盾构始发与接收时顶力的数值模拟研究——以北京地铁15号线某盾构直接切削玻璃纤维筋桩工程为例

刘　军， 荀桂富， 王　芳， 金　鑫

(1. 北京建筑大学土木与交通工程学院， 北京　100044； 2. 清华大学水利工程系， 北京　100084)



盾构始发与接收时顶力的数值模拟研究
——以北京地铁15号线某盾构直接切削玻璃纤维筋桩工程为例

刘军1， 荀桂富1， 王芳2， 金鑫1

(1. 北京建筑大学土木与交通工程学院， 北京100044； 2. 清华大学水利工程系， 北京100084)

摘要：盾构顶力是盾构始发和接收过程中的主要控制参数。以北京地铁15号线某6 m盾构直接切削玻璃纤维筋桩工程为背景，采用有限差分软件FLAC3D研究分析了盾构始发与接收时不同刀盘正面顶力作用下围护桩体受力以及地表变形规律。研究结果表明： 盾构始发中在切割玻璃纤维筋桩体时，若顶力大于10 000 kN，会引起地表隆起； 盾构接收中在切割玻璃纤维筋桩体围护结构时，由于桩的一侧为临空面，当盾构顶力大于8 000 kN时，会引起桩体发生向临空侧的倒塌破坏，存在一定的安全隐患。该研究对洞口处玻璃纤维筋桩体的设计和盾构安全施工具有较大的指导意义。

关键词：北京地铁； 盾构始发； 盾构接收； 顶力； 玻璃纤维筋桩； 数值模拟

0引言

盾构法施工一般划分为3个阶段，即盾构始发、正常掘进和盾构接收[1]。盾构刀盘正常始发掘进隧道时，首先得穿越由钢筋作为增强材料的混凝土围护桩或地下连续墙，由于盾构无法直接切削钢筋，因此，需要对洞口处的钢筋混凝土围护结构进行人工凿除[2-3]。人工凿除钢筋混凝土围护结构时，由于土体暴露，易出现土体塌方等事故，若有地下水，则安全问题更加突出；另外，若在盾构范围内钢筋处理不干净时，还可能造成盾构刀盘、刀具的损坏[4-5]。

近年来，采用玻璃纤维筋等盾构易于切割的材料代替洞口处围护结构中钢筋的做法，在国内外均获得成功[6-11]，该方法不仅能缩短施工工期，且安全性较高； 但由于玻璃纤维筋桩体破坏为脆性破坏[12-13]，盾构始发、接收过程中，在盾构刀盘切割玻璃纤维筋桩体时若顶力过大，可能会引起地表过大隆起或玻璃纤维筋桩体的破坏，特别是在盾构接收时会产生桩体向临空侧的倒塌，存在着一定的安全隐患。因此，研究盾构始发和接收时盾构顶力对围护结构的影响具有重要的意义。

目前，关于盾构推力方面的研究，国内外学者已经取得了一定的研究成果。如西林聖武等[14]研究了泥水平衡盾构掘进时千斤顶推力与刀盘扭矩的变化情况； 苏健行等[15]建立了盾构推进过程中所需总推力的数学模型，并推导出了总推力的计算公式； 朱合华等[16]借助于模型试验的方法，研究了土压平衡盾构推进过程中顶进推力的变化规律，并在此基础上推导了盾构千斤顶顶进推力的计算公式。上述成果主要集中于对正常掘进过程中盾构千斤顶推力的研究，对于盾构始发或接收时盾构刀盘正面顶力的研究几乎没有涉及。鉴于盾构刀盘正面顶力在盾构始发和接收时的重要性，以北京地铁15号线某工程为背景，采用数值模拟研究土压平衡盾构始发和接收时盾构刀盘正面顶力对围护结构的影响，以期能为洞口处玻璃纤维筋围护结构的设计、盾构施工的安全控制提供指导。

