地层膨胀力对盾构管片结构受力影响分析

曹 伟，王立新

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，西安 710043)

地层膨胀力对盾构管片结构受力影响分析

曹 伟，王立新

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，西安 710043)

膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆的特点，类似地层盾构隧道研究相对较少。针对成都地铁某盾构区间实例，根据盾构隧道埋深与盾构隧道外径关系进行分类，通过单一变化膨胀力，借助有限元软件采用壳单元建立荷载－结构模型计算各工况下管片的内力，对比分析管片内力和安全系数，研究膨胀力对盾构管片结构受力的影响。研究结果表明:随着隧道埋深的增加，地层膨胀力对管片结构受力表现为有利;可通过调整线路高程、增加盾构管片埋深、管片背后注浆等措施，降低地层膨胀力对管片结构受力的影响。

盾构隧道;地层膨胀力;管片;计算模型;隧道埋深;安全系数

近年来，随着国内各大城市地铁项目蓬勃发展，机械化、自动化施工理念的逐步推广与运用，劳动力成本的急剧上升，以及对施工风险控制要求的不断提升，盾构法施工在地铁工程中得到越来越广泛的应用［1］。

目前盾构区间隧道设计、施工技术已日趋成熟，但其研究多针对于以上海为代表的淤泥质地层、以北京为代表的冲洪积地层、以广州为代表的强风化、中风化岩层［2］，而对具有显著的吸水膨胀和失水收缩、且胀缩变形往复可逆［3］的膨胀土地层研究相对较少，经验不足。膨胀土一般强度较高，压缩性低，容易被误认为是建筑性能较好的土层，当隧道穿越此类土层时，如果对其特性缺乏认识，或在设计和施工中没有采取必要的预防措施，将会给建(构)筑物造成严重的危害。

膨胀土具有很高的膨胀潜势，并随其含水量的大小变化而变化，最终以膨胀力的形式表现出来［4］。以成都地铁某区间为例，根据盾构隧道埋深与盾构隧道外径关系分别模拟计算5种工况，借助有限元软件建立荷载－结构模型模拟计算，并对比分析计算结果，研究地层膨胀力对盾构管片结构受力的影响。

1 工程背景

1.1 工程概况

某区间沿规划龙工北路地下敷设，所在的区域是待开发区，道路西侧为施工区及民宅，道路东侧为农田和果园。区间采用明挖法结合盾构法施工，其中，盾构区间长416.075m。盾构区间正线线路平面曲线半径为3 000m，正线坡度为2‰～12‰，线间距为13.09～13.5 m，埋深5.8～23.40m［5］。从经济性和实用性考虑，并结合国内相似地铁工程的成功经验，盾构管片采用C50混凝土;其外径D=6 000mm，内径d=5 400mm，厚度h=300mm，幅宽L=1 500mm;环向采用“1+2+3”的分块模式，即1个封顶块+2个邻接块+3个标准块，如图1所示。管片块与块、环与环之间采用高强螺栓连接，纵向错缝拼装。盾构管片结构横断面如图1所示。

图1 盾构管片结构横断面

1.2 地质概况

文献［6］显示:场地内地层主要由第四系全新统(Q4ml)人工填土层、第四系中更新统(Q2fgl)冰水沉积层及白垩系夹关组砂岩(K2j)组成。地表多为杂填土、素填土，其下依次为黏土、粉质黏土、粉土、粉细砂、卵石土以及全风化泥岩、中强风化泥岩，其岩体物理力学指标见表1。其中，黏土、粉质黏土和全风化泥岩均具有弱膨胀性，其特性如下。

表1 岩体物理力学指标值

黏土:自由膨胀率40%～79%，蒙脱石含量为8.8%～19.7%，阳离子交换量为185～264mmol/kg，膨胀力为36.6～159.9 kPa;

粉质黏土:自由膨胀率23%～45%，蒙脱石含量为8.7%～9.9%，阳离子交换量为170～190 mmol/kg，膨胀力为10～40 kPa;

全风化泥岩:自由膨胀率46%～48%，蒙脱石含量为8.6%～9.5%，阳离子交换量为182～186 mmol/kg，膨胀力为52～60 kPa。

图2 区间隧道地质纵断面

从图2和文献［6］可知:区间隧道多位于全风化泥岩中;地下水主要为上层滞水、裂隙水、松散层孔隙潜水以及基岩裂隙水，影响区间隧道施工的地下水主要来源于黏土中的裂隙水。

