摘要：研究依托南昌地铁二号线红谷中大道站至阳明公园路站区间隧道施工，运用ABAQUS有限元软件建立三维立体理想弹性模型，研究盾构隧道斜穿不同土层时对衬砌内力和变形的影响。研究通过建立三种地质条件分别是连续土层、上软下硬土层、上硬下软土层的土体模型，模拟盾构隧道斜穿土层交界面，并以盾构斜穿连续土层时对衬砌内力和变形为标准对比分析斜穿上软下硬和上硬下软土层时的内力和变形，得出了盾构隧道斜穿不同土层时对衬砌内力和变形的影响。
关键词：盾构开挖；不同土层；三维数值分析
Influence of shield tunnel on the stress and strain of lining when crossing different soil layers
QIU Wenjun1，WANG Ning2*，NIU Rui3
（1.Nanchang Urban Rail Group Co.，Ltd.，Nanchang 330038，Jingxi，China；
2.Jiangxi Key Laboratory of Infrastructure Safety Control in Geotechnical Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，Jingxi，China；
3.China railway tunnel group 2 place co.，LTD.，Langfang 065201，Hebei，China）
Abstract：The research relies on the construction of the section tunnel of Hongguzhong Avenue Station to Yangming Park Road Station of Nanchang Metro Line 2，and used ABAQUS finite element software to establish a three-dimensional ideal elastic model to analyzed the influence of shield tunnel on the stress and strain of lining when crossing different soil layers.The study established three soil conditions，namely continuous soil layer，upper soft lower hard soil layer and upper hard lower soft soil layer，simulating the interface of the shield tunnel obliquely through the soil layer，and obliquely running through the shield soil.The internal force and deformation of the lining are coMPared with the internal forces and deformations of the soft and hard upper and lower hard soil layers.The influence of the shield tunnel on the internal forces and deformation of the lining is obtained.
Key words：shield excavation；different soil layers；Three-dimensional numerical analysis
1 引言
盾构隧道在施工中经常要避开城市管线以及难以通过的障碍物或者土层本身就是软硬不均的，使得隧道的线路往往要穿越不同土层。由于不同土层具有不同的物理力学性质，这造成盾构隧道在掘进到土层交界面时对隧道的受力及变形会有不同的影响，为了保证盾构隧道穿越不同土层时的安全，有必要对这一工况下的变形和受力进一步探明。
张琳[1]等人通过采用ANSYS与FLAC3D建立三维模型并选取不同的土的弹性模量 隧道结构的受力以及变形进行研究。吕建中[2]等人通过理论计算和数值计算研究了不同施工工艺对盾构穿越不同土层这一工况的影响。李春良[3]等通过采用基于双参数弹性地基理论，引入状态空间理论思想来建立了地铁盾构隧道的纵向力学模型，以此研究了盾构隧道由硬土进入软土时的受理和变形规律。李友兵，赵先鹏[4，5]等人对盾构穿越山软下硬地层的施工技术进行了研究。杨书江，谭忠盛[6-8]等人对盾构穿越软硬不均地层技术的研究进行了研究。
通过对以往研究的调研发现针对盾构隧道穿越不同土层的研究多集中在施工技术方面，并没有深入的研究隧道穿越不同土层时内力及变形的影响。
2 工程背景
2.1 工程概况
该工程位于红谷中大道站至阳明公园路站区间，隧道从红谷中大道至阳明公园站首先向下斜穿强风化泥质粉砂岩与中风化泥质粉砂岩的交界面，之后斜向上斜穿这两岩层的交界面。
2.2 工程地质条件
南昌地铁2号线中间风井至阳明公园站区间隧道穿越的主要地层为粉质粘土层、砾砂、圆砾、中风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩等，从勘察资料分析，基岩裂隙多呈闭合状，透水性弱，水量不丰富，径流条件较差。为方便分析选取向上斜穿强风化泥质粉砂岩与中风化泥质粉砂岩且在这两层土上只有淤泥质粉黏土的区域进行分析。
3 模型建立
3.1 计算模型简化
选取中阳区间中的一段进行分析。利用ABAQUS有限元软件建立三维模型进行分析。为消除边界效应的影响，隧道两侧土体边界到隧道边缘的距离均取隧道直径的5倍，整体模型尺寸为40m×50m×100m（X、Y、Z）。取中阳区间中的一段100米长的隧道分析。为满足分析对象三维精度要求以及节约计算成本，在双向隧道周边的土体进行网格的加密，而对于距离隧道较远的土体采用较疏的网格。
