土层参数对双圆盾构衬砌内力的影响

张 坚，邢心魁，2，李 迎，吴芳君，查 宇

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004;2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004)

土层参数对双圆盾构衬砌内力的影响

张 坚1，邢心魁1，2，李 迎1，吴芳君1，查 宇1

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004;2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004)

双圆盾构纠偏过程会引起已拼接管片内力的复杂变化，土质参数还会影响到纠偏的效果。针对这些问题，采用弹塑性有限元数值方法，分析土质参数对纠偏前后衬砌结构内力的影响以及土质参数对纠偏效果的影响。结果表明，内摩擦角是影响衬砌内力最敏感的因素，随着内摩擦角的增大，施加相同大小纠偏力产生的纠偏效果越来越不显著，纠偏引起衬砌内力发生较大改变，某些节点的内力增大，有些节点的内力减少甚至发生符号的反转。

双圆盾构；纠偏；土层参数；有限元法；偏转角度

随着隧道建设的快速发展，寻找更合理的隧道断面形式和施工工艺方法成为当前的一个重要课题[1]。在日本，1981年，萌生了2条隧道一次性施工的双圆盾构施工法的基本构想，并于1989 年在日本广岛首次应用于实际工程[2-4]。实践证明双圆盾构隧道，能很好地节约地下空间，降低工程造价，缩短施工工期[5-7]。

由于盾构机两侧土质的不均匀、施工中的不当操作或盾构机的制造误差等因素[7-8]，盾构施工中常常会发生偏转。为了保持双圆盾构的推进方向，在施工过程中，需及时进行纠偏。在常用的双圆盾构纠偏方法中，常采用在盾构机单侧堆重物(模拟计算时简化为集中力)，实现对盾构机的纠偏[9]。

在纠偏过程中，部分纠偏力矩会作用在已拼接的衬砌上，从而导致衬砌内力的复杂变化[2]。另外，由于盾构机隔舱空间有限[9]，要求压重的体积和荷载要控制在一定范围内。所以，该方法较适合纠偏荷载较小的软土地层。由于土性参数各异，纠偏引起的衬砌内力改变对土层参数变化的敏感性也各不相同。本文借助有限元软件，分析土层参数对纠偏效果和纠偏过程中衬砌结构内力的变化规律[10-12]。

1 有限元分析

1.1 模型计算范围与边界条件

为简化计算，采用平面应变模拟分析双圆盾构纠偏过程中衬砌内力的变化。两圆形盾构的直径为6 m，两圆中心的距离为4.6 m，隧道中心埋深为12.5 m，底部距中心27.5 m。计算范围设定为:两侧边界距隧道中心37 m。位移边界条件为：衬砌内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部约束竖向位移。图1为有限元模型和网格划分。

图1 有限元模型和网格划分(开挖后)(单位：m)

1.2 计算参数

采用有限元软件模拟分析隧道开挖时，土体的应力应变关系采用D-P屈服准则，双圆盾构衬砌取为弹性体[13-15]。参照文献[15-16]，材料的物理力学参数见表1。

有限元模拟内容包括：(1)单侧压重纠偏对衬砌内力的影响；(2)土层参数变化对纠偏前后衬砌内力的影响；(3)土层参数变化对纠偏效果的影响。参考上海地区经验，当双圆盾构偏转角达到0.6°时，即需进行纠偏[2-3]。采用单侧压重的方式使其恢复到水平位置， 需要在45节点，即距离隧道中心右侧3.69 m的地方施加600 kN左右的集中力(图2)。分析在偏转状态下衬砌结构的内力以及加力纠偏引起衬砌内力的变化。

表1 材料的物理力学参数

另外，以表1参数为参照，将土性参数中的弹性模量、黏聚力和内摩擦角保持其中的2个不变，另一参数分别增大10%、20%、40%、80%，计算纠偏前后的衬砌内力的变化规律，以及不同土质参数条件下偏转角度的变化。

2 结果分析与讨论

2.1 单侧压重纠偏荷载引起衬砌内力分布的变化

图2为衬砌结构控制节点编号和加载位置图。对于初始偏转角为0.6°的衬砌结构，其内力值称之为纠偏前内力；施加纠偏力，使其恢复到水平位置，此时的内力，称为纠偏后内力。