2 基本假定与计算模型

管片是计算中重点模拟的对象，通常模拟计算模型主要包括地层－结构和荷载－结构2种。运用Midas－GTS软件建立荷载－结构模型，进行管片内力计算。

2.1 基本假定

(1)隧道纵向上的管片错缝拼装方式对整体衬砌结构的刚度起到加强作用，且不考虑管片接头效应的弯矩值是考虑管片接头效应的2倍［7］，故计算中忽略管片接头效应。

(2)鉴于管片厚度远小于其他方向的尺度，故假定管片为均质壳体。通过对参考面进行离散，并赋予截面性质定义壳体厚度进行整体分析。

(3)考虑管片与岩体间的相互作用，弹簧的设置充分考虑到管片的位移趋势，从作用力与反作用力角度出发，在管片四周设置径向与切向的土弹簧［1］，有效地避免计算中刚体位移的产生［7］。

(4)假定管片与周围岩密贴，且回填材料的力学参数不小于周围岩体的力学参数。

2.2 计算模型

盾构计算模型主要包括均质圆环法、等效刚度圆环模型(修正惯用法)、自由铰圆环及弹性铰圆环4种模型［8］。等效刚度圆环模型是对均质圆环模型的修正，用刚度折减系数η(η≤1)和弯矩增大系数ξ(ξ≤1)分别体现管片环向接头和错缝拼装的影响。虽参数η、ξ取值很难评判，计算结果随意性较大，但该模型接头处理简单、易于操作，便于校核计算。因此，本次计算采用等效刚度圆环模型进行模拟，取η=0.7，ζ=0.3，即管片环E1I1=0.7EI，M1=1.3M，计算模型如图3所示。

图3 有限元计算模型及荷载分布

2.3 荷载确定

根据结构形式、受力条件、地质条件等因素，考虑施工和使用年限内发生的变化，根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》及相关规范规定的可能出现的最不利组合进行计算［9］，包括以下荷载。

(1)永久荷载

①结构自重:按结构设计尺寸及材料重度确定。

②地层压力

a．当隧道覆土H≤D时(D为隧道外径)，按全覆土柱计算顶部土压力;

b．当H＞2D时，按照太沙基原理计算隧道上方塌落拱高度h0，当h0≤2D时，隧道拱顶土压力取2D覆土进行计算，当h0＞2D时，隧道拱顶土压力按h0高度覆土进行计算，侧向压力根据太沙基松弛土压力和静止侧压力系数确定;

c．当D＜H≤2D时，隧道拱顶土压力取拱顶以上，隧道外直径(1.0～2.0)D高的土柱荷载，即按全覆土进行计算;侧向土压力根据太沙基松弛土压力和静止侧压力系数确定。

③水压力及浮力

顶部:pw1=γwhw;底部:pw2=γw(hw+D);为方便研究膨胀力对管片的影响，取hw1=0。

(2)可变荷载

地面超载的影响:按20 kPa计算;

主要，就是目标实现过程中的决定性因素，决定了目标的实现。所以，面对影响目标的众多因素，我们应该根据它们的作用，结合主体特质，判定主要因素。这样的关键因素，是决定和推动目标实现的关键。

地层膨胀力的影响:按地勘报告取Pe=60 kPa计算，水平方向加载。

3 计算结果与分析

为研究地层膨胀力Pe对管片结构受力的影响，根据盾构隧道埋深与盾构隧道外径关系分3种情况:H≤D(取 H=D 计算)、D＜H≤2D(取 H=2D 计算)、2D＜H(取H计算)，并分别考虑5种工况进行计算:(1)按100%Pe加载;(2)按75%Pe加载;(3)按50%Pe加载;(4)按25%Pe加载;(5)不考虑膨胀力。

通过计算得到标准组合下管片内力值如表2所示，工况H=2D、100%Pe的内力图如图4所示。同时，为更加直观判断地层膨胀力对管片的影响，取相同配筋面积，计算各工况下的管片安全系数K。

表2 各工况下管片最不利部位内力值汇总

图4 管片弯矩、轴力图(H=2D，100%P e)

从表2和图5～图7分析可知:当H=D时，M、N随Pe减小而减小，且M减小速度较N快，K随Pe减小而增大，即当H≤D时，土压力较小，地层膨胀力对管片受力不利;当2D≤H时，M随Pe减小而增大，N随Pe减小而减小，且K随Pe减小而减小，即当2D≤H时，土压力较大，地层膨胀力对管片受力有利;当D＜H≤2D时，地层膨胀力对管片受力的影响存在有利和不利两种情况。

