盾構(gòu)施工過(guò)程有限元模擬方法對(duì)比

馮興廣

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510010）

0 引言

盾構(gòu)隧道施工過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，涉及到土體開(kāi)挖擾動(dòng)、管片安裝、盾尾注漿等工序。有限元方法對(duì)復(fù)雜施工過(guò)程的模擬具有先天的優(yōu)勢(shì)，然而不同的盾構(gòu)工程人員采用不同的模擬方法模擬出的結(jié)果可能具有較大的差別。

盾構(gòu)隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬方法是進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工過(guò)程擾動(dòng)影響和安全性分析的前提和重要手段之一，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)此進(jìn)行探討和研究，得出了應(yīng)力釋放法、位移約束法和考慮多因素的三維模型法等三種常用計(jì)算方法，并取得了許多成果。

1 應(yīng)力釋放法和位移約束法

應(yīng)力釋放法和位移約束法本質(zhì)上屬于同一類(lèi)型的方法，所不同的是應(yīng)力釋放法是將開(kāi)挖面和開(kāi)挖位置的原始應(yīng)力進(jìn)行折減而實(shí)現(xiàn)的，而位移約束法是通過(guò)對(duì)開(kāi)挖斷面施加強(qiáng)制的直接位移或者間接位移而實(shí)現(xiàn)的。

在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬應(yīng)用方面，孫鈞[1]引入了位移釋放系數(shù)來(lái)描述隧道開(kāi)挖面的空間效應(yīng)；如圖1 所示，朱合華[2]分析了盾構(gòu)施工過(guò)程中的施工階段劃分，并且詳細(xì)給出了在有限元分析中不同施工階段的應(yīng)力釋放情況和具體的模擬方法；張海波[3]建立了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程有限元計(jì)算模型，考慮的因素包括開(kāi)挖面釋放荷載的計(jì)算、千斤頂推力的影響、盾構(gòu)超挖間隙和盾尾空隙的模擬、盾尾注漿的影響、土體與結(jié)構(gòu)之間的接觸模擬等因素；H.Mroueh[4]由于盾構(gòu)隧道數(shù)值模擬過(guò)程中更為詳盡的計(jì)算模型需要清楚盾構(gòu)與土體、注漿以及盾尾間隙擾動(dòng)之間的相互作用影響，而他們之間的相互作用影響目前還存在極大不確定性，因此使得建立詳盡的三維數(shù)值模擬模型存在很大的挑戰(zhàn)，并提出了一種TBM 掘進(jìn)三維簡(jiǎn)化數(shù)值模擬模型，該模型中采用限制收斂方法，主要涉及應(yīng)力釋放系數(shù)和隧道無(wú)支護(hù)區(qū)域長(zhǎng)度兩個(gè)參數(shù)。

圖1 盾構(gòu)隧道施工階段模擬圖

2 三維模型法

在考慮多因素的三維模擬方法應(yīng)用方面的研究比較廣泛，主要采用有限元、離散元和有限差分三種方法。如Thomas Kasper 提出了一種盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程模擬的三維有限元分析模型，在該模型中對(duì)盾構(gòu)、土體以及結(jié)構(gòu)的不同模擬單元進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，并針對(duì)于一個(gè)施工循環(huán)內(nèi)的施工步驟進(jìn)行了詳細(xì)闡述，主要考慮了臨時(shí)建筑間隙、建筑間隙內(nèi)注漿、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的變化、掌子面支護(hù)力的影響和盾構(gòu)機(jī)殼在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)土體的摩擦作用以及地下水的影響，還考慮拖車(chē)荷載的影響，并對(duì)每種影響因素的計(jì)算方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；而后沈建奇[5]根據(jù)剛度遷移法的基本原理，將盾構(gòu)連續(xù)穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)過(guò)程離散成逐漸穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)過(guò)程，從盾構(gòu)-土體-地表構(gòu)筑物三者為一體的相互作用關(guān)系出發(fā)提出了盾構(gòu)逐步穩(wěn)態(tài)掘進(jìn)過(guò)程的有限元數(shù)值模擬方法，主要考慮了盾構(gòu)刀盤(pán)切削作用、盾構(gòu)刀盤(pán)超挖、機(jī)身結(jié)構(gòu)坡度的影響、拖車(chē)對(duì)襯砌的移動(dòng)荷載、盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂?shù)淖饔谩㈤_(kāi)挖面泥水壓力作用、注漿材料液態(tài)到固態(tài)的時(shí)空轉(zhuǎn)化特性以及地下水高水壓的作用等因素影響。

