曾志華1 梁金平1 陳紹友2 魏恒2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2 .中國石油管道局工程有限公司亞太分公司

 

摘要：軟土地層的連續小曲率半徑盾構隧道施工過程中，盾構機施工參數對隧道特性的影響至關重要，可為施工期間采取合理的地表隆沉控制措施及轉彎段施工措施提供重要參考。研究了掘進荷載和千斤頂推進荷載兩個施工參數對小曲率半徑連續曲線盾構隧道特性的影響。研究結果表明，隨著盾構掘進荷載的增大，地表的隆起明顯增大，隧道兩側土體位移呈現先減小后增大的趨勢。盾構機掘進荷載為45 kN/m2時對周邊土體的擾動效應最小；千斤頂推進荷載不超過212 kN/m時，其對隧道兩側土體的側向變形幾乎沒有影響。研究結果為進一步優化施工參數及確定施工控制措施提供了理論依據。

關鍵詞：連續小曲率半徑；盾構掘進；施工參數；管片受力；地表隆沉

 

斯里蘭卡城市排水盾構工程位于首都科倫坡，隧道內徑3 m、長778 m，采用“連續小曲率S曲線+直線”平面總體布置。盾構機通過連續小曲率實現了轉彎半徑分別為140 m和441 m的連續轉彎，穿越地層為砂質黏土（膨脹性土層）和強中微風化的片麻巖，巖石最大單軸抗壓強度140 MPa。

據調研，國內外小曲率盾構的應用越來越廣泛[1-4]，以施工方法和技術[5]、施工擾動[6-8]等研究為主，但對掘進荷載、千斤頂推進荷載等施工參數的研究不多。本文基于數值分析法，對連續小曲率S曲線盾構隧道建立三維有限元數值模型，采用三維有限元模擬軟件GTS NX精細模擬了盾構施工全過程，對掘進荷載、千斤頂推進荷載等施工參數對小曲率半徑連續曲線盾構隧道特性的影響進行敏感性分析，為進一步優化各項施工參數與確定施工控制措施提供理論依據。

1  盾構掘進模型建立

1.1  模型建立

根據實際工程情況，以1∶1建立幾何仿真模型（圖 1、圖 2），共118 061個單元。結合工程地質資料，本數值仿真模型中的地層簡化為一層砂質黏土。

圖 2 三維有限元連續曲率盾構隧道模型

為確保管片曲率可實現彎曲半徑小于100 m，本數值仿真模型中隧道彎曲半徑為80 m，設計“S”型連續小曲率彎曲隧道路線。

本模型土體材料采用莫爾－庫倫彈塑性非線性模型，土體參數參照斯里蘭卡新姆圖瓦隧道工程地質資料。假定盾構外殼、襯砌管片和注漿體為彈性材料。模型材料參數如表 1所示。

表 1 三維有限元數值模型材料參數

1.2  荷載模擬

（1）初始地應力的模擬。初始地應力是指隧道施工前土體初始應力場，不考慮變形。

（2）盾構施工荷載的模擬。①掌子面掘進荷載：盾構隧道設置垂直于擬開挖掌子面的法向均布荷載。掌子面上掘進荷載為45 kN/m2；②千斤頂推進荷載：支撐在襯砌上的液壓千斤頂推力是盾構推進的驅動力，本模型取千斤頂總壓力為200 kN，均布在管片上等效為212 kN/m（線荷載）；③注漿壓力荷載：注漿壓力荷載是使漿液同步注入盾尾空隙，本模型取注漿壓力荷載為0.2 MPa。

1.3  邊界條件

隧道施工模型考慮沿隧道軸向建模，邊界條件分為兩個部分：一是荷載條件，設置為整體模型的重力荷載及20 kN/m2的地表均布施工荷載；二是位移邊界條件，模型底部為固定邊界，底邊為自由邊界。

1.4  施工階段模擬

在進行施工階段模擬時，數值模型隧道段總長約84 m，模擬盾構每次掘進1 m，共84次掘進，考慮初始地應力階段及盾殼出洞，共包括87個施工階段。

2  掘進荷載對盾構隧道特性的影響

2.1  對盾構管片受力的影響

選取盾構機掘進荷載為10 kN/m2、45 kN/m2、100 kN/m2及200 kN/m2條件下的連續小曲率盾構隧道掘進過程數值模擬結果進行分析。

（1）對盾構管片軸力的影響分析結果。掘進荷載的變化并不能決定盾構管片內軸力的分布規律，但其能影響軸力的大小。其中逆掘進方向的軸力分布在管片大部分區域，有利于管片之間的相互擠壓，保證隧道管片的穩定性和密封性；沿掘進方向的軸力主要分布在管片底部，該方向的軸力可能導致管片之間存在縫隙，不利于隧道管片的密封性。隨著掘進荷載的增大，盾構管片內沿掘進方向的軸力逐漸減小，而其反方向的軸力逐漸增大。這表明，掘進荷載的增大將有利于盾構管片的穩定性及盾構隧道的密封性。

