曾志华1 梁金平1 陈绍友2 魏恒2

1.中国石油天然气管道工程有限公司；2 .中国石油管道局工程有限公司亚太分公司

 

摘要：软土地层的连续小曲率半径盾构隧道施工过程中，盾构机施工参数对隧道特性的影响至关重要，可为施工期间采取合理的地表隆沉控制措施及转弯段施工措施提供重要参考。研究了掘进荷载和千斤顶推进荷载两个施工参数对小曲率半径连续曲线盾构隧道特性的影响。研究结果表明，随着盾构掘进荷载的增大，地表的隆起明显增大，隧道两侧土体位移呈现先减小后增大的趋势。盾构机掘进荷载为45 kN/m2时对周边土体的扰动效应最小；千斤顶推进荷载不超过212 kN/m时，其对隧道两侧土体的侧向变形几乎没有影响。研究结果为进一步优化施工参数及确定施工控制措施提供了理论依据。

关键词：连续小曲率半径；盾构掘进；施工参数；管片受力；地表隆沉

 

斯里兰卡城市排水盾构工程位于首都科伦坡，隧道内径3 m、长778 m，采用“连续小曲率S曲线+直线”平面总体布置。盾构机通过连续小曲率实现了转弯半径分别为140 m和441 m的连续转弯，穿越地层为砂质黏土（膨胀性土层）和强中微风化的片麻岩，岩石最大单轴抗压强度140 MPa。

据调研，国内外小曲率盾构的应用越来越广泛[1-4]，以施工方法和技术[5]、施工扰动[6-8]等研究为主，但对掘进荷载、千斤顶推进荷载等施工参数的研究不多。本文基于数值分析法，对连续小曲率S曲线盾构隧道建立三维有限元数值模型，采用三维有限元模拟软件GTS NX精细模拟了盾构施工全过程，对掘进荷载、千斤顶推进荷载等施工参数对小曲率半径连续曲线盾构隧道特性的影响进行敏感性分析，为进一步优化各项施工参数与确定施工控制措施提供理论依据。

1  盾构掘进模型建立

1.1  模型建立

根据实际工程情况，以1∶1建立几何仿真模型（图 1、图 2），共118 061个单元。结合工程地质资料，本数值仿真模型中的地层简化为一层砂质黏土。

图 2 三维有限元连续曲率盾构隧道模型

为确保管片曲率可实现弯曲半径小于100 m，本数值仿真模型中隧道弯曲半径为80 m，设计“S”型连续小曲率弯曲隧道路线。

本模型土体材料采用莫尔－库伦弹塑性非线性模型，土体参数参照斯里兰卡新姆图瓦隧道工程地质资料。假定盾构外壳、衬砌管片和注浆体为弹性材料。模型材料参数如表 1所示。

表 1 三维有限元数值模型材料参数

1.2  荷载模拟

（1）初始地应力的模拟。初始地应力是指隧道施工前土体初始应力场，不考虑变形。

（2）盾构施工荷载的模拟。①掌子面掘进荷载：盾构隧道设置垂直于拟开挖掌子面的法向均布荷载。掌子面上掘进荷载为45 kN/m2；②千斤顶推进荷载：支撑在衬砌上的液压千斤顶推力是盾构推进的驱动力，本模型取千斤顶总压力为200 kN，均布在管片上等效为212 kN/m（线荷载）；③注浆压力荷载：注浆压力荷载是使浆液同步注入盾尾空隙，本模型取注浆压力荷载为0.2 MPa。

1.3  边界条件

隧道施工模型考虑沿隧道轴向建模，边界条件分为两个部分：一是荷载条件，设置为整体模型的重力荷载及20 kN/m2的地表均布施工荷载；二是位移边界条件，模型底部为固定边界，底边为自由边界。

1.4  施工阶段模拟

在进行施工阶段模拟时，数值模型隧道段总长约84 m，模拟盾构每次掘进1 m，共84次掘进，考虑初始地应力阶段及盾壳出洞，共包括87个施工阶段。

2  掘进荷载对盾构隧道特性的影响

2.1  对盾构管片受力的影响

选取盾构机掘进荷载为10 kN/m2、45 kN/m2、100 kN/m2及200 kN/m2条件下的连续小曲率盾构隧道掘进过程数值模拟结果进行分析。

（1）对盾构管片轴力的影响分析结果。掘进荷载的变化并不能决定盾构管片内轴力的分布规律，但其能影响轴力的大小。其中逆掘进方向的轴力分布在管片大部分区域，有利于管片之间的相互挤压，保证隧道管片的稳定性和密封性；沿掘进方向的轴力主要分布在管片底部，该方向的轴力可能导致管片之间存在缝隙，不利于隧道管片的密封性。随着掘进荷载的增大，盾构管片内沿掘进方向的轴力逐渐减小，而其反方向的轴力逐渐增大。这表明，掘进荷载的增大将有利于盾构管片的稳定性及盾构隧道的密封性。

