小曲率隧道盾构关键技术及发展现状

高明忠

(1. 深圳大学 土木工程学院 深地科学与绿色能源研究院, 广东 深圳 518060; 2. 四川大学 水利水电学院, 四川 成都 610065)

随着现代化城市进程的加快,人口膨胀、交通拥挤、大气污染、噪声等一系列城市问题凸显,特别是地面交通问题,严重制约了现代城市的健康发展,而地下轨道交通系统具有安全、高效、舒适、快捷、占用地面资源少等优点,是缓解现代城市综合病的最佳方法之一.欧美等发达国家早在19世纪就开始发展地下轨道交通系统,英国1863年建成世界上首条地下铁路系统——伦敦大都会铁路(Metropolitan railway)[1],我国自1971年北京开通了国内首条地铁以来,地下轨道设施建设在我国迅猛发展,由一线城市逐渐向二、三线城市扩展,到2020年国内地下轨道交通运营总里程预计将达到6 000 km[1].可以预见,随着国内外城市人口压力的增大以及地面车流量的持续上升,新建地铁里程将持续增加.

由于地下轨道系统的隧道盾构法施工具有自动化程度高、掘进速度快、地面沉降可控、对周围环境影响小、施工精度高等优点,在当前地下铁路隧道的修建中被普遍采用.盾构设备总长度从几十米到上百米不等,对直线型隧道掘进效率尤为突出,但其掘进隧道的曲率半径一定程度受到限制.然而,地下轨道线路规划通常需要按照城市整体规划设计,难以保持直线延伸,更难免会遇到大量地下市政管线、高楼地下桩基、已有或规划中的地下设施等干扰因素,这使得传统直线型盾构隧道已不能满足其地下空间发展建设需求,小曲率半径隧道必将在未来城市地下开发中扮演越来越重要的角色.

虽然曲线型隧道具有较强的路线适应性,但是与直线型隧道相比,曲线隧道管片设计具有明显不确定性以及典型的三维力学行为特性,且曲线型隧道姿态纠偏复杂,极易产生较大的偏心力,致使小曲率盾构区管片出现错台、渗水、管片破损等问题,极大威胁着盾构施工的安全性与后期运营的稳定性.因此,施工荷载作用下小曲率半径盾构掘进区管片破坏机理及全生命周期管片力学特性已成为亟待探索的关键科学问题.

1 盾构管片力学特性理论计算模型及试验方法研究进展

盾构隧道的稳定运营主要靠管片支护,管片通常采用预制钢筋混凝土结构.在几何结构上,管片环向成一定弧度,纵向(隧道轴向)长约1 m,依据设计有一定差异；总体上,管片拼接可分为通缝拼接与错缝拼接,环向上多块管片拼接为一整环,轴向环环相连构成隧道整体,内部隧道即是地铁运行空间.管片的安全稳定直接影响地铁的高效运行.

1.1 盾构管片受力特性分析理论模型盾构管片拼接后由于接头的存在,是一种典型的组合结构,管片受力较为复杂.国内外现有管片设计理论模型,从最早的均质圆环模型、多铰圆环模型,逐步发展到梁-弹簧模型、壳-弹簧模型等.随着计算理论的发展,近年来又出现了更为复杂的块体模型.以上方法属于荷载-结构模型的范畴.除此外还有考虑地层与管片结构共同作用的地层-结构模型.这一系列理论模型的发展,使得盾构管片衬砌结构计算结果越来越可靠、接近真实工程状态.然而,由于管片衬砌结构力学特性及地层环境的复杂性,这些计算方法各有其适用范围与局限性.

1.1.1均质圆环模型 均质圆环模型假设管片为一个均质体,没有考虑管片接头的非线性特点,或接头处乘以折减系数进行修正,依据是否进行修正可以分为完全刚度均质圆环计算模型和等效刚度均质圆环计算模型.完全刚度均质圆环模型是最早运用于盾构隧道的设计方法,其特点是没有考虑管片环内接头和环间接头的作用[2],认为管片接头与环片整体刚度相同,并假定地层抗力在与水平方向成正负45°范围内按三角形规律分布.但由于该方法没有考虑接头作用,而接头的转动刚度却是影响盾构管片结构受力特性的重要因素之一[3-13].因此,此方法在管片结构设计中逐渐被淘汰.等效刚度均质圆环模型则是通过引入弯曲刚度有效率来折减隧道在纵向和环向刚度,其优越性在于充分考虑了管片环内接头及环间接头对管片结构的变形和弯矩影响.但该方法需要大量的工程实践数据统计得出折减系数,而且至今还没有相关理论计算体系建立,大大限制了其推广与应用前景[14-17].

