膨脹土地層下地鐵隧道盾構(gòu)管片受力數(shù)值計(jì)算分析*

王　剛，賀　飛，陳　靖，吳玲玲，彭龍貴（.中鐵十局三建公司，合肥00；.西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，西安700；.西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安70054）

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膨脹土地層下地鐵隧道盾構(gòu)管片受力數(shù)值計(jì)算分析*

王剛1，賀飛1，陳靖2，吳玲玲2，彭龍貴3
（1.中鐵十局三建公司，合肥230011；2.西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，西安710021；3.西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安710054）

摘 要：針對膨脹土變形對合肥地鐵隧道盾構(gòu)施工影響規(guī)律，基于修正慣用法理論，應(yīng)用ANSYS模擬軟件對合肥地鐵盾構(gòu)管片受力進(jìn)行分析，研究其在不同膨脹力作用下管片受力及變形的變化特點(diǎn).結(jié)果表明：合肥地鐵盾構(gòu)管片在膨脹土的膨脹力作用下，管片側(cè)向水平位移得到一定程度的抑制，對隧道頂?shù)撞课灰飘a(chǎn)生一定的控制作用；隨著膨脹力的增大，管片整體圍巖壓力水平提高，管片軸力及其接頭處的應(yīng)力也相應(yīng)增加.當(dāng)軸力達(dá)到一定量值時，管片接頭處將發(fā)生錯臺破壞，不利于管片的整體穩(wěn)定.在膨脹土中進(jìn)行盾構(gòu)施工時，應(yīng)合理控制土體的膨脹變形，才能保證盾構(gòu)管片的長期穩(wěn)定，研究成果為地鐵隧道的快速施工及安全運(yùn)營提供可靠的技術(shù)保障.

關(guān)鍵詞：合肥地區(qū)；膨脹土；地鐵施工；盾構(gòu)管片；數(shù)值模擬

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮特性的地質(zhì)體，它吸水膨脹、失水收縮且反復(fù)變形.隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的快速推進(jìn)，大量隧道工程將布置在膨脹土地層下.因此，深入研究膨脹土變形對隧道變形的影響規(guī)律，對于確保隧道的安全施工及高效運(yùn)營具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義［1-3］.長期以來，國內(nèi)外的專家學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛研究.文獻(xiàn)［4］對膨脹土和黃土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，提出了兩種土在多種工況下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化方程，建議了一種確定土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的新方法；文獻(xiàn)［5］結(jié)合太興鐵路專線小河溝膨脹土隧道施工實(shí)踐，對過膨脹土隧道塌方段施工技術(shù)進(jìn)行了研究和探索，提出了無工作室超前大管棚過塌方段技術(shù)及改進(jìn)；文獻(xiàn)［6］依據(jù)隧道地質(zhì)條件及膨脹土的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，采用離散元分析計(jì)算軟件建立了數(shù)值計(jì)算模型，對隧道的變形過程進(jìn)行了數(shù)值分析，提出了相應(yīng)的施工建議和圍巖失穩(wěn)破壞的治理措施；文獻(xiàn)［7］以新建山西中南部鐵路通道上莊1號隧道為工程背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等手段，對膨脹土隧道復(fù)合式襯砌受力特性進(jìn)行研究；文獻(xiàn)［8］采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對膨脹土的特性脹縮機(jī)理及其影響因素進(jìn)行研究，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出太興鐵路小河溝段膨脹土隧道的地表沉降控制技術(shù).由于膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜多變，研究是在一系列的假定條件下進(jìn)行理論分析和推導(dǎo)，其工程應(yīng)用不可避免的具有相對的局限性.工程實(shí)踐中，如果對一個特定地區(qū)的膨脹土特性缺乏認(rèn)識，或在設(shè)計(jì)和施工中未采取必要的預(yù)防措施，會給該膨脹土地層中的隧道工程造成嚴(yán)重危害［9］.

基于此，本文依托合肥地鐵1號線一二期工程土建5標(biāo)段工程項(xiàng)目，對膨脹土作用下的盾構(gòu)管片受力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并通過建立不同模型進(jìn)行對比分析，以期為合肥地鐵隧道的安全快速施工提供可靠的參考依據(jù).

