超大直徑盾構(gòu)小半徑曲線掘進(jìn)的管片結(jié)構(gòu)受力分析

葉 挺，楊振興

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，浙江 寧波 315000；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著大型城市的路網(wǎng)不斷加密，盾構(gòu)法隧道穿越復(fù)雜的地質(zhì)條件施工得到了愈加廣泛的應(yīng)用。其中，超大直徑隧道穿越大埋深、小半徑曲線掘進(jìn)，對(duì)管片結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求提出挑戰(zhàn)。考慮超大直徑盾構(gòu)的復(fù)雜性以及日后發(fā)揮重要作用，減小盾構(gòu)施工對(duì)管片變形的影響，對(duì)超大直徑盾構(gòu)施工有重要意義。

在盾構(gòu)隧道施工過程中，三維數(shù)值模擬可以對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，為管片配筋設(shè)計(jì)與接頭優(yōu)化提供支撐。盾構(gòu)施工過程中，因其開挖掘進(jìn)會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，繼而土體會(huì)產(chǎn)生沉降或隆起；在周圍土壓力作用下，襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生反作用力[1]。針對(duì)超大直徑管片結(jié)構(gòu)特性研究，周濟(jì)民等[2]、王士民等[3]選取獅子洋水下盾構(gòu)隧道，對(duì)管片結(jié)構(gòu)與管片拼裝方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、三維數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)方法，總結(jié)了管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律和不同拼裝方式下管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與破壞形態(tài)；袁大軍等[4]、何川[5]等依托南京長(zhǎng)江隧道，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型、相似模型試驗(yàn)和三維有限元計(jì)算得出盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土體位移、變化規(guī)律、擾動(dòng)范圍和修正Peek公式，探究管片在高水壓下的力學(xué)行為特征、結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用關(guān)系；在理論分析方面，朱合華等[6]圍繞盾構(gòu)襯砌管片的設(shè)計(jì)模型與壓力荷載分布問題，提出了梁—彈接頭不連續(xù)模型；李曉軍等[7]通過上海沿江通道工程實(shí)例，研究盾構(gòu)隧道橫向等效剛度隨埋深變化的規(guī)律。冉建西等[8]以新疆某引水項(xiàng)目為例，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，研究了中埋深膨脹巖中盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性；李立權(quán)[9]以羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞為例，采用二維數(shù)值程序研究分析了管片襯砌接縫的相互作用機(jī)理和設(shè)計(jì)參數(shù)。

本文以超大直徑隧道工程為研究對(duì)象，通過有限元模擬研究了超大直徑市政盾構(gòu)隧道小半徑曲線掘進(jìn)管片結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。本文的研究結(jié)果可為類似工程提供有益的指導(dǎo)，有助于提高隧道施工質(zhì)量和設(shè)計(jì)水平。

1 工程概況

春風(fēng)隧道西起濱河大道上步立交東側(cè)與濱河大道相接，自西向東布線，自濱河路上步立交與紅嶺立交之間進(jìn)入地下，線路全長(zhǎng)5078m，盾構(gòu)段長(zhǎng)3603m。春風(fēng)隧道工程周圍環(huán)境極其復(fù)雜，重要建筑物眾多，施工對(duì)環(huán)境擾動(dòng)影響嚴(yán)格。

春風(fēng)隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑為13.9m，外徑為15.2m，管片的厚度為650mm，環(huán)寬為2m，每環(huán)分成10塊管片，即7塊標(biāo)準(zhǔn)塊B、2塊鄰接塊L和1塊封頂塊F。管片采用通用楔形環(huán)，管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，彈性模量為3.55×104MPa、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為35.5MPa，主筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360MPa。襯砌環(huán)、縱縫均采用斜螺栓連接。每道環(huán)縫采用28根M30斜螺栓連接；每道縱縫采用2根M39斜螺栓連接，每環(huán)管片共設(shè)置20根M39環(huán)向螺栓。環(huán)向螺栓的機(jī)械性能等級(jí)為8.8級(jí)普通螺栓，縱向螺栓的機(jī)械性能等級(jí)為6.8級(jí)普通螺栓。

