盾构隧道施工对管片受力性能影响及管片防破损对策研究

盾构隧道施工对管片受力性能影响

及管片防破损对策研究

孙　凯

（中铁建云南投资有限公司　云南昆明　650200 ）

【摘　要】盾构隧道广泛应用于交通基础建设领域。由于施工环境影响及隧道结构受力复杂综合原因，造成管片破损开裂的现象在盾构隧道施工阶段频繁发生，这直接影响到盾构隧道的耐久性，盾构管片在施工过程中的受力过程和受力特性的分析研究显得尤为重要。笔者经过长期的工程实践，以多个盾构隧道工程项目为依托统计分析施工阶段管片开裂致因，并基于有限元数值计算软件ANSYS建立盾构隧道二维-三维模型对盾构衬砌管片的受力性能进行了详细分析，并针对导致管片破损主要原因的典型施工工况提出了预防管片破损的指导原则和控制措施，以期做到事先预防、事中控制以及事后养护的全过程控制的目的。

【关键词】盾构隧道；盾构管片；受力性能；统计分析；数值计算【中图分类号】U455　　　　　 【文献标识码】A

1　概　述

我国城市轨道交通产业近年来迅猛发展，盾构掘进法是目前交通基础建设领域施工的主要施工方法。管片是整个盾构隧道的骨架，衬砌管片的安全性能对整个隧道长期安全运营至关重要[1]。盾构隧道施工过程中，由于施工环境影响及隧道结构本身复杂的受力状态使得管片在施工阶段出现不同严重程度的破损，这一直是困扰国内外工程技术人员比较棘手的问题[2-5]，也是相关行业规范重点把控的环节[6-8]，必须妥善处理。卢岱岳等统计分析了某地铁隧道施工期管片衬砌结构大范围开裂及脱落的病害形态、分布规律以及危害程度[9]，对施工阶段受力性能分析并未深入研究。迟家凤就盾构隧道管片上浮、错台、破损、裂纹等问题提出了一些工后解决措施，并未深入理论分析[10]。邹佳光结合南京长江隧道工程实际，针对管片在自重作用下盾构隧道负环管片进行了相关分析，表明位于拼装基座上的管片处于无预应力状态，其底部区域的接头应力较大

易张开，影响结构正常使用[11]。李文秋只针对具体的工程实际探讨了地铁盾构施工中管片破损原因，从减少漏水、漏浆的角度出发提出了几点措施[12]。为了保证盾构隧道施工的质量，本文结合大量的工程实践，开展隧道施工阶段管片开裂致因分析以及对管片结构受力性能的影响研究，提出了典型施工工况下预防管片破损的指导原则和控制措施。

2　盾构隧道施工阶段管片开裂致因

盾构法隧道施工过程中，隧道结构受力复杂，笔者根据多年在成都地铁2#、5#、7#线，南京地铁10#线以及昆明地铁1号线施工管理过程中遇到的实际情况，发现多发生于管片外侧和角部管片破损，主要以管片崩角、管片崩边、管片裂纹形式呈现（如图1所示），在远离盾构千斤顶一侧的管片边缘裂缝较多，在手孔与管片环缝边缘之间的斜向管片裂缝尤其较多；注浆地段盾构封顶块常向隧道内部空间发生位移形成管片变形和错台。笔者根据多年现场管理经验发现盾构管片质量不合格、管片搬

【收稿日期】2019-01-25

【作者简介】孙凯（19-），男，江苏江阴人，大学本科，工程师，主要从事地铁隧道及工程项目管理相关工作。

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运与拼装操作不规范、盾构姿态与管片姿态不吻合、千斤顶推力不均匀以及壁后注浆量分布不合理是造成管片破损的主要原因，图2给出了昆明地铁1#线管片破损致因统计结果。

