隧洞工程中管片承載與組合結構聯合承載方案對比分析

摘 要：【目的】隧洞盾構施工過程可能會引起周邊的巖土變形或地面沉陷，而襯砌結構能夠起到有效的支護作用并承擔內水壓力，因此隧洞在盾構施工各階段的穩定性與安全性具有十分重要的研究意義。【方法】以某一盾構隧洞開挖工程中典型區間段為研究對象，利用ABAQUS建立隧道盾構施工三維有限元模型，對施工過程中管片承載及組合結構聯合承載方案的位移及應力進行分析。【結果】組合結構聯合承載方案下的豎向位移明顯低于單一管片結構，能夠有效降低地表沉降程度。【結論】在相同工況下，組合結構較單一管片結構表現出更好的抗拉和抗壓性能，在應對外部負荷和地質條件變化時具有更優秀的穩定性。研究成果可為后續隧洞開挖工程提供參考。

關鍵詞：盾構施工；隧洞；沉降；位移；管片應力

中圖分類號：U455+.2" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）04-0050-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.011

Comparative Analysis of the Joint Bearing Scheme of Segment Bearing and Composite Structure in Tunnel Engineering

ZHAO Yuechao1 SHI Yuanbo2 TANG Changxing3 LI Jiangfeng1 MA Wenchang3

（1. Henan Railway Construction Investment New Infrastructure Company， Zhengzhou 450018， China;

2.School of Water Conservancy， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China; 3.School of Civil Engineering and Transportation， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China ）

Abstracts： [Purposes] The tunnel shield construction process may cause the surrounding geotechnical deformation or ground subsidence， and the lining structure can play an effective support role and bear the pressure of internal water， so the stability and safety of the tunnel in the various stages of the shield construction is of great significance.[Methods] In this paper， a typical section of a shield tunnel excavation project is taken as the research object， and a three-dimensional finite element model of tunnel shield construction is established by using ABAQUS to analyze the displacement and stress of the tube sheet bearing and the combined structural joint bearing scheme during the construction process.[Findings] The vertical displacement under the combined structure joint bearing scheme is significantly lower than that of single tube sheet structure， which can effectively reduce the degree of surface settlement.[Conclusions] Under the same working conditions， the combined structure shows better tensile and compressive resistance than the single pipe sheet structure， and has better stability in response to external loads and changes in geological conditions. The research results can provide theoretical references for subsequent tunnel excavation projects.

Keywords： shield construction; tunnel; settlement; displacement; sheet stresses

0 引言

在隧道工程建設中，盾構技術具有高效、安全和環保等優點，因此被廣泛應用。然而，盾構施工過程中有可能對周邊環境帶來負面影響，如巖土變形、地面沉陷等［1］，為了確保施工過程中附近建筑的安全，采用合理的隧洞承載結構具有重要意義。

目前，針對地下盾構施工對既有結構的影響已取得了較多的研究成果。熊志浩等［2］采用有限差分法模擬了地鐵盾構曲線隧道下穿既有管廊的施工過程，分析了上下隧道相交角度與軸線交點附近處沉降值之間的關系。許有俊等［3］綜合考慮地質水文條件、上部結構荷載、盾構施工參數等因素，模擬了盾構隧道下穿施工全過程，對不同工況預埋樁基條件下車站沉降變形規律進行了分析，研究結果表明，預埋樁能夠有效控制車站沉降變形。徐彰杰［4］以北京地鐵15號線盾構穿越京承鐵路箱涵工程為例，研究了盾構施工引起既有鐵路箱涵變形的問題。劉新峰等［5］基于數值模擬研究了正常固結土層盾構隧道開挖對既有橋梁樁基的影響，并建立了土體的預測模型。方勇等［6］基于有限元軟件模擬了兩條平行隧道盾構施工過程，分析了新建隧道挖掘工程對既有隧道位移、變形和內力的影響情況，研究結果表明，既有隧道在盾構機附近主要產生縱向上的不均勻沉降和側移，在盾構機后方主要產生橫斷面內的旋轉。秦帥等［7］利用有限差分法研究了盾構隧道下穿過程中對既有隧道的影響，結果表明，既有城市隧道在盾構隧道附近主要產生縱向上的差異沉降，隨著盾構施工的推進，沉降會逐漸增大。

然而，隧道襯砌和圍巖的聯合承載機制目前缺少較完整的力學分析體系，因此，本研究以某一盾構隧道開挖工程為例，利用ABAQUS有限元軟件，對隧道施工過程進行了模擬，深入研究了不同承載方案下隧道的穩定性，并通過對比分析得出了一般規律，為今后類似工程設計提供一定的參考。

1 工程概況

榕江關埠引水工程是“三江連通”工程極其重要的組成部分。從榕江支流南河的下游地區采集水源，在南北河的交匯處大約3.8 km的地方，設置一個取水口。引水盾構管道從取水口引出自北向南輸水，自流進入南面山腳的加壓泵站前池，通過加壓泵站加壓至位于西南側山坡上的高位水池。引水盾構管道出高位水池后，沿山脊自東向西延伸至馬湖村附近山脈后折向西南，再從普寧市北山村山腳的北坑水庫附近進入出水池。出水池溢流堰分水至北山村輸水明渠和北山東輸水渠，最后匯入練江。

