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，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，經常發生下列問題：盾構姿態易失控，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。而且隨著城市的發展，盾構隧道受到周圍建筑的樁基礎、已有運營或已經規劃的地鐵隧道等城市規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110 kV架空線改造入地電纜隧道工程南線盾構區間總長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，楔形量34 mm，錯縫拼裝，六塊分塊方案，塊與塊、環與環之間均采用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，且均小于隧道區間沉降監測預警值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。