1.1.2多铰圆环计算模型 多铰圆环模型将管片接头假设为完全铰接结构,即管片接头处完全不能传递力矩,其中铰接头又分为自由铰和弹性铰两类.对于围岩条件良好且相对稳定的地层,通常采用自由铰结构进行考虑,该方法符合柔性衬砌的力学原理,但计算结果普遍偏小.在我国地铁盾构隧道结构设计中[2],管片结构设计常采用理想的弹性铰模型,故多绞圆环计算法又被称为“弹性铰圆环计算方法”,该方法多用于通缝拼装的管片结构[18-19].多铰圆环计算模型无法考虑管片纵向接头力学效应,不能充分体现管片之间的相互作用,对错缝式拼装工况管片实体弯矩增大以及接缝处螺栓弯矩减小现象无法给予充分解释,导致适用范围较窄,当地层性质较差时,计算结果误差较大.

1.1.3梁-弹簧模型 梁-弹簧管片结构计算模型是建立在卡氏第二定理和接头连续变形的基础上,将管片截面假定为直梁单元或者曲梁单元,并采用弹簧单元模拟管片接头效应,从而充分考虑了管片旋转刚度以及剪切刚度.此方法中弹簧单元不同于理想化线弹性铰,其多具有非线性性质,是上述均质圆环法与多铰圆环法的合理发展.此外,梁-弹簧模型可通过数值求解,与上述两类模型相比其计算过程得到了极大的提高.日本学者将该模型编制于盾构专用计算程序MOLEMAN中[20],管片接头抗弯刚度可通过该程序输入不同正负抗弯刚度参数以及不同大小偏心抗弯刚度,地层抗力弹簧可按拉压和剪切不同分别设定[21-23].而我国常采用将地层抗力考虑为径向受压、管片接头考虑正负不同的弯曲刚度、环间接头设为带有剪切刚度的弹簧单元、管片外载荷设为上下荷载矩形分布而两侧荷载呈梯形状态分布的模型[24-29].但该模型无法得到两相邻管片接头间的相对不连续变形量,而且连接螺栓的内力、剪力无法精确给出,接头转动刚度的非线性效应不能得以有效的模拟[30].为了弥补梁-弹簧模型存在的不足,朱合华等[31]在梁-弹簧模型的基础上提出了梁-接头不连续模型,可以很好地模拟接头变形的非线性行为,与接头受力实际情况较贴近[30].

1.1.4壳-弹簧模型 Koizumi[16]在1992年提出了壳-弹簧模型设想,采用三维壳体单元模拟管片结构,管片环向接头与纵向接头分别采用能考虑环间抗弯效应和抗剪效应的弹簧单元来模拟.该模型的优点在于既能实现盾构隧道环向力学模型分析,又能覆盖隧道纵向力学效应,故而壳-弹簧模型已成为研究盾构隧道三维空间力学特性的重要方法,特别是近年来随着盾构隧道管片幅宽的增加,更促进了壳-弹簧计算模型的高速发展[32-35].苏宗贤等[36]则釆用厚壳、弹簧、空间实体和接触单元建立了荷载-结构法形式的壳-弹簧-接触模型,可对管片接缝的挤压、螺栓接头的咬合及地层的径向、环向约束作用进行模拟,并考虑了环向接头抗弯刚度的各向异性以及K块的楔入角等因素.朱叶艇等[37]基于原型整环管片力学试验建立了异型盾构管片壳-弹簧计算模型.壳-弹簧模型虽然在计算盾构隧道沿纵向的力学特性时具有一定优势,但弹簧单元(弹性铰)无法真实全面地模拟接头力学性态,其刚度的取值也依赖于试验或工程实践.2013年，彭益成等[38]提出了壳-接头模型,在反映接头剪切时的滑动摩擦特性和弯矩传递特性具有一定优势,一定程度上弥补了壳-弹簧模型在接头处不够真实的短板.

1.1.5块体模型 块体模型是将管片结构及其细部构造(如管片接头螺栓、嵌缝、止水条等)均采用实体单元,按照实际尺寸建模.模型中各部件间均采用接触模型建立相互关系,是目前最接近实际结构体系的模型,可同时对接头密封垫的力学性能和防水效应进行分析,是盾构管片模拟的主要发展方向.然而该模型单元数目多,计算效率低,对接头和管片的精细化模拟和计算能力容易受计算机本身计算能力的限制[30].

