《盾构近接隧道施工力学行为分析》

盾构近接隧道施工时，力学行为复杂多变。在施工过程中，盾构的掘进会对周围土体产生扰动。一方面，盾构刀盘切削土体，致使土体应力重新分布。近接区域的土体受到先行隧道的影响，其初始应力状态已改变，新隧道施工时应力调整更为复杂。土体可能发生位移、变形，严重时会引发地表沉降或隆起。另一方面，盾构推进时的千斤顶推力、盾壳与土体的摩擦力等都会对隧道结构产生内力。衬砌结构承受着土压力、水压力以及施工荷载的共同作用，可能出现弯矩、轴力的变化，这些力学行为相互影响，对近接隧道施工的安全与稳定有着关键意义。

    摘 要：在地下工程近接施工中，新建结构物的施工会改变既有结构物的受力状态，从而对既有结构物产生各种不利影响。由于新建结构物的受力模式不同于半无限体或无限体中修建单一洞室的一般状况，其初始应力场往往经过多次扰动，施工时将再次进行扰动，表现出极大的变异性。通过三维仿真计算，模拟了盾构机上作用 3 种不同推进力时对既有运营隧道变形和主应力的影响，以对是否加固既有运营地铁隧道给出建议，同时对最大推进力作用下随着盾构隧道的开挖对既有地铁隧道轨底倾斜度的影响进行了分析。分析计算得出的结论对于盾构隧道设计和施工有一定指导意义。（参考《建筑中文网》）

    关 键 词：盾构掘进；交叉隧道；非线性有限元分析；力学行为分析
   
    1 引 言
    随着我国地铁建设的迅速发展，地铁网络不断完善，城市地下空间开发利用的规模也在不断扩大，然而，这也使得新建盾构隧道近距离穿越既有地铁隧道及其他各种地下建筑物的现象愈加普遍。如何控制盾构隧道近距离穿越地下建筑物所引起的地层位移，以确保既有地下结构设施的正常使用和新建盾构的顺利掘进，对于我国城市地铁建设和地下空间开发利用具有重要的指导作用。
    在地下工程近接施工中，新建结构物的施工会改变既有结构物的受力状态，从而对既有结构物产生不利影响。新建地下结构的受力模式也不同于半无限体或无限体中修建单一洞室的一般状况，其初始应力场往往是经过多次扰动，施工将引起再次扰动，其受力往往是非对称的，表现出极大的变异性。概括地讲，新建结构物的施工会使围岩从原来的 3次应力场演变到 5 次应力场。正是这种应力场的演变导致了既有结构和新建结构的受力变异，造成既有结构的安全性和新建工程施工的复杂性问题，这是不可回避和必须加以解决的问题，因此研究其复杂的受力机理和相应对策已成为当务之急。国内外对盾构隧道以及其近接和交叠等施工力学行为的研究也方兴未艾，进行了诸多研究[1-7]。
    本文基于地下工程开挖的力学行为原理和在有限元数值模拟的基础上，对隧道开挖采用“生死单元”进行模拟，并提出采用重叠单元的方法模拟盾构的推进过程。利用盾构施工引起的地层损失机理，针对北京地铁 10 号线新建盾构隧道垂直交叉穿过既有 1 号线运营地铁隧道的工程实例进行三维仿真分析。根据数值计算结果。研究了近接盾构隧道施工力学行为，对新建盾构隧道的施工控制以及既有结构的加固措施等提出了有益的建议，并研究了最大推进力作用下随着盾构隧道的开挖对既有地铁隧道轨底倾斜度的影响问题，通过模拟盾构机上作用三种不同的推进力，研究了推进力对既有运营隧道变形和主应力的影响，得出的结论对于盾构隧道的设计和施工有一定的指导意义。
    2 三维有限元分析模型
    2.1 有限元模型网格及计算采用的材料参数
    新隧道与既有隧道垂直交叉，分析区间的两个既有隧道相距 10 m，且为运行地铁隧道，截面形状为三心圆截面，衬砌由素混凝土组成。新隧道从既有隧道下方垂直通过，最近仅相距 1.245 m，新隧道采用盾构法施工，管片宽度为 1.2 m。由于两既有隧道相距为 10 m，两新隧道相距为 80 m，故分析只取一条新隧道。计算采用大型有限元软件ANSYS 进行三维开挖分析，三维有限元模型尺寸为长 49.2 m，宽 50 m，高 50 m，经过优化后的网格如图 1 所示，共有 33 450 个单元，89 780 个节点，计算所使用的是 ANSYS 所提供的 Solid95 三维 20节点等参单元。计算模型约束条件为左右两侧、前后两侧施加水平方向的单向位移约束，下侧施加竖直方向的单向位移约束，上侧为自由端。施加荷载为重力荷载。模拟计算中，管片厚度取为 30 cm，盾壳厚度取为 6 cm。模型计算采用的地层材料参数见表 1[8]。