在考慮多因素的盾構(gòu)隧道三維離散元模擬方法研究方面，Manuel J[6]給出了一種采用離散元模擬盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的計(jì)算模型，分析了大直徑盾構(gòu)隧道掌子面的穩(wěn)定性，具體對(duì)盾構(gòu)的刀盤(pán)的推力和扭矩進(jìn)行了詳細(xì)的分析。J.N.Franzius[7]認(rèn)為隧道施工是一個(gè)三維過(guò)程，在三維計(jì)算過(guò)程中為了縮短計(jì)算時(shí)間，通常將模型的幾何尺寸設(shè)置為最小，該文獻(xiàn)中分析了集合模型的離散對(duì)三維計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果的影響，研究結(jié)果表明：增大隧道開(kāi)挖增量的長(zhǎng)度有助于獲得更為合理的計(jì)算結(jié)果。

在考慮多因素的盾構(gòu)隧道三維有限差分模擬方法研究方面，Manuel Melis Maynar[8]在FLAC3D 中建立了土壓平衡盾構(gòu)計(jì)算模型，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)地表的擾動(dòng)影響。李圍、何川[9]基于FLAC3D 有限差分平臺(tái)同樣構(gòu)建了考慮多因素影響的盾構(gòu)隧道施工過(guò)程三維計(jì)算模型。崔弈[10]通過(guò)對(duì)開(kāi)挖面及隧道周?chē)耐馏w進(jìn)行應(yīng)力釋放來(lái)模擬隧道的開(kāi)挖效應(yīng)，并詳細(xì)地給出了隧道開(kāi)挖過(guò)程的模擬方法。張利民[11]采用FLAC3D 對(duì)盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。張國(guó)遠(yuǎn)基于FLAC3D 有限差分平臺(tái)，建立了考慮應(yīng)力滲流耦合效應(yīng)的盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬方法，并分析了盾構(gòu)不同掘進(jìn)階段對(duì)隧道圍巖與結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)影響。

此外，王敏強(qiáng)[12]提出了遷移法模擬盾構(gòu)前行過(guò)程，采用權(quán)剛度修正Goodman 單元處理單元內(nèi)存在兩種材料的混合接觸剛度，并基于工程實(shí)例對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算。如圖2 所示，張?jiān)芠13]提出了等代層的概念來(lái)反映盾尾間隙、注漿以及隧道壁面受擾動(dòng)程度對(duì)地表沉降的影響;劉元雪盾構(gòu)法施工的影響采用等代層外側(cè)土體原位應(yīng)力卸荷的方法進(jìn)行模擬，計(jì)算荷載為等代層外側(cè)原位應(yīng)力卸除引起的土體應(yīng)力的重新分配，等代層與隧道襯砌的自重。張社榮[14]粗略給出了盾構(gòu)隧道施工的模擬步驟和方法，并考慮了流固耦合的影響。李鵬[15]認(rèn)為開(kāi)挖間隙的形成與注漿是同步進(jìn)行的，因此給出了基于有限元的盾構(gòu)隧道施工過(guò)程模擬分析方法，然而沒(méi)有考慮水的影響。

圖2 盾構(gòu)推進(jìn)

3 進(jìn)一步研究建議

由國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可知，關(guān)于盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的數(shù)值模擬方法己經(jīng)取得了較為豐富的成果。但是由于盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)為施工期穿越的地層條件不斷變化、不同盾構(gòu)工法的施工擾動(dòng)影響區(qū)別明顯，且施工過(guò)程中時(shí)刻受到地下水滲流的影響，受注漿的影響、因此盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的模擬方法有待于進(jìn)一步的研究。

許多研究成果己表明，地下水滲流對(duì)圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力具有重要影響。然而圍巖與結(jié)構(gòu)相互作用情況復(fù)雜，隧道襯砌承受的作用力取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖接觸處的排水條件，通常按照完全排水和完全不排水兩種情況進(jìn)行考慮。在完全不排水條件下襯砌結(jié)構(gòu)要承擔(dān)所有的圍巖壓力和水壓力，忽略了圍巖對(duì)水壓力的承擔(dān)作用，計(jì)算結(jié)果較為保守；在完全排水條件下圍巖襯砌接觸處水壓力為零，則此時(shí)僅需要承擔(dān)圍巖壓力，忽略了地下水滲透力導(dǎo)致圍巖變形進(jìn)而使結(jié)構(gòu)承擔(dān)附加荷載的影響，計(jì)算結(jié)果偏于危險(xiǎn)。因此開(kāi)展不同工況條件下的水下盾構(gòu)隧道施工期滲流影響分析具有工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