除了上述几种计算模型以外,还有大量的针对衬砌结构计算模型的研究,各种计算模型都有各自的适用条件,但均属直线隧道管片力学技术范畴.未来管片计算模型的研究预计将在充分考虑地层条件、接头非线性条件以及考虑隧道曲率的基础上科学发展.

1.2 盾构管片力学特性试验方法理论模型可定性分析管片力学特性,但定量研究最有效的方法依然是试验测试与分析.目前针对隧道主体结构力学特性及安全的试验方法主要集中在现场原位试验、室内模型试验和数值模拟3个方面.其中现场原位试验最能反映现场真实情况,但受限于现场试验周期长、测试费用高、现场限制操作条件因素多等方面,只能选择有限断面进行测试.室内模型试验则是在室内模拟现场施工方法,并测定所需试验参数.由于室内试验方法费用适中、结果直观、周期短且不影响现场施工等优点,故在各类工程规律探索中发挥重要作用.数值模拟是利用计算机建立计算模型,并依据现场勘测数据,分析模拟结构的受力状态.其过程经济,结果直观,是目前普遍采用的一种试验分析方法.

1.2.1盾构隧道管片力学特性的现场试验研究 现场原位试验是目前解决隧道结构力学问题的最有效手段.盾构隧道衬砌现场试验是对施工以及运营期间管片结构的实际受力状况以及围岩体的稳定性进行原位测试,从而建立隧道结构的实体计算模型并进行长期安全性评价.谢红强等[39]通过对重庆过江排水隧道施工期管片的现场监测,得到了作用在盾构管片上的外水压力随盾构掘进状态的变化规律.邱志强[40]依托成都地铁1号线对盾构机施工荷载数据进行采集,并分析了各类荷载综合作用下管片应变及环间缝隙量演化规律.Arnau等[41]通过现场监测与数值模拟,对衬砌施工过程和周围岩土体相互作用机制进行了分析,获得了连续施工过程中蠕变影响下管片结构力学特征.季昌等[42]针对盾构掘进施工时常面临的管片局部或整体性上浮问题,结合试验段监测数据分析了不同单一因素对施工期管片上浮的影响规律；张君禄等[43]对湛江湾跨海隧道管片结构应力进行了监测分析,为及时了解工程结构的安全状态、指导安全施工提供实测参数.阳军生等[44]以台山核电站海底取水盾构隧道为工程背景,对双层衬砌结构受力进行现场监测,并基于现场测试数据提出一种能计算软土地层海底盾构隧道设计荷载的方法.

当前盾构管片现场试验多集中在施工阶段,缺乏基于长期连续监测的相关研究.且监测手段也往往是应力计、应变计、测缝计等针对某一点的传统测量方法,后期可以考虑采用如光纤等高精度技术手段对管片全断面进行长期连续监测.

1.2.2室内相似模型试验研究 室内相似力学模型试验是按照原型结构与室内模型结构间的物理、几何关系建立物理模型,对复杂、难以准确建立数学模型的结构力学行为进行探究.通过室内模型试验可以对隧道结构受力初始阶段直至破坏时的形变以及应力分布状态进行探索,以此对隧道结构长期安全性评价提供可靠依据[45].

国内外学者根据研究目的不同研制了一系列试验系统,进而开展了大量盾构隧道主体结构力学特性试验.邱志强[41]设计了“侧V”型混凝土组合体,根据不同倾斜角混凝土试样组合模拟研究了施工荷载作用下不同推进阶段(直线段、入曲线段、全曲线段、出曲线段)及不同曲率半径管片结构受力破坏特征.Abdoun等[46]通过用高密度聚乙烯(HDPE)管道模拟衬砌管片,采用离心机试验,研究了土壤含水量、断层偏移率、管道相对埋藏深度和管道直径对埋地管道跨越走滑断层力学行为的影响.郭瑞等[47]等通过对南京长江盾构隧道环向管片接头进行的三组原型抗剪(无螺栓剪切、有螺栓逆剪和有螺栓顺剪)加载试验,分析研究了管片接头在剪力作用下的受力、变形和破坏特征.韩兵[48]针对盾构斜井管片力学性能试验的需要,设计制作了集加载系统、数据采集系统于一体的整环管片力学性能试验平台,利用张拉钢绞线对管片施加环箍力模拟水压力,利用贝雷架和液压千斤顶施加集中荷载模拟土压力,利用数据采集系统测量管片加载过程中的受力和变形情况.王士民等[49]依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了3种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律.

综上,关于管片力学特征的室内相似模型试验主要针对管片接头或仅考虑管片结构本身的条件下展开,少有涉及综合考虑地层因素的管片力学特征室内相似模型试验研究.如何准确确定物理模型与原位环境条件、原位结构的物理、几何相似比,尤其是材料的选择与配比,也应是未来关注的重点之一.

