盾构穿越对圆形风井结构的变形内力影响分析——以南京纬三路过江通道工程盾构穿越梅子洲风井为例

姚占虎，伍国军，陈卫忠，3，袁敬强

（1.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071；3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061）

盾构穿越对圆形风井结构的变形内力影响分析
——以南京纬三路过江通道工程盾构穿越梅子洲风井为例

姚占虎1，伍国军2，陈卫忠2，3，袁敬强2

（1.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉 430071；3.山东大学岩土与结构工程研究中心，山东济南 250061）

盾构进出工作井是盾构安全施工的关键。以南京市纬三路过江通道工程梅子洲圆形风井盾构穿越为研究背景，建立复杂的大型三维计算模型，对盾构穿越区域采用实体单元模拟、土弹簧释放开挖荷载的特殊模拟方法，首先对盾构破除素混凝土强度的选取进行优化分析，建议采用C15混凝土，既能减小盾构穿越施工的难度，又能保证围护结构的安全稳定；然后对盾构穿越前后风井地连墙、内衬墙和冠梁等重要围护结构的变形和内力变化规律进行了研究分析，盾构穿越前后，地连墙的变形和内力变化很大，最大增幅分别为45%和228%，内衬墙的环向弯矩和竖向最大正弯矩均存在较大变化，环向弯矩最大增幅200%，竖向弯矩最大增幅54%，冠梁的最大环向弯矩变化很大，最大增幅为1 160%。因此，工程设计时应对地连墙、内衬墙和冠梁内力较大区域加强配筋，以保证盾构安全顺利地通过。

南京纬三路过江通道；盾构；进出工作井；风井；围护结构；稳定性

Key words：Weisanlu river-crossing tunnel in Nanjing；shield departure and shield reception；ventilation shaft；retaining structure；stability

0 引言

伴随着我国高速公路及城市地铁建设的大规模兴建，大型复杂工作井和盾构法施工开挖不断涌现。经过多年来的工程实践和技术研究，复杂工作井和盾构法设计施工的工程经验和理论研究得到了长足发展，但盾构穿越的设计施工技术却依然是困扰工作井和隧道施工的关键难题。特别是在设计研究层面，工作井围护结构强度不够，盾构穿越时将产生过大变形，使工作井失稳，周边土体坍塌；盾构前方土体加固不够，导致破井时产生正面涌水、涌砂、地表塌陷等［1-5］。在我国，上海地铁2号线体育馆车站西端头井盾构出洞时，因地基加固不良，就曾引起土体塌方滑落；市区建造的某电缆隧道，因土体和支护结构强度不足，在进入洞门时盾构突然下沉1 m，给工程建设带来了极大的困难［6］。

国内外对于工作井盾构穿越技术的研究非常少见，仅有很少几篇关于盾构进出洞的稳定性和风险评估分析的论文。如RUI D.H.［7］等、DUN Z.L.等［8］针对南水北调穿黄工程盾构进出工作井开展了土体加固的稳定性研究和风险评估；YANG X.等［9］基于弹性力学理论，对北京地铁四号线盾构进洞时的土体强度、支护结构内力进行了理论计算，提出了合理的支护材料力学参数；严长征等［10］采用层次分析法建立风险指标体系，基于多层次模糊综合评判模型对盾构进出工作井的主要环节进行了风险评估；周顺华等［11］对某地铁车站施工中的盾构工作井端墙进行了内力现场测试和分析。圆形工作井由于存在拱效应，盾构穿越前后围护结构的受力变形将会复杂，然而，目前为止，还未查到盾构破除圆形工作井的研究文献和报道。

由于盾构破除工作井将导致工作井围护结构的应力和变形产生急剧变化，势必影响工作井的稳定性。本文以南京市纬三路过江通道工程梅子洲圆形风井盾构穿越为研究背景，建立复杂的大型三维计算模型，通过荷载结构法计算分析盾构穿越前后风井地连墙、内衬墙和环梁等重要围护结构的变形和内力变化规律，为梅子洲风井的合理设计和安全施工提供依据。

