基于有限元计算的盾构隧道扩挖影响分析
韩通
（中铁第四勘察设计院集团有限公司隧道院武汉430063）
【摘要】为研究单层和双层盾构隧道紧急停车带处断面扩挖的影响，进而对盾构扩挖施工流程进行总结，本文以某双向八车道盾构隧道为例，采用有限元计算软件，经数值模拟得出了盾构隧道扩挖的变形及受力规律，并由此总结了单层及双层盾构隧道扩挖的施工流程及工期，所得结论可为类似工程的设计与施工提供参考。研究结果表明，盾构隧道扩挖时:（1）拱顶及拱底处的地层竖向位移最大，可达1.14mm，需在此处增强加固措施，增设锚杆，以减小沉降;（2）竖向和水平应力集中在拱腰处，最大分别可达1672.9N/m、3022.02N/m，需加强此区域初支和二衬强度;（3）扩挖断面应力主要集中在断面外4m范围内，需加强此范围内的注浆加固;（4）采用交叉中隔壁法分区施工，按加固、临时支撑、破拆管片、初支及二衬施工等流程，工期约为180天。【关键词】盾构隧道有限元计算扩挖变形规律交叉中隔壁法
Analysis of Influence of Shield Tunnel Expansion and Excavation Bad on Finite Element Calculation
HAN Tong
(China Railway SIYUAN survey and design group CO.,LTD,Wuhan430063) [Abstract]In order to study the impact of c ross-ction expansion at the emergency stop zone of single-layer and double-layer shield tunnels,and to summarize the construction process of shield expansion,this paper takes a two-way eight-lane shield tunnel as an example,and obtain the deformation and force law of shield tunnel expansion through numerical simulation.And the construction process and construction period of single-layer and double-layer shield tunnel expansion were summarized.The conclusions obtained can provide references for the design and construction of similar projects.The rearch results show that when the shield tunnel is expanded: (1)The vertical displacement of the stratum at the top and bottom of the arch is the largest,which can reach 1.14mm,It is necessary to strengthen reinforcement measures here and add anchor rods to reduce ttlement・(2) The vertical and horizontal stress are concentrated at the arch waist,and the maximum can reach1672.9N/m and3022.02N/m respectively.The strength of the primary support and condary lining in this area should be strengthened.(3)The stress of the expanded ction is mainly concentrated within4m outside the ction,and the grouting reinforcement in this range needs to be strengthened.(4)Adopt the Center diaphragm for divisional construction.The construction process includes reinforcement,temporary support,broken pipe gments,primary support and condary lining.The construction period is about180days.
