構頂力與土壓力同時、同方向的荷載，并且樁的一側為臨空面，因而盾構接收時對盾構頂力大小的控制比對盾構接收時更為嚴格，在盾構接收中直接切割圍護樁體時，建議盾構頂力減至8 000 kN以下。

盾構洞口處的圍護結構采用玻璃纖維筋代替鋼筋，達到了直接切削混凝土圍護結構的目的，避免了由人工鑿除洞口時出現涌水、涌砂和土體塌落等現象，保證了施工安全，應進行大力推廣。目前北京地鐵16號線全線采用了該方法。本文中的研究成果，可為盾構始發、盾構接收工程提供理論參考依據，特別是對于盾構接收的情況，由于頂力過大會使圍護結構產生剪切破壞； 因此，在圍護結構設計中應充分考慮該問題，適當加強洞口圍護結構的配筋，以避免事故發生。

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Study on Numerical Simulation of Thrusting Force of Shield Launching and Receiving: A Case Study on Glassfiber Reinforced Plastic (GFRP) Pile Cut Directly by Shield Machine Used in Line No. 15 of Beijing Metro

LIU Jun1, XUN Guifu1, WANG Fang2, JIN Xin1

(1.SchoolofCivilEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;2.DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:The Thrusting force is the main control parameter in the shield launching and receiving. In this paper, the rules of retaining pile stressing and ground surface settlement under different thrusting forces on the cutterhead during shield launching and receiving are studied by means of finite difference FLAC3D software, with the glassfiber reinforced plastic (GFRP) pile cut directly by a φ6 m shield machine used in Line No. 15 of Beijing Metro as an example. The study results show that: 1) Settlement would occur to the ground surface when the thrusting force of shield launching is larger than 10 000 kN. 2) The GFRP pile would fall towards the free side when the thrusting force of shield receiving is larger than 8 000 kN. The results can provide guidance for the design of GFPR pile and the safe construction of shield tunneling.

Keywords:Beijing Metro; shield launching; shield receiving; thrusting force; glassfiber reinforced plastic (GFRP) pile; numerical simulation

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)03-0264-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.003

作者簡介：第一 劉軍(1965—)，男，新疆烏魯木齊人，1998年畢業于成都理工大學，巖土與地下工程專業，博士，清華大學博士后，教授，主要從事巖土與地下工程的教學與研究工作。E-mail: liujun01@tsinghua.org.cn。

基金項目：北京市自然科學基金項目、北京市教育委員會科技計劃重點項目(KZ20131001601)； 北京市屬高等學校創新團隊建設與教師職業發展計劃項目(IDHT20130512)

收稿日期：2015-08-21; 修回日期： 2015-11-16