1 梅子洲工作井特点

南京市纬三路过江通道工程是南京市城市快速路系统跨江成网的重要通道之一，设上下层双向4车道，该过江隧道地质条件复杂多变，地层软弱不均。其中，盾构直径达14.93 m，超大断面独头掘进，且隧道埋深变化大、水压大，具有施工技术新、难度大、标准高的特点。

梅子洲风井建设是过江通道工程的关键性工程之一，位于梅子洲尾部一水塘中，平面呈圆形，外直径为29.2 m，内直径为26.8 m，底板埋深约为21.152 m，基坑开挖44.452 m。工作井采用了壁厚为1.2 m的圆形地下连续墙，地连墙内上半部分紧贴内衬墙，包括顶冠梁在内的4道钢筋混凝土环梁对结构进行围檩支撑，顶冠梁尺寸为1.2 m×2.5 m（高×宽），第1—3道环梁尺寸均为1.2 m×1.5 m（高×宽）。围护结构形式如图1所示。

图1 围护结构示意图Fig.1 Sketch map of retaining structure

风井中心处盾构隧道埋深约23.417 m。盾构穿越区地下连续墙采用玻璃纤维（GFRP）筋等强度替代普通钢筋，以便于盾构直接切割玻璃纤维（GFRP）筋和混凝土，减小盾构穿越风井的施工风险。

风井围护结构在施工后，由于外围水土压力作用处于承力状态，当盾构穿越时，素混凝土被开挖，地连墙部分被破坏，风井的整个支护结构将发生较大程度的应力和变形调整，特别是地连墙部分被开挖破除，圆形拱效应影响较大。因此，对于梅子洲支护结构，盾构穿越前后地连墙、内衬墙、冠梁和环梁的内力状态变化情况以及支护结构的整体稳定性评估，都是影响梅子洲风井建设的关键性难题。

2 数值分析方法

2.1 计算分析模型

根据梅子洲风井建设的实际特点，采用荷载结构法建立风井结构的三维计算模型，如图2所示。采用大型岩土有限元软件ABAQUS进行计算分析。其中，地连墙、内衬墙和底板均采用三维壳单元模拟，冠梁、3道环梁均采用三维梁单元模拟，盾构开挖的土体采用三维实体单元模拟，连续墙槽段之间的接头采用连接单元连接。

边界条件：连续墙底部采用竖向约束，地连墙外部施加主动土压力和水压力，采用水土分算，内部有水荷载时施加边墙水压力，初始地连墙顶面为零水位，因此，圆形风井的外部受力如图2（b）所示。

图2 风井结构计算模型Fig.2 Calculation model of ventilation shaft

周边土体与地连墙的相互作用采用土弹簧模拟，当模拟地连墙内部土体开挖时，采用杀死相应部分土弹簧的方式实现。土弹簧为抗力弹簧，在施工过程中只能承受压力而不能承受拉力，即土弹簧仅有抗压刚度。在施工过程中，随着风井开挖的进行，基坑内侧已开挖部分的土弹簧被杀死，同时施加相应支撑与环梁。

2.2 盾构穿越模拟方法

由于圆形地连墙周边土体与地连墙的相互作用采用土弹簧模拟，当盾构穿越时，为充分模拟盾构区域土体开挖所产生的应力释放效应，盾构穿越区域采用实体单元模拟。当盾构穿越时，同时将盾构穿越的素混凝土开挖部分和相应的土弹簧一并杀死，从而达到模拟地连墙与周边土体相互作用的目的，如图3所示。

3 盾构穿越素混凝土强度优化分析

本次素混凝土强度的选取考虑盾构穿越风井的施工过程。盾构穿越时，考虑到施工的可行性，被开挖破除的素混凝土强度不能太大，且又须满足盾构穿越开挖时风井的整体稳定性。为此，对风井建设回填的素混凝土材料强度进行计算对比，以提出能满足盾构施工要求的素混凝土材料。素混凝土分别采用C20、C15、C10 3种强度，通过计算，对结果进行对比分析。各素混凝土的材料参数见表1。