图1　盾构隧道施工阶段管片破损现场

盾构管片质量不合格盾构姿态与管片姿态不吻合管片搬运与拼装操作不规范千斤顶推力不均匀壁后注浆量分布不合理

其他

18.1%22.1%11.5%

12.8%

6.2%29.3%图2　施工阶段管片破损现场管片破损统计结果

3　施工阶段管片结构受力性能

盾构法隧道施工过程中，隧道结构受力复杂，管片破损致因众多。前述统计发现起主导作用的三个关键因素是管片的搬运与拼装、盾构推进姿态以及千斤顶推力的控制，主要针对破损致因关键因素建立力学模型，研究管片破损机制。盾构管片是由预制钢筋混凝土管片块、连接螺栓及填充密封材料组成，属于非均质连续体[13,14]，本文采用有限元分析方法实现衬砌管片的实际受力特性分析。某盾构隧道管片厚度为0.45m，管片宽度为2.0m，管片采用C50混凝土，弹性模量为3.45×104MPa，泊松比为0.18，密度为2450kg/m3。隧址所在地层有三类，地层属性详见表1。

表1　隧址所在地层岩土体属性参数

属性弹性模量/MPa

泊松比

重度/kg·m3

内摩擦角/°厚度/m

地层13.940.3518.161220.60.320.3825163

350

0.18

22.8

20

18

3.1　管片搬运与拼装不规范工况

盾构法隧道施工过程中，管片在拼装过程中，由于生产、运输过程管片磨损等因素，以及管片拼

装不规范使得两环管片在拼接过程中出现拼接缝隙。此时，施加千斤顶推力，拼接缝隙的受力会发生变化。笔者对施工阶段管片拼接缝隙误差模型采用PLANE 42单元-2D平面受力模型分析，网格划分单元为0.5m。建立的模型及计算如图3所示。

图3（c）变形结果中由于拼接缝隙的存在，管片的变形在裂隙部位不对称，且存在缝隙一边的变形明显要大于无缝隙边的一边；存在足够大缝隙的一环管片甚至还会影响到下一环管片的变形情况。

图3（d）应力结果图中，管片拼装缝隙的存在并没有使管片产生更大的应力集中现象，同时也没有拉应力出现，但是拼接缝隙的两端明显出现压应力增大的趋势。因此，管片拼接缝隙的存在，使得变形增大，很可能导致两环拼接好的管片发生松动、错台等现象；同时变形过大可使管片边角部分混凝土脱落。管片中细微拼接缝隙虽然没有直接产生拉应力，但是会使缝隙两边的压应力过大，这也是导致管片结构损坏的一个因素。

千斤顶推力

千斤顶推力

轴向压力轴向压力拼装缝隙（a）管片拼装力学模型

（b）含缝隙管片拼装有限元模型

（c）含缝隙管片拼装变形计算结果

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西南公路

（d）含缝隙管片拼装应力云图

图3　管片拼接缝隙较大误差模型及计算结果

3.2　千斤顶推力

千斤顶推力对管片稳定、变形以及破裂都有着相当重要的影响。在盾构机推进过程中，千斤顶推力能够维持管片稳定，同时能够为围岩注浆等后续工作提供一个基础。但是，由于盾构机所面对的地层条件千变万化，千斤顶不得不经常改变推力来保持盾构机平稳地进行顶进工作，由于千斤顶压力的变化容易使管片受力不均匀，局部拉应力过大而导致管片开裂。笔者对施工阶段混凝土管片采用采用SOLID 45单元-3D受力模型分析，弹簧单元采用COMBIN14，不同千斤顶推力模型下管片受力响应结果如图4所示。

（a）施工期管片三维力学模型（b）施工期管片三维有限元模型

（c）千斤顶推力：0kN变形图（d）千斤顶推力：0kN应力图

（e）千斤顶推力：12000kN变形图（f）千斤顶推力：12000kN应力云图

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（g）千斤顶推力：22000kN变形图（h）千斤顶推力：22000kN应力图

（i）千斤顶推力：32000kN变形图

（j）千斤顶推力：32000kN应力图

图4　不同千斤顶推力模型下管片受力响应结果

图4不同千斤顶推力力学响应结果可知，在不受千斤顶推力前，管片的变形主要是竖向变形，表现为上下管片集中向中间挤压，导致中间部分区域出现受拉区，而导致混凝土管片开裂。

上下部分的压应力也明显高于两边的压应力，导致管片存在竖向垮塌的风险。在分别施加12000kN、22000kN、32000kN的千斤顶推力时，管片整环沿环向的受力变得越来越均匀，但是整环的压应力也越来越大，最大时240MPa。在与盾尾千斤顶接触的一、两环管片中，出现很明显的应力集中现象。