1　工程概況

1.1地理位置

肥地鐵1號線一二期工程土建5標(biāo)段區(qū)間施工起訖里程為K11+009.799～K14+152.612，含兩座車站三個區(qū)間及三個聯(lián)絡(luò)通道.兩個車站：葛大店站和望湖城站，總建筑面積26 037.85 m2；三個區(qū)間：太湖路站—水陽江路站區(qū)間，水陽江路站—葛大店站區(qū)間、葛大店站—望湖城站區(qū)間，區(qū)間掘進(jìn)總長度5 453.826 m.區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，為兩條單線圓形隧道，隧道開挖直徑6.28 m.隧道襯砌采用預(yù)制裝配式鋼筋混凝土管片，管片外徑6.0 m，隧道內(nèi)直徑5.4 m，環(huán)寬1.5 m，厚度300 mm.

1.2地質(zhì)條件

1）人工填土層（Qml）

粉質(zhì)黏土填土①層：褐色～灰褐色，松散～稍密，濕，以粉質(zhì)黏土為主，含灰渣、磚渣、碎石；雜填土①層：雜色，松散，濕～飽和，以建筑垃圾為主，表層為路面，含大量灰渣、磚塊、碎石.該大層連續(xù)分布，層底標(biāo)高21.96～31.23 m.

2）第四紀(jì)全新世沖洪積層（Q4lal+pl）

黏土②層：灰黃色～褐黃色，硬塑，中壓縮性，含氧化鐵、少量鐵錳結(jié)核，切面光滑、有光澤，干強(qiáng)度高，該層連續(xù)分布.

粉質(zhì)黏土②層：褐黃色，硬塑，中壓縮性，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，切面較光滑，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，該層透鏡體形式分布.該大層連續(xù)分布，層底標(biāo)高15.78～26.77 m.

3）第四紀(jì)晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）

黏土③層：灰黃色～褐黃色，硬塑，中壓縮性，含鐵錳結(jié)核，局部鐵錳結(jié)核富集，切面光滑、有光澤，干強(qiáng)度高，該層連續(xù)分布.粉質(zhì)黏土③層：褐黃色，硬塑，中壓縮性，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核，切面較光滑，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，該層透鏡體形式分布.該大層連續(xù)分布，層底標(biāo)高10.03～12.02 m.

4）黏土④層：棕黃色～褐黃色，硬塑，中壓縮性，含鐵錳結(jié)核，局部鐵錳結(jié)核富集，切面光滑，有光澤，干強(qiáng)度高，該層連續(xù)分布.該大層連續(xù)分布，層底標(biāo)高2.95～10.50 m.

5）區(qū)間隧道主要穿越黏土②層、黏土③層.

2　建立計(jì)算模型

2.1荷載分布

對于盾構(gòu)管片的計(jì)算方法主要包括慣用法、修正慣用法、自由鉸圓環(huán)及彈性鉸圓環(huán)4種方法.在本文中選擇工程中常用的修正慣用法進(jìn)行分析計(jì)算.由于研究位置的覆層厚度為16 m，為安全考慮，豎直荷載取上覆土層自重荷載，根據(jù)地層條件可計(jì)算得出：結(jié)構(gòu)自重?fù)Q算的均布荷載g=7.8 kPa；結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的地基反力Pg=24.5 kPa；上部豎直荷載P1=7.8 kPa；水平荷載e1=133.1 kPa，e2=183 kPa；膨脹力P=60 kPa，荷載分布如圖1所示.

圖1　荷載分布Fig.1 Load distribution

2.2計(jì)算模型

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，把襯砌結(jié)構(gòu)劃分為60個單元，即每6度圓心角對應(yīng)一個單元，結(jié)構(gòu)采用修正慣用法模型，即在全周彈簧模型基礎(chǔ)上剔除受拉彈簧，完成模型合理修正，經(jīng)過反復(fù)修正，最終計(jì)算模型約束條件：因結(jié)構(gòu)對稱，荷載對稱，結(jié)構(gòu)上下點(diǎn)無水平位移，所以在圓形結(jié)構(gòu)的最下及最上點(diǎn)施加水平方向約束，修正慣用法計(jì)算模型如圖2所示.

圖2　計(jì)算模型Fig.2 Calculation model

3　計(jì)算結(jié)果分析

為研究地層膨脹力P對管片結(jié)構(gòu)受力影響，計(jì)算分為以下工況進(jìn)行.工況一：無膨脹力計(jì)算；工況二：按實(shí)際膨脹力的50%加載；工況三：按實(shí)際膨脹力的100%加載；工況四：按實(shí)際膨脹力的150%加載；工況五：按實(shí)際膨脹力的200%加載.

