曾志華1 梁金平1 陳紹友2 魏恒2

1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司；2 .中國(guó)石油管道局工程有限公司亞太分公司

 

摘要：軟土地層的連續(xù)小曲率半徑盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)對(duì)隧道特性的影響至關(guān)重要，可為施工期間采取合理的地表隆沉控制措施及轉(zhuǎn)彎段施工措施提供重要參考。研究了掘進(jìn)荷載和千斤頂推進(jìn)荷載兩個(gè)施工參數(shù)對(duì)小曲率半徑連續(xù)曲線(xiàn)盾構(gòu)隧道特性的影響。研究結(jié)果表明，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)荷載的增大，地表的隆起明顯增大，隧道兩側(cè)土體位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)荷載為45 kN/m2時(shí)對(duì)周邊土體的擾動(dòng)效應(yīng)最小；千斤頂推進(jìn)荷載不超過(guò)212 kN/m時(shí)，其對(duì)隧道兩側(cè)土體的側(cè)向變形幾乎沒(méi)有影響。研究結(jié)果為進(jìn)一步優(yōu)化施工參數(shù)及確定施工控制措施提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)小曲率半徑；盾構(gòu)掘進(jìn)；施工參數(shù)；管片受力；地表隆沉

 

斯里蘭卡城市排水盾構(gòu)工程位于首都科倫坡，隧道內(nèi)徑3 m、長(zhǎng)778 m，采用“連續(xù)小曲率S曲線(xiàn)+直線(xiàn)”平面總體布置。盾構(gòu)機(jī)通過(guò)連續(xù)小曲率實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)彎半徑分別為140 m和441 m的連續(xù)轉(zhuǎn)彎，穿越地層為砂質(zhì)黏土（膨脹性土層）和強(qiáng)中微風(fēng)化的片麻巖，巖石最大單軸抗壓強(qiáng)度140 MPa。

據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外小曲率盾構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-4]，以施工方法和技術(shù)[5]、施工擾動(dòng)[6-8]等研究為主，但對(duì)掘進(jìn)荷載、千斤頂推進(jìn)荷載等施工參數(shù)的研究不多。本文基于數(shù)值分析法，對(duì)連續(xù)小曲率S曲線(xiàn)盾構(gòu)隧道建立三維有限元數(shù)值模型，采用三維有限元模擬軟件GTS NX精細(xì)模擬了盾構(gòu)施工全過(guò)程，對(duì)掘進(jìn)荷載、千斤頂推進(jìn)荷載等施工參數(shù)對(duì)小曲率半徑連續(xù)曲線(xiàn)盾構(gòu)隧道特性的影響進(jìn)行敏感性分析，為進(jìn)一步優(yōu)化各項(xiàng)施工參數(shù)與確定施工控制措施提供理論依據(jù)。

1  盾構(gòu)掘進(jìn)模型建立

1.1  模型建立

根據(jù)實(shí)際工程情況，以1∶1建立幾何仿真模型（圖 1、圖 2），共118 061個(gè)單元。結(jié)合工程地質(zhì)資料，本數(shù)值仿真模型中的地層簡(jiǎn)化為一層砂質(zhì)黏土。

圖 2 三維有限元連續(xù)曲率盾構(gòu)隧道模型

為確保管片曲率可實(shí)現(xiàn)彎曲半徑小于100 m，本數(shù)值仿真模型中隧道彎曲半徑為80 m，設(shè)計(jì)“S”型連續(xù)小曲率彎曲隧道路線(xiàn)。

本模型土體材料采用莫爾－庫(kù)倫彈塑性非線(xiàn)性模型，土體參數(shù)參照斯里蘭卡新姆圖瓦隧道工程地質(zhì)資料。假定盾構(gòu)外殼、襯砌管片和注漿體為彈性材料。模型材料參數(shù)如表 1所示。

表 1 三維有限元數(shù)值模型材料參數(shù)

1.2  荷載模擬

（1）初始地應(yīng)力的模擬。初始地應(yīng)力是指隧道施工前土體初始應(yīng)力場(chǎng)，不考慮變形。

（2）盾構(gòu)施工荷載的模擬。①掌子面掘進(jìn)荷載：盾構(gòu)隧道設(shè)置垂直于擬開(kāi)挖掌子面的法向均布荷載。掌子面上掘進(jìn)荷載為45 kN/m2；②千斤頂推進(jìn)荷載：支撐在襯砌上的液壓千斤頂推力是盾構(gòu)推進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，本模型取千斤頂總壓力為200 kN，均布在管片上等效為212 kN/m（線(xiàn)荷載）；③注漿壓力荷載：注漿壓力荷載是使?jié){液同步注入盾尾空隙，本模型取注漿壓力荷載為0.2 MPa。

1.3  邊界條件

隧道施工模型考慮沿隧道軸向建模，邊界條件分為兩個(gè)部分：一是荷載條件，設(shè)置為整體模型的重力荷載及20 kN/m2的地表均布施工荷載；二是位移邊界條件，模型底部為固定邊界，底邊為自由邊界。

1.4  施工階段模擬

在進(jìn)行施工階段模擬時(shí)，數(shù)值模型隧道段總長(zhǎng)約84 m，模擬盾構(gòu)每次掘進(jìn)1 m，共84次掘進(jìn)，考慮初始地應(yīng)力階段及盾殼出洞，共包括87個(gè)施工階段。

