盾构隧道千斤顶推力对管片力学响应影响分析.docx

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1、盾构隧道千斤顶推力对管片力学响应影响分析摘要：本文以上海隧道股份有限公司承建的昆明市轨道交通2号线二期工程六甲站龚家村站盾构区间隧道为工程背景，通过MIDAS/GTS软件建立三维有限元非连续接触有限元模型，对盾构隧道推进过程中不同千斤顶推力情况下的管片力学响应进行模拟，并针对千斤顶推力相对于管片表现出的应力应变而产生的实际影响，进行科学合理的综合分析。结果显示：横向水平变形和竖直变形呈减小的趋势，轴向水平变形随着推力的增大而增大，管片的错台量减小；与此同时，由于管片环的持续推移，轴向水平方向由于负载千斤顶推力而引发的变形程度逐步降低；每环管片的最大拉应力和最大压应力均位于连接螺栓手孔处，因此可

2、以推断螺栓孔位置和错台部位易发生开裂破损现象；值得一提的是，当千斤顶推力逐步递增的过程中，管片所能达到的最大拉应力以及相应的压应力，将会首先缓慢降低，又逐渐增大，说明适宜的千斤顶推力有利于管片受力，但是推力过大会导致管片破损。经由本篇论文所获得的研究结果，将能有助于针对地铁盾构进行科学有效的施工控制。关键词：盾构隧道，千斤顶推力，衬砌管片；力学响应1 引 言现如今，城市现代化进程日益推进，各个城市当中所含的建筑物逐步趋于密集，地下管线敷设较多，在这种环境条件下采用传统矿山法和明挖、盖挖法等施工方式修建地铁往往有较大的局限性，爆破影响、施工场地有限、既有地面交通中断等多种因素都制约着传统施工方法

3、在地铁施工中的应用。盾构法施工由于其对城市周围环境影响较小、施工安全性较高、掘进速度快、对环境污染较小等优势，已在许多地铁建设项目中被采用。以云南省昆明市为例，目前已开通4条地铁线路，累计开通里程达119.5公里，直至2018年，该项目已经成功建设72公里，并且此项目所涉及的地铁隧道，均借助于盾构来进行施工。在此过程中，隧道衬砌结构实则完全通过预制管片，进行规范化拼装所得。盾构机在多个千斤顶的推力作用下对岩土体进行开挖掘进，而千斤顶推力的反力来自于已拼装完成的衬砌管片。中国学者李强等1，曾经借助于三维弹塑性有限元的作用，针对盾构表现出的推进力波动，相对于地面变形而产生的实际影响，进行科学得当的

4、细致模拟。中国学者胡长明等2，曾经以盾构机和若干管片彼此之间所存在的空间位置关系，成功构建出科学完善的计算模型，作用于计算出精准的盾尾间隙变化量。本文以1环管片为例，基于实际情况，结合当前可确定管片所含点位的前提下，成功设定“盾尾间隙允许值”，并据此针对盾构机进行的推进工作，进行科学有效的精准控制。中国学者周明军3，曾经针对盾构所含有的千斤顶推力，相对于管片自身错台而产生的实际影响，进行相对深入的细致分析。中国学者朱合华等4，曾经秉持模型试验法，针对基于土压平衡状态下，盾构在进行推进工作时，而显示出的变化规律，进行更深层次的细致研究，并据此推出相应的计算公式。中国学者石立成等5，曾经借助于三维

5、弹塑性有限元法的作用，针对盾构在进行推进工作时所涉及的管片结构，进行科学合理的模拟分析，并据此获得对应的变化规律。上述这些研究主要集中在千斤顶推力大小的确定、推力大小与地面变形的关系、以及推力引起管片错台机理等方面的研究，对于不同千斤顶推力下衬砌管片的力学响应还没有较为系统的分析研究。本篇论文，决定选择MIDAS/GTS软件三维有限元非连续接触模型，对不同千斤顶推力下的管片应力和应变进行系统地模拟分析，得到盾构推进过程中衬砌管片的施工力学响应规律，从而对地铁盾构施工控制有一定指导意义。2 工程概况本工程为云南省昆明市地铁2号线二期工程。其轨道总长高达9.144km，并累计细分为9大区间。其中涉

