曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析.pdf

铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）861 引言随着城市地下空间开发建设，地下空间利用率不断提升，建构筑物、轨道交通的规划发展，导致新建地下隧道选线设计变得非常复杂，隧道线路需避开既有建构筑物桩基、既有隧道等，因此不可避免的需要采用小半径曲线的方式来规避既有影响。目前国内外对于小半径曲线隧道的研究比较多，主要集中在掘进过程研究、管片破损机理及地表变形影响方面研究。安斌等1、郑恒良2研究总结了曲线半径、推力、盾构始发方式对隧道掘进的影响；杨圆等3分析了主动铰接在小半径曲线隧道中的掘进控制技术；李强4、陈攀5等通过三维有限元分析了曲线掘进过程地表沉降变化规律及对既有建构筑物的影响；赵翌川6采用有限元三维分析了小半径曲线盾构施工过程中的地层扰动规律；刘港7对施工及运营阶段曲线段的隧道衬砌变形及内力进行分析研究；张冬梅等8通过理论分析了直线段隧道纵向变形引起的隧道断面整体横向效应；江杰等9、邓皇适等10通过理论研究计算分析了盾构开挖对既有隧道沉降及地面沉降的影响。目前已有的研究仅针对单一地层条件下曲线段的隧道变形及受力研究或者直线段隧道变形及受力分析，缺乏对不同地层曲线隧道系统性的地层变形规律分析。为了探究小半径曲线隧道顶进过程中地层变形规律，利用有限元软件 ABAQUS，建立直线和曲线隧道三维数值模型，采用地层结构模型，同时考虑管片和地层之间的相互作用，分析不同地层条件下的地层变形情况及地面沉降的影响。2 数值计算模型及参数2.1 工程概况及计算模型基于既有工程提供的隧道资料，盾构隧道管片外径为 3.54m，内径为 3.21m，厚度为 165mm，管片环宽度为 1.2m，隧道衬砌环采用 C50 混凝土。除直线段隧道外，小半径曲线段隧道转弯半径按照25D考虑，即隧道转弯半径为 90m。利用 Abaqus 有限元软件建立隧道-地层相互作曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析李 燚（中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院 武汉 430063）【摘 要】为了探究小半径曲线盾构隧道顶进过程地表沉降的规律，对隧道结构施工过程进行数值分析，通过有限元软件分别建立直线和曲线隧道模型分析不同地层条件隧道地表沉降。研究结果显示，直线和曲线隧道在顶进力作用下地表沉降的规律不同，直线段沉降差值大致关于隧道轴线对称，而曲线段外侧有向上隆起趋势，内侧有向下沉陷趋势。研究结果对于今后小半径曲线的研究和施工有指导意义。【关键词】小半径曲线隧道 盾构顶进 地层沉降 数值分析Numerical Analysis on Surface Subsidence during Tunnelling Process of Curved Shield TunnelLI Yi(China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd Wuhan 430063)【Abstract】In order to explore the law of surface subsidence during tunnelling process of small radius curved shield tunnel,numerical analysis is carried out for the tunnelling process of shield tunnel.The numerical analysis models of straight and curved shield tunnel are established to analyze the surface subsidence of tunnels under different stratum conditions The results show that:the rules of surface subsidence of straight and curved tunnels are different during tunnelling process.The difference of subsidence of straight section is approximately symmetrical about the tunnel axis,while the outer side of curved section has upward uplift trend and the inner side has downward subsidence trend.The research results are instructive for the research and construction of small radius curved shield tunnel in the future.