在盾构机行进过程中，由于要经常改变千斤顶

推力大小，这种循环加载会使得应力集中现象的影响大大加强，从而导致管片破损。3.3　盾构姿态与管片姿态不吻合

在盾构隧道行进过程中，受地层、上部结构物、地貌等因素影响，在盾构机行进过程中盾构机的中轴线与管片轴线分别在水平和竖直方向形成水平倾角和竖向交角，这会使千斤顶轴线方向与隧道

轴线方向出现不吻合导致千斤顶推力对管片产生偏压，这对管片结构受力的影响很大。为此笔者考虑一般缓和曲线和一般竖曲线的选线设计影响，施工阶段盾构-管片姿态不吻合模型采用SOLID 45单元建立水平管片水平倾角和竖直交角三维受力模型，千斤顶推力取为12000kN。盾构-管片姿态不吻合有限元模型及管片受力响应结果如图5所示。

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顶压力端，曲率内侧出现了大面积的混凝土拉应力区，这是管片很容易出现开裂的部位。

图5 在竖直方向存在倾角工况的管片力学响应

（a）水平倾角下管片有限元模型

（d）竖向倾角下管片有限元模型

结果可知：竖向倾角下，管片受千斤顶推力的作用，除轴向变形以外，还出现了竖直向下的变形，使得管片的曲率半径变大。整个千斤顶推力作用的前几环都向下变形，导致了中间环可能出现变形过

（b）水平倾角下管片变形计算结果

（e）竖向倾角下管片变形计算结果

大而导致管片环之间的连接螺栓松动，而无法使用的现象。从计算的应力云图结果看出，整个千斤顶推力作用的前几环，拉应力分布很明显，甚至可能导致开裂。而不受千斤顶推力作用端，由于下部所

（c）水平倾角下管片应力云图（f）竖向倾角下管片应力云图

图5　盾构-管片姿态不吻合有限元模型

及管片受力响应结果

受压应力过大，甚至最大超过了混凝土抗压强度，必将导致该区域混凝土受压破坏。

图5 在水平方向存在倾角工况的管片力学响应结果可知：

水平倾角下，管片受千斤顶推力的作用，除轴向的变形以外，还出现了向外侧偏移的变形，使得管片的曲率半径变大，导致外侧混凝土受压，内侧混凝土受拉。但是存在千斤顶作用力时，这种影响并不明显；在不受千斤顶压力端，这种现象较为明显，导致曲率内侧的混凝土可能部分出现开裂现象。从计算的应力云图结果看出，在管片水平弯曲角度最大的地方，管片环上出现了很大片的压应力区，而外侧则有可能出现拉应力区；而在不受千斤

4　施工期管片破损预防对策

通过施工阶段盾构管片开裂致因现场统计及力学分析映证，管片搬运拼装不规范、千斤顶推力不合理以及盾构-管片姿态不吻合等因素是导致施工阶段管片局部破损的主要原因。为了保证盾构隧道施工的质量，笔者根据多年盾构隧道施工现场管理经验提出了盾构隧道施工期管片破损预防对策，需在施工前预防、施工过程严格控制、施工后合理养护，详细指导意见详见施工阶段预防管片破损对策流程（如图6所示）。

施工阶段预防管片破损对策施工前预防管片生产现场监督严格控制生产工艺确保混凝土密实度管片质量是否达标管片进场指示整改不达标施工过程控制搬运、拼装形成严格供应-运输-放置指令；全程机械化智能化运输；减少管片的撞击 轻吊慢放；及时设置弹性封条、传力衬垫；提前贴好防水附属材料；及时测量调整管片平整度环纵向螺栓全面复紧；封顶块、拱底块安装前预留合理间隙，减少卡壳。盾构-管片姿态千斤顶推力调整注浆浆液配比；缩短浆液的凝固时间；及时调整盾构掘进参数确定合理的掘进模式、土压力值、掘进速度等掘进参数；严格控制各区域油压开度及大小。盾构推进前检查油泵衬垫的完好情况并及时更换在不超出偏差范围的前提下，适当调整盾构姿态，可采取如下两种措施使盾构机与管片尽可能处于同心状态：（1）粘贴纠偏锲调整衬砌环面；（2）推进时前半环顺着管片原轴线方向推进，待管片与机壳之间的缝隙增大后，后半环推进时再对盾构姿态进行调整。工后严格检查不达标指示整改 施工后养护图6　盾构隧道施工期管片破损预防对策