6、及到昆明火车站、怡园小区以及六甲村等若干站点，于福保路南端向东切入环湖东路敷设，在会展中心设换乘站，于宝丰村设终点站，其工程路线如图1所示。图1 昆明市轨道交通2号线二期工程路线图值得一提的是，本工程全程采用盾构区间隧道，其左线里程为DK21+126.317DK20+150.815（其中左DK20+900.904处设置一长链0.973），长度976.475m（813环）；右线里程为 DK21+126.317 DK20+150.815，长度975.502m（812 环）。其实际外径长达6200mm，并且内径长达5500mm。与此同时，左线旨在应用6460mm、右线旨在应用6450mm的复合土压平

7、衡盾构从龚家村站至六甲站进行推进施工。在此类隧道中，作用地层通常为粉质粘土亦或为粉土等基本类别。不仅如此，衬砌旨在选择预制钢筋混凝土管片，而联络通道以及相应主线隧道彼此之间的连接位置，旨在选择4环特殊衬砌环管片，这种管片属于复合管片，单环涵盖6块管片，在这之中，标准管片多达3块。与此同时，其内径长达5500mm，并且外径长达6200mm，此外厚度高达350mm，并且宽度高达1200mm。除此之外，其抗渗等级已经达到P12。需要注意的是，管片环和环彼此之间，将会借助高达16根M30纵向螺栓来实现紧密连接。并且管片连接件需要借助于锌基铬酸盐涂层的作用，来进行科学得当的防腐蚀处理。3 千斤顶推力对管

8、片力学响应的数值模拟分析3.1 数值模型基本假设在本篇论文中，旨在借助于MIDAS/GTS软件的作用，以中交天和6460mm复合土压平衡盾构推进的2号线二期工程六甲站龚家村站盾构区间左线隧道为研究对象，针对处于多样化千斤顶推力环境下，管片所产生的应力以及应变，进行科学有效的细致模拟。对所建立的三维精细模型，作以下假设：（1）小变形假定：相较于各种类型的构件几何尺寸而言，通常情况下，管片接头端面当处于负载的状态下，而形成的转角等均相对较小；（2）平截面假定：在摒弃混凝土的影响后，管片从始至终均为平截面；（3）在C50的管片中，不对钢筋骨架进行模拟，将混凝土视为均质、各向同性、理想线弹性体；（4）

9、尚不针对管片彼此之间所含有的挡水条等元件进行综合考量；（5）由于螺栓为高强螺栓不存在明显屈服阶段，因此也视其为线弹性材料； （6）尚不针对螺栓及其螺栓孔彼此之间所存在的空隙进行综合考量，并已知全部材料自运行前，均保持在牢固接触的状态；（7）忽略管片的注浆孔；（8）尚不针对来源于螺栓预紧力的影响进行综合考量。3.2 数值模型参数对盾构区间左线隧道典型断面进行研究，其土层从上至下分别为：人工填土(4.93m厚)、粉质粘土(2.12m厚)、泥炭质土(5.17m厚)、粉质粘土(8.44m厚)、粉土(4.62m厚)、粉质粘土(以下)。隧道顶部埋深11.08m，并且中心达到14.18m。与此同时，成功构建

10、出5环管片模型，并将其尺寸设定为48m6.0m48m。其模型示意图详见图2-5。此外，地层以及螺栓等基本元件，所涉及的材料力学参数，详如表1。图2 三维有限元数值模型示意图图3 管片错缝拼装数值模型图图4环间螺栓数值模型图图5片间螺栓数值模型图表1模型材料力学参数表材料弹性模量（GPa）泊松比密度（kg/m3）粘聚力（kPa）摩擦角（）人工填土0.190.319001212粉质粘土3.040.3182015.147.92泥炭质土1.370.311508.597.05粉质粘土2.830.3180015.6414.46粉土3.290.318901820粉质粘土3.480.3172019.8512.