該隧道上覆土層主要有新近堆積人工填土(石、砂)、第四系殘積黏性土，沖洪積砂土、黏性土，殘、坡積黏性土。下伏基巖為燕山第四期(γ53(1))花崗巖和石炭系(C)變質(zhì)砂巖，細(xì)粒結(jié)構(gòu)。微風(fēng)化巖粗粒花崗巖，單軸抗壓強(qiáng)度為42～112MPa，屬Ⅵ級(jí)堅(jiān)石；微風(fēng)化巖變質(zhì)砂巖，單軸抗壓強(qiáng)度為53～56.3MPa，屬Ⅵ級(jí)堅(jiān)石。盾構(gòu)段隧道需穿越上軟下硬以及軟硬不均的復(fù)合地層。

2 管片受力計(jì)算

2.1 模型建立

小曲率半徑盾構(gòu)隧道段隧道開挖直徑為15.8m，隧道軸線最小半徑為750m，隧道埋深約為48m，考慮隧道開挖對(duì)地層的擾動(dòng)以及主要研究對(duì)象，建立隧道模型大小為120m(長(zhǎng))×100m(寬)×100m(高)。隧道管片外徑15.20m，管片內(nèi)徑為13.90m，管片環(huán)寬2.00m，管片厚度為650mm，注漿層厚度為300mm。推進(jìn)油缸設(shè)置6分區(qū)(A—F)，如圖1所示，其中A—E組所在圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角均約為64.3°，F(xiàn)組所在圓弧對(duì)應(yīng)的圓心角均約為38.6°，為了便于不同分組油缸壓力的施加，特意的將每環(huán)管片按油缸分區(qū)分為6個(gè)分塊。

圖1 油缸布置示意圖

隧道模型約束為上表面自由，側(cè)面受水平約束，底面受豎向約束。將地層的土體當(dāng)作理想的彈塑性材料，其破壞的屈服準(zhǔn)采用庫倫破壞準(zhǔn)則；盾構(gòu)管片及注漿層考慮為彈性體，采用實(shí)體單元模擬，采用殼單元模擬盾殼。

2.2 模擬工況

為了模擬小轉(zhuǎn)彎隧道的真實(shí)施工過程，將開挖隧道分為周邊巖土體、管片及注漿層，具體的模擬過程如下：

2.2.1推進(jìn)油缸推力設(shè)置

推進(jìn)油缸千斤頂均勻地分布在盾構(gòu)機(jī)護(hù)盾四周，根據(jù)盾構(gòu)實(shí)際，將推進(jìn)油缸分為上(F組)、下(C組)、左(D和E組)、右(A和B組)四組，上、下兩組千斤頂單個(gè)油缸推力相等，左、右兩組則根據(jù)隧道轉(zhuǎn)彎情況來確定。

考慮盾構(gòu)施工過程中，盾尾與已安裝管片重合長(zhǎng)度約1.0～2.0倍管片寬度。其中，完成管片安裝時(shí)重合部分為2.0倍管片寬度，完成一環(huán)開挖時(shí)重合長(zhǎng)度約1.0倍管片寬度。為盡量貼合實(shí)際，按最不利工況進(jìn)行計(jì)算，模擬過程中，在最新安裝的一環(huán)管片施加推力，但不考慮盾殼與該2環(huán)管片的相互作用。

2.2.2注漿層設(shè)置

根據(jù)相關(guān)資料及工程經(jīng)驗(yàn)，盾尾的注漿壓力一般取為0.1～0.5MPa。考慮到盾構(gòu)采用雙液同步注漿，漿液具有早強(qiáng)性，考慮新安裝環(huán)3環(huán)以外各環(huán)外側(cè)注漿層均已達(dá)相同的強(qiáng)度，力學(xué)參數(shù)均取28天硬化強(qiáng)度。

2.2.3接觸面

一個(gè)常用經(jīng)驗(yàn)方法是將法向剛度kn和剪切剛度ks設(shè)置為最硬相鄰區(qū)域的等效剛度的10倍，即：

(1)

式中，K、G—最硬相鄰區(qū)域的體積模量、剪切模量；zmin—接觸面法向方向上連接區(qū)域上最小尺寸，如圖2所示。

圖2 接觸面法向方向上最小尺寸示意圖

對(duì)于模擬滑移和分離的情況，相對(duì)于剛度(kn和ks)，接觸面摩擦參數(shù)(如黏聚力、剪脹角、抗拉強(qiáng)度)的選取尤為重要。考慮到管片與周圍地層之間在盾構(gòu)推力的作用下會(huì)發(fā)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接觸面摩擦參數(shù)最好以現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)數(shù)進(jìn)行取值。當(dāng)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)：

