電纜隧道盾構極小半徑曲線頂進施工的有限元分析

董志偉 丁小彬 鄧毛毛 楊志永

(1.中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201； 2.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

在盾構隧道的建設過程中，不可避免地受到城市地下地層差異的影響。尤其對于我國華南地區(qū)，盾構隧道穿越上軟下硬等復合地層成為普遍現象。與均一地層相比，在“復合地層”中進行盾構掘進，施工難度普遍較大，經常發(fā)生下列問題：盾構姿態(tài)易失控，千斤頂受力不均易使管片破碎，刀盤被打壞、刀具損耗多；掘進速度慢且易超挖，地面沉降不可控等。而且隨著城市的發(fā)展，盾構隧道受到周圍建筑的樁基礎、已有運營或已經規(guī)劃的地鐵隧道等城市規(guī)劃和建筑物的制約越來越明顯，會使隧道線形變得更加的復雜，小斷面小轉彎盾構隧道在未來城市隧道的發(fā)展中會越來越常見。針對目前國內小截面土壓盾構電力隧道正處于起步階段，很多問題仍然處于依賴工程經驗的階段，例如盾構設備和管片對急轉彎的適應性，管片對曲線線型擬合問題、隧道施工工作面的穩(wěn)定問題和隧道施工擾動和風險問題以及隧道施工控制技術等問題。這些問題的解決對未來城市小半徑曲線電力隧道施工安全、質量具有重要意義[1-4]。本文以深圳北環(huán)電纜隧道工程為依托，采用有限元軟件進行數值分析，研究極小半徑盾構隧道施工對管片受力和地表沉降的影響，為實際工程的開展提供依據和參考。

1 工程概況

1.1 地理位置

深圳電網北環(huán)110 kV架空線改造入地電纜隧道工程南線盾構區(qū)間總長3.8 km。線路起于筆架山公園力能加電站后，向南下穿筍崗西路、中心公園、地鐵3號線、紅荔路、振華路、中心公園、地鐵2號線、深南大道，沿深南大道向西至彩田路后，沿彩田路西側南行至福華五路。線路在曲線半徑為250 m/300 m的極小半徑下穿城市主干道深南大道，穿越總長度702.554 m。

1.2 設計概況

盾構隧道采用C50鋼筋混凝土管片，管片內徑4 m、外徑4.6 m、厚度300 mm、寬度1.2 m。采用通用型襯砌環(huán)，楔形量34 mm，錯縫拼裝，六塊分塊方案，塊與塊、環(huán)與環(huán)之間均采用5.6級M24彎螺栓連接。

2 模型建立

2.1 工程地質

根據地勘資料，現場分布主要地層為：人工填土、含有機質粉質粘土、礫質粘性土、全風化花崗巖以及強風化花崗巖。詳細土層參數如表1所示。

2.2 三維模型的建立[5-9]

表1 土層參數

本文重點分析盾構隧道轉彎段，因此選取圖1所示的曲線半徑為250 m的區(qū)間進行數值分析計算。為簡化數值模型，采用如下計算假定[10-12]：

1)在隧道開挖的過程中忽略土體變形的時間效應。2)盾構機在頂進過程需要轉彎，該轉彎半徑極小，因此進入圓曲線需要提前預偏，預偏通過在轉彎曲線內側設置超挖體實現。3)通過改變材料參數來模擬注漿。

為了包含曲線段整條隧道，并綜合考慮模型計算效率，最終建立如圖2所示的六邊形整體三維有限元模型，邊長分別為165 m,103 m,323 m，土體網格采用3D實體單元，本構模型采用摩爾—庫侖準則。

圖3為盾構隧道整體網格的分布情況，其中隧道模型的超挖部分及注漿層采用3D實體單元模擬，盾殼及管片采用2D面單元模擬，詳細情況見圖3，圖4，管片及注漿參數如表2所示。

2.3 分析工況

本次分析主要分為200個工況，分別用S表示，具體如表3所示。計算過程中的主要荷載為模型自重及開挖掘進力。

表2 管片及注漿參數

表3 三維模型開挖分析施工步

3 數值結果及分析

3.1 千斤頂力對管片受力及變形的影響

為了分析小半徑曲線段盾構隧道施工時，千斤頂力對隧道管片變形和受力的影響，設置五組不同的千斤頂力進行有限元數值分析。分別設置五組千斤頂力設為600 kN/m,900 kN/m,1 200 kN/m,1 500 kN/m,1 800 kN/m，均勻作用在管片環(huán)面上。

本隧道模型是對稱建立的，并考慮到模型較大，選擇隧道中間段15節(jié)管片的結果進行分析。5組不同千斤頂力作用下的管片豎向變形及受力如表4，表5所示。

表4 不同千斤頂力下管片豎向沉降值(向上為正)

表5 不同千斤頂力下管片最大主應力

管片的變形主要表現為上部下沉，下部管片隆起，且下沉量明顯大于管片隆起量。這是由于管片上部主要承受上部土體荷載的作用，而下部管片由于圍巖的變形而產生一定的隆起。由表4,表5可知，隨著千斤頂力的增大，管片的變形及受力表現出線性增大的趨勢。

3.2 地表沉降分析

由于隧道處于極小半徑轉彎段，為確保隧道軸線最終偏差控制在允許范圍內，盾構掘進時應給隧道預留一定的偏移量，在數值模型中通過超挖實現。為研究超挖帶來的影響，設置一個無超挖的模型作為對照。

本次分析共200個施工步，因此僅列出S40,S80,S120,S160,S200工況的計算結果，表6,表7分別為考慮超挖和不考慮超挖時，盾構掘進過程中地表沉降平均值及極大值分布情況。

表6 地面沉降匯總表(考慮超挖)

表7 地面沉降匯總表(不考慮超挖)

由表6可知，隧道施工過程引起的地表豎向沉降最大平均值為-14.418 mm，最大極大值為-15.889 mm，而實際工程觀測點的累計豎向觀測位移為-14.00 mm左右，數值模擬結果與實測結果基本相符，且均小于隧道區(qū)間沉降監(jiān)測預警值24 mm。表7為不考慮超挖的地表沉降結果，其值小于考慮超挖時的地表沉降值。

4 結語

本文以深圳北環(huán)電力隧道為工程依托，建立極小半徑轉彎段盾構隧道施工的有限元模型，并與實測數據對比，主要結論如下：

1)盾構隧道掘進過程中，管片的變形主要表現為上部下沉，下部管片隆起，且上部管片變形明顯偏大，同時隨著千斤頂力的增大，管片的變形及受力也表現出線性增大的趨勢，實際設計施工時應重點考慮上部管片的受力及變形。

2)考慮超挖的數值模型計算結果與實測數據基本接近，而不考慮超挖時的模型計算結果偏小，在對小半徑盾構曲線段掘進施工過程進行數值計算時，通過考慮一定的超挖量來模擬隧道掘進時預留的偏移量，可以得到與實際較為相符的結果。