1.2.3盾构管片数值模拟分析 随着计算硬件及技术的发展,数值模拟方法在盾构研究中越来越普遍.数值模拟是将现场原型数值化,利用高速计算机并依据相关理论计算模型和现场勘测数据,分析模拟结构的受力状态.主要有基于连续介质理论的数值模拟和基于离散介质的数值模拟两大类,其中基于连续介质的数值模拟最为常见.广泛用于岩土工程的有限元方法主要有有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)、有限差分法(FDM)等.关于盾构管片力学特性理论计算模型中的多数模型,例如“梁-弹簧模型”“壳-接头模型”等,都是结合数值模拟的方法建立起来的.

宋克志等[50]构建了施工阶段的管片力学模型,并以某盾构工程施工参数为例,运用有限元方法实现该力学模型,按不同工况对其进行了数值模拟,并与现场实测结果进行了对比分析.邱志强[41]依托成都地铁1号线,建立了管片—注浆层—地层围岩相互作用数值模型,获得了不同曲率半径管片各项力学参数特征差异.葛世平等[51]根据管片接头受力特点及其构造,考虑对管片接头及其附近区域进行刚度修正,而管片其余区域保持原刚度不变,提出管片接头简化数值模拟方法—局部刚度修正法.梁敏飞等[52]依托武汉地铁8号线越江隧道工程进行建模计算分析,在已有双层衬砌梁-弹簧模型的基础上,提出了改进的双层衬砌盾构隧道三维壳-弹簧力学分析模型.

虽然数值模拟的方法在经济性、可操作性方面具有很大优势,但本构模型本身的不完善、模型构建过程中对条件的简化,都使其得出的结果与实际状况有所差异.

可以看出,现有管片力学特性相关试验研究主要集中在直线型隧道管片的宏观破坏型式或管片接头的探讨,针对荷载作用下小曲率半径盾构隧道管片力学响应鲜有报道,且研究尚未涉及曲线型隧道管片室内模型的建立.

2 小曲率隧道盾构管片力学特性及关键技术

对于小曲率半径隧道的定义目前尚无统一的定论标准,部分专家认为盾构掘进所能实现最小曲率半径是根据盾构机长度以及盾构机一次推进距离所确定的,其判断标准[53]为

R=(l2-s2)/4δ>(30～40)×D，

(1)

其中，l为盾构机长度(m)，s为盾构一次的推进长度(m)，δ为盾尾间隙(m)，D为盾构机外径(m).

而也有相关学者提出,盾构施工最小曲率半径应与盾构外径直接相关,并通过对已有施工实例进行了统计得出盾构外径与最小曲率半径的关系[54].

目前盾构管片的设计理论大多是以直线隧道正常使用阶段受力情况建立起来的,曲线隧道管片受力特性在正常使用期间和施工阶段均有很大不同,特别小曲率半径隧道盾构在施工阶段管片极易破损.当前施工的盾构隧道中最小曲率半径已达100 m左右,这无疑给盾构隧道建设带来了巨大挑战.

叶飞[55]等认为盾构管片在正常使用阶段,其受力特性常被简化为平面应变问题,对应的研究也较为成熟；而对于施工阶段,由于其复杂的约束条件,衬砌结构的受力为典型的三维问题,况且存在诸多的不确定因素.盾构隧道在施工过程中管片衬砌受到的主要荷载有千斤顶推力、注浆压力、上浮力、盾构机外壳作用力、拼装荷载等.而这些各种施工荷载的组合作用,通常会引起管片各种形式的破坏,诸如外弧面破裂、边角损坏、螺栓孔及定位孔处混凝土崩裂、管片局部浅层裂缝、管片整体贯通,以及管片渗漏水等危害.Milligan等[56]在现场试验的基础上,提出曲线段隧道呈波动状的管片与地层相互作用宏观模型和理论微观模型,给出了一种适用于计算曲线型隧道顶进力的理论方法.赵运臣[57]从设计、施工等方面,认为隧道设计半径与管片设计长度不相适应、背衬注浆量不足及浆液填充不均匀、工人安装不熟练等是盾构隧道曲线段管片破损的主要原因.蒙晓莲[58]采用地层-结构计算模型,对大坡度、小曲线半径工况下盾构隧道管片衬砌的受力特征进行了研究,分析了曲线半径、注浆方式、坡度大小等因素对管片受力响应的影响.苏文渊[59]基于现场原位试验,对盾构隧道施工引起的小曲率半径隧道管片轴向应力和环向应力的变化规律进行了总结分析.谢远堃[60]针对大坡度、小半径曲线盾构施工时的管片破损及上浮问题,结合盾构姿态、盾尾间隙、千斤顶状态、相邻管片的约束等方面对管片进行受力分析,讨论了引起管片破损及上浮的原因,并提出了相应的技术控制措施.由于小曲率半径盾构在施工时典型的三维力学特征,所以当前研究主要针对小曲率半径盾构施工过程中的施工荷载、施工工艺及不同工况对管片力学特征的影响展开,而关于小曲率情况下的管片力学特征理论计算模型研究较少.