图3 盾构穿越开挖模型Fig.3 Model of shield crossing

表1 素混凝土材料参数Table 1 Parameters of plain concrete

表2—5为工况1至工况3关于地连墙变形和受力、内衬墙、素混凝土的受力计算结果对比。从表2—5可以看出：对于地连墙来说，工况1和工况2的内力计算结果相差较小，即采用C15和采用C20混凝土对地连墙影响相似，工况3的计算结果稍大；变形方面主要体现在地连墙的径向，C20和C15混凝土产生的地连墙径向变形分别为6.09 mm和6.12 mm，C10混凝土的地连墙径向变形稍大，为6.28 mm；对于内衬墙来说，3种工况的环向轴力、竖向轴力、竖向弯矩和环向弯矩量值都较为接近，仅工况3的竖向弯矩稍大；素混凝土受力结果表明，3种工况的最大压应力几乎一致，工况3（C10）的最大拉应力偏大，为1.15 MPa。

表2 地连墙内力对比Table 2 Internal force of diaphragm wall

表3 内衬墙内力对比Table 3 Internal force of inner wall

表4 地连墙变形对比分析Table 4 Deformation of diaphragm wallmm

表5 素混凝土受力对比分析Table 5 Stress of plain concreteMPa

基于以上分析，3种工况结果相差均不大，但工况3（C10）的变形和最大拉应力稍大，为减小盾构穿越施工难度，建议素混凝土采用C15，既能保证受力构件的安全，又利于盾构施工开挖。

图4 地连墙变形云图（单位：m）Fig.4 Distribution diagram of deformation of diaphragm wall（m）

4 盾构穿越前后支护结构受力分析

在确定破井开挖所用的混凝土强度后，采用数值分析方法对梅子洲风井盾构穿越时地连墙、内衬墙、冠梁及3道环梁等主要受力结构进行计算分析。

4.1 盾构穿越前后地连墙的变形受力分析

4.1.1 地连墙变形

盾构穿越后，地连墙的变形增长较大，以径向变形为主。破井前最大位移为2.04 mm，进洞时最大位移为3.8 mm，破除素混凝土时的最大位移为5.5 mm，增幅约45%，分布在盾构开挖后隧道拱腰部位，如图4所示。

4.1.2 地连墙受力

盾构穿越对地连墙的内力影响较大，如图5和图6所示。此处定义竖向弯矩向风井外为正，环向弯矩以逆时针方向为正。由图5和图6可知，盾构穿越前后的地连墙内力变化较大。盾构穿越前，内力主要分布在地连墙中部区域，盾构穿越后，内力主要分布在盾构后的隧道周边。其中：竖向最大正弯矩为811 kN·m，出现在隧道拱腰3～5 m范围区域；最大负弯矩为600 kN·m，出现在隧道拱顶两边区域；环向最大正弯矩为126 kN·m，出现在盾构隧道上方部位；环向最大负弯矩为557 kN·m，出现在隧道拱腰区域，内力最大增幅达228%。地连墙的最大弯矩如表6所示。

图5 盾构穿越后地连墙环向弯矩（单位：N·m）Fig.5 Circumferential moment of diaphragm wall after shield crossing（N·m）

图6 盾构穿越后地连墙竖向弯矩（单位：N·m）Fig.6 Vertical moment of diaphragm wall after shield crossing （N·m）

4.2 盾构穿越前后内衬墙的受力分析

盾构穿越前后，内衬墙除竖向最大负弯矩值变化较小外，环向弯矩和竖向最大正弯矩均存在较大变化。盾构穿越前，内衬墙整体内力较小，仅在顶冠梁和3道环梁部位内力较大。竖向最大正负弯矩分布在顶冠梁和第1道环梁部位，最大正弯矩为130.2 kN·m，最大负弯矩为84.6 kN·m；环向最大正负弯矩分布在环梁部位，最大正弯矩为21.4 kN·m，最大负弯矩为132 kN·m，如图7和图8所示。

表6 地连墙的最大弯矩Table 6 Maximum moment of diaphragm wall kN·m

图7 盾构穿越前后环向弯矩对比（单位：N·m）Fig.7 Circumferential moments of inner wall before and after shield crossing（N·m）

