地铁盾构隧道管片明挖法修复施工的数值分析

崔丽艳 崔 涛 邱俊宏 陈 斌

(1．许继电气股份有限公司，461000,许昌；2．中国铁路设计集团有限公司，300142,天津//第一作者,工程师)

地铁隧道工程事故发生后，大部分均采用明挖法对破损段隧道进行修复，进而将明挖修复段隧道与完好段隧道连接为整体[1-3]。在修复过程中，明挖修复段地下连续墙要穿过既有盾构管片，工程中常采用全回转套管钻机进行管片切割、破碎和拔除。在需要施工地下连续墙的区域，将隧道内部用砂浆填充密实，用全回转套管钻机作为切割设备，将套管压入土体，利用冲抓斗抓除套管内土体；挖至隧道管片位置后，利用重锤将管片进行破碎后抓出[4]；然后回填土体,并采用双高压旋喷对填充体进行低强度加固处理。

在管片切割作业过程中，因钻进过程中压入力和冲砸的影响，存在对修复段外侧完好隧道造成损坏的可能。对修复段外邻近未破损管片进行有效保护,防止切割过程中对未破损管片进行破坏,是修复方案的难点。

有限元数值方法可以反映复杂的土体应力应变关系、结构与土体的相互作用,以及模拟实际的施工过程，是研究解决工程问题中结构受力和变形的有力工具[5-7]。因此，本文利用有限元软件ABAQUS模拟修复段管片切割对邻近完好隧道管片的影响，以期为今后地铁盾构隧道出现类似情况时制定方案提供参考。

1 工程事故概况

某地铁盾构隧道区间(见图1)自A站始发至B站接收，区间内设置一处联络通道兼泵房。盾构区间线间距约为15 m，纵断面采用“V”字坡，最大纵坡坡度为2‰，隧道顶部覆土深度为8～17 m。

隧道穿越地层范围内自上而下分别为⑥4粉质黏土、⑦粉质黏土、⑧1粉质黏土。盾构区间主要处于⑦、⑧1粉质黏土层，夹⑧2砂质粉土(透镜体)。

在A-B区间右线掘进至第345环时，发生透水险情，进一步发展成涌水、涌砂事故，隧道发生破坏，并引起地表大面积沉降。漏水事故抢险完成后，需对右线漏水段隧道进行修复。拟采用明挖法修复破损的管片。修复之前需首先对区间管片进行探查，进而确定明挖修复段的长度。区间右线共布设了15个断面，其中盾构机范围布置2个断面，已施工盾构区间布置13个断面，如图2所示。

a) 平面图

b) 纵剖面图

图1 隧道A-B区间平剖面图

尺寸单位：m

图2 隧道修复段管片监测点位布设

盾构机及台车长度为65 m，因此确定明挖修复段长度为75 m。修复段基坑宽度为10.8 m，深度为22～24 m，采用1.2 m厚T型幅地下连续墙作为围护结构。地下连续墙与隧道交接处采用全回转钻机进行切割。

2 数值模型的建立

采用有限元软件ABAQUS[8]建立三维数值模型，如图3 a)所示。模型计算域横向(X轴向)长度为60 m，纵向(Y轴向)长度为120 m，深度(Z轴向)为60 m。根据文献[9]的研究，该计算域尺寸基本满足低空旷场地条件下盾构掘进模拟的边界效应影响的要求。模型网格划分如图3 b)所示，土体网格共38 856个实体单元，网格类型为C3D8R。管片结构网格共800个壳单元，网格类型为S4R。

地下连续墙厚度为1.2 m，深度为52 m。既有隧道覆土厚度平均为17.2 m，左、右线隧道中心距为15 m，隧道外径为6.2 m，管片宽度为1.5 m。隧道内一定范围内填充M10水泥砂浆。钻机直径为2 m。根据土拱效应，按照从中间到两侧的开挖切割顺序依次施工，分别为顺序1、顺序2(近左线侧)、顺序3，如图4 a)所示。

模型中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构关系，根据地质勘察报告,采用总应力指标，共分成7层土，土层物理力学参数见表1。隧道管片(C50)及地下连续墙(C30)、水泥砂浆(M10)均采用线弹性本构关系,既有盾构机也采用线弹性本构关系。土体与结构物的接触均采用摩擦接触，切向摩擦系数取0.3，法向为硬接触。模型的边界条件如下：模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型4个侧面均只法向约束，其余方向自由无约束。

a) 有限元模型

b) 网格划分

管片混凝土的强度等级为C50，厚度为350 mm。根据修正惯用法[10](将管片接头部分弯曲刚度的降低等效为管片环整体弯曲刚度的降低，并引入管片刚度有效率η和弯矩传递系数ζ来考虑接头造成的管片刚度降低与接缝拼装的影响)，采用线弹性的S4R壳单元按整体结构计算。根据文献[11]对软土地区的试验研究，取η=0.75来考虑本工程中管片错缝拼装的影响，管片的弹性模量和泊松比分别取25.9 GPa和0.2。

模型的工序流程如下：① 地应力平衡(包括地下连续墙和隧道的生成)；② 右线隧道内注入水泥砂浆；③ 开挖顺序1土体(根据施工方案，施加钻机压力400 kN和扭矩3 000 kNm，具体形式见图5)；④ 切除顺序1管片；⑤ 开挖顺序2土体(根据施工方案，施加钻机压力400 kN和扭矩3 000 kNm)；⑥ 切除顺序2管片；⑦ 开挖顺序3土体(根据施工方案，施加钻机压力400 kN和扭矩3 000 kNm)；⑧ 切除顺序3管片。