可以看出,施工荷载在当今管片设计中越来越被重视,在进行小曲率隧道盾构设计时,要充分考虑施工阶段千斤顶推力、注浆压力、密封油脂压力、盾壳及盾尾密封刷挤压等各种施工组合荷载对管片的影响.针对小曲率隧道盾构,需要解决关键技术主要包括：

1) 盾构转弯时,千斤顶偏心推力过大,产生的推力作用于管片环,导致千斤顶撑靴一侧与管片形成较小的角度,与管片接触面积减小,这势必会在管片边角处产生应力集中,从而使混凝土管片边角处出现受压破坏,如图1所示[40].所以对于小曲率管片的荷载集中区域在管片制作时可考虑加密配筋,提高混凝土强度等措施.

(a)管片螺孔受拉破坏

(b)管片边角受压破坏

2) 在进行管片壁后注浆时,注浆压力应略大于该地层位置的静止水土压力,且应避免注浆浆液进入盾构机土仓[61].考虑到不同注浆点位水土压力的差别以及防止管片大幅度沉降或上浮,各注浆点可设置不同注浆压力,并应保持合适的压差,控制注浆速率,确保浆液填充均匀,从而达到最佳注浆效果.

3) 当盾构机进行曲线施工时,盾构机机头发生偏转,尤其在小曲率半径盾构隧道施工时,如若盾构机纠偏与隧道设计曲线不匹配,使盾构机机头偏转量超过盾尾间隙,更会造成盾尾与管片之间相互挤压,从而造成管片损伤,如图2所示[40].所以,在施工过程中应对推进速度、刀盘扭矩、千斤顶推力、注浆压力进行实时监测,随时优化掘进参数,调整盾构姿态，并且设置开挖参数时要考虑不同地质、水文条件的影响.

图 2 盾构机外壳挤压管片示意图

4) 由于隧道转弯,管片间除沿轴向有力外,还存在径向力的分量,使得管片间极易产生错台和破裂,所以盾构管片设计时长度要与隧道半径相适应,减小装配应力；在施工开始前,也应对施工人员预先进行培训,确保熟练安装.

3 结论与展望

地下铁路轨道交通系统是缓解现代城市综合病的最佳方法.随着国内外城市人口压力的增大以及地面车流量的持续上升,新建地铁里程将持续增加.而盾构法是目前地下铁路隧道修建的主要方法.本文主要分析了目前盾构管片力学特性理论计算模型与试验方法研究进展,提出小曲率隧道盾构管片力学特性与关键技术,得出结论如下：

1) 由于接头的存在,盾构管片是一种典型的组合结构,受力较为复杂.目前盾构管片理论计算模型大都是在着重考虑管片接头非线性特征的基础上建立起来,综合考虑地层条件的模型比较少,主要有均质圆环模型、多铰圆环模型、梁-弹簧模型、壳-弹簧模型、块体模型等.我国地铁设计中多采用多铰圆环模型.

2) 目前针对隧道主体结构力学特性及安全的研究方法多元化,如现场原位试验、室内模型试验、数值模拟等,主要集中在直线型隧道管片的宏观破坏型式或管片接头的探讨,尤其是室内模型试验,对曲线型隧道管片的研究更是少有涉及.

3) 随着地下构筑物越来越多,地质条件越来越复杂,小曲率半径盾构因其很强的适应性得到广泛应用.而小曲率半径隧道盾构极易造成施工阶段管片破损,其关键技术在于千斤顶压力、注浆压力、盾构姿态的控制.设计时也要保证盾构管片长度要与隧道半径相适应.

未来盾构管片力学特性模型的发展应该在充分考虑管片非线性条件的基础上结合地质条件综合分析,寻求更加接近原位实际工况的计算模型.而针对环境适应性更强的小曲率盾构隧道管片,还应考虑施工荷载的影响,建立与施工阶段相适应的小曲率管片力学特性模型.同时,如何真正获得现场小曲率半径隧道管片施工期、运营期变形、受力分布特征与演化规律是解决小曲率管片的关键.