(1)現(xiàn)場(chǎng)澆注的結(jié)構(gòu)如灌注樁、水泥土樁、高噴插芯組合樁(JPP)、PCC樁等樁土界面比較粗糙，接觸面上的摩擦特性較好，接觸面上的c、φ值可以取與樁相鄰?fù)翆拥腸、φ值的0.8倍左右，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)作適當(dāng)調(diào)整。

(2)預(yù)制結(jié)構(gòu)與土接觸面上的c、φ值可以取與樁相鄰?fù)翆拥腸、φ值的0.5倍左右。

根據(jù)上述關(guān)系列出了不同地層中接觸面力學(xué)參數(shù)取值情況，見表1。

表1 接觸面力學(xué)參數(shù)取值

本次計(jì)算只考慮管片與地層之間的接觸面關(guān)系，在數(shù)值模型中僅考慮注漿層與地層之間的接觸關(guān)系，并進(jìn)行接觸面相應(yīng)力學(xué)參數(shù)的取值。考慮到注漿層與地層接觸為現(xiàn)場(chǎng)澆筑，接觸面上的c、φ值可以取與樁相鄰?fù)翆拥腸、φ值的0.8倍。

2.2.4工況設(shè)置

春風(fēng)隧道盾構(gòu)小曲率半徑掘進(jìn)所穿越的地層主要為微風(fēng)化板巖，其次為中風(fēng)化板巖，小曲率半徑掘進(jìn)段埋深較大。因此，主要從地層巖性、總推力大小、左右分組推力差設(shè)置等方面開展數(shù)值計(jì)算工作。具體計(jì)算工況見表2，表中2A為盾構(gòu)最大推力，其值為246300kN。

表2 計(jì)算工況

3 管片受力變形分析

小曲線盾構(gòu)隧道段已安裝管片受地層水土壓力、管片自重、推進(jìn)反力等共同作用，其受力狀態(tài)極為復(fù)雜。依次對(duì)管片結(jié)構(gòu)施加不同反推力，分析不同推進(jìn)反力作用下管片結(jié)構(gòu)受力狀況。根據(jù)管片與盾構(gòu)的間距，由近及遠(yuǎn)依次編號(hào)，令靠近推進(jìn)油缸的第一環(huán)管片編號(hào)為1，其余依次為2、3、4、…。

3.1 微風(fēng)化板巖地層中管片結(jié)構(gòu)受力結(jié)果及分析

3.1.1不同均布推力作用下管片主要受影響區(qū)域

主要受影響區(qū)域分別為工況1、2、3、7、8。

由圖3可知，第1環(huán)管片最大主應(yīng)力比較接近；第2—5環(huán)管片最大主應(yīng)力發(fā)生分離現(xiàn)象，且隨著總推力的增大，最大主應(yīng)力逐漸減小；第5環(huán)之后各環(huán)最大主應(yīng)力重新回復(fù)至較為接近狀態(tài)；施加推力可以減小2—5環(huán)管片最大主應(yīng)力。

圖3 管片最大主應(yīng)力變化規(guī)律

由圖4可知，隨著作用在管片上的總推力增大，第1—4環(huán)管片最小主應(yīng)力變化較為明顯。其中，第1環(huán)和第2環(huán)管片在不同推力作用下最小主應(yīng)力分化最為顯著，且作用推力越大，管片對(duì)應(yīng)的最小主應(yīng)力越小。

圖4 管片最小主應(yīng)力變化規(guī)律

由圖5可知，在不同推力的作用下，管片相應(yīng)產(chǎn)生了不同的變形增量，主要表現(xiàn)為推力越大管片最大變形增量越大。

圖5 管片最大變形增量變化規(guī)律

3.1.2相同推力非均布條件下主要受影響區(qū)域

主要受影響區(qū)域分別為工況3、4、5、6。

圖6—8為考慮盾構(gòu)小曲線半徑掘進(jìn)過程中左右分組油缸存在推力差的情況下，考慮盾構(gòu)管片在相同推力非均布作用下的特征：①總推力相同，左、右分組油缸存在推力差時(shí)，管片受最大主應(yīng)力由第1環(huán)至第3環(huán)逐漸降低，隨后保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；在左、右分組油缸不同推力差作用下，各環(huán)管片最大主應(yīng)力未出現(xiàn)明顯分化現(xiàn)象；②第1環(huán)管片在左右分組油缸不同推力差的情況下存在明顯分化現(xiàn)象，推力差越大，最小主應(yīng)力越小；第2環(huán)及其以后各環(huán)管片受左、右分組油缸推力差影響不明顯；③隨著左、右分組油缸推力差的增大，管片最大變形增量相應(yīng)增大。