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图1 土体网格划分
Fig.1 Model mesh of soil
3.2 模型参数选取
每层土体均视为连续均匀的理想弹性体，采用弹性模型对土体进行模拟。具体模型参数如表1.1和1.2所示。
表1.1 土体模型参数
Table 2 parameters of soil model
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表1.2 衬砌模型参数
Table 2 Parameters of lining model
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3.3 研究方法
通过建立三维土体模型，并对土体进行自下向上的斜向开挖，所模拟的盾构隧道开挖前的上沿与上一土层的距离为0.5米，只开挖结束时隧道下沿与该土层的距离也为0.5米， 整个开挖过程分为5个分析步，每个开挖分析步设置的开挖距离为20米，为保证分析的相对客观，所选取的截面均为各开挖段的中间位置。
4数值分析
4.1斜穿土层连续时的衬砌内力与变形
4.1.1衬砌的变形分析
盾构隧道斜穿连续土层时衬砌的变形情况如图2，由图2可知：随着隧道斜向上穿过连续土层，隧道底部的竖向位移有逐渐增大的趋势，隧道顶部的竖向位移逐渐减小，整体上的竖向位移变化幅度都较小；其中衬砌底部几乎没有变形，而衬砌顶部的竖向位移基本维持在1.4cm左右。对于衬砌腰部的水平位移的变化情况则是由9.5mm的变形均匀的减小到5.5mm。
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（a）衬砌竖向位移
（a）Lining vertical displacement
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（b）衬砌水平位移
（b）Lining horizontal displacement
图2 衬砌的位移
Fig.2 Lining displacement
4.1.2衬砌的内力分析
盾构隧道斜穿连续土层时衬砌的最大应力变化情况如图3，由图3可知：随着隧道斜向上穿越连续土层，衬砌的应力由14MPa逐渐减小到8.5MPa，且应力是随着盾构掘进过程均匀变化的，整个过程衬砌均受压应力。
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图3 最大应力
Fig.3 Maximum stress
4.2斜穿上软下硬土层时的衬砌内力与变形
4.2.1衬砌的变形分析
盾构隧道斜穿上软下硬土层时衬砌的变形情况如图4，由图4可知：随着隧道斜向上穿过上软下硬土层，隧道底部的竖向位移有逐渐减小的趋势，隧道顶部的竖向位移逐渐增大，这与穿越连续土层时衬砌的竖向位移变化趋势相反，但整体上的竖向位移变化幅度都较小；其中衬砌底部的位移是向上，而衬砌顶部的竖向位移向下。衬砌腰部的水平位移由1.9mm增大到4.3mm，整个变化过程先慢后快，且总趋势与穿越连续土层的趋势相反。
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（a）衬砌竖直位移
（a）Lining vertical displacement
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（b）衬砌水平位移
（b）Lining horizontal displacement
图4 衬砌的位移
Fig.4 Lining displacement
4.2.2衬砌的内力分析
盾构隧道斜穿上软下硬土层时衬砌的最大应力变化情况如图5，由图5可知：随着隧道斜向上穿越连续土层，衬砌的应力由5MPa逐渐增大到7MPa，此时隧道正好被土层的分界线均分为二，当隧道继续斜向上推进时，衬砌的应力减小至6.4MPa。
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图5 最大应力
Fig.5 Maximum stress
4.3斜穿上硬下软土层时的衬砌内力与变形
4.3.1衬砌的变形分析
盾构隧道斜穿上硬下软土层时衬砌的变形情况如图6.由图6可知：随着隧道斜向上穿过连续土层且隧道底部还没完全通过土层交界面时，隧道底部的竖向位移有逐渐增大的趋势，隧道顶部的竖向位移逐渐减小；当隧道完全进入上部硬土层且继续斜向上推进时，隧道底部的竖向位移有逐渐减小，隧道顶部的竖向位移增大。对于衬砌腰部的水平位移的变化情况则是在隧道没有完全进入硬土层之前由9mm的变形均匀的减小到2mm，隧道完全进入硬土层后腰部水平位移由2mm增大到7mm。
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（a）衬砌竖向位移
（a）Lining vertical displacement
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（b）衬砌水平位移
（b）Lining horizontal displacement
图6 衬砌的位移
Fig.6 Lining displacement
4.3.2衬砌的内力分析
盾构隧道斜穿上硬下软土层时衬砌的最大应力变化情况如图7，由图7可知：随着隧道斜向上穿越连续土层，且隧道未完全进入硬土层时，衬砌的应力由14MPa均匀减小到7MPa，当隧道完全进入硬土层且继续斜向上推进时，衬砌的应力有7MPa增大至10MPa。
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图7 最大应力
