大坡度小半径地铁盾构管片的受力性状分析

张曜辉

摘要：以某地铁出入线为工程实例，对大坡度小曲率半径区间盾构施工模拟及管片受力情况进行数值模拟，结果表明：地铁盾构大坡度小半径段施工，土体变型较小，管片整体受压，且受力满足材料抗压能力，并针对该段盾构施工提出建议，可供今后相似工程施工参考。

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.

关键词：大坡度;小半径;盾构管片;数值模拟

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

中图分类号：U455.43                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0160-02

0  引言

盾构技术作为地铁隧道施工中一重要技术，在国内外地铁工程广为应用。由于地铁线路规划设计，出现越来越多大坡度小半径区间。根据地铁設计规范GB50157-2013，出入线的最大坡度宜采用40‰，而本文所涉及出入线实例中，最大坡度已达到32.266%，且规范要求针对目前所采用B型车，出入线最小曲率半径为200m，本文涉及最小曲率已达到半径250m。

大坡度、小半径地铁隧道施工给施工技术人员带来的挑战是要克服盾构机上浮、盾构掘进不断纠偏、管片受力不均造成错台或破损等难题[2]。本文通过对实际工程中大坡度、小半径盾构隧道中管片的受力情况进行模拟分析，为今后相似工程提供参考。

1  工程概况及工程地质

本文所涉及出入场线为右线总长1430.2m，左线总长1400.71m，其中河西北路站至线路中间盾构井段采用盾构法施工，盾构区间左线长1034.828m，右线长1065.176m，中间盾构井至U槽段采用明挖法施工（位置见图1）。盾构区间设置3处平曲线，曲线半径分别为800m、300m、250m，线间距13m。线路纵坡设计为2个坡度，最大坡度为32.266‰，最小坡度4‰，隧道顶最小埋深约5.5m、最大埋深12.5m。

盾构方案为：2台土压平衡型盾构机从盾构井南端头井始发，向河西北路站掘进。

2  盾构始发阶段反力架受力分析

2.1 材料参数及有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX有限元软件，建立地层模型，土层深度32.5m，前后长度36m，左右宽45m。设置土层材料模型为Mohr Coulomb，管片为弹性材料。添加地层及盾构管片参数，设置约束及荷载，进行计算，提取反力架局部最大应力，并探索可能造成破坏的部位。

施工范围内主要地层土体物理力学参数如表1。

盾构管片要力学参数如表2。

2.2 大坡度小半径盾构施工模拟

设置盾构区间曲线半径为250m，坡度为33‰，赋予开挖面160kN掘进力。该段曲线隧道共设置22环，设置开挖至第13环，计算其土体及管片应力应变情况，见图2和3所示。

模拟计算求得以下结果：

①以该工程实例为背景的典型大坡度小半径地铁盾构施工阶段，盾构隧道周边土体位移量较小，隧道入口处底面位移量最大，显示为24.5mm，土体变形可控。

②管片整体显示向上浮动，且有较小侧向位移。管片位移最大为24.42mm，应通过提高同步注浆早期强度等措施预防及控制位移[2]。

③管片受力特征表现为整体受压，转弯曲线外侧受较小拉力;曲线周面下方管片受压力最大，且mises应力最大值为9.79×103kN/m2。管片所采用C50等级混凝土，抗压强度标准值为32.5kN/m2，满足管片受压要求。隧道转弯部位外缘受力较大，在设计中应予以加强，并在施工过程中采取对称注浆，保证结构强度。管片应变显示在开挖面最大，最大值为约7.6mm，需确保管片质量达标并及时同步注浆，以防管片变形过大。

3  预控措施

根据现有研究成果[3-6]，针对大坡度小半径盾构施工可能出现的问题，提出以下措施：①及时量测，检查管片拼接质量及错台情况。当管片的环面与盾构推进方向存在夹角时，其合力作用方向部位的管片容易错台破碎，及时修补破碎管片并及时二次注浆，以防管片破损情况加大。②盾构机及时纠偏，隧道转弯处加强测量工作，并尽量勤纠偏，小纠偏，使管片外弧与盾尾内壁间的距离沿环向分布均匀，同步注浆均匀，确保上部管片（尤其是封顶块、封顶块与邻接块接缝处）与盾构机内壳间隙均匀，盾构推进过程中，减少管片受压破损情况。③针对管片上浮情况，有以下几点产生原因：泥水浮力、浆液浮力、注浆压力、泥浆后窜、卸载回弹、盾尾间隙和上覆土的反向压缩等。通过提高早期抗剪强度，降低粉煤灰和增加黄砂含量来适当降低浆液的塌落度、稠度值及流动性以及增加膨润土的含量来降低浆液的泌水率;增加纵向螺栓预应力，提高管片环缝的摩擦系数;上浮严重区适量堆载;采用预偏设计，设置合理的预偏值，使隧道的线形尽量和设计轴线精确拟合。④盾构运行轨迹应保持平顺，管片拼装严格控制管片拼装的垂直度、圆整度、拧紧螺栓的扭矩和蛇行时楔形管片的拼装位置，在整圆器支撑刚拼好的管片的同时，采用同步注浆及时固定管片的位置，以防管片拼装不合理导致受力变形。

4  结论

本文结合工程实例，对大坡度小半径地铁盾构施工进行有限元模拟，计算得知该特殊部位施工中，土层及管片的受力及变形情况，得出以下结论：①对大坡度小曲率半径区间盾构施工模拟及管片受力情况进行数值模拟，结果表明：地铁盾构大坡度小半径段施工，土体变型较小，管片整体出现上浮;②管片整体受压，且受力满足材料抗压能力;隧道转弯处外侧受较小拉力;③针对管片错台破损、上浮、变形提出预控措施，为今后类似工程提出建议。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准，GB50157-2013地铁设计规范[S].中国建筑工业出版社，2013.

[2]谢远堃.大坡度小半径曲线盾构施工管片破损及上浮受力分析[J].施工技术，2018，47（9）：65-69.

[3]胡小强.小半径大纵坡条件下盾构法施工管片受力及拼装技术研究[D].重庆交通大学，2017.

[4]刘永辉，张亚彬，罗宇勤.盾构隧道管片错台原因分析及措施[J].居舍，2018，11：166.

[5]王宏.小半徑曲线并大坡度盾构施工管片破损及上浮受力分析[J].石家庄铁道大学学报（自然科学版），2013，25（1）：74-77.

[6]潘彦斌.大坡度掘进、小半径接收盾构施工技术分析[J].轨道交通与地下工程，2018，1（36）：124-126，130.