3.1變形分析

圖3顯示不同工況下管片位移矢量圖，由此可以看出拱頂一定范圍內(nèi)管片發(fā)生下沉，拱底發(fā)生微量上浮，同時隧道中部位置管片向土體內(nèi)部移動.

圖3　不同工況位移矢量圖（m）Fig.3 Displacement vector of different conditions（m）

圖4表示的為不同工況下管片的位移量.由圖4可以看出，隨著膨脹力的增大，隧道中部位移量逐漸變小，其中最大變形值為3.1 mm，最小變形值為2.9 mm，變化量為0.2 mm，變化率為6.5%；隧道頂部位移量逐漸變小，其中最大變形值為5.3 mm，最小變形值為5.0 mm，變化量為0.3 mm，變化率為5.7%；隧道底部位移量逐漸變小，其中最大變形值為0.5 mm，最小變形值為0.4 mm，變化量為0.1 mm，變化率為20%.由上述分析可以看出隨著膨脹力的增大，不同位置管片的位移量均有不同程度的減小，減小量在0.1～0.3 mm之間，其中頂部變形量最大.

圖4　不同工況位移量Fig.4 Displacement of different conditions

3.2軸力分析

圖5顯示不同工況下管片軸力圖，由此可以看出隧道中部位置應(yīng)力水平最高，隧道頂部應(yīng)力水平最低.圖6表示不同位置處管片軸力分布.可以看出，隨著膨脹力的增大，隧道中部軸力逐漸變小，其中軸力最大值為508.6 kPa，最小值為506.7 kPa，變化量為1.9 kPa；隧道頂部軸力逐漸增大，其中軸力最大值為348.7 kPa，最小值為337.7 kPa，變化量為11.0 kPa；隧道底部軸力逐漸增大，其中軸力最大值為408.3 kPa，最小值為399.2 kPa，變化量為9.1 kPa.

3.3彎矩分析

圖7顯示不同工況下管片彎矩圖，可以看出隧道頂部位置應(yīng)力水平最高，且隧道頂部及底部一定區(qū)域內(nèi)側(cè)處于受拉狀態(tài)，隧道中部位置外側(cè)處于受拉狀態(tài).圖8表示不同位置管片的彎矩.可以看出，隨著膨脹力的增大，隧道中部彎矩逐漸變小，其中彎矩最大值為46.5 kN·m，最小值為44.2 kN· m，變化量為2.3 kN·m；隧道頂部彎矩逐漸減小，其中彎矩最大值為81.5 kN·m，最小值為76.3 kN·m，變化量為5.2 kN·m；隧道底部彎矩逐漸減小，其中彎矩最大值為39.1 kN·m，最小值為36.6 kN·m，變化量為2.5 kN·m.

圖5　不同工況軸力圖（Pa）Fig.5 Axial force of different conditions（Pa）

圖6　不同位置軸力Fig.6 Axial force of different locations

圖7　不同工況五彎矩云圖（kN·m）Fig.7 Bending moment of different conditions（kN·m）

圖8　不同位置彎矩圖Fig.8 Bending moment of different locations

4　結(jié)論

1）合肥地鐵盾構(gòu)管片在膨脹力作用下，管片側(cè)向水平位移得到一定程度的抑制，進(jìn)而對隧道頂?shù)撞课灰飘a(chǎn)生一定的控制作用.

2）隨著膨脹力的增大，管片整體圍巖壓力水平提高，由此增大了管片軸力.管片軸力的增大直接提高了管片接頭處的應(yīng)力水平，如果管片在接頭處發(fā)生錯臺，較大的軸應(yīng)力造成管片在接頭處破壞，并使破壞范圍擴(kuò)大，不利于管片整體穩(wěn)定性.

3）在膨脹土的影響下，管片受力變形發(fā)生不同變化，在進(jìn)行工程施工時應(yīng)加強(qiáng)管片受力變形監(jiān)測，同時應(yīng)規(guī)范施工，提高施工質(zhì)量，提高在高應(yīng)力下管片穩(wěn)定性.

