摘　要：采用ＦＬＡＣ^３Ｄ软件，分别对北京地铁大兴线０１标盾构始发工程和一般地铁盾构始发工程进行模拟，分析负环管片水平位移与拼装管片环数之间的关系，研究负环管片和反力架的拆除时机及其影响因素。结果表明：随着拼装管片环数的增加，负环管片水平位移的增加经历了初始增长、快速增长、缓慢增长和稳定４个阶段。在负环管片水平位移进入第４阶段时，负环管片和反力架不再承担盾构推力，此时是拆除负环管片和反力架的最佳时机；摩擦系数、隧道埋深和管片外径３个因素对负环管片水平位移的影响显著；随着摩擦系数、隧道埋深的增加，水平位移均逐渐减小，且影响程度逐渐减弱；随着管片外径的增加，水平位移逐渐减少，但影响程度逐渐增强。

关键词：地铁；隧道工程；盾构始发；负环管片；反力架；拆除时机；水平位移

　

      盾构隧道施工技术以其自身的优势^{［１－３］}，成为我国城市地铁建设的主流方法。盾构始发是盾构施工中的一个关键环节，也是盾构施工中最容易发生风险事故的一道工序^［４］。国内外很多研究表明，盾构始发的成败在一定程度上决定整条盾构隧道的经济效益^{［５－９］}。负环管片和反力架是盾构始发期间为盾构机掘进提供反作用力的结构，是盾构始发阶段安全施工的核心部件之一。盾构机进洞掘进一定深度后，负环管片和反力架的拆除时机，对盾构始发的安全性和地铁隧道开挖的进度都有较大的影响。目前，负环管片和反力架的拆除时机，通常采用经验方法进行确定^［１０］，但其存在不准确性。

      在盾构掘进过程中，负环管片的水平位移 （以下简称水平位移）可以反映负环管片和反力架承受盾构推力的大小^［９］，基于此，可以根据水平位移的变化确定负环管片和反力架的拆除时机。根据目前国内外研究的成果^{［３－５，９－１２］}，影响水平位移的主要因素有管片与注浆体之间的摩擦系数、管片外径和隧道埋深。因此，本文分别对北京地铁大兴线０１标盾构始发工程和一般地铁盾构始发工程进行数值模拟，分析盾构掘进中拼装管片的环数与水平位移之间的关系，研究盾构始发负环管片和反力架的拆除时机，以及管片与注浆体之间的摩擦系数、隧道埋深、管片外径３个因素对负环管片和反力架拆除时机的影响。

 

１　负环管片和反力架的拆除时机　　

      采用三维有限差分软件ＦＬＡＣ^３Ｄ，对北京地铁大兴线０１标盾构始发工程进行模拟，分析拼装管片的环数 （正环）与水平位移之间的关系，获得水平位移的变化特征，进而确定负环管片和反力架的拆除时机。

      该工程的地质条件是：地层中第四纪沉积物主要为永定河冲洪积物，沉积韵律较为明显，在水平方向上从顶部地带到边缘地带由粗到细纵向分布。盾构区间隧道顶部覆土厚度为７．９０～１２．４０ｍ。地下水主要为上层滞水和层间潜水，上层滞水无稳定的水位，层间潜水在本场地均有分布，水位标高为１６．９６～１４．０４ｍ。选用海瑞克Ｓ—３９６型土压平衡盾构机，盾构机外径６．２５ｍ，长度７．４０ｍ。盾构始发端土体加固范围为纵向８．００ ｍ，径向６．００ｍ×６．００ｍ。该工程盾构始发时反力架和负环管片的位置如图１所示。

      数值计算模型中的土体由上而下依次为填土、粉土、粉质黏土、粉细砂、黏土和碎石土，根据工程勘察报告，各层土的物理力学参数见表１。土体、注浆体采用三维实体单元模拟，力学行为符合Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则，注浆体的计算参数见表２。衬砌、负环管片采用弹性三维实体单元模拟，力学 行为符合胡克定律^［１３］，其物 理力学参数 见表３。计算模型的尺寸为１２０ｍ×２５ｍ×３５ｍ，单元网格如图２所示。管片与注浆体的摩擦系数为０．２５，隧道埋深为１５ｍ，管片外径为６．２ｍ。

 