（2）对盾构管片弯矩的影响分析。相对于管片轴力，盾构掘进荷载对管片弯矩分布的影响很小。随着盾构掘进荷载的增大，管片内的弯矩呈现逐渐减小的趋势，但其减小程度很微弱。

2.2  对地表竖向位移的影响

盾构隧道正上方土体竖向位移主要表现为隆起。随着掘进荷载的增大，地表的隆起呈现明显增大的趋势，不利于地面构筑物的结构安全（图 3）。

2.3  对隧道两侧土体侧向位移的影响

盾构掘进荷载对隧道两侧土体侧向位移的影响很大。随着盾构掘进荷载的增大，隧道两侧土体侧向位移呈现先减小后增大的趋势。4种工况条件下，掘进荷载为45 kN/m2时对周边土体的扰动效应最小（图 4）。

图 4 不同掘进荷载下土体侧向位移分布云图

3  千斤顶推进荷载对盾构隧道特性的影响

3.1  对盾构管片受力状态的影响

分别选取盾构机千斤顶推进荷载为50 kN/m、100 kN/m、212 kN/m及500 kN/m条件下，开展连续小曲率盾构隧道掘进过程的数值模拟。

（1）对盾构管片轴力的影响分析。掘进荷载的变化并不能决定盾构管片内轴力的分布规律，但其能影响轴力的大小。盾构千斤顶推进荷载对盾构管片内的轴力影响与盾构掘进荷载相似，荷载增大将有利于盾构管片的稳定性及盾构隧道的密封性。

（2）对盾构管片弯矩的影响分析。随着盾构千斤顶推进荷载的增大，管片内的弯矩呈现逐渐增大的趋势，但其增大程度很微弱。

3.2  对地表竖向位移的影响

盾构千斤顶推进荷载对盾构掘进过程中地表竖向位移几乎没有影响（图 5）。

图 5 不同千斤顶推进荷载下地表竖向位移分布云图

3.3  对隧道两侧土体侧向位移的影响

盾构千斤顶推进荷载对隧道两侧土体侧向位移的影响呈阶段性。当其不超过212 kN/m时，对隧道两侧土体的侧向变形几乎没有影响；当其过大时，将会造成隧道两侧土体的剧烈扰动，不利于盾构隧道的施工（图 6）。

4  结论

（1）掘进荷载及千斤顶推进荷载的增大，对管片内的弯矩的影响程度都很微弱，但一定程度上有利于盾构管片的稳定性及盾构隧道的密封性。

（2）掘进荷载的增大，隧道两侧土体侧向位移呈现先减小后增大的趋势。当掘进荷载为45 kN/m2时对周边土体的扰动效应最小。

（3）千斤顶推进荷载对盾构掘进过程中地表竖向位移几乎没有影响。当千斤顶推进荷载不超过212 kN/m时，其对隧道两侧土体的侧向变形几乎没有影响；当千斤顶推进荷载过大时，将会造成隧道两侧土体的剧烈扰动，不利于盾构隧道的施工。

实际隧道施工过程验证了参数分析结果的合理性。在软土地层实际掘进荷载在35 kN/m2～42 kN/m2，千斤顶推进荷载在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（图 7）。

 

参考文献：

[1]王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J].隧道建设，2010，30(04)：351-364.

[2]何川，封坤，方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].西南交通大学学报，2015，50(01)：97-109.

[3]路林海，孙捷城，周国锋，谭生永，刘浩,李罡.黏性土地层曲线盾构施工地表沉降预测研究[J].铁道工程学报，2018，35(05)：99-105.

[4]曹会清，寇宝庆，冉洽闻，陈鹏坤，冉潍宇.小断面盾构隧道内大口径管道曲线敷设技术[J].油气储运，2021，40(04)：451-455.

[5]刘栋.石家庄市轨道交通1号线小半径曲线隧道盾构施工技术[J].隧道建设，2015，(S1)：80-84.

[6]孙捷城，路林海，王国富，周国锋，谭生永，韩帅.小半径曲线盾构隧道掘进施工地表变形计算[J].中国铁道科学，2019，40(05)：63-72.

[7]路林海，孙捷城，周国锋，谭生永，刘浩，李罡.黏性土地层曲线盾构施工地表沉降预测研究[J].铁道工程学报，2018，35(05)：99-105.

[7]潘泓，苏文渊，国林，等. 小曲率半径转弯隧道盾构施工扰动实测分析[J]. 岩石力学与工程学报，2017，36(4)：1024-1031.

 

作者简介：曾志华，1979年生，硕士研究生，高级工程师，毕业于中国石油大学（北京）工程力学专业，目前主要从事油气管道穿跨越工程的设计、咨询和研究工作。联系方式：0316-2073661，zengzhihua@cnpc.com.cn。