（2）對盾構管片彎矩的影響分析。相對于管片軸力，盾構掘進荷載對管片彎矩分布的影響很小。隨著盾構掘進荷載的增大，管片內的彎矩呈現逐漸減小的趨勢，但其減小程度很微弱。

2.2  對地表豎向位移的影響

盾構隧道正上方土體豎向位移主要表現為隆起。隨著掘進荷載的增大，地表的隆起呈現明顯增大的趨勢，不利于地面構筑物的結構安全（圖 3）。

2.3  對隧道兩側土體側向位移的影響

盾構掘進荷載對隧道兩側土體側向位移的影響很大。隨著盾構掘進荷載的增大，隧道兩側土體側向位移呈現先減小后增大的趨勢。4種工況條件下，掘進荷載為45 kN/m2時對周邊土體的擾動效應最小（圖 4）。

圖 4 不同掘進荷載下土體側向位移分布云圖

3  千斤頂推進荷載對盾構隧道特性的影響

3.1  對盾構管片受力狀態的影響

分別選取盾構機千斤頂推進荷載為50 kN/m、100 kN/m、212 kN/m及500 kN/m條件下，開展連續小曲率盾構隧道掘進過程的數值模擬。

（1）對盾構管片軸力的影響分析。掘進荷載的變化并不能決定盾構管片內軸力的分布規律，但其能影響軸力的大小。盾構千斤頂推進荷載對盾構管片內的軸力影響與盾構掘進荷載相似，荷載增大將有利于盾構管片的穩定性及盾構隧道的密封性。

（2）對盾構管片彎矩的影響分析。隨著盾構千斤頂推進荷載的增大，管片內的彎矩呈現逐漸增大的趨勢，但其增大程度很微弱。

3.2  對地表豎向位移的影響

盾構千斤頂推進荷載對盾構掘進過程中地表豎向位移幾乎沒有影響（圖 5）。

圖 5 不同千斤頂推進荷載下地表豎向位移分布云圖

3.3  對隧道兩側土體側向位移的影響

盾構千斤頂推進荷載對隧道兩側土體側向位移的影響呈階段性。當其不超過212 kN/m時，對隧道兩側土體的側向變形幾乎沒有影響；當其過大時，將會造成隧道兩側土體的劇烈擾動，不利于盾構隧道的施工（圖 6）。

4  結論

（1）掘進荷載及千斤頂推進荷載的增大，對管片內的彎矩的影響程度都很微弱，但一定程度上有利于盾構管片的穩定性及盾構隧道的密封性。

（2）掘進荷載的增大，隧道兩側土體側向位移呈現先減小后增大的趨勢。當掘進荷載為45 kN/m2時對周邊土體的擾動效應最小。

（3）千斤頂推進荷載對盾構掘進過程中地表豎向位移幾乎沒有影響。當千斤頂推進荷載不超過212 kN/m時，其對隧道兩側土體的側向變形幾乎沒有影響；當千斤頂推進荷載過大時，將會造成隧道兩側土體的劇烈擾動，不利于盾構隧道的施工。

實際隧道施工過程驗證了參數分析結果的合理性。在軟土地層實際掘進荷載在35 kN/m2～42 kN/m2，千斤頂推進荷載在50 kN/m～100 kN/m，地面局部最大隆起量11 mm，局部最大沉降量7 mm，隧道于2020年8月竣工（圖 7）。

 

參考文獻：

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[3]路林海，孫捷城，周國鋒，譚生永，劉浩,李罡.黏性土地層曲線盾構施工地表沉降預測研究[J].鐵道工程學報，2018，35(05)：99-105.

[4]曹會清，寇寶慶，冉洽聞，陳鵬坤，冉濰宇.小斷面盾構隧道內大口徑管道曲線敷設技術[J].油氣儲運，2021，40(04)：451-455.

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[7]潘泓，蘇文淵，國林，等. 小曲率半徑轉彎隧道盾構施工擾動實測分析[J]. 巖石力學與工程學報，2017，36(4)：1024-1031.

 

作者簡介：曾志華，1979年生，碩士研究生，高級工程師，畢業于中國石油大學（北京）工程力學專業，目前主要從事油氣管道穿跨越工程的設計、咨詢和研究工作。聯系方式：0316-2073661，zengzhihua@cnpc.com.cn。