1FLAC3D计算模型与参数取值

1.1计算模型

北京地铁15号线某6 m盾构始发与接收竖井为车站基坑，基坑围护结构采用φ800@1 500 mm的钻孔灌注桩+预应力锚索形式，在始发与接收洞口处一定范围采用玻璃纤维筋桩，根据等面积代换的原则用玻璃纤维筋代替钢筋，钢筋与玻璃纤维筋采用钢丝绳卡搭接，搭接长度为40d。基坑开挖范围内地层依次为粉土填土①层、杂填土①1层、粉土③层、粉质黏土③1层、细中砂④3层、粉质黏土④层和粉土④2层，局部为粉细砂③3层、粉质黏土⑥层和粉土⑥2层。基坑地层剖面如图1所示。

图1　基坑地层剖面图(单位： mm)

所建立的FLAC3D计算模型如图2和图3所示，模型中周边土体采用实体zone单元模拟，使用Mohr-Column模型； 围护桩结构采用zone单元模拟，冠梁结构采用zone单元模拟，锚索结构采用cable单元模拟，管片采用shell单元模拟。

图2　FLAC3D计算模型

图3　围护结构示意图

1.2计算参数

在跨度、截面尺寸和配筋量等均相同的情况下，玻璃纤维筋混凝土构件开裂前的刚度明显小于钢筋混凝土构件。按照等效刚度原则，并考虑实际工程中桩体都为带裂缝工作，因此钢筋混凝土桩的弹性模量为28.0 GPa。根据玻璃纤维筋力学性能试验，其弹性模量为48.0 GPa[12-13]，按照等效刚度原则，玻璃纤维筋桩的弹性模量计算值为28.6 GPa。实际上玻璃纤维筋为弹性材料，玻璃纤维筋桩开裂荷载为钢筋混凝土桩的80%，并且玻璃纤维筋与混凝土的黏结力明显小于钢筋与混凝土的黏结力[17-18]； 因此，玻璃纤维筋桩的弹性模量为22.0 GPa。土层和结构的物理力学参数见表1和表2，其中土层物理力学参数由地勘报告得出。

表1　土层物理力学参数

注：t为土层厚度；E为弹性模量；μ为泊松比；γ为重度；c为黏聚力。

表2　结构物理力学参数

1.3监测数据与计算结果的对比分析

该车站基坑的开挖和数值模拟计算过程如下： 1)开挖至地表下3.5 m，设置第1道锚索； 2)开挖至地表下8.5 m，设置第2道锚索； 3)开挖至地表下12.0 m，设置第3道锚索； 4)开挖至地表下15.0 m，设置第4道锚索； 5)开挖至设计基坑底，部分桩体设置第5道锚索。地表沉降测点DB1—DB7位于基坑外侧3.5 m处。测点布置情况如图4所示。

图5为基坑开挖完成后玻璃纤维筋桩体水平位移计算值与监测值的对比图。根据监测数据显示，随着基坑开挖桩体逐渐向基坑内侧移动，桩体最大水平位移为-18 mm，出现在桩体埋深12～16 m处； 而数值计算最大水平位移约为-20 mm，发生位置与监测结果相同。

4#桩为玻璃纤维筋混凝土桩，其余为钢筋混凝土桩。

图4地表沉降测点布置图

Fig. 4Layout of monitoring points

图5　桩体水平位移计算值与监测值对比

Fig. 5Comparison between calculated horizontal displacement of pile and measured horizontal displacement of pile

图6为基坑开挖完成后距基坑东侧外缘3.5 m处地表沉降数值模拟计算值与监测值的对比图。由结果可知，由于围护桩刚度大，基坑开挖过程对基坑外侧地表沉降影响较小，测点的最大沉降值为4.16 mm，部分测点有隆起现象，最大隆起值为1.17 mm； 随着施工的进行，测点有逐渐下沉的趋势。数值模拟计算产生的最大沉降值为5.84 mm，出现在中间位置。

图6　地表沉降计算值与监测值对比

Fig. 6Comparison between calculated ground surface settlement and measured ground surface settlement

在计算分析中假设每层土层为均匀分布，与实际地层条件存在差异，加之实际施工中不确定性因素较多； 因此，理论分析结果与监测值略有差别，但计算结果和监测结果都较为接近，故模型与参数可以作为后续研究的基础(后续盾构始发与接收的研究均以基坑施工完毕后的工程作为基础)。