[Key words]Shield tunnel;Finite element calculation;Expanding excavation;Deformation law;Center diaphragm
1引言
自1843年第一座盾构法隧道——泰晤士河水底隧道完工以来，在世界范围内盾构法隧道在城市地铁和跨越江跨海交通建设方面得到了快速发展。继西欧、北美、日本等发达国家的地铁建设后，盾构隧道在中国各大城市（北京、上海、广州、南京、成都等）的地铁建设迎来了高潮，在城市地铁建设方兴未艾之时，公路及市政交通的迫切需求也涌现出一批大直径公路隧道及市政盾构隧道。进入21世纪以来，随着我国经济的高速发展和交通路网规模的不断扩大，隧道建设（尤其是大直径盾构隧道）也步入飞速发展的阶段。
根号怎么计算随着交通量的增加、新增通风或逃生空间以及
老旧隧道维修补强等，利用各种技术扩挖隧道的工程案例和相关研究也逐渐增多。倪迪⑴等以浙江温岭楼山隧道扩挖工程为背景，利用ANSYS软件模拟了双侧壁导坑法和台阶法2种爆破设计方案的爆破阶段动态过程，综合比选出安全合理的爆破方案；郑宏利切结合大帽山隧道的工程实践，通过现场监控量测工作，研究了复杂地质条件下原位扩挖CD工法施工形成大断面小净距隧道时围岩及支护的应力变形特性；陈典华冈研究了CRD法横向扩挖施工技术在北京地铁16号线甘家口站暗挖区间隧道施工中
的应用；贾磊⑷等以郑州市地铁2号线紫一东区间扩挖段为工程背景，采用MIDAS有限元软件对矿山法扩挖盾构区间引起的沉降规律进行了研究；祝岩等叫任磊等同也做了相关研究。
从以上研究过程中可以看到，目前国内对于交通隧道非全断面矿山法扩挖盾构断面（尤其是大直径单层、双层盾构隧道）的工程案例和研究尚少，这也是本文致力于研究的方向。
2工程概况
2.1工程介绍
某隧道工程拟采用盾构法修建，长度约3.3km，采用高速公路标准，设计速度lOOkm/h，双向八车道。
隧道拟釆用4管盾构，每管为单层2车道，共8车道。盾构断面管片内径11.1m，管片外径12.2m，管片厚度0.55m。限界总宽度9.75m，不设硬路肩，需设置紧急停车带，横断面如图1所示。
图1盾构隧道横断面布置图（单位:m）
根据《公路隧道设计规范》（第一册土建工程）（JTG3370.1-2018）[7]4.4.5及4.4.6条，单洞两车道的隧道应设紧急停车带，停车带长度不宜小于50m，其中有效长度不应小于40m，右侧加宽不小于3m，平面示意如图2所示。紧急停车带间距不宜大于750m，并不应大于1000m。
本方案采用两车道不设硬路肩的建筑限界，参考规范，并考虑经济性及施工难度，每隔750〜1000m设置一处港湾式紧急停车带，全线需设置3处。对于盾构断面，需在盾构掘进及管片拼装完成后，在设置港湾式紧急停车带处拆除部分管片再进行扩挖，扩挖典型断面如图3所示。
2.2工程地质情况
紧急停车带所处地层由上到下依次为粉质黏土、全风化砂岩。各层土的物理力学参数见表1。
表1各土层物理力学参数表
土层名称
容重
(kN/m3)
弹性模量
（MPa）
泊松比
粘聚力
C（kPa）
内摩擦
角①（°）粉质黏土19.0100.3886
全风化砂岩19.0157000.2725.023.5 3单层盾构扩挖数值模拟
3.1二维数值模型
本次计算采用二维数值模型，对紧急停车带处
断面扩挖进行数值模拟。
根据《公路隧道设计细则》囿9.3.3条：采用有限单元法对隧道支护结构进行计算时，计算区域的左右边界应在离相邻侧隧道毛洞壁面的距离达3~5倍以上毛洞跨度的位置上设置，下部边界离隧道毛洞底面的距离应为隧道毛洞高度的3~5倍以上，上部边界宜取至地表。同时结合圣维南定理和实际需要，取隧道模型尺寸为宽X高=110m X120m=假定隧道周围土体为弹塑性材料，破坏准则采用摩尔库伦准则，采用四边形网格单元。模型中管片、初支、二衬均采用一维梁单元，管片厚度0.55m，初支厚度为0.25m，二衬厚度为0.6m。模型中的锚杆长度3.75m，采用植入式桁架。
