盾構施工過程有限元模擬方法對比

馮興廣

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510010）

0 引言

盾構隧道施工過程是一個十分復雜的過程，涉及到土體開挖擾動、管片安裝、盾尾注漿等工序。有限元方法對復雜施工過程的模擬具有先天的優勢，然而不同的盾構工程人員采用不同的模擬方法模擬出的結果可能具有較大的差別。

盾構隧道施工過程數值模擬方法是進行盾構隧道施工過程擾動影響和安全性分析的前提和重要手段之一，國內外研究學者對此進行探討和研究，得出了應力釋放法、位移約束法和考慮多因素的三維模型法等三種常用計算方法，并取得了許多成果。

1 應力釋放法和位移約束法

應力釋放法和位移約束法本質上屬于同一類型的方法，所不同的是應力釋放法是將開挖面和開挖位置的原始應力進行折減而實現的，而位移約束法是通過對開挖斷面施加強制的直接位移或者間接位移而實現的。

在盾構隧道施工過程模擬應用方面，孫鈞[1]引入了位移釋放系數來描述隧道開挖面的空間效應；如圖1 所示，朱合華[2]分析了盾構施工過程中的施工階段劃分，并且詳細給出了在有限元分析中不同施工階段的應力釋放情況和具體的模擬方法；張海波[3]建立了盾構隧道掘進過程有限元計算模型，考慮的因素包括開挖面釋放荷載的計算、千斤頂推力的影響、盾構超挖間隙和盾尾空隙的模擬、盾尾注漿的影響、土體與結構之間的接觸模擬等因素；H.Mroueh[4]由于盾構隧道數值模擬過程中更為詳盡的計算模型需要清楚盾構與土體、注漿以及盾尾間隙擾動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值模擬模型存在很大的挑戰，并提出了一種TBM 掘進三維簡化數值模擬模型，該模型中采用限制收斂方法，主要涉及應力釋放系數和隧道無支護區域長度兩個參數。

圖1 盾構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 提出了一種盾構隧道掘進過程模擬的三維有限元分析模型，在該模型中對盾構、土體以及結構的不同模擬單元進行了詳細的劃分，并針對于一個施工循環內的施工步驟進行了詳細闡述，主要考慮了臨時建筑間隙、建筑間隙內注漿、盾構機姿態的變化、掌子面支護力的影響和盾構機殼在移動過程中對土體的摩擦作用以及地下水的影響，還考慮拖車荷載的影響，并對每種影響因素的計算方法進行了詳細的闡述；而后沈建奇[5]根據剛度遷移法的基本原理，將盾構連續穩態掘進過程離散成逐漸穩態掘進過程，從盾構-土體-地表構筑物三者為一體的相互作用關系出發提出了盾構逐步穩態掘進過程的有限元數值模擬方法，主要考慮了盾構刀盤切削作用、盾構刀盤超挖、機身結構坡度的影響、拖車對襯砌的移動荷載、盾構推進千斤頂的作用、開挖面泥水壓力作用、注漿材料液態到固態的時空轉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隧道施工過程的計算模型，分析了大直徑盾構隧道掌子面的穩定性，具體對盾構的刀盤的推力和扭矩進行了詳細的分析。J.N.Franzius[7]認為隧道施工是一個三維過程，在三維計算過程中為了縮短計算時間，通常將模型的幾何尺寸設置為最小，該文獻中分析了集合模型的離散對三維計算模型計算結果的影響，研究結果表明：增大隧道開挖增量的長度有助于獲得更為合理的計算結果。

在考慮多因素的盾構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計算模型，分析了盾構掘進過程對地表的擾動影響。李圍、何川[9]基于FLAC3D 有限差分平臺同樣構建了考慮多因素影響的盾構隧道施工過程三維計算模型。崔弈[10]通過對開挖面及隧道周圍的土體進行應力釋放來模擬隧道的開挖效應，并詳細地給出了隧道開挖過程的模擬方法。張利民[11]采用FLAC3D 對盾構隧道的施工過程進行了模擬分析。張國遠基于FLAC3D 有限差分平臺，建立了考慮應力滲流耦合效應的盾構隧道施工過程模擬方法，并分析了盾構不同掘進階段對隧道圍巖與結構的擾動影響。