盾构穿越时，内衬墙竖向最大正负弯矩分布在底板和第3道环梁部位，最大正弯矩为200 kN·m，最大负弯矩为69.3 kN·m，环向最大正弯矩较小，为64.3 kN·m，最大负弯矩分布在环梁部位，为194 kN·m。内衬墙竖向弯矩最大增幅54%，环向弯矩最大增幅200%。破井前后的内衬墙最大弯矩对比见表7。

图8 盾构穿越前后竖向弯矩对比（单位：N·m）Fig.8 Vertical moments of inner wall before and after shield crossing（N·m）

表7 内衬墙的最大弯矩对比Table 7 Maximum moment of inner wallkN·m

4.3 盾构穿越前后冠梁和环梁的受力分析

盾构穿越前后最大竖向弯矩变化不大，破井前为38.6 kN·m，破井后为41.5 kN·m，最大负弯矩基本为25 kN·m左右。环向弯矩变化很大，破洞前最大正弯矩为37.9 kN·m，破洞后为479 kN·m，破井前最大负弯矩为52.4 kN·m，破井后为620 kN·m。冠梁竖向弯矩最大增幅为7.5%，环向弯矩最大增幅为1 160%，如图9和图10所示。

图9 冠梁竖向弯矩破井前后变化（单位：N·m）Fig.9 Vertical moments of top beam before and after shield crossing（N·m）

图10 冠梁环向弯矩破井前后变化（单位：N·m）Fig.10 Circumferential moments of top beam before and after shield crossing（N·m）

此外，3道环梁的受力尽管在盾构破洞前后内力也有较大变化，但总体量值均较小，完全能满足配筋需要。

5 结论与讨论

盾构穿越是工作井盾构施工中极易出现工程事故的重要环节。本文通过建立复杂的三维计算模型，采用荷载结构法对南京纬三路过江通道工程梅子洲圆形风井进行了计算分析，得出以下主要结论。

1）通过对破井所用的3种强度素混凝土进行计算对比，建议采用C15混凝土，既能减小盾构穿越施工难度，又能保证围护结构的受力安全稳定。

2）对破井前后的梅子洲风井围护结构采用特殊的数值模拟方法，盾构穿越区域采用实体单元，约束采用土弹簧模拟方式，既大大减少了数值模型的单元数量和计算时间，又便于结构分析，同时还能满足工程精度要求。

3）破井前后地连墙的变形和内力变化都很大，特别是盾构区域附近的竖向和环向弯矩，最大增幅分别为45%和228%。内衬墙除竖向最大负弯矩值变化较小外，环向弯矩和竖向最大正弯矩均存在较大变化，竖向弯矩最大增幅54%，环向弯矩最大增幅200%。冠梁的最大竖向弯矩变化不大，但最大环向弯矩变化很大，最大增幅为1 160%，3道环梁的内力值在盾构穿越前后均较小。因此，工程设计时应对地连墙、内衬墙和冠梁内力较大区域加强配筋，以保证盾构安全顺利地通过。

（References）：

［1］ 施瑾伟，王学军.盾构法施工在过江隧道中的风险及应对措施［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2013，32 （1）：23-26.（SHI Jinwei，WANG Xuejun.Risk and countermeasures of shield tunneling in river-crossing tunnel ［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2013，32（1）：23-26.（in Chinese））

［2］ 张智博.南京长江隧道大型泥水盾构施工风险分析及对策［J］.探矿工程：岩土钻掘工程，2011，38（6）：65-69.（ZHANG Zhibo.Risks analysis on large slurry shield tunnel construction in Nanjing Yangtze River tunnel and the counter measures［J］.Exploration Engineering：Rock＆Soil Drilling and Tunneling，2011，38（6）：65-69.（in Chinese））

［3］ 韦良文，张庆贺，孙统立，等.盾构隧道开挖面稳定研究进展［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2007，26（6）：67-72.（WEI Liangwen，ZHANG Qinghe，SUN Tongli，et al.Current research state of face stability in shield tunneling and future development［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2007，26（6）：67-72.（in Chinese））