图5 管片弯矩M与膨胀力P e关系

图6 管片轴力N与膨胀力P e关系

图7 管片安全系数K与膨胀力P e关系

4 结论与建议

(1)通过单一变化膨胀力，根据盾构隧道不同埋深分多种工况建立荷载－结构模型模拟计算、对比分析，进而研究膨胀土对管片受力影响的方法是可行的。

(2)当H≤D时，膨胀力对管片受力不利;当2D≤H时，膨胀力对管片受力有利;当D＜H≤2D时，膨胀力对管片受力的影响存在有利和不利两种情况。

(3)在地铁设计过程中，可通过调整线路高程、增加盾构管片埋深，降低土层膨胀力对管片结构的不利影响。

(4)随地下水位变化引起膨胀力周期性变化，不容忽视。为此，需在盾构管片上增设注浆孔，进行补充注浆，使管片和土体之间的空隙更加密实，防止土体失水干缩空隙增大，进而影响结构质量、运营安全、地面道路及周边建(构)筑物。

本文仅针对成都某盾构区间进行了数值模拟分析，分析了地层膨胀力对管片结构受力的影响，得出了以上主要结论。此外，建议隧道施工期间加强监控量测，尤其是对管片应力的监测，借助监控量测数据并结合有限元模拟，进一步推导出相应的经验公式或预测公式，进而定量地完善地层膨胀力对盾构管片受力的影响。

［1］戴志仁．盾构隧道管片设计若干问题研究与探讨［J］．铁道工程学报，2012(6):65－70．

［2］杨秀仁．北京地铁盾构隧道设计施工要点［J］．都市快轨交通，2004(6):32－37．

［3］中华人民共和国建设部．GBJ112—87 膨胀土地区建筑技术规范［S］．北京:中国计划出版社，1987．

［4］康华．膨胀土对明挖车站围护结构设计的影响分析［J］．甘肃科技，2009(12):118－119．

［5］中铁第一勘察设计院集团有限公司．成都地铁2号线(东延线)过渡段洞—龙泉站区间施工图设计［Z］．西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012．

［6］中铁西南科学研究院有限公司，中国建筑西南勘察设计研究院有限公司．成都地铁2号线(东延线)区间岩土工程勘察报告［R］．成都:中铁西南科学研究院有限公司，中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，2011．

［7］朱合华，崔茂玉．盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究［J］．岩土工程学报，2000(2):190－194．

［8］黄建明．盾构管片计算模型的选择［J］．铁道建筑，2004(6):29－31．

［9］北京城建设计研究总院．GB50517—2003 地铁设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2003．

［10］焦齐柱．盾构隧道管片计算模型参数的敏感性分析［J］．铁道标准设计，2010(6):93－95．

［11］裴利华．盾构隧道管片结构设计研究［J］．铁道标准设计，2009(12):86－91．

［12］陈馈，洪开荣，吴学松．盾构施工技术［M］．北京:人民交通出版社，2009．

Study on Influence of Stratum Expansion Force upon Stress State of Shield Segments

CAOWei，WANG Li-xin

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an 710043，China)

The expansive soil is prominently characterized by water swelling and dry shrinkage，and the swelling and shrinkage deformation is reversible over and over again．But the studies on shield tunnel in the similar strata were relatively fewer．For this reason in this paper，in combination with an actual example of shield tunnel on Chengdu Metro，the work conditions were classified according to the relationship between buried depth of shield tunnel and its diameter．And then through a single change of expansion force，a load-structuremodelwas established by using shell element of finite element software，so as to calculate the internal force of every shield segment under different work conditions．By comparative analysis on shield segment internal force and safety factor，the influence of expansion force upon the stress state of shield segment was studied．The results of the study show that:(a)with the increasing of buried depth of the tunnel，the stratum expansion force is beneficial to the stress state of the shield segment;(b)the influence of stratum expansion force on shield segment can be reduced by adjusting route elevation，increasing buried depth of shield segment，grouting behind the segment and by othermeasures．

shield tunnel;stratum expansion force;segment;calculation model;buried depth of tunnel;safety coefficient

U455.43

A

10．13238/j．issn．1004－2954．2014．03．022

1004－2954(2014)03－0094－03

2013－07－02;

2013－07－31

曹 伟(1984—)，男，工程师，E-mail:luckystar_2007@163．com。