图2 衬砌结构控制节点编号和加载位置(单位：m)

由各工况条件下衬砌单元的内力值，通过应力计算公式可计算出混凝土的拉压应力，其值均小于混凝土的极限拉压应力值，故各工况条件下该结构均能满足强度要求。另外，对产生应力集中现象的中隔墙，通过加厚其衬砌厚度保证结构的安全。

图3～图5分别为纠偏前后控制节点内力值。由图3可知:单侧压重纠偏后，对于弯矩值，压重侧底部节点8和对侧顶部节点3的弯矩方向发生了变化。其他节点数值变化最明显的是中隔墙底部节点2，增大幅度为50 kN·m左右。纠偏前后弯矩值最大的节点均是中隔墙顶部节点1，说明侧向偏转的发生，使得隧道中隔墙产生了较大的应力集中[7]。

图3 纠偏前后各控制节点弯矩值对比

由图4可知:压重纠偏后，压重侧底部节点8的剪力方向发生了变化，但纠偏前后其剪力幅度均不大；中隔墙底部节点2增大33 kN左右，双圆左侧顶部节点3则减少了27 kN。除中隔墙处节点1、2外，纠偏后最大剪力控制节点发生了变化，纠偏前是节点3，纠偏后为节点7。

图4 纠偏前后各控制节点剪力值对比

由图5可知：对于轴力值，纠偏前后各节点均为压力，其中衬砌轴力最小值均发生在衬砌结构顶部(节点3和7)，而两侧底部和中隔墙底部节点变化幅度较大，其中压重侧底部的节点8变化幅度达91.18 kN。

图5 纠偏前后各控制节点轴力值对比

综上可知，对于双圆盾构隧道，采用单侧压重纠偏对衬砌结构的内力值会产生很大影响。压重侧底部节点的剪力和弯矩方向均发生变化，轴力数值变化最大。中隔墙底部的节点剪力和弯矩数值变化最大。因此，由于纠偏集中力的存在，使得集中力附近的节点内力数值变化很大甚至发生符号的反转。对于内力值变化较大的节点和内力方向变化的节点， 在设计衬砌时应特别注意[2]。

2.2 土性参数的变化对偏转效果的影响

对于土层的弹性模量、黏聚力和内摩擦角3个变量，保持其中2个参数不变，让另一个参数分别增大10%、20%、40%、80%，对于初始偏转角为0.6°的双圆盾构，施加相同的纠偏力之后的纠偏效果如图6所示。

图6 不同土层参数时双圆盾构偏转效果对比

初始参数状态下，施加600 kN集中力后，初始给定0.6°的双圆盾构的偏转角回转到0.01°。随着纠偏力的增大，偏转角逐渐向0°回转，说明单侧压重纠偏有效安全。由图6可知：随土层参数的增加，即土质越来越硬，土体强度越来越大，施加相同纠偏力的情况下，纠偏转动角度逐渐变小，纠偏效果逐渐不明显。3条曲线的变化趋势均是由平缓到陡峭，说明土层参数的小幅增加对纠偏效果影响不大，但当土层参数增大40%以后，对纠偏效果影响明显增大。在弹性模量、黏聚力、内摩擦角3个参数中，内摩擦角的变化对纠偏转动效果的影响最为显著。当内摩擦角增大80%时，偏转角度由0.6°锐减至0.2°左右。

2.3 土层参数变化对纠偏前衬砌内力的影响

2.3.1 各参数的变化对弯矩值的影响

现选取中隔墙顶部的节点1为例，具体介绍土层参数的变化对纠偏前衬砌结构内力值的影响。

图7为各参数变化时中隔墙顶部节点1的弯矩值变化图。从图7可知，随土层黏聚力、内摩擦角的增大，弯矩值逐渐增大；随弹性模量的增大，弯矩值则逐渐减小。3种参数中，弹性模量变化对衬砌弯矩影响最小；黏聚力和内摩擦角对弯矩的影响规律类似。随着内摩擦角的增大，弯矩数值变化幅度最大。可见，衬砌结构弯矩值对内摩擦角最敏感，黏聚力次之。

