不同荷載作用下TBM隧道管片數值模擬分析

余 熠

(中南大學湘雅醫院，湖南 長沙 410008)

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不同荷載作用下TBM隧道管片數值模擬分析

余 熠

(中南大學湘雅醫院，湖南 長沙 410008)

介紹了TBM施工荷載的種類和產生原因，通過ANSYS有限元軟件，從圍巖壓力、千斤頂推力、注漿壓力等方面，模擬了不同荷載對管片結構內力及變形的影響，研究發現：偏心的千斤頂推力是管片產生受力和變形的最不利施工荷載，在盾構施工時應合理設計，避免出現應力集中現象，導致管片的破壞。

隧道工程，TBM，管片，施工荷載

1 概述

我國的城市化進程已經進入到城市加速發展階段，地鐵建設已成為城市交通體系不可缺少的組成部分[1]，而盾構法在地鐵建設中的應用日益廣泛[2-4]。對城市地鐵隧道工程，盾構隧道在施工過程中管片的受力狀態十分復雜，既有千斤頂壓力、圍巖及注漿壓力，又有管片拼裝階段產生的各種不利荷載，這都將直接影響到隧道的安全使用和耐久性。如受施工荷載影響，重慶軌道環線某區段TBM推進過程中遇到不同程度的襯砌開裂(見圖1)、局部滲漏、錯臺(如圖2所示)等問題。

國內外研究者對于盾構管片的受力力學特性及變形特征做了大量研究。張建剛等[5]以武漢長江隧道為工程背景，采用殼—彈簧模型研究了不同幅寬和不同環間接頭剪切剛度的管片襯砌結構力學分布特征；段紅海等[6]以鄭州地鐵某盾構區間為研究對象，通過有限元方法對管片受力進行模擬，對比分析了施工階段管片破損的影響因素。Shi等[7]研究了開挖引起的側向荷載對已有盾構隧道的管片影響，分析了管片連接處受力與變形特征;Li等[8]建立了盾構管片的三維不連續接觸計算模型，分析了施工荷載及螺栓對管片的變形受力影響。本文針對管片受力特性，通過有限元模擬方法，研究了不同TBM施工荷載對管片結構內力及變形的影響規律，以為今后類似工程提供參考。

2 TBM施工荷載

隧道施工過程作用于管片上的荷載主要有千斤頂的推力、圍巖壓力、注漿壓力以及盾殼和盾尾對管片的擠壓力。

1)千斤頂推力。千斤頂推力是在隧道開挖過程中以反力形式作用于盾構管片上的臨時荷載。偏心千斤頂推力則是為了保證盾構機姿態與隧道設計曲線相一致而施加的力。通常在直線施工階段一般偏心千斤頂推力較小，但遇到急曲線施工及局部使用與直線部分形狀不一致的管片時，偏心千斤頂推力則會大大增加。

2)圍巖壓力。在常規管片設計中，圍巖壓力是必不可少的外力荷載，它不僅與圍巖級別、圍巖結構、地應力、隧道埋深等圍巖性質因素有關，還與隧道跨度、隧道斷面形狀、施工方法等工程因素有關。在隧道施工實踐中，準確預測隧道開挖引起的圍巖壓力對于隧道施工的安全施工具有重要意義，因此大量學者在這方面開展了相關研究，提出了很多預測方法，主要有經驗公式法、解析法、數值模擬法以及模型試驗方法。

3)壁后注漿壓力。壁后注漿壓力是為了控制地基沉降而在管片背后高壓注入漿液產生的外力。

3 三維數值模型

采用有限元軟件ANSYS對管片在施工過程中的受力進行模擬分析。為模擬整個施工過程中管片截面的橫向與縱向受力情況，本文建立考慮施工荷載的管片—土體相互作用的三維有限元模型，如圖3所示。

3.1 模型建立

為充分反映盾構施工對管片受力變形的影響，選取20環管片進行數值計算。管片的各組成部模擬單元為：鋼筋混凝土管片采用Solid65單元；管片間接頭彈簧及環間接頭彈簧采用Combin14單元；地層彈簧采用Combin39單元；管片的相互接觸采用Targe170及Conta173單元。表1為接頭彈簧基本參數。地層彈簧邊界采用全約束。圖4和圖5分別為建立的模型整體示意圖和管片鋼筋模型示意圖。

表1 接頭彈簧基本參數 kN/m

3.2 模擬結果

管片在正常使用階段主要承受圍巖壓力和水壓力，而在施工階段不僅會受到圍巖壓力還會承受垂直或者偏心的TBM千斤頂推力以及注漿壓力等，因此針對管片正常使用階段和施工階段的受力情況，對以下四種工況進行管片受力分析：1)圍巖壓力；2)圍巖壓力+垂直千斤頂推力；3)圍巖壓力+偏心千斤頂推力；4)圍巖壓力+偏心千斤頂推力+注漿壓力。