［4］ 周行人，王飞龙.过江盾构隧道施工安全风险评估［J］.长沙铁道学院学报：社会科学版，2010，11（6）：189-192.（ZHOU Xingren，WANG Feilong.Safety and risk assessment in river crossing shield tunnel construction［J］.Journal of Changsha Railway University：Social Science，2010，11（6）：189-192.（in Chinese））

［5］ 赵武胜，陈卫忠，袁克阔，等.坑外降水条件下软土地层深大盾构工作井稳定性研究［J］.岩石力学与工程学报，2013，32（3）：572-581.（ZHAO Wusheng，CHEN Weizhong，YUAN Kekuo，et al.Study of stability of deep shield working shaft in soft soil strata under condition of dewatering outside shaft［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32（3）：572-581.（in Chinese））

［6］ 张庆贺，唐益群，杨林德.隧道建设盾构进出洞施工技术研究［J］.地下空间，1994，14（2）：110-119.（ZHANG Qinghe，TANGYiqun，YANGLinde.Researchon constructiontechniquefordepartureofshield［J］.Underground Space，1994，14（2）：110-119.（in Chinese））

［7］ RUI Dahu，WANG Yang，ZHANG Changhai，et al.Analysis on stability of reinforced soil at shield departure area［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，204-208：215-219.

［8］ DUN Zhilin，CAO Yang，REN Lianwei.Risk analysis during departure and reception of shield in the Yellow River crossing tunnel of the middle route project of South-to-North Water Diversion［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，90-93：2125-2130.

［9］ YANG Xian，ZHANG Keneng.Strength design of reinforced soil in the front of shield departure shaft［J］.Advanced Materials Research，2011，261-263：1584-1588.

［10］ 严长征，张庆贺，廖少明，等.地铁盾构进出工作井的施工风险［J］.城市轨道交通研究，2007（10）：34-36.（YAN Changzheng，ZHANG Qinghe，LIAO Shaoming，et al.Risk analysis of Metro shield departure and reception ［J］.Urban Mass Transit，2007（10）：34-36.（in Chinese））

［11］ 周顺华，王炳龙.盾构工作井围护结构在施工全过程的内力测试分析［J］.岩土工程学报，2002，24（3）：301-303.（ZHOU Shunhua，WANG Binglong.Test on the internal forces of the shield work well during construction ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2002，24 （3）：301-303.（in Chinese））

Analysis on Deformation and Stress of Ventilation Shaft Influenced by Shield Crossing：Case Study on Meizizhou Circular Shaft of Weisanlu River-crossing Tunnel in Nanjing

YAO Zhanhu1，WU Guojun2，CHEN Weizhong2，3，YUAN Jingqiang2

（1.China First Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100024，China；2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，Hubei，China；3.Research Center of Geotechnical＆Structural Engineering，Shandong University，Jinan 250061，Shandong，China）

Shield departure and reception is one of the most important issues when shield crosses working shaft.In the paper，complex 3D calculation model is established，with shield crossing Meizizhou circular ventilation shaft as background，and numerical simulation is conducted by using solid elements and soil spring releasing excavation load.Firstly，the grade of the plain concrete that the shield will cut is analyzed.Conclusion is drawn that C15 concrete，which can not only decrease the difficulty of shield crossing，but also can guarantee the safety and stability of the retaining structures，should be adopted.Secondly，the deformation and internal forces of the retaining structures，including the diaphragm wall，the inner wall and the ring beam，are analyzed.Conclusion is drawn as follows：Compared to those before shield crossing，the maximum deformation and internal force of the diaphragm wall after shield crossing increase by 45%and 228%respectively，the maximum circumferential moment and the maximum vertical positive moment of the inner wall increase by 200%and 54%respectively，and the maximum circumferential moment of the top beam increases by 1 160%.Therefore，during the design of the works，the reinforcement for the zones of the diaphragm wall，inner wall and top beam with large stress shall be strengthened so as to ensure the successful crossing of the shield.

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.003

U 455

B

1672-741X（2015）11-1127-07

2015-08-12；

2015-09-22

姚占虎（1977—），男，陕西西安人，2000年毕业于石家庄铁道学院，土木工程专业，本科，高级工程师，主要从事盾构施工技术研究和管理工作。