Fig.7 Maximum stress
5 结 论
（1）在隧道斜向上穿越连续土层时，衬砌的竖向位移变化不大但是水平位移和最大应力会有较大幅度的减小。
（2）在隧道斜向上穿越上软下硬地层时，衬砌的变形情况与穿越连续土层时的情况相反，且在初期通过硬土层时，衬砌最大应力不减反增。
（3）当隧道斜向上通过上硬下软土层，前期的变形与应力变化与穿越连续土层时的趋势相似，后期隧道大部分处于硬土层，变形和内力均突然增大。
（4）在隧道斜穿不同土层时，衬砌的内力和变形在硬土层中相比在软土层中均有增大的趋势。
参考文献：
[1]张琳，徐学勇，孙雪，王振红，蒋媚娟.土层弹性模量对隧道结构受力与变形影响分析[J].科技通报，2018，34（02）：210-215.
（Zhang Lin，Xu Xueyong，Sun Xue，Wang Zhenhong，Jiang Meijuan.Analysis of the Influence of Soil Elastic Modulus on the Force and Deformation of Tunnel Structure[J].Bulletin of Science and Technology，2018，34（02）：210-215.）
[2]吕建中，王守慧，李毕华，刘泉维.不同土层下南京长江隧道盾构施工参数研究[J].城市道桥与防洪，2008（07）：166-169+14.
（Lü Jianzhong，Wang Shouhui，Li Bihua，Liu Quanwei.Study on Shield Construction Parameters of Nanjing Yangtze River Tunnel under Different Soil Layers[J].Urban Road Bridge & Flood Control，2008（07）： 166-169+14.）
[3]李春良，王方彦，张立辉，王静.复杂条件下的地铁盾构隧道的力学行为研究[J].铁道学报，2016，38（05）：103-109.
（LI Chunliang，WANG Fangyan，ZHANG Lihui，WANG Jing.Mechanical behavior of metro shield tunnel under complicated conditions[J].Journal of the China Railway Society，2016，38（05）：103-109.）
[4]李有兵.大直径泥水平衡盾构穿越上软下硬地层的施工技术研究[D].西南交通大学，2014.
（Li Youbing.Research on construction technology of large diameter mud-water balance shield crossing upper soft and hard stratum[D].Southwest Jiaotong University，2014.）
[5]赵先鹏.穿越上软下硬地层盾构隧道施工控制技术研究[D].西南交通大学，2012.
（Zhao Xianpeng.Research on construction control technology of shield tunnel passing through upper soft and hard stratum[D].Southwest Jiaotong University，2012.）
[6]赵先鹏，张恒，陈寿根，楚兴华.盾构穿越软硬不均地层技术研究[J].四川建筑，2010，30（06）：191-193.
（ZHAO Xianpeng，ZHANG Heng，CHEN Shougen，CHU Xinghua.Study on the technology of shield crossing soft and hard uneven formation[J].Sichuan Architecture，2010，30（06）：191-193.）
[7]杨书江.盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究[D].上海交通大学，2006.
（Yang Shujiang.Research on construction technology of shield in hard rock and soft and hard uneven formation[D].Shanghai Jiaotong University，2006.）
[8]谭忠盛，洪开荣，万姜林，王梦恕.软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术[J].岩石力学与工程学报，2006（S2）：3945-3952.
（TAN Zhongsheng，HONG Kairong，WAN Jianglin，WANG Mengshu.Study on the composite shield structure of soft and hard soil layer and its excavation technology[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006（S2）：3945-3952.）
第一作者：邱文俊（1985-），男，江西赣州人，2007年毕业于华东交通大学，公路与桥梁专业，工程师，现从事城市轨道交通施工管理工作，南昌轨道交通集团地铁项目管理分公司。
论文作者:邱文俊1,牛瑞2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/2
标签：土层论文; 隧道论文; 盾构论文; 位移论文; 应力论文; 内力论文; 地层论文; 《基层建设》2019年第27期论文;