小净距曲线盾构隧道的三维数值模拟分析

隋涛

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

小净距(≤0.6D,D为隧道外径)盾构隧道[1]管片结构的内力、位移等受相邻盾构隧道管片的影响,即在既有隧道外径以内范围施工时,后筑隧道会对先筑隧道产生较大的影响。张明聚等[2～4]对小净距平行盾构隧道施工中后行隧道掘进引起的先行隧道管片附加应力的变化规律进行了深入研究。许少辉[5]采用数值软件对并行的小净距盾构隧道进行了三维数值模拟的相互作用响应分析,其结果表明,当隧道净距较小时(≤0.5D),盾构隧道之间的影响非常大。本文应用midas-gts 数值分析软件,对小净距曲线(最小转弯半径为80m)盾构隧道进行数值模拟,并对其数值结果进行了分析,以此研究管片结构的受力特性。

1 工程概况

某小净距曲线盾构隧道工程位于软岩地区(Ⅴ级围岩),地层从地表往下依次为填土、强风化岩石地层、中风化岩石地层。隧道主要穿越中风化岩层,隧道顶覆土约7m,两条曲线盾构隧道(转弯半径80m) 净距(外径之间距离) 约1.25m,盾构隧道内径4.25m,壁厚0.25m,错缝拼装,C55 钢筋混凝土结构。数值分析中,根据文献[6]的研究成果,弹性模量取为压缩模量的5 倍,土层参数见表1。

表1 地层参数及盾构管片结构参数Tab.1 Geological parameters and shield segment structure parameters

2 数值模拟

2.1 基本原理

数值分析模型将地下结构与地层作为一个受力变形的整体,按照连续介质力学原理来计算地下建筑结构以及周围地层变形,不仅计算衬砌结构的内力及变形,而且计算周围地层的应力,充分体现周围地层与地下建筑结构的相互作用。

2.2 模型本构关系

岩土体作为一种非线性材料,不同岩土层对隧道结构管片的约束效应不同,尤其是在岩土体-结构相互作用时,这种非线性对结构受力特性的影响显著。摩尔库仑模型作为一种非线性模型,应用于一般岩土体的非线性分析可以得到较为可靠的结果。数值分析中,采用摩尔-库仑材料模型模拟隧道周围的岩土体,采用弹性材料模型模拟隧道管片结构。

摩尔库仑屈服表达式为:

式中:τ为剪切面上的极限剪应力;c为粘聚力;σn剪切面上的法相应力;φ为内摩擦角。

2.3 单元类型

计算模型中采用两种单元离散结构体,即六面体/四面体实体单元、壳结构单元。其中六面体实体单元用于离散岩土体,壳结构单元用以模拟隧道管片结构,如图1 所示。

图1 空间实体单元Fig.1 The spatial 3D-solid finite element

2.4 模型范围和边界条件

计算区域的侧向边界取至离隧道结构外侧至少3 倍隧道结构外径处,上部边界取至地表,底部边界取至离隧道管片第3 倍外径处。

侧向和纵向均取为水平位移约束边界,底部取为竖向位移约束边界,地表取为自由变形边界。

地层模型示意和小净距曲线盾构模型示意分别见图2 和图3。

图2 地层模型示意Fig.2 The schematic diagram of the soil layer model

图3 小净距曲线盾构隧道模型示意Fig.3 The schematic diagram of a shield tunnel with a small net distance curve

3 各工况计算结果

为进行小净距双圆盾构隧道的相互影响作用分析,按两种工况进行内力计算分析。工况1:先掘进左侧盾构时隧道结构变形及内力分布;工况2: 后掘进右侧盾构隧道时双圆盾构隧道结构变形及内力分布。

图4、图5 为工况1 时,左侧盾构隧道衬砌位移及内力云图;图6、图7 为工况2 时,左右两条隧道衬砌位移及内力云图。

图4 左侧衬砌位移Fig.4 The displacement diagram of the left lining

图5 左侧衬砌内力Fig.5 Internal force diagram of the left lining

图6 左右侧衬砌位移Fig.6 The displacement diagram of the left and right lining

图7 左右侧衬砌内力Fig.7 Internal forcediagram of the left and right lining

4 计算结果对比分析

4.1 变形结果分析

通过对隧道变形云图(图4 和图6)的分析可知(左侧隧道在两种工况下的衬砌变形见表2),先筑隧道在施工完成后明显受到后筑隧道施工卸荷的影响,衬砌变形增大。

表2 左侧隧道结构变形计算结果对比Tab.2 Comparison of calculation results of structural deformation of the left tunnel

由表2 可知,相较于工况1,左侧隧道在工况2 时的竖向变形增幅较大,增幅约46%,而水平向变形变化相对较小,仅增加了5.86%。由此可以看出,后掘进隧道开挖对先掘进左侧隧道竖向变形影响较大,同时两个工况下隧道结构直径变形率均小于规范限制3‰,后掘进隧道开挖对先掘进隧道的影响在可控范围以内。

4.2 内力结果分析

通过对隧道内力云图(图5 和图7)的分析可知(左侧隧道在两种工况下的衬砌变形见表3),先掘进隧道衬砌内力受到后掘进隧道开挖卸荷影响,轴力、剪力及弯矩各项内力都有所下降,其中,轴力减幅最小,仅7.86%;剪力及弯矩减幅较大,均在15%左右。

表3 左侧隧道结构内力计算结果Tab.3 Calculation results of internal forces of the left tunnel structure

由表4 可知,左右两侧隧道结构除水平向变形外,两条隧道结构最终的变形及内力状态相近。即先掘进隧道经过后掘进隧道卸荷后,先后施工的两条隧道周边的地层应力状态最终趋于平衡一致。

表4 左右两侧隧道结构掘进完成后计算结果Tab.4 Calculation results of the left and right sides of the tunnel after tunneling

5 结论

1.小净距曲线盾构隧道工程中,由于后掘进隧道对周围地层的卸荷作用,其对先掘进隧道位移、内力影响较大。相较于工况1,先行掘进隧道竖向变形明显增大,各项内力减小,变形在可控范围内。

2.小净距曲线盾构隧道工程中,两条隧道结构的最终变形及内力数值相近。

3.在合理的净距及衬砌设计条件下,软岩地区小净距盾构隧道的直径变形率可控,亦能满足规范要求。