图7 各参数变化时节点1的弯矩值变化

2.3.2 各参数的变化对剪力值的影响

随弹性模量的增大，除压重侧底部节点8数值增加外，其余节点的数值都有所减小；随黏聚力的增大，两侧水平位置的4，6节点和压重侧对侧底部的节点5的数值减小，其余节点的数值增大；随内摩擦角的增大，压重侧水平位置处的节点6和对侧底部节点5的数值减小，其余节点的数值增大。

图8为各参数变化时节点1的剪力值变化图。可以看出：随土性参数的变化，各节点剪力变化与弯矩变化规律类似。

图8 各参数变化时节点1的剪力值变化

2.3.3 各参数的变化对轴力值的影响

随弹性模量的增大，两侧底部和中隔墙底部的节点数值减小，其余节点数值增大；随黏聚力的增大，两侧顶部和底部的4个节点数值减小，其余节点增大；随内摩擦角的增大，两侧水平位置处的节点数值增大，其余节点减少。

图9为各参数变化时节点1轴力值变化图。与弯矩和剪力值变化相同的是：随着内摩擦角的增大，轴力值变化幅度最大。不同点是：随弹性模量和黏聚力的增大，轴力数值逐渐增大;随内摩擦角的增大，轴力值则逐渐减小。随着各参数的增加，轴力的变化幅度均在3%以内。

图9 各参数变化时节点1的轴力值变化

2.4 土层参数变化对纠偏后衬砌内力的影响

图10～图11为纠偏后中隔墙顶部的节点1随土性参数变化时，衬砌弯矩和剪力值。8个节点的弯矩和1～7节点的剪力变化规律和纠偏前相同。不同的是：随土性参数的增大，压重侧底部的节点8，纠偏前， 剪力值逐渐增大；纠偏后，其值逐渐减小。

图10 各参数变化时节点2的弯矩值变化

图11 各参数变化时节点2的剪力值变化

3 结论

本文利用有限元数值模拟的方法，分析双圆盾构施工时纠偏前后的内力变化;同时分析了土性各参数变化对纠偏前后衬砌内力和纠偏效果的影响程度和变化规律。得到以下结论。

(1)双圆盾构纠偏后压重侧底部和对侧顶部的节点弯矩符号发生了变化;压重侧底部节点剪力符号发生变化;轴力数值有较大变化，但均为压力。中隔墙底部的节点弯矩和剪力数值变化最大，压重侧底部的节点轴力值变化最大。

(2)土层的弹性模量、黏聚力、内摩擦角均会影响偏转效果，尤以内摩擦角的影响最大。当施加相同纠偏力时，若内摩擦角增大80%，则纠偏转动角度由0.6°降低为0.2°。

(3)纠偏过程中，随土层黏聚力和内摩擦角的增大，衬砌弯矩和剪力增大，随弹性模量的增大，其值则减小。轴力的变化幅度均在3%以内。衬砌结构内力值对内摩擦角最敏感。

(4)双圆盾构隧道施工过程中，纠偏造成的衬砌内力变化不能忽略，应及时监测推进方向和纠偏。另外，实际施工中，应根据土层性质对衬砌内力进行预测，以保证施工安全。

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Impact of Soil Parameters on Internal Forces in Lining of DOT Shield

ZHANG Jian1， XING Xin-kui1，2， LI Ying1， WU Fang-jun1， ZHA Yu1

(1.College of Civil Engineering and Architecture， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China;2.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering， Guilin 541004， China)

Correction process in Double-O-Tube (DOT) construction causes complex changes in the internal forces of lining segment， and soil parameters also impact correction result. To solve these problems， the finite element method is adopted to analyze the impact of soil parameters on the internal forces in lining before and after correction， and the impact of soil parameters on correction result. The results show that friction angle is the most sensitive factor affecting the internal force in lining. With the friction angle increases， correction result is increasingly less obvious under the same correction force， the correction causes the internal force in lining to change greatly and the internal force increases at some points， and decreases at other points， or even sign reversal occurs.

Double-O-Tube tunneling; rolling correction; soil parameters；finite element method；deflection angle

2014-12-28；

2015-01-05

广西岩土力学与工程重点实验室基金资助项目(11-CX-03);国家自然科学基金项目(51068004)

张 坚(1990—)，女，硕士研究生，2013年毕业于河南理工大学土木工程专业，工学学士，E-mail：1058048768@qq.com。

1004-2954(2015)09-0121-04

U45

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.027