      在模拟过程中，盾构推力和注浆压力基于该工程的实际情况进行取值，最初１０环的盾构推力取７　０００ｋＮ，其余各环的推力取１１０００ｋＮ。

      土压平衡盾构掘进过程主要分为工作面开挖、衬砌管片拼装、盾尾同步注浆３个步骤。实际盾构掘进过程是一个连续的过程，模拟中假定盾构机每次沿隧道轴向掘进的长度为１环管片的宽度，即盾构机每向前掘进１次，推进的距离为１．２ｍ。

      数值模拟的施工过程按照实际的施工工序。采用 “移来移去”法，在模型上施加注浆压力；根据土压平衡盾构的原理，在盾构开挖面施加梯形应力，以平衡土层开挖面的应力；通过对管片施加水平应力模拟千斤顶对管片的推力；在盾构掘进过程中，开挖面和管片的受力情况如图３所示。通过改变盾构始发端头加固范围内注浆体与管片之间的摩擦系数，模拟该区域摩擦力的提高。在施工过程中，通过向上一步中盾尾处的１环单元的外围土体单元施加等效均布的径向压力，模拟盾尾同步注浆过程^［１２］。

      数值模拟的施工过程为：①土体开挖；②开挖面施加土压平衡荷载；③管片拼装；④对拼装好的管片施加盾构推力；⑤壁后注浆；⑥在注浆体与土体界面之间施加法向注浆压力。

      数值模拟结果如图４所示。为了对比分析模拟的结果，将实测结果也绘于图４中。

      从图４可知水平位移的增长过程大体分为４个阶段：第１阶段，称为初始增长阶段，拼装管片为０～１０环，水平位移按近似线性增加，到第１０环管片拼装完成后，其最大值为－０．３０ｍｍ；第２阶段，称为快速增长阶段，拼装管片为１０～５０环，水平位移增加明显，到第５０环管片拼装完成后，其最大值为－２．１４ｍｍ；第３阶段，称为缓慢增长阶段，拼装管片为５０～７０环，为缓慢增长阶段，水平位移增加明显减缓，到第７０环拼装完成后，其最大值为－２．５４ｍｍ；第４阶段，称为稳定阶段，拼装管片为大于７０环，水平位移基本不再增加，其最大值为－２．５６ｍｍ。因此，当管片环数拼装至第７０环时，水平位移开始进入第４阶段，盾构推力已经基本全部由管片和注浆体之间的摩擦力承担，负环管片和反力架几乎不承受盾构推力，此时则是拆除负环管片和反力架的最佳时机。　

      根据现场监测结果并结合施工情况可知：在盾构机进洞的初始阶段，注浆量相对较少，注浆压力相对较低，盾构推力相对较小，但盾构反力主要由负环管片和反力架承担，故水平位移表现出线性增长的情况 （第１阶段）；盾构机进洞一定深度后，开始满负荷施工，盾构推力迅速增加，水平位移增量显著 （第２阶段）；随着盾构机进洞深度的逐渐增加，在第５０环管片拼装完成后，负环管片与注浆体之间的摩擦力逐渐发挥作用，此时水平位移增量缓慢 （第３阶段）；在第７０环管片拼装完成后，盾构推力都由管片与土体之间的摩擦力承担时，水平位移就基本不再增加，保持稳定 （第４阶段）。基于现场的施工环境条件，在管片拼装至第７８环时，对负环管片和反力架进行了拆除。拆除时，实测得到的最终水平位移为－２．３１ｍｍ。从图４也可以看出，模拟计算值与现场监测值吻合较好。

 

２　负环管片和反力架拆除时机的影响因素研究　　

      采用ＦＬＡＣ^３Ｄ对一般地铁盾构始发工程进行模拟仿真，探讨管片与注浆体之间的摩擦系数、隧道埋深和管片外径３个主要因素对水平位移的影响规律，进而分析这３个因素对负环管片和反力架拆除时机的影响。

      为使研究结论更具普遍意义，选取地铁施工中普遍采用的盾构法施工工艺和最一般的隧道断面型式。在第１．２节模型的基础上作如下修改：模型土层设置为均值土层，其物理力学参数见表４；隧道净空直径为５．４ｍ，衬砌厚度为０．３ｍ，注浆体厚度为０．１２５ｍ，隧道断面如图５所示；为消除边界效应，模型向右扩展后的总宽度为２５．０ｍ，向下延伸至模型底部后的总高度为３５．０ｍ。