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西南公路

5　结　语

通过盾构法隧道典型施工工况的管片力学分析和现场实际统计可以看出，本文所依托的典型施工工况对管片受力性能的影响规律是合理的，能够较好地解释施工阶段管片的开裂原因和破损位置，并提出了盾构隧道施工期管片破损预防对策。

（1）在盾构机行进过程中，由于要经常改变千斤顶推力大小，这种循环加载会使得应力集中现象的影响大大加强，从而导致管片破损。

（2）管片拼接缝隙的存在，使得变形增大，可使两环拼接好的管片发生松动、错台等现象。同时变形过大还可导致片边角部分混凝土脱落。管片中细微拼接缝隙虽然没有直接产生拉应力，但可使缝隙两边的压应力过大使得管片结构损坏。

（3）水平倾角下，管片受千斤顶推力的作用，外侧会出现拉应力区，在不受千斤顶压力端，曲率内侧出现大面积的混凝土拉应力区，这是管片开裂的重点部位。竖向倾角下，管片受千斤顶推力的作用，在不受千斤顶推力作用端，由于下部所受压应力过大，这是管片受压破坏的重点部位。

（4）盾构隧道施工时，需在施工前做好预防、施工过程严格控制、施工后合理养护三个阶段同时发力，特别在施工过程中要控制好管片拼装、千斤顶推力以及盾构姿态，以期在盾构隧道管片质量管理中做到事先、事中和事后全过程控制的目的。

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参 考 文 献

[1] 何川,封坤,孙齐,王士民.盾构隧道结构耐久性问题思考[J].隧道建设

(中英文),2017,37(11):1351-1363.

[2] 宋克志,袁大军,王梦恕.盾构法隧道施工阶段管片的力学分析[J].岩土

力学,2008(03):619-623+628.

[3] 晏胜荣.扬州瘦西湖盾构隧道衬砌结构受力模拟与实测对比分析[J].铁

道建筑,2016(08):73-76.

[4] Kwak C W , Park I J , Park J B . A numerical study on the effect of train-induced vibration in shield tunnel[J]. Journal of the Korean Society of Civil Engineers, 2014.

[5] Hasan G, Afshani A, Hirokazu A. Numerical Analysis of Tunnel Lining and

Ground Behaviour During Shield Tunneling—A Case Study in Japan[C]// Civil Infrastructures Confronting Severe Weathers & Climate Changes Conference. 2018.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验

检疫总局.盾构法隧道施工与验收规范:GB 50446-2017 [S]. 北京:中国建筑工业出版社,2017.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委

员会. 盾构法隧道管片用软木橡胶衬垫:GB/T 7714—2015[S].北京:中国石油和化学工业联合会,2015.

[8] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 盾构隧道管片质量检测技术标准:

CJJ/T 1-2011[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.

[9] 卢岱岳,孙文昊,苏昂,何川.施工期盾构隧道管片衬砌裂损病害统计分

析[J].铁道工程学报,2018,35(06):59-66+87.

[10] 迟家凤.盾构施工中管片缺陷的防治与成型后缺陷处理措施研究[J].铁

道建筑技术,2018(05):74-76+122.

[11] 邹佳光.盾构隧道负环管片自重变形工况下结构受力分析及应对措施

[J].铁道建筑技术,2016(08):75-77+103.

[12] 李文秋. 盾构施工管片破损原因分析及防治[J]. 铁道勘测与设计,

2010(5):62-.

[13] 郭瑞. 盾构隧道管片衬砌结构稳定性问题研究[D]. 西南交通大学,

2014.

[14] 苏昂,王士民,何川,卢岱岳,方若全.复合地层盾构隧道管片施工病害

特征及成因分析[J].岩土工程学报，2018(08):1-9.