此外，王敏強[12]提出了遷移法模擬盾構前行過程，采用權剛度修正Goodman 單元處理單元內存在兩種材料的混合接觸剛度，并基于工程實例對盾構推進過程進行了仿真計算。如圖2 所示，張云[13]提出了等代層的概念來反映盾尾間隙、注漿以及隧道壁面受擾動程度對地表沉降的影響;劉元雪盾構法施工的影響采用等代層外側土體原位應力卸荷的方法進行模擬，計算荷載為等代層外側原位應力卸除引起的土體應力的重新分配，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]認為開挖間隙的形成與注漿是同步進行的，因此給出了基于有限元的盾構隧道施工過程模擬分析方法，然而沒有考慮水的影響。

圖2 盾構推進

3 進一步研究建議

由國內外研究現狀分析可知，關于盾構隧道施工過程的數值模擬方法己經取得了較為豐富的成果。但是由于盾構隧道施工過程的復雜性，主要表現為施工期穿越的地層條件不斷變化、不同盾構工法的施工擾動影響區別明顯，且施工過程中時刻受到地下水滲流的影響，受注漿的影響、因此盾構隧道施工過程的模擬方法有待于進一步的研究。

許多研究成果己表明，地下水滲流對圍巖穩定性和結構受力具有重要影響。然而圍巖與結構相互作用情況復雜，隧道襯砌承受的作用力取決于支護結構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行考慮。在完全不排水條件下襯砌結構要承擔所有的圍巖壓力和水壓力，忽略了圍巖對水壓力的承擔作用，計算結果較為保守；在完全排水條件下圍巖襯砌接觸處水壓力為零，則此時僅需要承擔圍巖壓力，忽略了地下水滲透力導致圍巖變形進而使結構承擔附加荷載的影響，計算結果偏于危險。因此開展不同工況條件下的水下盾構隧道施工期滲流影響分析具有工程應用價值和現實意義。

建議后續可以開展如下的研究工作：

（1）在應力釋放法中，工程人員對應力釋放率的取值并沒有形成固定的與施工過程一一對應的標準，導致不同的工程人員采用不同的應力釋放率計算得出的隧道施工過程模擬位移云圖、應力云圖等相差較大。然而工程實際中，對于一特定的工程采用特定的施工方法進行施工，應該得到唯一的結果。這直接導致采用應力釋放法進行盾構施工過程的模擬結果信服力大打折扣。建議后續對于應力釋放法模擬盾構施工過程的重點研究工作在建立應力釋放率與施工過程的一一對應關系，在行業內統一應力釋放率的取值標準，提高該方法在模擬盾構施工過程的信服力。

（2）實際工程驗算過程中使用位移約束法時，工程設計人員常常需要調整斷面收縮率，使有限元計算結果和現場監測結果盡可能的接近。然而此種做法會使有限元數值計算的工程預測性實用價值大打折扣。同樣后續急需建立斷面收縮率與施工過程的一一對應關系標準。

（3）現有的三維模型模擬方法研究深度仍然較淺。如沒有實現隧道施工注漿過程的全流程模擬、沒有實現開挖引起回彈的精準模擬。建議后續可以開展隧道施工注漿過程的全流程模擬，通過開發合適的彈塑性本構模型實現回彈的精準模擬。

（4）在多數情況下，隧道施工過程中都涉及到水的問題，對應的是流固耦合問題。如何對該類流固耦合問題進行精細化數值模擬是值得研究的方向。在精細化流固耦合數值模擬的基礎上，做適當簡化，引入施工過程全流程模擬計算的結果才更具備信服力。

（5）盾構隧道施工過程涉及到隧道盾構管片和地層的相互作用問題，而該類相互作用問題是國際計算力學的重點和研究難點，如果能對相互作用問題進行深入研究，顯然對揭示土隧相互作用具有極為重要的現實意義。

4 結束語

采用文獻收集對比方法對盾構隧道施工過程常用的三種有限元模擬方法進行了總結對比，研究表明:

（1）應力釋放法存在應力釋放率取值沒有行業統一標準的問題，位移約束法也存在斷面收縮率取值沒有行業統一標準的問題，這導致兩種方法的計算結果較難令人信服。三維模型模擬方法多數較為粗糙，急需精細化模擬手段。

（2）建議后續可以建立與施工過程一一對應的應力釋放率取值標準，與施工過程一一對應的斷面收縮率取值標準，同時加強盾構施工過程三維精細化模擬。

（3）流固耦合問題和土隧相互作用問題是盾構施工模擬的關鍵問題，應繼續加強這兩方面的研究。