盾构隧道壁后填充层对管片力学特性影响分析

摘要：盾构隧道壁后填充层材料不可避免地对隧道管片力学性能产生影响，为此依托某区间隧道项目，通过有限元数值模拟手段分析盾构豆砾石填充层密实度对管片力学性能和变形的影响。结果表明：管片各位置处径向位移存在较为明显差异，最大径向位移出现在拱顶位置处，最大径向位移达到9.2mm。随着豆砾石密实度的增加，各位置处径向位移增大，豆砾石密实度与管片径向位移呈现正相关关系。豆砾石在自然松填条件下管片弯矩和轴力均最低。随着豆砾石密实度的增加，其管片弯矩和轴力均上升，但其上升速率逐渐下降。豆砾石密实程度影响了管片各位置处与围岩的接触应力。随着豆砾石密实度的增加，管片各位置处接触应力增加，接触应力最大值由拱顶位置处变化为拱腰位置处。

关键词：盾构隧道；管片受力；壁后填充层；数值模拟

0 引言

随着我国交通行业的发展和城市化进程的推进，隧道项目越来越多，但由于地质条件的复杂性，盾构隧道管片结构极易出现裂缝，影响隧道运营安全，为此许多研究人员对盾构土体的力学性能和隧道变形的影响因素进行研究。

黄大维等[1]针对盾构隧道纵向抗弯刚度取值未考虑环缝接头拉伸刚度与纵向残余顶推力的问题，提出一种考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法。樊虎等[2]提出一种盾构过程中拱顶覆土两阶段沉降分析模型，验证了模型的有效性，预测车辆循环荷载和隧道盾构耦合作用下盾尾拱顶覆土沉降发展规律。刘明芳等[3]依托厦门市轨道交通2号线东孚站至马銮北站区间某区间段双线盾构隧道工程，通过现场监测和数值模拟手段分析了隧道施工过程中地表沉降、管片变形和隧道洞周孔隙水压变化的规律。

汪先国等[4]依托郑州市地铁轨道交通12号线胡庄站至龙子湖西站区间双线隧道工程，针对盾构穿越典型细砂地层，对双线盾构隧道施工引起的土体变形开展了数值模拟和现场实测研究。肖明清等[5]基于Roth模型建立的密封垫接触面气体泄漏模型，研究盾构隧道管片密封垫表面粗糙度与气密性的关系。周鸣亮等[6]为平衡专家评价的主观性和物理力学模型的客观性，提出了融合机器视觉结构病害检测信息和不同病害下结构性能分析的隧道安全状态评价方法，并通过现场实例证明了该方法的优越性。

本文依托盾构隧道实际案例，通过有限元软件建立盾构隧道数值仿真模型，分析了不同盾构壁后填充层条件下管片位移和受力情况的差异。本文的研究成果可为相似工程提供一定的借鉴、指导意义。

1 工程概况

本文某区间隧道项目，该区间隧道左线工程长6605.642m；右线工程长6616.133m。区间线路最小曲线半径为1300m，全隧纵坡采用“N”字坡，线路最大纵坡为28‰，最小纵坡为2‰，区间隧道洞身最大埋深259m，最小埋深10.3m，属深埋隧道。

区间施工方法主要为盾构法，矿山法辅助施工，共设置14处联络通道，为满足区间排水要求，于葵大4#横通道和9#横通道处设置两座排水泵房。管片内外半径分别为4m和4.4m，厚度为0.4m，幅宽1.8m。

本工程穿越区间地质较为复杂，地表高程差异较大，穿越地层主要为各类风化基岩，如泥质砂岩、炭质板岩、片麻岩、灰岩等，穿越地层岩石性质差异较大。

2 数值模型建立

2.1 基本假定

通过有限元数值软件根据工程实际情况建立了盾构隧道数值仿真模型，模型采用的假设如下：将围岩视为各向同性、匀质的材料，不考虑围岩的各向异性。计算参数选取通过现场钻孔和室内试验获得的岩石力学参数作为围岩参数的等效。隧道埋深通过围岩自重应力场等效模拟。盾构隧道填充层假设与围岩充分接触。

2.2 计算模型

模型尺寸根据工程实际情况设为60m×50m

×60m（长×宽×高），内外径长度分别为8m和8.8m，管片幅宽为1.8m，壁后填充层厚度设为0.17m，盾壳总厚度取75mm。边界条件方面，设置模型底部为固定边界条件，四周为法向约束边界条件，顶部为自由边界条件。

为在保证计算精度的前提下提高计算效率，在进行网格划分过程中对隧道周边土层采取了局部网格加密，共划分出312994个10节点有限元网格。该隧道模型网格划分情况如图1所示。

2.3 输入参数

在本次数值模拟过程中，围岩通过六面体实体单元模拟，按理想弹塑体考虑，本构模型选取摩尔-库伦模型。围岩的力学计算参数如表1所示。

采用梁单元模拟盾壳结构，壁后填充层、管片结构均采用实体六面体单元模拟。盾构部分结构组件的计算输入参数如表2所示。壁后填充层与管片、盾壳与围岩之间设有实体接触单元，摩擦系数设为0.3，膨胀角设为1°。

