电缆隧道盾构极小半径曲线顶进施工的有限元分析

董志伟 丁小彬 邓毛毛 杨志永

(1.中铁隧道集团二处有限公司，河北 三河 065201； 2.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641)

在盾构隧道的建设过程中，不可避免地受到城市地下地层差异的影响。尤其对于我国华南地区，盾构隧道穿越上软下硬等复合地层成为普遍现象。与均一地层相比，在“复合地层”中进行盾构掘进，施工难度普遍较大，经常发生下列问题：盾构姿态易失控，千斤顶受力不均易使管片破碎，刀盘被打坏、刀具损耗多；掘进速度慢且易超挖，地面沉降不可控等。而且随着城市的发展，盾构隧道受到周围建筑的桩基础、已有运营或已经规划的地铁隧道等城市规划和建筑物的制约越来越明显，会使隧道线形变得更加的复杂，小断面小转弯盾构隧道在未来城市隧道的发展中会越来越常见。针对目前国内小截面土压盾构电力隧道正处于起步阶段，很多问题仍然处于依赖工程经验的阶段，例如盾构设备和管片对急转弯的适应性，管片对曲线线型拟合问题、隧道施工工作面的稳定问题和隧道施工扰动和风险问题以及隧道施工控制技术等问题。这些问题的解决对未来城市小半径曲线电力隧道施工安全、质量具有重要意义[1-4]。本文以深圳北环电缆隧道工程为依托，采用有限元软件进行数值分析，研究极小半径盾构隧道施工对管片受力和地表沉降的影响，为实际工程的开展提供依据和参考。

1 工程概况

1.1 地理位置

深圳电网北环110 kV架空线改造入地电缆隧道工程南线盾构区间总长3.8 km。线路起于笔架山公园力能加电站后，向南下穿笋岗西路、中心公园、地铁3号线、红荔路、振华路、中心公园、地铁2号线、深南大道，沿深南大道向西至彩田路后，沿彩田路西侧南行至福华五路。线路在曲线半径为250 m/300 m的极小半径下穿城市主干道深南大道，穿越总长度702.554 m。

1.2 设计概况

盾构隧道采用C50钢筋混凝土管片，管片内径4 m、外径4.6 m、厚度300 mm、宽度1.2 m。采用通用型衬砌环，楔形量34 mm，错缝拼装，六块分块方案，块与块、环与环之间均采用5.6级M24弯螺栓连接。

2 模型建立

2.1 工程地质

根据地勘资料，现场分布主要地层为：人工填土、含有机质粉质粘土、砾质粘性土、全风化花岗岩以及强风化花岗岩。详细土层参数如表1所示。

2.2 三维模型的建立[5-9]

表1 土层参数

本文重点分析盾构隧道转弯段，因此选取图1所示的曲线半径为250 m的区间进行数值分析计算。为简化数值模型，采用如下计算假定[10-12]：

1)在隧道开挖的过程中忽略土体变形的时间效应。2)盾构机在顶进过程需要转弯，该转弯半径极小，因此进入圆曲线需要提前预偏，预偏通过在转弯曲线内侧设置超挖体实现。3)通过改变材料参数来模拟注浆。

为了包含曲线段整条隧道，并综合考虑模型计算效率，最终建立如图2所示的六边形整体三维有限元模型，边长分别为165 m,103 m,323 m，土体网格采用3D实体单元，本构模型采用摩尔—库仑准则。

图3为盾构隧道整体网格的分布情况，其中隧道模型的超挖部分及注浆层采用3D实体单元模拟，盾壳及管片采用2D面单元模拟，详细情况见图3，图4，管片及注浆参数如表2所示。

2.3 分析工况

本次分析主要分为200个工况，分别用S表示，具体如表3所示。计算过程中的主要荷载为模型自重及开挖掘进力。

表2 管片及注浆参数

表3 三维模型开挖分析施工步

3 数值结果及分析

3.1 千斤顶力对管片受力及变形的影响

为了分析小半径曲线段盾构隧道施工时，千斤顶力对隧道管片变形和受力的影响，设置五组不同的千斤顶力进行有限元数值分析。分别设置五组千斤顶力设为600 kN/m,900 kN/m,1 200 kN/m,1 500 kN/m,1 800 kN/m，均匀作用在管片环面上。

本隧道模型是对称建立的，并考虑到模型较大，选择隧道中间段15节管片的结果进行分析。5组不同千斤顶力作用下的管片竖向变形及受力如表4，表5所示。

表4 不同千斤顶力下管片竖向沉降值(向上为正)

表5 不同千斤顶力下管片最大主应力

管片的变形主要表现为上部下沉，下部管片隆起，且下沉量明显大于管片隆起量。这是由于管片上部主要承受上部土体荷载的作用，而下部管片由于围岩的变形而产生一定的隆起。由表4,表5可知，随着千斤顶力的增大，管片的变形及受力表现出线性增大的趋势。

3.2 地表沉降分析

由于隧道处于极小半径转弯段，为确保隧道轴线最终偏差控制在允许范围内，盾构掘进时应给隧道预留一定的偏移量，在数值模型中通过超挖实现。为研究超挖带来的影响，设置一个无超挖的模型作为对照。

本次分析共200个施工步，因此仅列出S40,S80,S120,S160,S200工况的计算结果，表6,表7分别为考虑超挖和不考虑超挖时，盾构掘进过程中地表沉降平均值及极大值分布情况。

表6 地面沉降汇总表(考虑超挖)

表7 地面沉降汇总表(不考虑超挖)

由表6可知，隧道施工过程引起的地表竖向沉降最大平均值为-14.418 mm，最大极大值为-15.889 mm，而实际工程观测点的累计竖向观测位移为-14.00 mm左右，数值模拟结果与实测结果基本相符，且均小于隧道区间沉降监测预警值24 mm。表7为不考虑超挖的地表沉降结果，其值小于考虑超挖时的地表沉降值。

4 结语

本文以深圳北环电力隧道为工程依托，建立极小半径转弯段盾构隧道施工的有限元模型，并与实测数据对比，主要结论如下：

1)盾构隧道掘进过程中，管片的变形主要表现为上部下沉，下部管片隆起，且上部管片变形明显偏大，同时随着千斤顶力的增大，管片的变形及受力也表现出线性增大的趋势，实际设计施工时应重点考虑上部管片的受力及变形。

2)考虑超挖的数值模型计算结果与实测数据基本接近，而不考虑超挖时的模型计算结果偏小，在对小半径盾构曲线段掘进施工过程进行数值计算时，通过考虑一定的超挖量来模拟隧道掘进时预留的偏移量，可以得到与实际较为相符的结果。