   
    2.2 开挖过程模拟
    既有隧道采用全断面一次性开挖模拟，并且一次性施做衬砌，即先计算初始静力场，然后全断面开挖，接着修筑衬砌。新隧道每次推进距离为管片衬砌的宽度为 1.2 m。由于管片是处于盾壳保护下拼装完毕的，所以模拟开始需先模拟盾壳支护作用，即改变材料为钢壳材料，同时在开挖面上施加压力 P 来模拟盾构的推进力，后进行开挖，开挖部分为管片和管片内部所在的土体。当盾构向前行进时盾壳抽出向前，此时盾尾处的管片会露出，需要对盾尾留出的空隙进行注浆填充，以防止上部隧道沉降，此步需要重新激活被杀死的管片单元，改变此部分单元的材料为混凝土材料，同时改变盾尾空隙的材料为填充材料。
    在采用“生死单元”模拟盾构开挖过程中，一般是先将土体单元“杀死”，然后在后续荷载步里“激活”被“杀死”的单元，同时改变材料特性。然而，在模拟盾构开挖过程中，如果采用上述方法，则会使土体在盾壳未支护下已先变形，这与盾构法施工的实际情况差别很大。因为盾构施工过程中，盾壳的推进（支护）与盾壳所在位置土体的破坏是同时完成的，土体的开挖是在盾壳的保护下进行的，这样，土体的变形和应力状态与实际受力状况有很大差别。因此，为了很好的模拟盾壳的支护作用，本文提出在盾壳所在土体单元上生成一层与土体单元材料不同的重叠单元。模拟过程中，先杀死材料为钢材（盾壳）的重叠单元，然后在后续荷载步计算过程中再杀死盾壳所在层的土体单元，同时激活相应位置的盾壳单元，并改变材料特性为盾壳材料。这样在此荷载步中，在盾壳支护下进行的土体开挖计算更符合实际受力过程。
    3 计算结果分析
    以往的工程计算表明，对于垂直交叉隧道问题，新隧道影响既有隧道的范围一般从距离为 8 m左右开始影响比较大，即新隧道工作平面距离既有隧道的轴线为 8 m 将既有隧道自身受影响分析取 7个截面，每个截面相隔为 4 m，所取截面 1 位于两隧道垂直交叉的正上方，沿左右方向每 4 m，分别取 3 个截面，即主要分析既有隧道的受影响距离为24 m。
    3.1 1 号截面随盾构开挖产生的位移和应力分析
    由于 1 号截面恰好位于新建盾构隧道轴线的正上方，即最危险的截面，整个开挖过程中的既有隧道衬砌的最大位移和主应力随开挖推进的变化见图2。以下仅给出盾构机工作平面上作用的最大推进力 P=1 MPa 时的结果。图 2、图 3 分别为既有隧道衬砌最大位移、最大水平位移与推进步数关系。从图 2 可以看出，整个开挖过程既有隧道衬砌竖向发生了向上的隆起，这主要受盾构工作平面所施加的推进力有关，因此施工时需要严格控制盾构机的施工参数。另外，左右隧道衬砌的最大竖向位移相差 1.5 mm 左右，不是发生在同一开挖步内，左侧既有隧道衬砌的最大竖向位移要大于右侧既有隧道衬砌的位移，这是由于在同一推进力作用下左右两侧既有隧道的受力不是对称的。

    从图 3 可以看出，左右隧道衬砌的最大水平位移相差 1.2 mm 左右，且右侧最大水平位移发生在第 21 步，即盾构工作平面推进到两隧道中间的下方，而左侧最大发生在第 25 开挖步。两隧道水平位移最大数值并不是都发生在工作平面推进到既有隧道正下方，这是由于盾构的经过时盾构机中的千斤顶反力需要一定的累积才能使得对既有隧道水平位移的影响显现出来，因此左侧既有隧道衬砌的水平位移要大于右侧既有隧道衬砌的水平位移。
    由图 4 可以看出，左右两既有隧道衬砌最大主拉应力的数值均超过了 2 MPa，且右侧衬砌最大数值大于左侧既有隧道衬砌。从第 9 开挖步开始，最大主拉应力数值突变比较大，两既有隧道衬砌最大主拉应力在此步开挖时均超过 1.5 MPa，这也与一些已经完成的工程所得结论一致，即盾构工作平面距离右侧既有隧道轴线距离 10 m 左右时，盾构机进入了对于既有隧道影响比较大的范围以内，施工过程中当盾构推进到此范围时应严格进行监测，并且实时调整盾构机的参数。从图 4 和图 5 中还可以看出，既有隧道衬砌最大主拉应力和主压应力数值与盾构工作平面距离既有隧道的距离有很大的关系。当盾构工作平面距离既有隧道 9 m 左右时影响凸现出来。
    3.2 既有隧道受新盾构隧道开挖产生的影响范围
    通过既有右侧隧道受新盾构开挖影响产生的竖向和水平向位移的范围可以分析既有隧道受新盾构隧道开挖产生的影响范围。从图 6 和图 7（图中箭头方向表示盾构推进步数的增加）可以看出，随着新建盾构隧道的盾构机向既有隧道推进，既有隧道的变形与盾构隧道推进方向一致。在推进力 P =1 MPa 时，右侧既有隧道衬砌水平位移在第 21 开挖步时水平位移达到最大为-7.828 mm。另外，在第 17 开挖步时竖向隆起达到最大，数值为 3.294mm，当盾构通过时水平位移和竖向位移均相对于盾构推进方向回落。从水平和竖向位移两者来综合分析可以看出，既有右侧隧道受开挖所影响的范围在 50 m 左右，即在此范围内右侧既有隧道衬砌的水平位移和竖向位移均超过了 1 mm。计算分析还发现，左侧既有隧道衬砌的竖向和水平位移变化规律与右侧既有隧道衬砌变化基本一致。不同的是，左侧既有隧道衬砌的竖向和水平位移均比右侧大，这主要由于受盾构开挖推进的不对称影响，导致两隧道在开挖过程中受力不对称，故最后变形幅度不同。

原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/8938.htm