3 结果分析与讨论

3.1 管片径向位移

不同豆砾石密实度工况下的管片位移变化情况如图2所示。从图2可以看出，管片各位置处径向位移存在较为明显的差异，最大径向位移出现在拱顶位置处，其次分别为拱底和拱腰位置处，最大径向位移达到9.2mm。

随着豆砾石密实度的增加，各位置处径向位移增大，豆砾石密实度与管片径向位移呈现正相关关系。这说明自然条件下的豆砾石能够对管片变形起到更好的削减作用，即让压效果更为明显，而随着密实度的增加，削减了豆砾石的让压作用。

当豆砾石刚脱离自然状态密实度达到0.2后，各位置处管片径向位移明显增加，后随着密度度的增大其管片位移增加速率逐渐减小，直到达到密实状态后管片位移无明显变化。可见随着豆砾石密实度的增加，管片径向位移对其敏感性逐渐降低。

3.2 管片内力

不同豆砾石密实度工况下的管片弯矩变化曲线如图3所示。从图3可以看出，豆砾石在自然条件下管片正负弯矩数值最低，随着豆砾石密实度的增加，管片弯矩峰值逐渐增大。豆砾石由自然状态转变为密实度0.2状态过程中，管片弯矩增幅最大，后随着密实度的增加其弯矩增加速率逐渐下降。豆砾石达到密实状态后，最大正弯矩峰值达到了372kN·m，最小负弯矩峰值达到365kN·m。

图4展示了不同豆砾石密实度工况下管片轴力变化曲线。从图4可以看出，豆砾石在自然条件下管片轴力约为2250kN，随着豆砾石密实度的增加，管片轴力逐渐增大，管片轴力与豆砾石密实度呈现正相关关系。豆砾石达到密实状态后，管片轴力达到了8680kN。从变化速率而言，管片轴力随豆砾石密实度增加的速率随着密实度增加而降低。

整体而言，豆砾石在自然松填条件下管片弯矩和轴力均最低，自然松填条件下的豆砾石能够最大程度的发挥让压作用，结构能够达到最优受力。随着豆砾石密实度的增加，其管片弯矩和轴力均上升，但其上升速率逐渐下降，曲线越来越平缓。

图5展示了不同豆砾石密度条件下管片径向应力的分布情况。从图5可以看出，豆砾石在自然填充条件下管片径向应力分布曲线较为平缓。随着豆砾石密实度的增加，管片径向应力增加，应力在管片各位置处分布亦越加不均匀，其不均匀程度也逐渐上升。

3.3 接触压力

图6展示了不同豆砾石密实度工况下各位置处的接触压力变化情况。从图6可以看出，豆砾石在自然填充条件下管片各位置处接触压力数值最小，拱顶、拱腰和拱底的接触压力分别为0.2MPa、0.29MPa和0.32MPa，拱腰位置处接触应力最小。

随着豆砾石密实度的增加，管片各位置处接触应力增加，且增加速率存在差异，导致管片各位置接触应力大小关系发生变化，接触应力最大值由拱顶位置处变化为拱腰位置处。豆砾石达到密实状态后，拱腰位置处接触应力达到0.89MPa。可见，豆砾石密实程度影响了管片各位置处与围岩的接触应力。

4 结束语

本文依托某区间隧道项目，通过有限元数值模拟手段分析了盾构填充层材料对管片力学性能的影响。得出主要结论如下：

管片各位置处径向位移存在较为明显的差异，最大径向位移出现在拱顶位置处，其次分别为拱底和拱腰位置处，最大径向位移达到了9.2mm。

随着豆砾石密实度的增加，各位置处径向位移增大，豆砾石密实度与管片径向位移呈现正相关关系。

豆砾石在自然松填条件下管片弯矩和轴力均最低，自然松填条件下的豆砾石能够最大程度发挥让压作用，结构能够达到最优受力。随着豆砾石密实度的增加，其管片弯矩和轴力均上升，但其上升速率逐渐下降，曲线越来越平缓。

豆砾石密实程度影响管片各位置处与围岩的接触应力。随着豆砾石密实度的增加，管片各位置处接触应力增加，且增加速率存在差异，导致管片各位置接触应力大小关系发生变化，接触应力最大值由拱顶位置处变化为拱腰位置处。

参考文献

[1] 黄大维，姜浩，罗文俊，等.考虑纵向残余顶推力的盾构隧道纵向抗弯刚度解析算法[J].中国公路学报，2024，37（1）：165-174.

[2] 樊虎，庄妍，宋相伟.运营期浅埋公路隧道拱顶覆土层力学分析模型及沉降规律研究[J].中南大学学报（自然科学版），2024，55（1）：230-241.

[3] 刘明芳，陈明辉，吴振元，等.基于流固耦合的双线盾构隧道施工诱发地表沉降分析[J].湖南文理学院学报（自然科学版），2024，36（1）：67-75.

[4] 汪先国，周凤印，李志朋，等.土压平衡盾构双线掘进对饱和砂土层的变形影响研究[J].河南科学，2024，42（1）：62-70.

[5] 肖明清，钟元元，陈鹏，等.盾构隧道管片接缝密封垫气密性提升试验研究[J].现代隧道技术，2023，60（6）：262-268.

[6] 周鸣亮，汪长松，黄宏伟，等.融合机器视觉与性能分析的运营盾构隧道结构安全状态评价[J].应用基础与工程科学学报，2023，31（6）：1461-1476.