余 熠
(中南大学湘雅医院，湖南 长沙 410008)
不同荷载作用下TBM隧道管片数值模拟分析
余 熠
(中南大学湘雅医院，湖南 长沙 410008)
介绍了TBM施工荷载的种类和产生原因，通过ANSYS有限元软件，从围岩压力、千斤顶推力、注浆压力等方面，模拟了不同荷载对管片结构内力及变形的影响，研究发现：偏心的千斤顶推力是管片产生受力和变形的最不利施工荷载，在盾构施工时应合理设计，避免出现应力集中现象，导致管片的破坏。
隧道工程，TBM，管片，施工荷载
1 概述
我国的城市化进程已经进入到城市加速发展阶段，地铁建设已成为城市交通体系不可缺少的组成部分[1]，而盾构法在地铁建设中的应用日益广泛[2-4]。对城市地铁隧道工程，盾构隧道在施工过程中管片的受力状态十分复杂，既有千斤顶压力、围岩及注浆压力，又有管片拼装阶段产生的各种不利荷载，这都将直接影响到隧道的安全使用和耐久性。如受施工荷载影响，重庆轨道环线某区段TBM推进过程中遇到不同程度的衬砌开裂(见图1)、局部渗漏、错台(如图2所示)等问题。
国内外研究者对于盾构管片的受力力学特性及变形特征做了大量研究。张建刚等[5]以武汉长江隧道为工程背景，采用壳—弹簧模型研究了不同幅宽和不同环间接头剪切刚度的管片衬砌结构力学分布特征；段红海等[6]以郑州地铁某盾构区间为研究对象，通过有限元方法对管片受力进行模拟，对比分析了施工阶段管片破损的影响因素。Shi等[7]研究了开挖引起的侧向荷载对已有盾构隧道的管片影响，分析了管片连接处受力与变形特征;Li等[8]建立了盾构管片的三维不连续接触计算模型，分析了施工荷载及螺栓对管片的变形受力影响。本文针对管片受力特性，通过有限元模拟方法，研究了不同TBM施工荷载对管片结构内力及变形的影响规律，以为今后类似工程提供参考。
2 TBM施工荷载
隧道施工过程作用于管片上的荷载主要有千斤顶的推力、围岩压力、注浆压力以及盾壳和盾尾对管片的挤压力。
1)千斤顶推力。千斤顶推力是在隧道开挖过程中以反力形式作用于盾构管片上的临时荷载。偏心千斤顶推力则是为了保证盾构机姿态与隧道设计曲线相一致而施加的力。通常在直线施工阶段一般偏心千斤顶推力较小，但遇到急曲线施工及局部使用与直线部分形状不一致的管片时，偏心千斤顶推力则会大大增加。
2)围岩压力。在常规管片设计中，围岩压力是必不可少的外力荷载，它不仅与围岩级别、围岩结构、地应力、隧道埋深等围岩性质因素有关，还与隧道跨度、隧道断面形状、施工方法等工程因素有关。在隧道施工实践中，准确预测隧道开挖引起的围岩压力对于隧道施工的安全施工具有重要意义，因此大量学者在这方面开展了相关研究，提出了很多预测方法，主要有经验公式法、解析法、数值模拟法以及模型试验方法。
3)壁后注浆压力。壁后注浆压力是为了控制地基沉降而在管片背后高压注入浆液产生的外力。
3 三维数值模型
采用有限元软件ANSYS对管片在施工过程中的受力进行模拟分析。为模拟整个施工过程中管片截面的横向与纵向受力情况，本文建立考虑施工荷载的管片—土体相互作用的三维有限元模型，如图3所示。
3.1 模型建立
为充分反映盾构施工对管片受力变形的影响，选取20环管片进行数值计算。管片的各组成部模拟单元为：钢筋混凝土管片采用Solid65单元；管片间接头弹簧及环间接头弹簧采用Combin14单元；地层弹簧采用Combin39单元；管片的相互接触采用Targe170及Conta173单元。表1为接头弹簧基本参数。地层弹簧边界采用全约束。图4和图5分别为建立的模型整体示意图和管片钢筋模型示意图。
表1 接头弹簧基本参数 kN/m
3.2 模拟结果
管片在正常使用阶段主要承受围岩压力和水压力，而在施工阶段不仅会受到围岩压力还会承受垂直或者偏心的TBM千斤顶推力以及注浆压力等，因此针对管片正常使用阶段和施工阶段的受力情况，对以下四种工况进行管片受力分析：1)围岩压力；2)围岩压力+垂直千斤顶推力；3)围岩压力+偏心千斤顶推力；4)围岩压力+偏心千斤顶推力+注浆压力。