2盾构始发时顶力对围护结构的稳定性影响

从盾构始发受力情况来看(见图7)，在刀盘贴近玻璃纤维筋桩体时土仓内形成不了压力，顶力通过刀盘作用在玻璃纤维筋围护结构上，然后又传递至桩体背后的土层中。若顶力过大，会引起地表隆起，但过大的顶力可使玻璃纤维筋桩体发生剪切破坏，利于始发。为了研究盾构顶力对围护结构的影响，选取洞口附近点1和点2进行分析研究(点1和点2处为玻璃纤维筋与钢筋搭接位置)。

图7　桩体玻璃纤维筋与钢筋搭接处内力测点示意图

Fig. 7Internal force monitoring points at connections between GFRP and steel bars

2.1围护结构桩体的内力变化规律

表3为盾构始发时不同顶力作用下玻璃纤维筋与钢筋搭接处的弯矩值，正值表示桩体朝向基坑一侧受拉，负值表示相反方向一侧受拉。由表3可以看出，上方搭接处弯矩(点1)比下方搭接处弯矩(点2)大，顶力增大时搭接处的弯矩也随之增大。

表3盾构始发时不同顶力作用下桩体玻璃纤维筋与钢筋搭接处弯矩值

Table 3Bending moments of connection between GFRP and steel bars under different thrusting forces of shield launching

顶力/kN点1处弯矩/(kN·m)点2处弯矩/(kN·m) 0(主体完成)-490.0-519.0 5000237.2203.8 8000491.7376.7 10000663.8461.4 12000835.5546.5 150001092.0873.0

注： 通过FLAC内置函数调取测点应力，然后利用材料力学公式σ=My/I反算测点弯矩。

对于玻璃纤维筋混凝土桩，当直径等于0.8 m时，极限承载力作用下的弯矩值Mu为800 kN·m。由表3可知： 当顶力为12 000 kN时，上方搭接处弯矩大于800 kN·m，超出了玻璃纤维筋桩的极限承载力，这样就使得玻璃纤维筋桩提前断裂，而这种破坏状态不是工程中希望出现的状态，即盾构刀盘切割与围护桩破坏同步，对安全施工不利。

2.2地层土体变形规律

为了进一步研究盾构顶力对地层土体的影响，分析了不同顶力下洞口土体及地表的变形规律，如图8所示。图8中土体水平方向位移为正值，表示位移与盾构顶力方向一致，随着顶力的增加，土体位移也逐渐增大，且地表隆起。

由图8可知： 当顶力为10 000 kN时，洞口土体朝顶力方向的位移增大，在接近地表及地表处出现略微隆起现象； 当顶力为12 000 kN时，洞口土体朝顶力方向的位移继续增大，在接近地表及地表处有较明显的隆起趋势。综合考虑不同顶力作用下，围护桩受力与洞口土体位移状态和地表沉降规律，确定始发时盾构顶力取10 000 kN左右为宜。

3盾构接收时顶力对围护结构的稳定性影响

盾构接收时围护结构的受力状态如图9所示，虽然此时有维持刀盘前方水土压力的土仓压力，但土仓压力也会随着盾构接近围护结构而逐渐转换为有限土压并逐渐减小，当盾构刀盘贴近围护结构时，土仓压力为零。本文只研究盾构顶力对桩体产生的影响，因此忽略了在接收过程中土仓压力对围护结构桩体的影响。

(a)顶力10 000 kN

(b)顶力12 000 kN

(c)顶力15 000 kN

Fig. 8Contour maps of soil and ground surface displacement under different thrusting forces of shield launching

图9　盾构接收时围护结构的受力状态

表4为盾构到达桩体时不同顶力作用下玻璃纤维筋与混凝土搭接处的弯矩值，正值表示桩体朝向基坑一侧受拉，负值表示相反方向一侧受拉。由表4可知： 上端搭接处弯矩值与下端搭接处弯矩值的大小与盾构始发时桩体内力相同，均为上端大于下端； 桩体内力随着顶力的增大而增大，而且增加幅度较大，顶力为12 000 kN时搭接处的弯矩值已经是5 000 kN时弯矩值的2倍，可见顶力对桩体内力影响较明显。当顶力为8 000 kN时，桩体弯矩约为800 kN·m； 若顶力大于10 000 kN时，桩体弯矩均大于800 kN·m，超过玻璃纤维筋桩的承载力设计值，有可能使洞口附近桩体被剪切破坏，并出现向临空侧倒塌现象，此时的玻璃纤维筋桩体不是被磨断的，而是被过大顶力推断的。该现象对洞口处施工会造成一定的安全影响，因此，在盾构接收中直接切割围护桩体时，建议盾构顶力减至8 000 kN以下。

