盾構隧道壁后填充層對管片力學特性影響分析

摘要：盾構隧道壁后填充層材料不可避免地對隧道管片力學性能產生影響，為此依托某區間隧道項目，通過有限元數值模擬手段分析盾構豆礫石填充層密實度對管片力學性能和變形的影響。結果表明：管片各位置處徑向位移存在較為明顯差異，最大徑向位移出現在拱頂位置處，最大徑向位移達到9.2mm。隨著豆礫石密實度的增加，各位置處徑向位移增大，豆礫石密實度與管片徑向位移呈現正相關關系。豆礫石在自然松填條件下管片彎矩和軸力均最低。隨著豆礫石密實度的增加，其管片彎矩和軸力均上升，但其上升速率逐漸下降。豆礫石密實程度影響了管片各位置處與圍巖的接觸應力。隨著豆礫石密實度的增加，管片各位置處接觸應力增加，接觸應力最大值由拱頂位置處變化為拱腰位置處。

關鍵詞：盾構隧道；管片受力；壁后填充層；數值模擬

0 引言

隨著我國交通行業的發展和城市化進程的推進，隧道項目越來越多，但由于地質條件的復雜性，盾構隧道管片結構極易出現裂縫，影響隧道運營安全，為此許多研究人員對盾構土體的力學性能和隧道變形的影響因素進行研究。

黃大維等[1]針對盾構隧道縱向抗彎剛度取值未考慮環縫接頭拉伸剛度與縱向殘余頂推力的問題，提出一種考慮縱向殘余頂推力的盾構隧道縱向抗彎剛度解析算法。樊虎等[2]提出一種盾構過程中拱頂覆土兩階段沉降分析模型，驗證了模型的有效性，預測車輛循環荷載和隧道盾構耦合作用下盾尾拱頂覆土沉降發展規律。劉明芳等[3]依托廈門市軌道交通2號線東孚站至馬鑾北站區間某區間段雙線盾構隧道工程，通過現場監測和數值模擬手段分析了隧道施工過程中地表沉降、管片變形和隧道洞周孔隙水壓變化的規律。

汪先國等[4]依托鄭州市地鐵軌道交通12號線胡莊站至龍子湖西站區間雙線隧道工程，針對盾構穿越典型細砂地層，對雙線盾構隧道施工引起的土體變形開展了數值模擬和現場實測研究。肖明清等[5]基于Roth模型建立的密封墊接觸面氣體泄漏模型，研究盾構隧道管片密封墊表面粗糙度與氣密性的關系。周鳴亮等[6]為平衡專家評價的主觀性和物理力學模型的客觀性，提出了融合機器視覺結構病害檢測信息和不同病害下結構性能分析的隧道安全狀態評價方法，并通過現場實例證明了該方法的優越性。

本文依托盾構隧道實際案例，通過有限元軟件建立盾構隧道數值仿真模型，分析了不同盾構壁后填充層條件下管片位移和受力情況的差異。本文的研究成果可為相似工程提供一定的借鑒、指導意義。

1 工程概況

本文某區間隧道項目，該區間隧道左線工程長6605.642m；右線工程長6616.133m。區間線路最小曲線半徑為1300m，全隧縱坡采用“N”字坡，線路最大縱坡為28‰，最小縱坡為2‰，區間隧道洞身最大埋深259m，最小埋深10.3m，屬深埋隧道。

區間施工方法主要為盾構法，礦山法輔助施工，共設置14處聯絡通道，為滿足區間排水要求，于葵大4#橫通道和9#橫通道處設置兩座排水泵房。管片內外半徑分別為4m和4.4m，厚度為0.4m，幅寬1.8m。

本工程穿越區間地質較為復雜，地表高程差異較大，穿越地層主要為各類風化基巖，如泥質砂巖、炭質板巖、片麻巖、灰巖等，穿越地層巖石性質差異較大。

2 數值模型建立

2.1 基本假定

通過有限元數值軟件根據工程實際情況建立了盾構隧道數值仿真模型，模型采用的假設如下：將圍巖視為各向同性、勻質的材料，不考慮圍巖的各向異性。計算參數選取通過現場鉆孔和室內試驗獲得的巖石力學參數作為圍巖參數的等效。隧道埋深通過圍巖自重應力場等效模擬。盾構隧道填充層假設與圍巖充分接觸。

2.2 計算模型

模型尺寸根據工程實際情況設為60m×50m

×60m（長×寬×高），內外徑長度分別為8m和8.8m，管片幅寬為1.8m，壁后填充層厚度設為0.17m，盾殼總厚度取75mm。邊界條件方面，設置模型底部為固定邊界條件，四周為法向約束邊界條件，頂部為自由邊界條件。

為在保證計算精度的前提下提高計算效率，在進行網格劃分過程中對隧道周邊土層采取了局部網格加密，共劃分出312994個10節點有限元網格。該隧道模型網格劃分情況如圖1所示。

2.3 輸入參數

在本次數值模擬過程中，圍巖通過六面體實體單元模擬，按理想彈塑體考慮，本構模型選取摩爾-庫倫模型。圍巖的力學計算參數如表1所示。

采用梁單元模擬盾殼結構，壁后填充層、管片結構均采用實體六面體單元模擬。盾構部分結構組件的計算輸入參數如表2所示。壁后填充層與管片、盾殼與圍巖之間設有實體接觸單元，摩擦系數設為0.3，膨脹角設為1°。

