雙護盾TBM管片三維有限元計算分析

郝雪航，李 康，孫向東

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

隨著近年引調水工程建設的不斷增多，長距離輸水隧洞成為引調水工程的一種重要輸水型式。通過采用TBM 管片襯砌技術，可明顯提高輸水隧洞工程的施工效率和質量。目前六邊形管片襯砌技術在國內很多隧洞工程施工中已被應用，如引大入秦工程、萬家寨引黃工程等，而在國外項目中卻相對較少，因此研究六邊形管片在國外項目中的應用具有重要意義。

1 工程概況

國外某項目是以輸調水為任務的工程，其中3號隧洞根據施工工藝的不同，分為6380 m 長新奧法施工段和20199 m 長TBM 段，其中TBM 段管片襯砌結構采用預制鋼筋混凝土六邊形管片，混凝土采用C40/50 纖維混凝土，管片外徑為7.3 m，內徑6.8 m，管片厚0.25 m，環寬1.6 m。管片斷面圖如圖1。

圖1 TBM 管片體型

2 地質條件

隧洞所處的山體總體上呈現NW～SE 向展布，總體地勢上北低南高，地面高程范圍為150～200m。沿線淺溝谷發育，切割的深度一般在20～50 m。隧洞樁號35840 至54280 穿過段的地形起伏變化較小，隧洞埋深多小于50 m，跨溝淺埋段小于20 m。

隧洞穿過段構造不發育，主要以裂隙為主，隧洞穿過區以變質巖為主，巖性主要包括鈣質片麻巖、花崗片麻、大理巖、孔茲巖等。典型計算斷面選擇埋深較大、地下水位低、穿越段地層變形模量低的位置，計算采用的巖體參數如表1。

表1 各類圍巖參數

3 分析過程

ANSYS 支持3 種接觸方式：點—點接觸、點—面接觸和面—面接觸，每種接觸方式使用不同的接觸單元，應用于各自適應的問題。本計算對管片襯砌采用三維有限元模型模擬，各管片縱縫之間的相互接觸關系應用面—面接觸模型模擬。ANSYS 中面—面接觸模型常采用Conta173 單元及Targe170 單元。

一般可用一個彈簧施加接觸協調條件，稱為罰函數法。彈簧剛度或接觸剛度稱為罰參數。該彈簧的變形量Δ 滿足方程：F=KΔ。其中，接觸剛度K 越大,接觸表面的侵入越少。在迭代開始，接觸協調條件基于罰參數決定，一旦達到平衡，就檢查許可侵入量，如果超過許可侵入量，則改變接觸剛度值繼續進行迭代。本研究中即采用此方法施加管片環間接觸協調條件。

3.1 計算模型

計算模型中管片、圍巖、砂礫石用實體單元模擬；管片環向及縱向設置接觸單元，管片與豆礫石灌漿間設置接觸單元，接觸單元只能受壓不能受拉。三維整體有限元計算模型單元如圖2，管片、灌漿及圍巖內壁細部單元如圖3。

圖2 三維整體有限元模型

圖3 模型細部圖示

圖4 施工工況管片最大壓應力云圖

圖5 完建工況管片最大剪應力云圖

3.2 計算工況

根據歐洲規范，確定工況荷載組合及荷載系數如表2。

表2 各工況荷載組合及荷載系數

4 結果分析

經計算得出，Ⅱ類圍巖，施工期是應力控制工況，環向應力-7.14～0.15 MPa；對于Ⅲ類圍巖，施工期是應力控制工況，環向應力-8.17～0.21 MPa。對于IV類圍巖，考慮所在巖層的圍巖壓力的側壓力系數分別取0.5 和1.0 進行初始地應力計算，側壓力系數0.5完建工況為應力控制工況，環向應力-10.3～0.84 MPa。側壓力系數1.0 施工期工況為應力控制工況，環向應力-12.4～0.43 MPa。III 類圍巖有限元計算應力結果如表3。

表3 Ⅲ類圍巖不同工況下管片應力計算結果

計算吊裝工況時，分別使用管片中心的螺栓起吊和管片兩側灌漿孔的螺栓起吊，重力加速度設置為1.35×9.81 m/s2。得到的應力分布如圖6～圖7。

推進工況時，單護盾模型下每塊管片上面8 個油缸，每個油缸常規最大推力2154 kN/個，脫困狀態下最大推力2584.8 kN/個,管片最大環向應力為3.9 MPa。雙護盾模式下，管片不承受掘進反力，換步時受力也小。得到的應力分布如圖8。

圖8 推進力工況管片環向應力

經過對比，IV 類圍巖施工期管片接觸壓力最大，該工況下接觸錯動位移如圖9。

圖9 控制工況管片接觸面錯動位移

5 結語

（1）對于Ⅱ類圍巖和Ⅲ類圍巖，由于管片與圍巖之間空隙較大，圍巖壓力不作用于管片。Ⅱ～Ⅲ類圍巖，施工期工況為應力控制工況；IV 類圍巖，側壓力系數為0.5 時，完建工況是應力控制工況，側壓力系數為1.0 時，施工期工況為應力控制工況。

（2）對 接 觸 面 而言，接觸面最大錯動為0.06 mm，摩擦應力最大為2 MPa，接觸壓應力最大為12 MPa，對管片應力影響不大。

（3）吊裝工況在中孔附近應力集中，改成利用雙側的灌漿孔雙孔吊裝應力狀態有明顯好轉，雙孔吊裝時，管片環向應力小于1 MPa，同時計算管片側向翻轉時的吊裝工況，在灌漿孔處應力集中，可在灌漿孔處進行適當加固配筋。

（4）管片推進工況下環向應力較大，應設置相應的環向受力加強筋。

（5）為進行雙護盾TBM 管片襯砌結構的后續研究提供可靠數據，從而保障工程項目順利實施。