大坡度小半徑地鐵盾構管片的受力性狀分析

張曜輝

摘要：以某地鐵出入線為工程實例，對大坡度小曲率半徑區間盾構施工模擬及管片受力情況進行數值模擬，結果表明：地鐵盾構大坡度小半徑段施工，土體變型較小，管片整體受壓，且受力滿足材料抗壓能力，并針對該段盾構施工提出建議，可供今后相似工程施工參考。

Abstract：? Taking a subway access line as an engineering example， the numerical simulation of the shield construction and the force of the segment on the large curvature and small curvature radius are carried out. The results show that the construction of the subway shield has a small radius and a small radius section， the whole of the tube is compressed， and the force is sufficient to meet the pressure resistance of the material. Suggestions for the construction of the shield are put forward， which can be used as a reference for similar engineering construction in the future.

關鍵詞：大坡度;小半徑;盾構管片;數值模擬

Key words： large slope;small radius;shield segment;numerical simulation

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0160-02

0? 引言

盾構技術作為地鐵隧道施工中一重要技術，在國內外地鐵工程廣為應用。由于地鐵線路規劃設計，出現越來越多大坡度小半徑區間。根據地鐵設計規范GB50157-2013，出入線的最大坡度宜采用40‰，而本文所涉及出入線實例中，最大坡度已達到32.266%，且規范要求針對目前所采用B型車，出入線最小曲率半徑為200m，本文涉及最小曲率已達到半徑250m。

大坡度、小半徑地鐵隧道施工給施工技術人員帶來的挑戰是要克服盾構機上浮、盾構掘進不斷糾偏、管片受力不均造成錯臺或破損等難題[2]。本文通過對實際工程中大坡度、小半徑盾構隧道中管片的受力情況進行模擬分析，為今后相似工程提供參考。

1? 工程概況及工程地質

本文所涉及出入場線為右線總長1430.2m，左線總長1400.71m，其中河西北路站至線路中間盾構井段采用盾構法施工，盾構區間左線長1034.828m，右線長1065.176m，中間盾構井至U槽段采用明挖法施工（位置見圖1）。盾構區間設置3處平曲線，曲線半徑分別為800m、300m、250m，線間距13m。線路縱坡設計為2個坡度，最大坡度為32.266‰，最小坡度4‰，隧道頂最小埋深約5.5m、最大埋深12.5m。

盾構方案為：2臺土壓平衡型盾構機從盾構井南端頭井始發，向河西北路站掘進。

2? 盾構始發階段反力架受力分析

2.1 材料參數及有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX有限元軟件，建立地層模型，土層深度32.5m，前后長度36m，左右寬45m。設置土層材料模型為Mohr Coulomb，管片為彈性材料。添加地層及盾構管片參數，設置約束及荷載，進行計算，提取反力架局部最大應力，并探索可能造成破壞的部位。

施工范圍內主要地層土體物理力學參數如表1。

盾構管片要力學參數如表2。

2.2 大坡度小半徑盾構施工模擬

設置盾構區間曲線半徑為250m，坡度為33‰，賦予開挖面160kN掘進力。該段曲線隧道共設置22環，設置開挖至第13環，計算其土體及管片應力應變情況，見圖2和3所示。

模擬計算求得以下結果：

①以該工程實例為背景的典型大坡度小半徑地鐵盾構施工階段，盾構隧道周邊土體位移量較小，隧道入口處底面位移量最大，顯示為24.5mm，土體變形可控。

②管片整體顯示向上浮動，且有較小側向位移。管片位移最大為24.42mm，應通過提高同步注漿早期強度等措施預防及控制位移[2]。

③管片受力特征表現為整體受壓，轉彎曲線外側受較小拉力;曲線周面下方管片受壓力最大，且mises應力最大值為9.79×103kN/m2。管片所采用C50等級混凝土，抗壓強度標準值為32.5kN/m2，滿足管片受壓要求。隧道轉彎部位外緣受力較大，在設計中應予以加強，并在施工過程中采取對稱注漿，保證結構強度。管片應變顯示在開挖面最大，最大值為約7.6mm，需確保管片質量達標并及時同步注漿，以防管片變形過大。

3? 預控措施

根據現有研究成果[3-6]，針對大坡度小半徑盾構施工可能出現的問題，提出以下措施：①及時量測，檢查管片拼接質量及錯臺情況。當管片的環面與盾構推進方向存在夾角時，其合力作用方向部位的管片容易錯臺破碎，及時修補破碎管片并及時二次注漿，以防管片破損情況加大。②盾構機及時糾偏，隧道轉彎處加強測量工作，并盡量勤糾偏，小糾偏，使管片外弧與盾尾內壁間的距離沿環向分布均勻，同步注漿均勻，確保上部管片（尤其是封頂塊、封頂塊與鄰接塊接縫處）與盾構機內殼間隙均勻，盾構推進過程中，減少管片受壓破損情況。③針對管片上浮情況，有以下幾點產生原因：泥水浮力、漿液浮力、注漿壓力、泥漿后竄、卸載回彈、盾尾間隙和上覆土的反向壓縮等。通過提高早期抗剪強度，降低粉煤灰和增加黃砂含量來適當降低漿液的塌落度、稠度值及流動性以及增加膨潤土的含量來降低漿液的泌水率;增加縱向螺栓預應力，提高管片環縫的摩擦系數;上浮嚴重區適量堆載;采用預偏設計，設置合理的預偏值，使隧道的線形盡量和設計軸線精確擬合。④盾構運行軌跡應保持平順，管片拼裝嚴格控制管片拼裝的垂直度、圓整度、擰緊螺栓的扭矩和蛇行時楔形管片的拼裝位置，在整圓器支撐剛拼好的管片的同時，采用同步注漿及時固定管片的位置，以防管片拼裝不合理導致受力變形。

4? 結論

本文結合工程實例，對大坡度小半徑地鐵盾構施工進行有限元模擬，計算得知該特殊部位施工中，土層及管片的受力及變形情況，得出以下結論：①對大坡度小曲率半徑區間盾構施工模擬及管片受力情況進行數值模擬，結果表明：地鐵盾構大坡度小半徑段施工，土體變型較小，管片整體出現上浮;②管片整體受壓，且受力滿足材料抗壓能力;隧道轉彎處外側受較小拉力;③針對管片錯臺破損、上浮、變形提出預控措施，為今后類似工程提出建議。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家標準，GB50157-2013地鐵設計規范[S].中國建筑工業出版社，2013.

[2]謝遠堃.大坡度小半徑曲線盾構施工管片破損及上浮受力分析[J].施工技術，2018，47（9）：65-69.

[3]胡小強.小半徑大縱坡條件下盾構法施工管片受力及拼裝技術研究[D].重慶交通大學，2017.

[4]劉永輝，張亞彬，羅宇勤.盾構隧道管片錯臺原因分析及措施[J].居舍，2018，11：166.

[5]王宏.小半徑曲線并大坡度盾構施工管片破損及上浮受力分析[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2013，25（1）：74-77.

[6]潘彥斌.大坡度掘進、小半徑接收盾構施工技術分析[J].軌道交通與地下工程，2018，1（36）：124-126，130.