【Keywords】small radius curved shield tunnel;shield tunnelling;surface subsidence;numerical analysis曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析 李 燚872023 No.4用模型，如图 1 所示。为了探究曲线隧道在不同地层中掘进引起的地层变形规律，隧道穿越范围内考虑简化为均质地层，不考虑地层变化。为了得到不同地层及不同埋深条件下的隧道地表变形变化规律，分别建立埋深 30m、50m 及 70m 下的不同地层数值分析模型，计算过程考虑模型适当外扩来消除边界效应影响。2.2 材料本构模型及参数由于本次研究数值计算主要考虑直线与曲线段地层变形的影响，不考虑超限情况下的管片受力及破坏机理，因此采用简化的线弹性模型来模拟混凝土管片。根据相关资料及既有经验，为了更好地反应地层变形情况，黏土地层采用线性 Drucker Prager 模型；砂土和圆砾地层采用 Mohr-Coulomb 模型。结合勘察报告提供的相关地层参数，结合模型本构关系参数之间的关系，整理出各构件及地层材料参数，用于数值模拟中材料属性的定义，如表 1 所示。表 1 有限元分析材料参数材料重度（kN/m3）模量（MPa）泊松比粘聚力（kPa）摩擦角（）剪胀角（）摩擦系数（与管片之间）混凝土2434.51030.2砂土1913.150.351.831150.35黏土19.910.450.4851.321.50（0.1）0.4圆砾25180.250（1）310（0.1）0.6图 1 直线及曲线隧道数值计算模型2.3 盾构施工过程模拟盾构隧道施工过程主要包括盾构掘进、盾尾注浆、衬砌环拼装等，盾构隧道曲线段主要靠调整千斤顶顶力来调整盾构隧道的转弯，同时掘进过程中会进行超挖保证正常转弯，超挖会造地层损失引起地面沉降，通过盾尾注浆的方式来控制地表沉降。因此为了分析曲线段与直线段隧道掘进地表沉降的影响，曲线段掘进时考虑施加不均匀顶进力以及注浆荷压力，直线段掘进时仅考虑注浆压力。数值模拟过程只要分为以下几个步骤：（1）初始应力场平衡地应力平衡是为了使数值模型获得一个存在初始应力而无初始应变的状态，在开挖计算之前，需要预加初始地应力场，从而获得较精确的没有受到人为因素干扰情况下的数值模型的初始状态。（2）盾构开挖的模拟通过 ABAQUS 软件中提供的单元生死功能，可以实现对待开挖土体部分单元的移除和对衬砌单元的添加，不考虑管片拼装过程；通过模量折减分析步等效模拟超挖部分的地层损失和注浆引起的扰动；通过ABAQUS 中的接触和摩擦属性实现注浆过程和管片与周围岩土体的相互作用。接触面采用面对面离散方法，接触面之间的相互作用包含两个部分：法向作用和切向作用。法向作用采用“硬接触”，即两物体只有在压紧状态是才能传递法向应力，在两物体之间存在空隙时不传递法向应力，限制了可能存在的网格节点穿透现象，如图 2 所示。切向作用采用 Coulomb 摩擦模型描述接触面的摩擦特性，通过摩擦系数表征接触面间的摩擦作用，当接触面处于闭合状态（即有法向接触压力 p）时，接触面可以传递切向应力或摩擦力。若摩擦力小于某一极限值时，ABAQUS 认为接触面处于粘结状态；若摩擦力大于极限值之后，接触面开始出现相对滑动变形，即滑移状态。并且引入“弹性滑移变形”的概念，即表面粘结在一起时允许发生少量相对滑移变形。ABAQUS 会根据接触面上单元的长度确定弹性滑移变形，选择罚摩擦计算，如图 3 所示。图 2 硬接触模型 图 3 切向弹性滑移变形铁道勘测与设计 RAILWAY SURVEY AND DESIGN 2023（4）883 数值计算结果和分析为了反映顶进力作用引起的地表沉降变化情况，提取隧道剖切面的地面沉降数值。根据提取的沉降数据进行分析，决定以顶进力施加前后的地表位移差值作为分析指标，对不同地层条件、不同隧道埋深的隧道地表沉降差值规律进行分析总结。不同地层地表沉降差值变化曲线如图 4 图 9 所示。根据数值分析结果，主要得到以下结论：随着埋深逐渐增加，沉降值及沉降差值均减小；在施加顶进力及注浆压力作用及时的前提下，可以有效的控制地表沉降；直线隧道中，施加水平荷载引起的地表沉降差值大致关于隧道中线对称；曲线隧道中，施加水平荷载引起的地表外侧向上隆起，内侧向下沉降。