11、62管片(C50)34.50.172600连接螺栓2100.37850盾壳2100.37850盾尾刷10.324503.3 千斤顶总推力取值曾有某特定学者，针对盾构在实际掘进过程中，而产生的千斤顶总推力，进行科学精准的细致计算，并据此推导得知与之相匹配的计算公式6-8。这里采用陈仁朋等8提出的总推力计算公式进行初算，以此来确定合理的千斤顶推力取值范围。根据陈仁朋等8分析，将能得知，盾构在实际掘进过程中，而产生的千斤顶总推力，通常涵盖刀盘面板阻力F1以及盾壳四周摩阻力(F3)等3项组成，其计算公式为：F1=D24p0+p21- (1)F2=D24pceAl (2)F3=fD21+KaH-14D+

12、2KaL+fW (3)F=F1+F2+F3 (4)其中，p2=10.131-E1+3-4D1-2k (5)A=4tanD1- (6)式中，p0为土层的初始侧向土压力，p2旨在代表由于刀盘挤土而产生的附加应力，旨在代表基于总应力环境下，土体当中所含有的泊松比；E旨在代表基于总应力环境下，土体当中所含有的弹性模量。与此同时，旨在代表盾构表现出的实际推进速度，旨在代表刀盘转速，旨在代表刀盘开口率，l旨在代表土舱长度，f旨在代表钢板以及土体彼此之间存在的摩擦系数，为土体有效重度，H主要代表盾构表现出的轴线埋深，而W则旨在代表盾构主机的实际总重。表2基于多样化工况条件下千斤顶推力值细表工况1234总推力

13、（KN）600080001000012000工况5678总推力（KN）14000160001800020000根据以上(1)(6)式可初算得到千斤顶总推力为10204kN。在盾构掘进过程中，随着盾构机向前推进，地质情况也在不断变化，盾构施工人员需不断调整掘进参数来提高掘进效率。当岩层较硬时，需要加大千斤顶推力，但是千斤顶推力是直接作用在已拼装完成的管片前端。值得一提的是，由于千斤顶推力的持续改变，管片所承载的力也会跟踪调整。一旦千斤顶表现出的推力已经超过某特定的阙值，则将会引发管片破损。在本篇文章中，为针对基于多样化千斤顶推力条件下，相对于管片所含力学性能带来的实际影响，进行更深层次的细致研究

14、，故而决定将其限定于6000kN20000kN的区间当中，并设定8种水平。由此得知，基于多样化工况条件下，千斤顶所表现出的推力值细表，详见表2。3.4 管片力学响应数值模拟结果分析3.4.1 管片变形分析盾构隧道管片在不同工况下的变形如图6-图8所示（限于篇幅，这里只展示了部分工况条件下的管片变形图）。可以看到整环管片由于受到围岩压力的作用，呈扁平的椭圆形。水平方向向外扩张变形，竖直方向向内压缩变形，轴向由于受到千斤顶推力的作用，随着推力的增大出现轴向的压缩变形。管片片间和环间接缝位置出现局部的错台现象。由于第1环管片位于盾尾中，存在盾体的保护作用，第1环的错台量相对于其余环较小。随着推力的增

15、大，整环管片水平方向和竖直方向的变形逐渐减小，即椭圆率变小，管片的错台率也减小。归根结底，在于千斤顶推力的逐步攀升，切实提高管片表现出的整体变形程度，故而有效抑制管片变形现象。（a）总变形（b）横向水平变形（c）轴向水平变形（d）竖向变形图6 盾构隧道管片基于工况1的变形图图7 工况1条件下第1环管片变形图图8 工况8条件下第1环管片变形图对不同工况条件下每一环管片最大变形量进行统计，结果如图9所示。由图将能得知，如果千斤顶表现出的推力逐步递增，则无论为横向变形，亦或为竖向变形均将逐步递减。与之相反的是，轴向变形将会由于推力的逐步递增，而随之攀升，但当管片环出现显著的延后现象后，轴向变形将很少