3 模拟结果分析

3.1 隧道变形

图5为钻机加载后管片扭曲变形的示意图(扭矩作用方向为逆时针方向，扭矩作用时刻为开挖顺序1土体后，切除顺序1管片前)。图6依次显示了隧道在初始地应力平衡后以及全部管片切割完成后，隧道竖向位移U3、环内水平向位移U1、环间水平向位移U2的云图。由图6可见，由于在切割前对隧道内一定长度范围内进行了水泥砂浆的填充，对隧道管片的变形起到了一定的抑制作用，所以隧道管片施工前后沿各个方向的位移变化并不明显，均未超过5 mm。

图5 钻机加载后管片变形示意图

a) 初始状态U3b) 切割完成后U3c) 初始状态U1d) 切割完成后U1e) 初始状态U2f) 切割完成后U2

图6 受保护侧隧道(完好侧)施工前后变形对比

3.2 隧道弯矩

为更清楚地表明不同管片环的内力情况，图7～10均采用透视图进行显示。对于隧道弯矩，主要对比分析了初始地应力状态下、第一钻加载后、第一钻切割完成后、最后一钻切割完成后等4种情况。

从图7 a)和图7 b)可以看出，钻机竖向荷载(400 kN)比原覆土荷载(1 400 kN)小，相当于有竖向卸载，故主要影响因素为钻机切割扭矩。从图7 c)和图7 d)可以看出，由于管片切割以后，隧道衬砌结构的整体性降低，隧道平面内最大弯矩出现小幅提高(增幅约17%)，但最大弯矩位置基本没有改变。相比切割之前，切割环附近1环以内隧道有弯矩的突变，故整个切割过程对邻近隧道弯矩的影响范围在1环以内。

3.3 隧道环内轴力

图8分别为初始地应力状态下、第一钻加载后、第一钻切割完成后和最后一钻切割完成后的管片环内轴力分布情况。从图8 a)和图8 b)可以看出，第一钻加载后,对应切割部分附近有环内(块与块)轴力的突变，且最大轴力位置发生改变，突变影响范围在1环以内。从图8 b)和图8 c)可以看出，由于管片被第一钻切割以后，结构的整体性被破坏，该环的环内轴力重分布(轴力值降低)，并转移给邻近的管片环，使邻近环轴力大幅提升(增幅约118%)；直至完全切割完成，切断了轴力转移的路径，邻近环环内轴力才有小幅降低，如图8 d)所示。切割期间，邻近环最大轴力位置基本未变，整个切割过程对邻近管片环内轴力的影响范围在1环以内。

3.4 隧道环间轴力

图9分别为初始地应力状态下、第一钻加载后、第一钻切割完成后和最后一钻切割完成后的隧道环间轴力分布情况。从图9 a)和图9 b)可以看出，第一钻加载后，由于扭转剪应力造成环间轴力的重分布，对应切割部分附近有环间(环与环)轴力的突变，最大轴力位置发生改变，突变影响范围在2环以内。从图9 c)和图9 d)可以看出，由于管片被第一钻切割以后，结构的纵向整体性被破坏，结构随切割逐渐失去纵向约束，环间轴力重分布，开始出现轴向拉力,直至整环切除，受保护侧较大范围出现受拉环间轴力，影响范围在2～3环。

3.5 隧道环间剪力

图10分别为初始地应力状态下、第一钻加载后、第一钻切割完成后和最后一钻切割完成后的管片环间剪力分布情况。从图10 a)和图10 b)可以看出，设备压力造成环间剪力的重分布，第一钻加载后，对应切割部分附近有环间(环与环)剪力的突变，突变影响范围在1环以内。从图10 c)和图10 d)可以看出，由于管片被第一钻切割以后，结构的纵向整体性被破坏，对应切割部分附近有环间(环与环)剪力的突变，突变影响范围在1环以内。

4 结论

本文利用有限元软件ABAQUS模拟了隧道修复段管片切割对邻近完好隧道管片的影响。模拟分析得到如下结论：

(1) 由于在切割前对隧道内一定长度范围进行了水泥砂浆的填充，水泥砂浆对隧道管片的变形起到了一定的抑制作用，所以隧道管片施工前后沿各个方向的位移变化并不明显，均为毫米级的变形，且均未超过5 mm，满足规范要求。

(2) 钻机竖向荷载比原覆土荷载小，故对隧道的主要影响因素为钻机切割扭矩。管片切割后隧道衬砌结构的整体性降低，平面内最大弯矩出现小幅提高(增幅约17%)，最大弯矩位置基本没有改变，整个切割过程对邻近隧道弯矩的影响范围在1环以内。

(3) 第一钻加载后,对应切割部分附近有环内(块与块)轴力的突变，且最大轴力位置改变，突变影响范围在1环以内；由于管片被第一钻切割后，结构的整体性被破坏，该环的环内轴力重分布(降低)，并转移给邻近的管片环，使其轴力大幅提升(增幅约118%)；直至完全切割完成，切断了轴力转移的路径，邻近环内轴力才有小幅降低。切割期间最大轴力位置基本没有改变，整个切割过程对邻近管片环内轴力的影响范围在1环以内。

(4) 第一钻加载后,由于扭转剪应力造成环间轴力的重分布，对应切割部分附近有环间(环与环)轴力的突变，最大轴力位置发生改变，突变影响范围在2环以内；而在管片被第一钻切割以后，结构的纵向整体性被破坏，结构随切割逐渐失去纵向约束，环间轴力重分布，开始出现轴力拉力；直至整环切除，受保护侧较大范围出现受拉环间轴力，影响范围为2～3环。

(5) 设备竖向压力造成环间剪力的重分布，第一钻加载后，对应切割部分附近有环间(环与环)剪力的突变，突变影响范围在1环以内；在管片被第一钻切割以后，结构的纵向整体性被破坏，对应切割部分附近有环间(环与环)剪力的突变，突变影响范围在1环以内。