3 結果分析與討論

3.1 管片徑向位移

不同豆礫石密實度工況下的管片位移變化情況如圖2所示。從圖2可以看出，管片各位置處徑向位移存在較為明顯的差異，最大徑向位移出現在拱頂位置處，其次分別為拱底和拱腰位置處，最大徑向位移達到9.2mm。

隨著豆礫石密實度的增加，各位置處徑向位移增大，豆礫石密實度與管片徑向位移呈現正相關關系。這說明自然條件下的豆礫石能夠對管片變形起到更好的削減作用，即讓壓效果更為明顯，而隨著密實度的增加，削減了豆礫石的讓壓作用。

當豆礫石剛脫離自然狀態密實度達到0.2后，各位置處管片徑向位移明顯增加，后隨著密度度的增大其管片位移增加速率逐漸減小，直到達到密實狀態后管片位移無明顯變化?？梢婋S著豆礫石密實度的增加，管片徑向位移對其敏感性逐漸降低。

3.2 管片內力

不同豆礫石密實度工況下的管片彎矩變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，豆礫石在自然條件下管片正負彎矩數值最低，隨著豆礫石密實度的增加，管片彎矩峰值逐漸增大。豆礫石由自然狀態轉變為密實度0.2狀態過程中，管片彎矩增幅最大，后隨著密實度的增加其彎矩增加速率逐漸下降。豆礫石達到密實狀態后，最大正彎矩峰值達到了372kN·m，最小負彎矩峰值達到365kN·m。

圖4展示了不同豆礫石密實度工況下管片軸力變化曲線。從圖4可以看出，豆礫石在自然條件下管片軸力約為2250kN，隨著豆礫石密實度的增加，管片軸力逐漸增大，管片軸力與豆礫石密實度呈現正相關關系。豆礫石達到密實狀態后，管片軸力達到了8680kN。從變化速率而言，管片軸力隨豆礫石密實度增加的速率隨著密實度增加而降低。

整體而言，豆礫石在自然松填條件下管片彎矩和軸力均最低，自然松填條件下的豆礫石能夠最大程度的發揮讓壓作用，結構能夠達到最優受力。隨著豆礫石密實度的增加，其管片彎矩和軸力均上升，但其上升速率逐漸下降，曲線越來越平緩。

圖5展示了不同豆礫石密度條件下管片徑向應力的分布情況。從圖5可以看出，豆礫石在自然填充條件下管片徑向應力分布曲線較為平緩。隨著豆礫石密實度的增加，管片徑向應力增加，應力在管片各位置處分布亦越加不均勻，其不均勻程度也逐漸上升。

3.3 接觸壓力

圖6展示了不同豆礫石密實度工況下各位置處的接觸壓力變化情況。從圖6可以看出，豆礫石在自然填充條件下管片各位置處接觸壓力數值最小，拱頂、拱腰和拱底的接觸壓力分別為0.2MPa、0.29MPa和0.32MPa，拱腰位置處接觸應力最小。

隨著豆礫石密實度的增加，管片各位置處接觸應力增加，且增加速率存在差異，導致管片各位置接觸應力大小關系發生變化，接觸應力最大值由拱頂位置處變化為拱腰位置處。豆礫石達到密實狀態后，拱腰位置處接觸應力達到0.89MPa?？梢?，豆礫石密實程度影響了管片各位置處與圍巖的接觸應力。

4 結束語

本文依托某區間隧道項目，通過有限元數值模擬手段分析了盾構填充層材料對管片力學性能的影響。得出主要結論如下：

管片各位置處徑向位移存在較為明顯的差異，最大徑向位移出現在拱頂位置處，其次分別為拱底和拱腰位置處，最大徑向位移達到了9.2mm。

隨著豆礫石密實度的增加，各位置處徑向位移增大，豆礫石密實度與管片徑向位移呈現正相關關系。

豆礫石在自然松填條件下管片彎矩和軸力均最低，自然松填條件下的豆礫石能夠最大程度發揮讓壓作用，結構能夠達到最優受力。隨著豆礫石密實度的增加，其管片彎矩和軸力均上升，但其上升速率逐漸下降，曲線越來越平緩。

豆礫石密實程度影響管片各位置處與圍巖的接觸應力。隨著豆礫石密實度的增加，管片各位置處接觸應力增加，且增加速率存在差異，導致管片各位置接觸應力大小關系發生變化，接觸應力最大值由拱頂位置處變化為拱腰位置處。

參考文獻

[1] 黃大維，姜浩，羅文俊，等.考慮縱向殘余頂推力的盾構隧道縱向抗彎剛度解析算法[J].中國公路學報，2024，37（1）：165-174.

[2] 樊虎，莊妍，宋相偉.運營期淺埋公路隧道拱頂覆土層力學分析模型及沉降規律研究[J].中南大學學報（自然科學版），2024，55（1）：230-241.

[3] 劉明芳，陳明輝，吳振元，等.基于流固耦合的雙線盾構隧道施工誘發地表沉降分析[J].湖南文理學院學報（自然科學版），2024，36（1）：67-75.

[4] 汪先國，周鳳印，李志朋，等.土壓平衡盾構雙線掘進對飽和砂土層的變形影響研究[J].河南科學，2024，42（1）：62-70.

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[6] 周鳴亮，汪長松，黃宏偉，等.融合機器視覺與性能分析的運營盾構隧道結構安全狀態評價[J].應用基礎與工程科學學報，2023，31（6）：1461-1476.