大坡度小半徑地鐵盾構(gòu)管片的受力性狀分析

張曜輝

摘要：以某地鐵出入線為工程實例，對大坡度小曲率半徑區(qū)間盾構(gòu)施工模擬及管片受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：地鐵盾構(gòu)大坡度小半徑段施工，土體變型較小，管片整體受壓，且受力滿足材料抗壓能力，并針對該段盾構(gòu)施工提出建議，可供今后相似工程施工參考。

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.

關(guān)鍵詞：大坡度;小半徑;盾構(gòu)管片;數(shù)值模擬

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

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0160-02

0? 引言

盾構(gòu)技術(shù)作為地鐵隧道施工中一重要技術(shù)，在國內(nèi)外地鐵工程廣為應(yīng)用。由于地鐵線路規(guī)劃設(shè)計，出現(xiàn)越來越多大坡度小半徑區(qū)間。根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范GB50157-2013，出入線的最大坡度宜采用40‰，而本文所涉及出入線實例中，最大坡度已達(dá)到32.266%，且規(guī)范要求針對目前所采用B型車，出入線最小曲率半徑為200m，本文涉及最小曲率已達(dá)到半徑250m。

大坡度、小半徑地鐵隧道施工給施工技術(shù)人員帶來的挑戰(zhàn)是要克服盾構(gòu)機(jī)上浮、盾構(gòu)掘進(jìn)不斷糾偏、管片受力不均造成錯臺或破損等難題[2]。本文通過對實際工程中大坡度、小半徑盾構(gòu)隧道中管片的受力情況進(jìn)行模擬分析，為今后相似工程提供參考。

1? 工程概況及工程地質(zhì)

本文所涉及出入場線為右線總長1430.2m，左線總長1400.71m，其中河西北路站至線路中間盾構(gòu)井段采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)區(qū)間左線長1034.828m，右線長1065.176m，中間盾構(gòu)井至U槽段采用明挖法施工（位置見圖1）。盾構(gòu)區(qū)間設(shè)置3處平曲線，曲線半徑分別為800m、300m、250m，線間距13m。線路縱坡設(shè)計為2個坡度，最大坡度為32.266‰，最小坡度4‰，隧道頂最小埋深約5.5m、最大埋深12.5m。

盾構(gòu)方案為：2臺土壓平衡型盾構(gòu)機(jī)從盾構(gòu)井南端頭井始發(fā)，向河西北路站掘進(jìn)。

2? 盾構(gòu)始發(fā)階段反力架受力分析

2.1 材料參數(shù)及有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX有限元軟件，建立地層模型，土層深度32.5m，前后長度36m，左右寬45m。設(shè)置土層材料模型為Mohr Coulomb，管片為彈性材料。添加地層及盾構(gòu)管片參數(shù)，設(shè)置約束及荷載，進(jìn)行計算，提取反力架局部最大應(yīng)力，并探索可能造成破壞的部位。

施工范圍內(nèi)主要地層土體物理力學(xué)參數(shù)如表1。

盾構(gòu)管片要力學(xué)參數(shù)如表2。

2.2 大坡度小半徑盾構(gòu)施工模擬

設(shè)置盾構(gòu)區(qū)間曲線半徑為250m，坡度為33‰，賦予開挖面160kN掘進(jìn)力。該段曲線隧道共設(shè)置22環(huán)，設(shè)置開挖至第13環(huán)，計算其土體及管片應(yīng)力應(yīng)變情況，見圖2和3所示。

模擬計算求得以下結(jié)果：

①以該工程實例為背景的典型大坡度小半徑地鐵盾構(gòu)施工階段，盾構(gòu)隧道周邊土體位移量較小，隧道入口處底面位移量最大，顯示為24.5mm，土體變形可控。

②管片整體顯示向上浮動，且有較小側(cè)向位移。管片位移最大為24.42mm，應(yīng)通過提高同步注漿早期強(qiáng)度等措施預(yù)防及控制位移[2]。

③管片受力特征表現(xiàn)為整體受壓，轉(zhuǎn)彎曲線外側(cè)受較小拉力;曲線周面下方管片受壓力最大，且mises應(yīng)力最大值為9.79×103kN/m2。管片所采用C50等級混凝土，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.5kN/m2，滿足管片受壓要求。隧道轉(zhuǎn)彎部位外緣受力較大，在設(shè)計中應(yīng)予以加強(qiáng)，并在施工過程中采取對稱注漿，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。管片應(yīng)變顯示在開挖面最大，最大值為約7.6mm，需確保管片質(zhì)量達(dá)標(biāo)并及時同步注漿，以防管片變形過大。

3? 預(yù)控措施

根據(jù)現(xiàn)有研究成果[3-6]，針對大坡度小半徑盾構(gòu)施工可能出現(xiàn)的問題，提出以下措施：①及時量測，檢查管片拼接質(zhì)量及錯臺情況。當(dāng)管片的環(huán)面與盾構(gòu)推進(jìn)方向存在夾角時，其合力作用方向部位的管片容易錯臺破碎，及時修補(bǔ)破碎管片并及時二次注漿，以防管片破損情況加大。②盾構(gòu)機(jī)及時糾偏，隧道轉(zhuǎn)彎處加強(qiáng)測量工作，并盡量勤糾偏，小糾偏，使管片外弧與盾尾內(nèi)壁間的距離沿環(huán)向分布均勻，同步注漿均勻，確保上部管片（尤其是封頂塊、封頂塊與鄰接塊接縫處）與盾構(gòu)機(jī)內(nèi)殼間隙均勻，盾構(gòu)推進(jìn)過程中，減少管片受壓破損情況。③針對管片上浮情況，有以下幾點產(chǎn)生原因：泥水浮力、漿液浮力、注漿壓力、泥漿后竄、卸載回彈、盾尾間隙和上覆土的反向壓縮等。通過提高早期抗剪強(qiáng)度，降低粉煤灰和增加黃砂含量來適當(dāng)降低漿液的塌落度、稠度值及流動性以及增加膨潤土的含量來降低漿液的泌水率;增加縱向螺栓預(yù)應(yīng)力，提高管片環(huán)縫的摩擦系數(shù);上浮嚴(yán)重區(qū)適量堆載;采用預(yù)偏設(shè)計，設(shè)置合理的預(yù)偏值，使隧道的線形盡量和設(shè)計軸線精確擬合。④盾構(gòu)運行軌跡應(yīng)保持平順，管片拼裝嚴(yán)格控制管片拼裝的垂直度、圓整度、擰緊螺栓的扭矩和蛇行時楔形管片的拼裝位置，在整圓器支撐剛拼好的管片的同時，采用同步注漿及時固定管片的位置，以防管片拼裝不合理導(dǎo)致受力變形。

4? 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，對大坡度小半徑地鐵盾構(gòu)施工進(jìn)行有限元模擬，計算得知該特殊部位施工中，土層及管片的受力及變形情況，得出以下結(jié)論：①對大坡度小曲率半徑區(qū)間盾構(gòu)施工模擬及管片受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：地鐵盾構(gòu)大坡度小半徑段施工，土體變型較小，管片整體出現(xiàn)上浮;②管片整體受壓，且受力滿足材料抗壓能力;隧道轉(zhuǎn)彎處外側(cè)受較小拉力;③針對管片錯臺破損、上浮、變形提出預(yù)控措施，為今后類似工程提出建議。

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