2  掘進(jìn)荷載對(duì)盾構(gòu)隧道特性的影響

2.1  對(duì)盾構(gòu)管片受力的影響

選取盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)荷載為10 kN/m2、45 kN/m2、100 kN/m2及200 kN/m2條件下的連續(xù)小曲率盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）對(duì)盾構(gòu)管片軸力的影響分析結(jié)果。掘進(jìn)荷載的變化并不能決定盾構(gòu)管片內(nèi)軸力的分布規(guī)律，但其能影響軸力的大小。其中逆掘進(jìn)方向的軸力分布在管片大部分區(qū)域，有利于管片之間的相互擠壓，保證隧道管片的穩(wěn)定性和密封性；沿掘進(jìn)方向的軸力主要分布在管片底部，該方向的軸力可能導(dǎo)致管片之間存在縫隙，不利于隧道管片的密封性。隨著掘進(jìn)荷載的增大，盾構(gòu)管片內(nèi)沿掘進(jìn)方向的軸力逐漸減小，而其反方向的軸力逐漸增大。這表明，掘進(jìn)荷載的增大將有利于盾構(gòu)管片的穩(wěn)定性及盾構(gòu)隧道的密封性。

（2）對(duì)盾構(gòu)管片彎矩的影響分析。相對(duì)于管片軸力，盾構(gòu)掘進(jìn)荷載對(duì)管片彎矩分布的影響很小。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)荷載的增大，管片內(nèi)的彎矩呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但其減小程度很微弱。

2.2  對(duì)地表豎向位移的影響

盾構(gòu)隧道正上方土體豎向位移主要表現(xiàn)為隆起。隨著掘進(jìn)荷載的增大，地表的隆起呈現(xiàn)明顯增大的趨勢(shì)，不利于地面構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全（圖 3）。

2.3  對(duì)隧道兩側(cè)土體側(cè)向位移的影響

盾構(gòu)掘進(jìn)荷載對(duì)隧道兩側(cè)土體側(cè)向位移的影響很大。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)荷載的增大，隧道兩側(cè)土體側(cè)向位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。4種工況條件下，掘進(jìn)荷載為45 kN/m2時(shí)對(duì)周邊土體的擾動(dòng)效應(yīng)最小（圖 4）。

圖 4 不同掘進(jìn)荷載下土體側(cè)向位移分布云圖

3  千斤頂推進(jìn)荷載對(duì)盾構(gòu)隧道特性的影響

3.1  對(duì)盾構(gòu)管片受力狀態(tài)的影響

分別選取盾構(gòu)機(jī)千斤頂推進(jìn)荷載為50 kN/m、100 kN/m、212 kN/m及500 kN/m條件下，開(kāi)展連續(xù)小曲率盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程的數(shù)值模擬。

（1）對(duì)盾構(gòu)管片軸力的影響分析。掘進(jìn)荷載的變化并不能決定盾構(gòu)管片內(nèi)軸力的分布規(guī)律，但其能影響軸力的大小。盾構(gòu)千斤頂推進(jìn)荷載對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)的軸力影響與盾構(gòu)掘進(jìn)荷載相似，荷載增大將有利于盾構(gòu)管片的穩(wěn)定性及盾構(gòu)隧道的密封性。

（2）對(duì)盾構(gòu)管片彎矩的影響分析。隨著盾構(gòu)千斤頂推進(jìn)荷載的增大，管片內(nèi)的彎矩呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但其增大程度很微弱。

3.2  對(duì)地表豎向位移的影響

盾構(gòu)千斤頂推進(jìn)荷載對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表豎向位移幾乎沒(méi)有影響（圖 5）。

圖 5 不同千斤頂推進(jìn)荷載下地表豎向位移分布云圖

3.3  對(duì)隧道兩側(cè)土體側(cè)向位移的影響

盾構(gòu)千斤頂推進(jìn)荷載對(duì)隧道兩側(cè)土體側(cè)向位移的影響呈階段性。當(dāng)其不超過(guò)212 kN/m時(shí)，對(duì)隧道兩側(cè)土體的側(cè)向變形幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)其過(guò)大時(shí)，將會(huì)造成隧道兩側(cè)土體的劇烈擾動(dòng)，不利于盾構(gòu)隧道的施工（圖 6）。

4  結(jié)論

（1）掘進(jìn)荷載及千斤頂推進(jìn)荷載的增大，對(duì)管片內(nèi)的彎矩的影響程度都很微弱，但一定程度上有利于盾構(gòu)管片的穩(wěn)定性及盾構(gòu)隧道的密封性。

（2）掘進(jìn)荷載的增大，隧道兩側(cè)土體側(cè)向位移呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)掘進(jìn)荷載為45 kN/m2時(shí)對(duì)周邊土體的擾動(dòng)效應(yīng)最小。

（3）千斤頂推進(jìn)荷載對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表豎向位移幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)千斤頂推進(jìn)荷載不超過(guò)212 kN/m時(shí)，其對(duì)隧道兩側(cè)土體的側(cè)向變形幾乎沒(méi)有影響；當(dāng)千斤頂推進(jìn)荷載過(guò)大時(shí)，將會(huì)造成隧道兩側(cè)土體的劇烈擾動(dòng)，不利于盾構(gòu)隧道的施工。

實(shí)際隧道施工過(guò)程驗(yàn)證了參數(shù)分析結(jié)果的合理性。在軟土地層實(shí)際掘進(jìn)荷載在35 kN/m2～42 kN/m2，千斤頂推進(jìn)荷載在50 kN/m～100 kN/m，地面局部最大隆起量11 mm，局部最大沉降量7 mm，隧道于2020年8月竣工（圖 7）。

 

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作者簡(jiǎn)介：曾志華，1979年生，碩士研究生，高級(jí)工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）工程力學(xué)專(zhuān)業(yè)，目前主要從事油氣管道穿跨越工程的設(shè)計(jì)、咨詢(xún)和研究工作。聯(lián)系方式：0316-2073661，zengzhihua@cnpc.com.cn。