盾构隧道分析
摘要：本文针对盾构隧道施工过程中存在的问题，提出盾构隧道的二维有限元分析模型。假定土体为弹塑性介质，采用梁-节点不连续模型对盾构进行数值模拟，同时采用弯曲梁单元和节点单元分别对盾构的节段和连接头进行数值模拟。由于水泥浆通常用于填补衬砌与土体之间的空隙，因此在选择水泥浆的性能参数时，要考虑水泥浆在各个阶段的状态。此外，随着施工阶段的不同，土体和衬砌之间的接触条件也会发生变化，因此需要采用不同的应力释放系数来解释这种变化。以日本大阪地铁7号线采用的盾构法为例，对该方法在解决实际问题时的准确性进行评估。将数值计算结果与现场实测结果进行比较。结果表明本文所提出的数值计算方法可以有效地预估混凝土衬砌段和周围土体的变形、应力和弯矩。本文的分析方法对其它涉及软土地基盾构施工的地铁工程具有一定的参考价值。
关键词：地铁施工 盾构隧道掘进 土体-结构的相互作用 有限元法 地面沉降
一、引言
20世纪50年代以来，许多城市的建设不断发展壮大。但由于人口众多，土地资源短缺等因素，这些城市一直对高效、经济、环保的城市民用基础设施系统有着强烈的需求，因为有了这些基础设施系统，才能够满足成千上万的上班族的日常出行需求。地铁系统显然是满足需求的一个解决方案。为了减少在施工过程中对现有交通的影响，地铁建设通常采用隧道施工的方法。盾构法由于其施工效率高、安全可靠等优点，成为软土地基地铁隧道施工中最常用的隧道施工方法之一。在过去的30年里，盾构法经历了不断的改进和发展。新的盾构掘进技术包括土压力平衡盾构，泥浆盾构等等，这些技术都在这些年被提及和发展[1]。
盾构施工不可避免地会引起地层变形，盾构衬砌段也会受到周围土体的影响。这种土体与结构相互作用的影响是否能够准确预测，会在衬砌段设计、施工安全、地面沉降、现有结构和设施的潜在破坏、地铁系统运行等诸多方面都具有重要意义。
Peck[2]通过将沉降槽假设为高斯分布曲线，提出了软土地基中隧道开挖从而引起地基沉降这样的一种经验计算方法。根据地层损失率的预估，对实际地面沉降值进行了预测。该方法被Clough和Schmidt[3]以及Rowe[4]等工程师和研究人员使用和改进。最近，Schmidt[5]提出了基于半经验误差函数的地基沉降估算预报方法。虽然这些经验或半经验方法在盾构施工引起的地面沉降有一定的参考价值，但它们必须谨慎应用，因为这些经验或者半经验的方法可能不适用于与Wang[6]所基于的情况所不同的其他情况。
另一个重要的设计参数就是作用在衬砌上的荷载。这种荷载可以取覆岩压力和水压力的总和，也可以取采用太沙基公式、舒尔茨-杜德克法或其他经验方法所确定的荷载。值得注意的是，这种荷载只考虑盾构完成后的最终状态。因此为了更好地模拟衬砌和土体之间的相互作用，可以采用梁-弹簧模型，其中，衬砌和土体分别由梁和弹簧模拟。由于盾构隧道衬砌是由多个混凝土节段组成，许多研究人员和工程师在研究中也考虑了节段环形连接头的作用[7,8]。Lee和Ge[9]提出了一种在平面应变条件下将盾构隧道衬砌等效为连续环形结构的修正系数的方法。目前的文献综述表明，有三种被广泛接受的方法可以建立盾构节段的效应模型[10,11]。
此外，盾构施工通常采用分段施工技术和支护技术。因此，在不同的施工阶段，土体位移和衬砌力的影响是不同的。可以确定的是优化的施工工艺可以提高施工的安全性，减少对周围土体的扰动。因此，在盾构掘进设计中考虑实际施工过程就变得非常重要[12,13]。由于问题的复杂性，人们可能不得不求助于数值计算的方法来分析问题。众所周知，有限元方法是分析岩土力学中土体-结构相互作用的有力工具，它通过考虑施工过程、土层分布、复杂的几何形状、加载条件和衬砌接触面[14]等诸多因素，被应用于隧道开挖中。虽然从严格意义上讲，盾构法是一种三维的、时变的土体-结构相互作用的问题[15-18]，但许多工程师和研究人员已经证明，二维有限元模型仍然可以对隧道的动态做出相当准确的预测[12,19,20]。Benmebarek等人[21]提出了两种考虑二维模型中三维效应的方法。在Negro和de Queiroz[22]最近发表的一篇文章中，对盾构隧道分析的二维模型进行了进一步的评估。
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