參考文獻(xiàn)：

［1］ 韓華強(qiáng)，陳生水.膨脹土的強(qiáng)度和變形特性研究［J］.巖土工程學(xué)報，2004，26（3）：422. HAN Huaqiang，CHEN Shengshui.A Study on Strength and Deformation of Expansive Soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26（3）：422. （in Chinese）

［2］ 孫長龍，殷宗澤，王福生，等.膨脹土性質(zhì)研究綜述［J］.水利水電科技進(jìn)展，1995，15（6）：12. SUN Changlong，YIN Zongze，WANG Fusheng，et al. Study on the Properties of Expansive Soil［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，1995，15（6）：12.（in Chinese）

［3］ 林剛，羅世培，郭俊，等.膨脹巖土地層盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011（3）：74. LIN Gang，LUO Shipei，GUO Jun，et al.Study on Structural Behavior of a Shield Tunnel in Swelling Rock and Soil Strata［J］.Modern Tunnelling Technology，2011（3）：74.（in Chinese）

［4］ 陳正漢，方祥位，朱元青，等.膨脹土和黃土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（1）：1. CHEN Zhenghan，F(xiàn)ANG Xiangwei，ZHU Yuanqing，et al.Research on Micro-structures and Their Evolution Laws of Expansive Soil and Loess［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（1）：1.（in Chinese）

［5］ 胡世權(quán).過膨脹土隧道塌方段施工技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報，2013，28（2）：73. HU Shiquan.On Construction Technology in Expansive Soil Tunnel Collapse［J］.Journal of Shandong Jianzhu University，2013，28（2）：73.（in Chinese）

［6］ 孫柏林，王壽治，路為.膨脹土隧道變形破壞的數(shù)值模擬［J］.山西建筑，2014，40（25）：190. SUN Bolin，WANG Shouzhi，LU Wei.Numerical Simulation of Deformation and Failure of Expansive Soil Tunnel ［J］.Shanxi Architecture，2014，40（25）：190. （in Chinese）

［7］ 趙德剛.膨脹土隧道復(fù)合式襯砌受力特性研究［J］.橋隧工程，2013（12）：218. ZHAO Degang.Study on Stress Characteristics of Composite Lining of Expansive Soil Tunnel［J］.Bridge and Tunnel Engineering，2013（12）：218.（in Chinese）

［8］ 王清標(biāo)，張聰，溫小康，等.膨脹土脹縮機(jī)理及其在控制隧道沉降中的應(yīng)用［J］.地下空間與工程學(xué)報，2014，10（6）：1426. WANG Qingbiao，ZHANG Cong，WEN Xiaokang，et al. Application of Swelling Shrinkage Mechanism of Swelling Soil in the Tunnel Settlement Control［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2014，10（6）：1426.（in Chinese）

［9］ 曾仲毅，徐幫樹，胡世權(quán)，等.增濕條件下膨脹土隧道襯砌破壞數(shù)值分析［J］.巖土力學(xué)，2014（3）：871. ZENG Zhongyi，XU Bangshu，HU Shiquan，et al. Numerical Analysis of Tunnel Liner Failure Mechanism in Expansive Soil Considering Water Increasing State［J］.Rock and Soil Mechanics，2014（3）：871. （in Chinese）

（責(zé)任編輯、校對 張立新）

Numerical Calculation Analysis on Stress of Shield Tunnel Segment under Expansive Soil by Numerical Simulation

WANG Gang1，HE Fei1，CHEN Jing2，WU Lingling2，PENG Longgui3
（1.The Third Construction Company of the Tenth China Railway，Hefei 230011，China；2.School of Optoelectronic Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China；3.College of Materials Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to further understand the mechanism of expansive soil during the Hefei shield construction process and guide site construction scientifically，combining with the modified method theory，the changing characteristics in different expansion of the segments are analyzed by ANSYS. Research shows：In the expansion force，the lateral displacement of Hefei subway shield segments is controlled in and generates the control function to the tunnel top and bottom part of the subway；With the increase of the expansion force，the pressure of surrounding rock increases，thereby the axial force of segment also increases.The increase of axial force of segment directly improves the joint stress level.if the segment occurrence dislocation at the joint，the larger axial stress causes segment destruction in the joint and makes the damage scope，which is not conducive to the overall stability of the segment.It isbook=115,ebook=32very important to improve the construction quality，while shield construction is in expansive soil，to ensure the segment remained stable.

Key Words：Hefei area；expansive soil；tunnel construction；segment stress；simulation analysis

作者簡介：王 剛（1981—），男，中鐵十局三建公司工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖこ坦芾?E-mail：497680802＠qq.com.

基金資助：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2014JM25052）；陜西省科技廳工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目（2014k10-22）

*收稿日期：2015-12-12

DOI：10.16185／j.jxatu.edu.cn.2016.02.005

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖號： U455.43 A

文章編號：1673-9965（2016）02-0114-06