2 仿真模型建立及地應力平衡

2.1 有限元模型

為了更深入地對隧道盾構施工期間的地面沉降及管片特征（變形、應力）變化進行研究，本文選擇榕江關埠引水工程區間段為研究對象，依據工程資料，采用有限元分析方法，建立引水隧道盾構施工三維有限元模型，分別對在不同工況下的盾構施工引起的地表沉降和管片特性變化規律進行分析。在數值模擬計算中，土體、管片、鋼圈、灌漿體、樹脂層等各個結構均采用三維實體單元，并賦予不同的材料參數；地基域X向、Y向（豎直向）均以隧洞中心點為起點分別向左、向右、向下延伸3倍洞徑，隧道開挖方向長度為30 m。模型圍巖的周圍邊界（與模型結構的幾何形狀相同）施加水平向約束，模型底部施加全約束，上部表面為自由表面。坐標系為笛卡爾坐標系：Z向為TBM盾構機掘進方向，用軸向來表示；X向為水平方向，并與隧洞開挖方向垂直；Y向為豎直方向。

單一管片承載方案與組合結構承載方案下盾構隧道整體數值模擬模型分別如圖1和圖2所示。盾構隧道開挖后引起的應力應變重分布，對隧道3～5倍直徑范圍內的土體影響較大。通常情況下，在3倍直徑處的應力變化通常小于10%，而在5倍直徑處的應力變化通常小于3%，因此模型尺寸設置為35.42 m×30 m×49.71 m。以模型的表面作為自由邊界，4個側面和底部均受到法向的限制。隧道外徑為5.06 m，內徑為4.3 m，埋深為30 m，其中襯砌采用預制混凝土管片，其寬度為1.4 m，厚度為0.25 m。當管片襯砌后與隧道圍巖之間會形成一個環形建筑空隙，該建筑空隙在整個襯砌過程中需要用注漿材料進行填充，以有效地減少建筑空隙對地層變形和地表沉降的影響，該注漿材料的彈性模量取4.5 GPa。

2.2 地應力平衡分析

地應力平衡法是一種通過獲取不同地層的初始狀態，從而得到與實際工程吻合度更高的計算結果的數值模擬計算方法。地應力平衡需要滿足兩個條件，即平衡條件與屈服條件。針對不同的地形條件，可采用不同的地應力平衡方法，現階段常用的地應力平衡方法主要有以下5種：①自動平衡法；②關鍵字定義初始地應力法；③ODB導入法；④初始應力提取法；⑤采用子程序SIGINI定義初始地應力場。

研究表明，在地應力未平衡前，豎向位移最大值為11.91 mm，若在數值仿真計算中不進行地應力平衡的步驟，會導致結果與實際不符，因此在開挖前要進行地應力平衡。平衡前后的豎直向最大應力的結果相等，最大應力值為1.21 MPa；平衡前后的豎直向位移值差別較大，平衡后的豎直位移最大值的數量級在可接受范圍（10～4 m）內，滿足工程要求。

3 隧洞結構力學特性模擬研究

3.1 管片承載的力學特性分析

3.1.1 施工過程位移分析。

①TBM（Tunnel Boring Machine）隧道施工開挖整體豎向位移如圖3所示。由圖3可知，豎向位移沉降云圖在隧洞中軸線上呈現大致對稱的分布特征。在開挖過程中，隧洞最大沉降量出現在拱頂和拱底區域。隨著開挖施工的進行，拱頂沉降量逐漸增大，拱底上浮量先增大后減少，其中，拱頂最大沉降量為0.942 mm，拱底最大上浮量為1.088 mm。

②考慮到篇幅限制且不同開挖過程下，管片位移分布特征大致相同，因此在本研究中，管片豎向位移僅展示開挖第11步，如圖4所示。由圖4可知，隨著開挖施工的逐漸進行，拱頂沉降量逐漸增加，拱底上浮量先增加后減少。拱頂最大沉降量為0.942 mm，拱底最大上浮量為1.088 mm。

3.1.2 施工過程應力分析。

①TBM隧道開挖圍巖整體最大主應力在隧洞中軸線方向呈現大致對稱的分布特征，分別在隧洞拱底處和隧洞兩側出現了最大拉應力和最大壓應力。在開挖過程中，拉應力隨隧洞的逐步開挖而均勻向開挖相反方向遞增，其中，最大拉應力為1.75 MPa，最大壓應力為0.754 MPa。

②在不同開挖過程中，管片最大主應力分布規律大致相同，均沿著隧道中軸線對稱分布。其中，最大拉應力主要出現在拱底位置，拉應力大小沿隧道開挖相反方向遞增；最大壓應力主要分布在隧洞外壁，壓應力大小沿隧道開挖方向遞增。其中，最大拉應力為1.677 MPa，最大拉應力為0.738 MPa。