图6为各工况下计算应力云图，由图6可知随着施工荷载种类的增加，管片的受力形式变得越来越复杂，应力也逐渐增大，最大的拉应力为30 MPa左右，发生在工况四下螺栓连接处。而最大的压应力为9 MPa，远小于C50混凝土的抗压强度32.4 MPa。同工况一和工况二相比，在有偏心的千斤顶推力作用下，危险截面产生在距离盾尾10环左右位置，产生较大的弯曲变形，故偏心的千斤顶推力是最不利的施工荷载之一。
图7为各工况下管片变形图。通过对比四种工况下Y方向变形值发现，随着施工荷载的增大，隧道的变形加大，工况四下管片变形最大。图8为管片仰拱和拱顶变形曲线。由图8可知，仰拱出现上浮现象，且变形在盾尾处最小。随盾尾的距离增加，仰拱变形出现先增大后减小现象，在距离盾尾10环左右。在只受围岩压力荷载下最大变形为2 mm，在偏心的千斤顶推力作用下，最大为17 mm。拱顶沉降在盾尾处沉降最大，随着距离盾尾的距离增大而出现减小趋势，在只受围岩压力荷载下最大沉降为2 mm，在偏心的千斤顶推力作用下，最大沉降为11.6 mm。
通过钢筋应力计算结果发现，钢筋的最大应力主要发生在仰拱的内侧，即隧道变形最大的地方；其最大钢筋拉应力为100 MPa，远远小于HRB400钢筋的屈服应力。
4 结语
针对不同施工荷载下TBM管片受力变形特征，通过ANSYS有限元数值模拟了围岩压力、千斤顶推力，千斤顶偏心推力、注浆压力及其组合对管片受力变形的影响，得出如下结论：
1)四种工况下应力分布大不相同，随着施工荷载种类的增加，应力也逐渐增大，工况四下应力最大。
2)在荷载作用下，仰拱变形随着盾尾的距离增大，出现先增大后减少现象，而拱顶沉降则随盾尾距离的增大而减小，二者均在有偏心的千斤顶推力作用下出现最大值。
3)偏心的千斤顶推力是管片产生受力和变形的最不利施工荷载，在盾构施工时应合理设计，避免出现应力集中现象，导致管片的破坏。
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[2] 李习伟,郑 昊,王全贤.基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站结构安全分析[J].土木工程学报,2016(9):96-102.
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Numerical simulation analysis of TBM tunnel segment under different stresses
Yu Yi
(XiangyaHospital,CentralSouthUniversity,Changsha410008,China)
The paper introduces TBM construction load categories and occurring causes. Through ANSYS finite element software, starting from aspects of surrounding rock pressure, jacking pulling force and grouting pressure, it simulates the impact of different load upon the segment structure internal-force and deformation. Research finds out that: eccentric jack pulling force is the most negative construction load for the segment force and deformation. Therefore, it is necessary to rational design in shielding construction, to avoid stress concentrated phenomenon and to lead to the segment damage.
tunnel engineering, TBM, segment, construction load
1009-6825(2017)13-0185-03
2017-02-16
余 熠(1988- )，男，工程师
U452
A