表4盾构接收时不同顶力作用下桩体玻璃纤维筋与钢筋搭接处弯矩值

Table 4Bending moments of connection between GFRP and steel bars under different thrusting forces of shield receiving

顶力/kN点1处弯矩/(kN·m)点2处弯矩/(kN·m) 0(基坑主体完成)-490-519 5000-713-611 8000-785-726 10000-1009-901 12000-1468-1310 15000-1848-1715

4结论与建议

文章以北京地铁15号线某工程为背景，采用数值模拟分析方法研究了土压平衡盾构始发和接收时盾构刀盘正面顶力对围护结构的影响，得出如下结论。

1)盾构直接始发时，当盾构顶力大于10 000 kN，会发生隆起现象； 若盾构顶力继续增大至12 000 kN，不仅会使地表略微隆起，同时还会因为顶力过大造成玻璃纤维筋桩发生突然性整体破坏。因此，对于6 m直径盾构直接始发时，建议顶力为10 000 kN，从而可以有效控制地表位移、刀盘前方土体位移以及桩体受力状况。

2)相比较于盾构始发时盾构顶力对围护结构的影响情况，由于在盾构接收时玻璃纤维筋混凝土围护结构承受着盾构顶力与土压力同时、同方向的荷载，并且桩的一侧为临空面，因而盾构接收时对盾构顶力大小的控制比对盾构接收时更为严格，在盾构接收中直接切割围护桩体时，建议盾构顶力减至8 000 kN以下。

盾构洞口处的围护结构采用玻璃纤维筋代替钢筋，达到了直接切削混凝土围护结构的目的，避免了由人工凿除洞口时出现涌水、涌砂和土体塌落等现象，保证了施工安全，应进行大力推广。目前北京地铁16号线全线采用了该方法。本文中的研究成果，可为盾构始发、盾构接收工程提供理论参考依据，特别是对于盾构接收的情况，由于顶力过大会使围护结构产生剪切破坏； 因此，在围护结构设计中应充分考虑该问题，适当加强洞口围护结构的配筋，以避免事故发生。

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Study on Numerical Simulation of Thrusting Force of Shield Launching and Receiving: A Case Study on Glassfiber Reinforced Plastic (GFRP) Pile Cut Directly by Shield Machine Used in Line No. 15 of Beijing Metro

LIU Jun1, XUN Guifu1, WANG Fang2, JIN Xin1

(1.SchoolofCivilEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;2.DepartmentofHydraulicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:The Thrusting force is the main control parameter in the shield launching and receiving. In this paper, the rules of retaining pile stressing and ground surface settlement under different thrusting forces on the cutterhead during shield launching and receiving are studied by means of finite difference FLAC3D software, with the glassfiber reinforced plastic (GFRP) pile cut directly by a φ6 m shield machine used in Line No. 15 of Beijing Metro as an example. The study results show that: 1) Settlement would occur to the ground surface when the thrusting force of shield launching is larger than 10 000 kN. 2) The GFRP pile would fall towards the free side when the thrusting force of shield receiving is larger than 8 000 kN. The results can provide guidance for the design of GFPR pile and the safe construction of shield tunneling.

Keywords:Beijing Metro; shield launching; shield receiving; thrusting force; glassfiber reinforced plastic (GFRP) pile; numerical simulation

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)03-0264-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.003

作者简介：第一 刘军(1965—)，男，新疆乌鲁木齐人，1998年毕业于成都理工大学，岩土与地下工程专业，博士，清华大学博士后，教授，主要从事岩土与地下工程的教学与研究工作。E-mail: liujun01@tsinghua.org.cn。

基金项目：北京市自然科学基金项目、北京市教育委员会科技计划重点项目(KZ20131001601)； 北京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划项目(IDHT20130512)

收稿日期：2015-08-21; 修回日期： 2015-11-16