模型边界条件：边界条件架设为左右两侧水平方向固定，底部为竖直方向固定，上部即地表面为自由边界。整体计算模型及网格划分见图4，盾构扩挖部分放大示意见图5。
尺的组词施工步序为：初始地应力平衡、盾构开挖、施作盾构管片、位移清零、注浆加固及锚杆施作、分区域扩挖、二衬施工。
图5盾构扩挖部分模型放大示意图
3.2数值模拟结果及分析
经计算，可得到扩挖施工后的变形及应力分布情况，如图6-图8所示。
14
魔恋
97
80
DISPLACEMENT
62
28
10
07
24
042
j59
76
94
图6竖向变形云图
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图7竖向应力云图
老师工作计划
图8水平应力云图
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通过计算结果，可分析得到以下结论：
(1)扩挖拱顶及拱底处，即矿山现浇结构与盾构管片相接处，地层竖向位移最大，
最大可达
1.14mm。需在此处增强加固措施，增设锚杆，减小沉降。
(2)扩挖断面竖向和水平应力集中在拱腰处，最大分别可达1672.9N/m、3022.02N/m。需加强此区域初支和二衬强度。
(3)扩挖断面应力主要集中在断面外4m范围内，需加强此范围内的注浆加固。
(4)为减小拱顶和拱底的沉降，降低拱腰处受力，应在开挖前及时施作临时钢支撑。
4单层盾构扩挖施工流程
结合数值模拟结果及分析得到的结论，总结出单层盾构扩挖施工流程如下：
对于紧急停车带扩挖段，受隧道埋深和地面环境限制，需采用暗挖法扩挖，扩挖段应选择地质条件好，地下水不发育地段，扩挖区域管片采用钢管片替代部分钢筋混凝土管片，主要包含以下几部分：
(1)扩挖处采用钢管片，扩挖长度50m，考虑施工误差，需在扩挖处沿纵向52m(26环)。
(2)3环(6m)—个施工区段，共9个施工区段；采用间隔施工，一次3个间隔的3个施工区段，分3次施工
完成。工序段落划分如图9所示。
(3)每次施工完成后，二衬达到设计强度后再施工下3个区段。
图9扩挖工序段落划分示意图
每类区段施工详细步骤如下：
(1)第一步：洞内径向注浆
扩挖范围外4m进行注浆加固；扩挖开口端管片采用锚杆嵌固。同时，对扩挖段相邻的盾构隧道20环长度范围内管片纵向紧固，采用槽钢将管片连接，限制未拆管片的纵向变形。施工示意见图10o
(2)第二步：扩挖前采用I22b临时型钢支撑穿越拱顶钢管片插入拱顶土体，下部穿越拱底钢管片
图10单层盾构扩挖工序示意图(一)
插入拱底土体，盾构隧道下半断面堆填沙袋，进一步稳定钢支撑及压载隧道。施工示意见图11。
图11单层盾构扩挖工序示意图(二)
(3)第三步：采用交叉中隔壁法分左上、右上、右下3步开挖洞室，初支接头处采用与开口端管片I22b 型钢堵头墙连接，型钢与混凝土管片间通过背覆钢板连接，钢板在前期盾构隧道施作衬砌时预留。端头墙后采用注浆小导管加固土体。施工示意见图12。
图12
刘邦的老婆叫什么
单层盾构扩挖工序示意图(三)
⑷第四步：扩挖时先施工左上区域（①），及时将临时钢支撑与扩挖段初期支护连接牢固，然后进行各工序开挖，及时施工超前支护及初期支护。施工不意见图13o
图13单层盾构扩挖工序示意图（四）
（5）第五步：及时浇筑二衬混凝土。施工示意见图14o
图14单层盾构扩挖工序示意图（五）
（6）第六步：隧道接口处理：矿山法扩挖盾构隧道至接口处，采用超前小导管对临土区掌子面前方4m范围土体进行注浆加固。采用型钢喷混凝土施作堵头墙。开口端管片处施作暗梁，完成管片和二衬的连接。施工示意见图15。
扩挖施工工期为：加固10天、临时支撑架设10天、破拆管片10天、初支二衬施工30天，每处紧急停车带处3个施工区段的总工期为：（10+10+10 +30）X3=180天。
图15单层盾构扩挖工序示意图（六）
质的成语
5双层盾构扩挖施工流程
基金学习
通过单层盾构隧道扩挖的分析，总结出双层盾构扩挖施工流程（以下部扩挖为例）如下：
（1）第一步：扩挖范围内进行注浆加固；顶部施做长管棚；扩挖开口端管片采用锚杆嵌固；非扩挖部分釆用临时支撑固定。施工示意见图16o
图16双层盾构扩挖工序示意图（一）
（2）第二步：在超前支护和支撑的条件下，施做上部临时施工平台，拆除第一批钢管片，施做初支，挂网喷混。施工小意见图17o
黑芝麻馅图17双层盾构扩挖工序示意图（二
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