      管片与注浆体之间的摩擦系数分别取０．２０，０．２５和０．３０，模拟计算得到水平位移与拼装管片环数的关系曲线如图６所示。

      从图６可以看出：摩擦系数的改变对水平位移的影响是显著的，随着摩擦系数的增加，水平位移逐渐减小；当摩擦系数为０．２０时，在第８５环管片拼装完成后，水平位移才基本稳定，即进入第４阶段，最大值为－７．７３ｍｍ；当摩擦系数为０．２５时，在第７０环管片拼装完成后，水平位移基本稳定，即进入第４阶段，最大值为－２．５６ｍｍ；当摩擦系数为０．３０时，水平位移相对较小，在第６０环拼装完成后，其值已经基本稳定，即进入第４阶段，最大值为－１．３３ｍｍ。

      由此可见：随着摩擦系数的增大，摩擦力增大，使得负环管片承受的荷载减小，水平位移也随之减小；摩擦系数为０．２５时的水平位移比０．２０时减小了６２．８％，摩擦系数为０．３０时的水平位移比０．２５时减小了４８．１％，说明随着摩擦系数的增加，对水平位移减少程度的影响是逐渐减弱的。

      隧道埋深分别取１３，１５和１７ｍ，模拟计算得到不同隧道埋深时水平位移与拼装管片环数的关系曲线如图７所示。

      从图７可以看出：隧道埋深对水平位移的影响也是显著的，随着隧道埋深的增加，水平位移逐渐减小；隧道埋深为１３ｍ时，在第７８环拼装完成后，水平位移趋于稳定，即进入第４阶段，最大值为－６．７３ｍｍ；隧道埋深为１５ｍ时，在第７０环拼装完成后，水平位移基本稳定，即进入第４阶段，最大值为－２．５６ｍｍ；隧道埋深为１７ｍ时，在第６２环拼装完成后，水平位移基本稳定，即进入第４阶段，最大值为－１．９３ｍｍ。　　

      由此可见：随着隧道埋深的增大，管片所受的平均土压力也增大，使得正环管片承受的摩阻力增加，水平位移随之减小；隧道埋深１５ｍ时的水平位移比隧道埋深１３ｍ时减小了６１．８％，隧道埋深１７ｍ时的水平位移比隧道埋深１５ ｍ时减小了２４．７％，说明随着隧道埋深的增加，对水平位移减小程度的影响也是逐渐减弱的。

      管片外径分别取６．２，８．２和１０．２ｍ，模拟计算得到不同管片外径时水平位移与拼装管片环数的关系曲线如图８所示。

      从图８可以看出：管片外径的改变对水平位移的影响同样是显著的，随着管片外径的增加，水平位移显著减小；管片外径为６．２ｍ时，在第７０环拼装完成后，水平位移基本稳定，即进入第４阶段，最大值为－２．５６ｍｍ；管片外径为８．２ｍ时，第６０环管片拼装完成后，水平位移基本稳定，即进入第４阶段，最大值为－１．０３ｍｍ；当管片外径为１０．２ｍ时，在第３８环管片拼装完成后，水平位移基本稳定， 即进入第４阶段，最大值为－０．３７ｍｍ。

      由此可见：随着管片外径的增加，注浆体与管片之间的接触面积增大，管片与注浆体之间的摩阻力增大，水平位移则逐渐减小；管片外径８．２ ｍ时的水平位移比管片外径６．２ｍ时减小了５９．８％，管片外径１０．２ｍ时的水平位移比管片外径８．２ｍ时减小了６４．１％，说明随着管片外径的增加，对水平位移减小程度的影响是略有增强的。

 

      （１）负环管片水平位移的增加经历初始增长、快速增长、缓慢增长和稳定４个阶段。在进入第４阶段后，水平位移已经基本保持不变，可以认为盾构推力已经由最初的负环管片和反力架承担，逐渐转移为全部由管片与注浆体之间的摩擦力承担。因此，水平位移稳定数值出现，即进入第４阶段时，可以作为负环管片和反力架拆除的时机。现场监测结果验证了数值模拟结果的正确性。而且现场监测结果还可以用于分析盾构始发的稳定与安全情况。

      （２）随着摩擦系数的增大，摩擦力增大，负环管片承受的荷载减小，水平位移也随之减小，并且对水平位移减小程度的影响是逐渐减弱的。随着隧道埋深的增大，管片所受的平均土压力也随着增大，使得管片所承受的摩阻力增加，水平位移随之减小，并且对水平位移减小程度的影响也是逐渐减弱的。随着管片外径的增大，使得注浆体与管片之间的接触面积增大，从而管片与注浆体之间的摩阻力增大，水平位移也随之减小；但随着管片外径的增加，对水平位移减小程度的影响是略有增强的。

 

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