建議后續(xù)可以開(kāi)展如下的研究工作：

（1）在應(yīng)力釋放法中，工程人員對(duì)應(yīng)力釋放率的取值并沒(méi)有形成固定的與施工過(guò)程一一對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同的工程人員采用不同的應(yīng)力釋放率計(jì)算得出的隧道施工過(guò)程模擬位移云圖、應(yīng)力云圖等相差較大。然而工程實(shí)際中，對(duì)于一特定的工程采用特定的施工方法進(jìn)行施工，應(yīng)該得到唯一的結(jié)果。這直接導(dǎo)致采用應(yīng)力釋放法進(jìn)行盾構(gòu)施工過(guò)程的模擬結(jié)果信服力大打折扣。建議后續(xù)對(duì)于應(yīng)力釋放法模擬盾構(gòu)施工過(guò)程的重點(diǎn)研究工作在建立應(yīng)力釋放率與施工過(guò)程的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一應(yīng)力釋放率的取值標(biāo)準(zhǔn)，提高該方法在模擬盾構(gòu)施工過(guò)程的信服力。

（2）實(shí)際工程驗(yàn)算過(guò)程中使用位移約束法時(shí)，工程設(shè)計(jì)人員常常需要調(diào)整斷面收縮率，使有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果盡可能的接近。然而此種做法會(huì)使有限元數(shù)值計(jì)算的工程預(yù)測(cè)性實(shí)用價(jià)值大打折扣。同樣后續(xù)急需建立斷面收縮率與施工過(guò)程的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)。

（3）現(xiàn)有的三維模型模擬方法研究深度仍然較淺。如沒(méi)有實(shí)現(xiàn)隧道施工注漿過(guò)程的全流程模擬、沒(méi)有實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖引起回彈的精準(zhǔn)模擬。建議后續(xù)可以開(kāi)展隧道施工注漿過(guò)程的全流程模擬，通過(guò)開(kāi)發(fā)合適的彈塑性本構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)回彈的精準(zhǔn)模擬。

（4）在多數(shù)情況下，隧道施工過(guò)程中都涉及到水的問(wèn)題，對(duì)應(yīng)的是流固耦合問(wèn)題。如何對(duì)該類(lèi)流固耦合問(wèn)題進(jìn)行精細(xì)化數(shù)值模擬是值得研究的方向。在精細(xì)化流固耦合數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，做適當(dāng)簡(jiǎn)化，引入施工過(guò)程全流程模擬計(jì)算的結(jié)果才更具備信服力。

（5）盾構(gòu)隧道施工過(guò)程涉及到隧道盾構(gòu)管片和地層的相互作用問(wèn)題，而該類(lèi)相互作用問(wèn)題是國(guó)際計(jì)算力學(xué)的重點(diǎn)和研究難點(diǎn)，如果能對(duì)相互作用問(wèn)題進(jìn)行深入研究，顯然對(duì)揭示土隧相互作用具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用文獻(xiàn)收集對(duì)比方法對(duì)盾構(gòu)隧道施工過(guò)程常用的三種有限元模擬方法進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比，研究表明:

（1）應(yīng)力釋放法存在應(yīng)力釋放率取值沒(méi)有行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，位移約束法也存在斷面收縮率取值沒(méi)有行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，這導(dǎo)致兩種方法的計(jì)算結(jié)果較難令人信服。三維模型模擬方法多數(shù)較為粗糙，急需精細(xì)化模擬手段。

（2）建議后續(xù)可以建立與施工過(guò)程一一對(duì)應(yīng)的應(yīng)力釋放率取值標(biāo)準(zhǔn)，與施工過(guò)程一一對(duì)應(yīng)的斷面收縮率取值標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)加強(qiáng)盾構(gòu)施工過(guò)程三維精細(xì)化模擬。

（3）流固耦合問(wèn)題和土隧相互作用問(wèn)題是盾構(gòu)施工模擬的關(guān)鍵問(wèn)題，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)這兩方面的研究。