图 4 黏土地层直线隧道沉降差值曲线图 5 黏土地层曲线隧道沉降差值曲线图 6 砂土地层直线隧道沉降差值曲线图 7 砂土地层曲线隧道沉降差值曲线图 8 圆砾地层直线隧道沉降差值曲线图 9 圆砾地层曲线隧道沉降差值曲线4 结论根据同精度数值计算分析结果显示，不同地层中，沉降差值的规律基本一致，沉降随着埋深逐渐减小。直线段沉降差值大致沿隧道轴线轴对称，曲线段沉降差值大致沿隧道轴线反对称。根据分析结果，盾构隧道在曲线段进行开挖的过程中，为了更好的控制地表沉降，在内外侧均进行超挖的基础上，曲线段内外侧由于不均匀千斤顶力存在，需要调整注浆压力，曲线段内侧适当提高注浆压力，曲线段外侧适当降低注浆压力，来保证曲线段内外侧沉降差值基本一致。曲线盾构隧道顶进过程地表沉降数值分析 李 燚892023 No.4同时为了更好的控制，需要结合掘进过程各监测指标进行动态调整。此外，本文分析模型简化了盾构掘进过程的数值模拟，后续研究需要精细化考虑超挖及注浆压力不均匀施加过程，保证数值计算结果与实际掘进过程一致。本文通过数值分析，对曲线盾构隧道掘进过程中由于千斤顶顶力不均导致的地表沉降差异规律进行研究，研究结果对相关工程及后续研究具有一定的借鉴意义。参考文献1 安斌,刘学霸,杨春勃,等.水砂层土压平衡盾构小半径曲线始发掘进参数控制研究 J.隧道建设(中英文),2020,40(S2):289-296.2 郑恒良.小半径曲线隧道盾构始发方式对轴线偏移的影响规律 J.水利水电技术(中英文),2022,53(9):123-131.3 杨圆,王春松.主动铰接盾构在连续小半径曲线中风化泥岩的掘进控制技术 J.隧道建设(中英文),2017,37(S1):189-193.4 李强,曾德顺.盾构千斤顶推力变化对地面变形的影响 J.地下空间,2002,22(1):12-15.5 陈攀,刘臻煌,谷云秋,等.小半径曲线隧道盾构近距下穿既有建筑物影响研究 J.公路交通技术,2022,38(4):120-127.6 赵翌川,颜建平,张晨光,等.小半径曲线盾构隧道施工的地层扰动规律研究 .现代隧道技术,2022,59(s1):243-250.7刘港.小转弯半径盾构隧道的施工变形规律研究J.建筑技术开发,2015,42(8):66-72.8 张冬梅,黄栩,黄宏伟.盾构隧道纵向变形引起的横向效应 J.同济大学学报(自然科学版),2015,43(2):205-272.9 江杰,龙逸航,欧孝夺,等.新建曲线地铁盾构隧道下穿施工引起的既有隧道沉降分析 J.工程科学与技术,2023,55(1):313-323.10 邓皇适,傅鹤林,史越.小转弯半径曲线盾构隧道开挖引发地表沉降计算 J.岩土工程学报,2021,43(1):165-173.收稿日期：2023-2-94 小结本文根据中外两处典型案例研究，总结出以下边境地区的城市设计指导原则：（1）文化方面在处理城市边界问题时，城市设计师首先要考虑双方的文化差异和融合。例如：在整合边界两侧城市空间时需考虑独特的城市意象，不同文化背景下建筑风格的差异也要考虑。此外，设计师应积极探索文化共同点，并利用它来唤起城市的文化认同。（2）社会方面边界的形成大多是由于社会群体的碎片 化引起，碎片化表现为交流活动受阻，跨境人员往来减少。边境城市设计需要提供更多促进人员交流的机会；例如，可以采取措施创造更多的共享公共使用空间和设施，发展互补产业。此外，我们还需要熟悉双边人口结构与跨境行为之间的关系，设计师可以为不同的特定人群做出有针对性的设计元素。（3）经济方面边境地区往往是重要的经济活动场所。城市设计应评估地区的经济状况和土地价值，然后进行合理的规划设计。在考虑土地利用规划和产业布局时，设计者应预测可能的经济活动，为其提供空间和设施便利。研究发现，交通拥堵是阻碍边境地区经济活动的重要因素。因此，在未来处理边界改造规划时，宜优先解决交通瓶颈问题，这是促进经济交流的重要策略。参考文献1 吴寅姗,刘云刚,周雯婷.边界管控中的跨境社会建构:深圳中英街的案例 J.地理科学,2019,39(07):1072-1081.DOI:10.13249/ki.sgs.2019.07.005.2 吴唯佳.“跨越柏林墙 2010 年前的柏林城市建设.”世界建筑 10(1999):18-23.3 李小甘,夏媛.延续历史 重整风貌中英街沿街建筑改造设计简介 J.中外建筑,2005(05):5-6.4弗朗西斯卡戈韦纳,奇亚拉亚科沃内,赵建彤.走向新城柏林墙拆除后柏林的城市战略和设计模式 J.城市设计,2017(04):28-41.5Kowarik,Ingo.“The“Green Belt Berlin”:Establishing a greenway where the Berlin Wall once stood by integrating ecological,social and cultural approaches.”Landscape and Urban Planning 184(2019):12-22.收稿日期：2023-5-15（上接第 74 页）