圖6 管片最大主應(yīng)力變化規(guī)律

圖7 管片最小主應(yīng)力變化規(guī)律

圖8 管片最大變形增量變化規(guī)律

盾構(gòu)在小轉(zhuǎn)彎半徑掘進(jìn)過程中，在左、右分組油缸推力差分別為5000、10000、15000kN時(shí)，從最大主應(yīng)力方面來看，不同推力差對(duì)管片最大主應(yīng)力的影響并無較大差別；從最小主應(yīng)力方面來看，不同推力差對(duì)管片最小主應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)在第1環(huán)管片，推力差越大管片最小主應(yīng)力越大；第2環(huán)及其后各環(huán)管片則受不同推力差影響并不明顯。從最大變形增量方面來看，不同推力差作用下管片產(chǎn)生的最大變形增量均較小。

3.2 中風(fēng)化板巖地層中管片結(jié)構(gòu)受力結(jié)果及分析

3.2.1不同均布推力作用下主要受影響區(qū)域

主要受影響區(qū)域分別為工況9、10、11、15、16。

由圖9—11可知，在中風(fēng)化板巖地層中，不同均布推力作用下管片結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)了與微風(fēng)化板巖地層中相似的受影響特征，但同時(shí)也出現(xiàn)一些新的特征，具體表現(xiàn)為：①第1環(huán)和第2環(huán)最大主應(yīng)力明顯增大；②第3環(huán)管片及其后各環(huán)管片最小主應(yīng)力增大明顯；③各環(huán)管片最大變形增量也相應(yīng)增大。

圖9 管片最大主應(yīng)力變化規(guī)律

圖10 管片最小主應(yīng)力變化規(guī)律

圖11 管片最大變形增量變化規(guī)律

3.2.2相同推力非均布條件下主要受影響區(qū)域

主要受影響區(qū)域分別為工況11、12、13、14。

由圖12—14可以看出：在中風(fēng)化板巖地層中，相同推力左、右分組油缸存在推力差的條件下，管片結(jié)構(gòu)受力變形同樣呈現(xiàn)了與微風(fēng)化板巖地層中相似的受影響特征，所不同的是：①第1環(huán)和第2環(huán)最大主應(yīng)力明顯增大；②第3環(huán)管片及其后各環(huán)管片最小主應(yīng)力增大明顯；③各環(huán)管片最大變形增量也分別有所增大。

圖12 管片最大主應(yīng)力變化規(guī)律

圖13 管片最小主應(yīng)力變化規(guī)律

圖14 管片最大變形增量變化規(guī)律

4 結(jié)論

(1)通過數(shù)值計(jì)算方法分析了中、微風(fēng)化板巖中盾構(gòu)小曲線掘進(jìn)過程中管片結(jié)構(gòu)受力特征，明確了相同推力作用下中風(fēng)化板巖環(huán)境中管片結(jié)構(gòu)受力、變形均較微風(fēng)化板巖環(huán)境中大的情況。

(2)微風(fēng)化板巖地層中的隧道結(jié)構(gòu)，不同推力差主要對(duì)第1環(huán)管片產(chǎn)生較大的影響。但是，對(duì)于正在施工的盾構(gòu)隧道，考慮盾尾內(nèi)新安裝管片處在懸挑狀態(tài)以及同步注漿漿液存在硬化時(shí)間問題，第1—5環(huán)管片均存在最大主應(yīng)力大于0的現(xiàn)象，其中以第1環(huán)和第2環(huán)管片表現(xiàn)最為明顯，施加推力作用對(duì)減小第2環(huán)及其以后各環(huán)管片的最大主應(yīng)力有益。

(3)施加足夠大的推力有助于控制管片結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力。考慮到盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)施加在管片上的推力是變化的，表現(xiàn)為：停機(jī)階段小，正常掘進(jìn)段大。考慮減少管片結(jié)構(gòu)不利受力影響，應(yīng)控制盾構(gòu)掘進(jìn)不同階段最小總推力值。對(duì)比微風(fēng)化和中風(fēng)化板巖地層中盾構(gòu)小曲線半徑掘進(jìn)過程中管片結(jié)構(gòu)受力特征，微風(fēng)化圍巖可以很好的約束管片結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)一步減小盾構(gòu)小曲線掘進(jìn)過程中對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力、變形的不利影響。