3.2 組合結構承載的力學特性分析

3.2.1 施工過程位移分析。

①TBM隧道施工開挖整體豎向位移沉降在隧洞中軸線上呈現大致對稱的分布特征。在開挖過程中，隧洞最大沉降量出現在拱頂和拱底區域。隨著開挖施工的進行，拱頂沉降量與拱底上浮量均先增大后減少，其中，拱頂最大沉降量為0.38 mm，拱底最大上浮量為0.442 mm。②在組合結構承載下，管片沉降分布特征大致相同，均關于中軸線大致對稱。在開挖過程中，管片的最大沉降量出現在拱頂和拱底區域，隨著開挖施工的進行，拱頂沉降量與拱底上浮量均逐步增加，隨后趨于穩定。其中，最大拱頂沉降量為0.375 mm，最大拱底上浮量為0.427 mm。

3.2.2 施工過程應力分析。

①TBM隧道開挖圍巖整體最大主應力在隧洞中軸線方向呈現大致對稱的分布特征，分別在隧洞拱底位置處和隧洞兩側出現了最大拉應力和最大壓應力。在開挖過程中，拉應力隨隧洞的逐步開挖而均勻向開挖相反方向遞增，其中，最大拉應力為1.75 MPa，最大壓應力為11.22 MPa。

②在組合結構承載下管片最大主應力分布規律大致相同，均沿著隧道中軸線對稱分布。其中，最大拉應力主要出現在拱底位置，拉應力大小沿隧道開挖相反方向遞增，最大壓應力主要分布在隧洞外壁，壓應力大小沿隧道開挖方向遞增。其中，最大拉應力為0.75 MPa，最大壓應力為0.53 MPa。

4 不同承載方案位移與應力對比分析

4.1 位移分析

不同承載方案下管片最大豎向位移如圖5所示。由圖5可知，單一管片承載與組合結構承載下的管片最大位移曲線隨開挖進程的變化趨勢大致相同，均為逐漸上升后趨于水平。單一管片在開挖1階段到5階段逐漸上升，隨后趨于水平，而組合結構在開挖3階段后便趨于水平，且位移曲線變動幅度較單一管片小，說明組合結構承載具有更好的結構穩定性。聯合承載管片最大位移為0.44 mm，較單一管片結構降低了0.6 mm。從沉降控制的角度來看，組合結構的承載方案相較于單一管片結構更具優勢。

綜上所述，相較于單一管片結構，組合結構在承載能力上展現出更好的性能，能夠減少地表沉降。采用組合結構的承載方案可以有效降低工程對地表的影響，保證結構的穩定性和周邊環境的安全性。在進一步研究和實踐中，應該重點關注組合結構的優化設計和施工管理，以充分發揮其在隧洞開挖工程中的優勢。

4.2 應力分析

不同承載方案下管片最大拉壓應力如圖6所示。由圖6（a）可知，在相同工況下，聯合承載結構管片的最大拉應力為0.75 MPa，較單一管片承載降低了0.85 MPa，說明組合結構在一定程度上可以改善管片的受拉性能。由圖6（b）可知，在相同工況下，單一管片承載曲線和組合結構承載曲線的趨勢大致相同，均在開挖1階段到2階段內迅速上升，隨后便趨于平穩。組合結構承載下管片的最大壓應力為0.5 MPa，較單一管片承載下管片的最大壓應力降低了0.1 MPa，說明聯合承載方案一定程度上可以提高管片的受壓性能。

綜上可知，組合結構在受力承載能力方面較單一管片承載更具有優越性。相較于單一管片結構，組合結構能夠提供更高的抗拉和抗壓性能，表明其在應對外部負荷和地質條件變化時更具可靠性。這一結論對于隧洞開挖工程的設計和結構選擇具有重要意義。采用組合結構有助于增強工程的整體穩定性和可靠性，進一步提高工程的安全性和可持續性。在未來的研究和實踐中，應當進一步深入探索組合結構的優化設計和施工技術，以充分發揮其在提升結構承載能力方面的潛力。

5 結論

本研究以某盾構開挖隧洞典型區間段為例，利用ABAQUS有限元軟件建立了典型的區間段三維模型，以模擬隧洞的開挖過程，并對比兩種不同承載方案在不同工況下的應力、位移效果，得出以下結論。

①通過對組合結構承載方案在各個工況下具體情況進行分析得出，其能夠滿足施工要求。通過分析其豎向位移、拉應力和壓應力，均能夠穩定控制在可接受的范圍內，保證了結構的安全性和可靠性。

②通過對比相同工況下的應力和位移曲線數據，可以清晰地比較組合結構承載方案和單一管片承載方案在應力和位移上的變化趨勢。與單一管片結構相比，組合結構表現出更高的承載能力和更好的穩定性，這種優越性可以為工程設計和施工提供更可靠的保證。

參考文獻：

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