摘要：本文采用数值模拟的方法，对大直径急曲线隧道施工过程进行了数值模拟分析。本工程的最大难点是大直径盾构隧道在S曲线小半径急转弯处运行，平面曲线最小半径仅为500m。在掘进曲线段过程中，内、外千斤顶的受力有一定的差别，盾构推力通过管片传递到盾构后靠土体，可能引起后靠土层的失稳。本文利用有限元软件对隧道后靠土体的稳定性进行了估算，并且对周边建筑物的沉降进行了分析，为其他类似项目提供参考。
关键词：大直径盾构隧道；后靠土体稳定性；周边建筑沉降
1工程概况
1.1项目总体情况
该工程I标段隧道长约8km，其中盾构段约6km，主线设工作井3座，在这三个工作井之间的隧道直线段占本区间隧道长度仅为20%。东西盾构隧道采用单管圆形隧道，管片外径为15m，管片厚度为650mm。盾构隧道最小曲线半径为500m。
1.2工程地质与水文条件
根据岩土勘察报告，场地90m以内分布的土层自上而下的土层分别为①层为填土，②1层~⑤3层为全新世Q4沉积层，⑥层~⑨层为上更新世Q3沉积层。地下水主要有赋存浅层中的潜水，⑤1、⑤2层中的微承压水和⑦层、⑨层中的承压水。
盾构主要穿越地层为：⑤1粉质黏土、⑤3-1粉质黏土夹粉砂、⑥粉质黏土、⑦1粉砂、⑦2粉细砂、⑧1-1黏土等。
1.3周边环境情况
在分析区段内，区间隧道的转弯半径只有500m。且周边环境较为敏感，沿线建筑众多，下穿别墅区、公寓及政府管理中心。这些建筑均采用浅基础形式。
2盾构隧道施工有限元模拟
2.1土体本构模型
为了更加精确的模拟施工过程，土体采用修正摩尔库伦模型（Modified Mohr-Coulomb）。该模型与硬化土模型（Hardening Soil）相似，是由弹塑性模型和非线性弹性模型组合而成，较为适用于淤泥和砂土。相对于摩尔库伦模型，这个材料模型更加详细，弹性模量可根据加载和卸载设置为不同的值。修正摩尔库模型可以模拟不受剪切破坏或压缩屈服影响的双硬化行为。
2.2 基本参数
2.2.1模型介绍
本次分析的分析区段选在盾构从1号工作井出发后的一段共计300m。此阶段为整个急曲线盾构过程中覆土最浅的地方，较其他区段更为不利。然而，在此区敏感性建筑较少，因此，在荷载选择上，将较为敏感的建筑物分配到此区段，观察建筑基础沉降，以获得最不利情况下的沉降值和倾斜值。
所建的三维模型包含隧道管片结构，隧道周围同步注浆浆液，盾构机壳以及周围土体。在此区段内，隧道主要位于⑤1粉质黏土层。
2.2.2模型假定
模型假定：
◆盾构机楔形量不考虑，假定盾尾脱离管片后，在盾构机尾部形成均匀环形盾尾间隙。
◆假定同步注浆过程中，浆液完全填充盾尾间隙，并对周围地层施加与注浆力相等的径向均匀压力。
◆忽略浆液和土体之间的渗透作用，认为浆液充填盾尾间隙后对土体产生挤压效应；不考虑浆液性能和土体变形的时效性，土体变形在浆液填充满整个间隙之后瞬时发生[1]。
◆采用水土合算的计算方法，不考虑水的渗流作用。
◆土体本身的变形与时间无关，即不考虑土体的固结作用。
◆忽略浆液重度对掘进力和同步注浆力的影响。
◆忽略隧道衬砌管片之间的螺栓连接。
2.2.3材料参数
（1）盾构机壳
盾构机壳采用壳单元，为弹性材料。根据盾构机基本参数，盾构机弹性模量为210GPa，考虑到盾构机壳有许多钢支撑，盾构机壳刚度非常大，在掘进过程中，盾构机壳不会产生超过衬砌产生的变形。考虑如上因素，在模型中，假定盾构机壳刚度不低于衬砌刚度。
（2）隧道衬砌
盾构衬砌是由多个混凝土管片拼装而成的，各相邻管片之间通过螺栓连接。由于环向接头的存在，环向接头的抗弯能力比无接头处的位置处削弱很多，因此管片的力学性能与刚度均匀的情况下相比，有很大差别。在分析中采用等效刚度模型模拟管片，考虑管片接头的存在使管片环整体刚度降低，折减系数为η（η<1），即假设管片为刚度为ηEI的圆环。国外做了大量的管片接头试验，根据其研究成果，本次参数η大致取值为0.6~0.8[2]。
（3）注浆材料
当拼好的管片从盾尾脱离出来时，因为在开挖面和管片之间存在间隙，土体失去支撑，将会坍落于管片上，造成较大的地层变形，对地面上方的建筑会产生破坏性的影响，因此，需要采用同步注浆的方法，在盾构机一边前进的同时，在盾尾不断注浆以填充此间隙，通过不断加压，使注浆材料在充入间隙后，没有达到与土体相同强度前，能保持一定的压力，从而控制地面沉降[3]。
根据注浆试验，注浆材料早期抗剪强度为1kpa，注浆材料采用摩尔库伦模型，使用实体单元模拟。
2.3 荷载模拟
2.3.1 地面超载
地面荷载形式以实际情况布置，由于盾构正上方有较为重要的建筑物，根据其与盾构位置的关系布置在模型上。