圖6為各工況下計算應力云圖，由圖6可知隨著施工荷載種類的增加，管片的受力形式變得越來越復雜，應力也逐漸增大，最大的拉應力為30 MPa左右，發生在工況四下螺栓連接處。而最大的壓應力為9 MPa，遠小于C50混凝土的抗壓強度32.4 MPa。同工況一和工況二相比，在有偏心的千斤頂推力作用下，危險截面產生在距離盾尾10環左右位置，產生較大的彎曲變形，故偏心的千斤頂推力是最不利的施工荷載之一。

圖7為各工況下管片變形圖。通過對比四種工況下Y方向變形值發現，隨著施工荷載的增大，隧道的變形加大，工況四下管片變形最大。圖8為管片仰拱和拱頂變形曲線。由圖8可知，仰拱出現上浮現象，且變形在盾尾處最小。隨盾尾的距離增加，仰拱變形出現先增大后減小現象，在距離盾尾10環左右。在只受圍巖壓力荷載下最大變形為2 mm，在偏心的千斤頂推力作用下，最大為17 mm。拱頂沉降在盾尾處沉降最大，隨著距離盾尾的距離增大而出現減小趨勢，在只受圍巖壓力荷載下最大沉降為2 mm，在偏心的千斤頂推力作用下，最大沉降為11.6 mm。

通過鋼筋應力計算結果發現，鋼筋的最大應力主要發生在仰拱的內側，即隧道變形最大的地方；其最大鋼筋拉應力為100 MPa，遠遠小于HRB400鋼筋的屈服應力。

4 結語

針對不同施工荷載下TBM管片受力變形特征，通過ANSYS有限元數值模擬了圍巖壓力、千斤頂推力，千斤頂偏心推力、注漿壓力及其組合對管片受力變形的影響，得出如下結論：

1)四種工況下應力分布大不相同，隨著施工荷載種類的增加，應力也逐漸增大，工況四下應力最大。

2)在荷載作用下，仰拱變形隨著盾尾的距離增大，出現先增大后減少現象，而拱頂沉降則隨盾尾距離的增大而減小，二者均在有偏心的千斤頂推力作用下出現最大值。

3)偏心的千斤頂推力是管片產生受力和變形的最不利施工荷載，在盾構施工時應合理設計，避免出現應力集中現象，導致管片的破壞。

[1] 霍 明,趙永國,韓常領.小間距隧道的工程特點與關鍵技術創新[J].公路,2009(5):259-263.

[2] 李習偉,鄭 昊,王全賢.基于大直徑盾構隧道擴挖地鐵車站結構安全分析[J].土木工程學報,2016(9):96-102.

[3] 彭智勇.運營條件下盾構區間擴建地鐵車站關鍵結構力學狀態研究[D].北京：北京交通大學,2016.

[4] 董賽帥,楊 平,姜春陽,等.盾構隧道管片上浮機理與控制分析[J].地下空間與工程學報,2016(1):49-54.

[5] 張建剛,何 川,楊 征.大斷面寬幅盾構管片三維內力分布分析[J].巖土力學,2009,30(7):2058-2062.

[6] 段紅海,方詩濤,趙東華.地鐵盾構管片受力分析及管片破損的控制措施研究[J].工程建設與設計,2016(4):133-136.

[7] Shi C, Cao C, Lei M, et al. Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,2016(51):175-188.

[8] Li Y J, He P, Qin D P. Stress Analysis of Metro Shield Tunnel Segment-Based on 3D Discontinuous Contact Computational Model[J]. Applied Mechanics and Materials,2011(90)：1828-1833.

Numerical simulation analysis of TBM tunnel segment under different stresses

Yu Yi

(XiangyaHospital,CentralSouthUniversity,Changsha410008,China)

The paper introduces TBM construction load categories and occurring causes. Through ANSYS finite element software, starting from aspects of surrounding rock pressure, jacking pulling force and grouting pressure, it simulates the impact of different load upon the segment structure internal-force and deformation. Research finds out that: eccentric jack pulling force is the most negative construction load for the segment force and deformation. Therefore, it is necessary to rational design in shielding construction, to avoid stress concentrated phenomenon and to lead to the segment damage.

tunnel engineering, TBM, segment, construction load

1009-6825(2017)13-0185-03

2017-02-16

余 熠(1988- )，男，工程師

U452

A