16、受到来源于千斤顶推力而带来的实际影响。（a）横向水平最大变形（b）轴向水平最大变形（c）竖向最大变形图9 基于多样化工况各环管片产生的最大变形3.4.2 管片应力分析盾构隧道管片在不同工况条件下的应力如图10所示（限于篇幅，这里只展示了工况1条件下的管片应力图）。由图将能得知，如果千斤顶表现出的推力逐步递增，单环管片所表现出的最大拉应力等，全部在连接螺栓手孔的位置。与此同时，管片出现错台的位置，也承受显著的拉应力。因此，可以推断螺栓孔位置和错台部位易发生开裂破损现象。（a） 最大主应力（b） 最小主应力（c） 管片螺栓处应力集中（d） 管片错台部位应力集中图10 工况1条件下管片应力图基于多样

17、化工况单环管片所表现出的最大拉应力等，详见图11。由图将能得知，当千斤顶推力逐步递增的过程中，管片所能达到的最大拉应力以及相应的压应力，将会首先缓慢降低，再日益提高，究其根本，在于隧道管片表现出的整体刚度显著提高，当千斤顶推力的进一步增加，管片应力趋于平衡后又会随着荷载的增加而增大。第1环管片所含推力自6000KN持续攀升至8000KN时，两大参数均逐步递减。由于千斤顶推力直接作用于第1环管片前端，所以第1环管片最先由应力减小阶段进入增大阶段，其增加的速率相对其他环也最大；由于管片以及千斤顶彼此之间的实际距离持续提高，故而两项参数也将自减小段，转化为增大段，并出现一定的延后现象，这意味着管片将

18、很少受到来源于千斤顶推力而带来的实际影响。与此同时，还意味着一定程序的千斤顶推力，将能有效降低管片应力，但须注意其数值不得过高，否则将不利于管片维持良好的受力性能。（a） 最大拉应力（b） 最大压应力图11基于多样化工况各环管片产生的最大应力4结论本文通过MIDAS/GTS软件建立三维有限元非连续接触有限元模型，对盾构隧道推进过程中，不同千斤顶推力情况下的管片力学响应进行模拟，并针对千斤顶推力相对于管片表现出的应力应变而产生的实际影响，进行科学合理的综合分析。得到以下主要结论：（1）横向水平变形和竖直变形呈减小的趋势，轴向水平变形随着推力的增大而增大，管片的错台量减小；但当管片环出现显著的延后

19、现象后，轴向变形将很少受到来源于千斤顶推力而带来的实际影响。（2）每环管片的最大拉应力和最大压应力均位于连接螺栓手孔处，因此可以推断螺栓孔位置和错台部位易发生开裂破损现象。（3）值得一提的是，当千斤顶推力逐步递增的过程中，管片所能达到的最大拉应力以及相应的压应力，将会首先缓慢降低，又逐渐增大，说明适宜的千斤顶推力有利于管片受力，但是推力过大会导致管片破损。参考文献(References)：1 李强, 曾德顺. 盾构千斤顶推力变化对地面变形的影响J. 特种结构, 2002, 19(4): 12-15.2 胡长明, 张文萃, 梅源, 等. 通用环管片点位确定条件下千斤顶行程差范围 计算及其对盾构机

20、推进过程的控制J. 中国铁道科学, 2015, 36(3): 51-57.3 周明军. 盾构隧道管片结构纵向错台研究J. 铁道建筑技术, 2008(5): 80-83.4 朱合华, 徐前卫, 廖少明, 等. 土压平衡盾构施工的顶进推力模型试验研究J. 岩土力学, 2007, 28(8): 1587-1594.5 石立成, 杜守继, 张强. 盾构通缝拼装隧道纵向错台的数值模拟分析J. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2007, 20(3): 37-40.6 苏健行, 龚国芳, 杨华勇. 土压平衡盾构掘进总推力的计算与实验研究J. 工程机械, 2008, 39(1): 13-16.7 徐前卫. 盾构施工参数的地层适应性模型试验及其理论研究D. 上海: 同济大学, 2006.8 陈仁朋, 刘源, 汤旅军, 等. 复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究J. 地下空间与工程学报, 2012, 8(1): 26-32.