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2.3.2 盾构机土舱压力
盾构采用泥水平衡式，直接利用土舱泥水压力平衡掌子面的水土压力，在浅覆土中为控制地面沉降，土压力为静止土压力。土舱压力在计算时还需考虑掌子面的土压力，水压力和附加压力等因素。
2.3.3 千斤顶顶力
在盾构机推进过程中，盾构总推力主要用于克服前进方向水土压力产生的前进阻力以及机器与土之间的各种摩擦力。
盾构总推力主要由以下五部分组成[4]：
◆盾构外壳与土体之间的摩擦力；
◆刀盘上的水平推力引起的推力；
◆切土所需要的推力；
◆盾尾与管片之间的摩阻力；
◆后方台车的阻力。
由上述方法可以计算出在分析范围内，千斤顶计算值为96000kN~100000kN。
2.3.4 同步注浆力
该盾构机采用泥水盾构，需要保证注浆压力与前方泥水压力基本持平，如果注浆压力太小，会导致掌子面的土体坍塌；注浆压力过大，会影响盾构的前进。
2.4三维分析施工工况模拟
2.4.1边界条件和初始应力场
三维模型建模范围足够大，在模型边界的位移都为零，对模型四周及底面施加法向约束，限制模型边界的位移。
在实际开挖前土体已经固结完成，处于稳定状态。为模拟实际情况，模型的初始位移设置为零。隧道开挖对周围土体有扰动作用，引起土体位移变化。土体的自身重力和地面超载形成了初始地应力。在软土区域，一般土体自重应力场便是初始应力场。
2.4.2盾构施工步骤
盾构施工步骤如下：①设置盾构出发井②组装盾构机③盾构机前进的同时拼装管片，注浆加固，形成隧道。
根据上述施工步骤，在模型中仅模拟盾构掘进过程，对土体进行逐步开挖，每个循环前进一个管片的宽度，改变盾壳、管片以及注浆位置处的材料参数，施加土仓压力、千斤顶力以及注浆压力，并将开挖面土体钝化。这样，一个掘进的循环过程就完成了。
2.5三维数值模拟分析成果
2.5.1地面沉降与建筑物基础不均匀沉降
隧道在城市中穿越所遇到的最大的挑战就是地面沉降对建筑物的影响，地面沉降必须严格控制以防止其对地面建筑产生破坏性的影响。
根据分析结果，地面最大沉降为8.7mm；建筑物最大沉降量为8.26mm；
不均匀沉降为（2.67+8.30）/12.5= 0.088%；
平均沉降为（2.67+8.30）/2= 5.49mm。
根据盾构法隧道施工与验收规范，地面沉降允许值为：隆起1cm，沉降3cm，由于隧道上部有多处重要建筑物，建议沉降控制在1cm以内。地面最大沉降为8.7mm，满足要求。
根据建筑地基基础设计规范，对于多层和高层建筑的整体倾斜允许值为0.003，高层建筑基础平均沉降量为10mm。建筑物不均匀沉降为0.088%，平均沉降为5.49mm。满足规范要求。
2.5.2 土体应力
根据分析结果，隧道转弯段推进时隧道顶部最大剪应力为74kPa，隧道底部最大剪应力为217kPa。
根据土体抗剪强度计算公式? = c’ + ?’tan?与⑤1号土土层参数，土体在该位置处深度为15.7m，可得到隧道周边土体抗剪强度?=142kPa>74kPa。
土体底部所受最大剪应力?=217kPa，土体在该位置处深度为30m，可得到隧道周边土体抗剪强度?=334kPa>217kPa。
由此可以得出结论：隧道在⑤1号土中推进，后靠土体抗剪强度及稳定性符合要求。
2.5.3 隧道管片应力
在推进时，隧道最大压应力为11.1MPa，管片采用C60混凝土，根据国家规范其承压强度设计值为27.5MPa大于所承受最大压应力11.1MPa，因此混凝土抗压强度符合要求。
3 分析总结
通过此次盾构急曲线段隧道施工三维数值模拟分析，根据模型分析结果数据与验算，可以得出以下结论：
◆地面沉降满足设计要求。
◆后靠土体抗剪强度及稳定性符合要求。
◆隧道结构强度符合要求。
参考文献：
[1]施虎，龚国芳，杨华勇等，“盾构掘进机推进力计算模型”，浙江大学学报（工学版），第45卷第1期，2011年1月
[2]叶飞，苟长飞，陈治等，“盾构隧道同步注浆引起的地表变形分析”，岩土工程学报，第36卷第4期，2014年4月
[3]刘建航，候学渊编，“盾构法隧道”，中国铁道出版社，1991
[4]施虎，龚国芳，杨华勇等，“盾构掘进机推进力计算模型”，浙江大学学报（工学版），第45卷第1期，2011年1月
论文作者:杜亭萱
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/20
标签：盾构论文; 管片论文; 隧道论文; 模型论文; 注浆论文; 压力论文; 地面论文; 《防护工程》2019年第6期论文;