海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

施有志 王晨飞 赵花丽 林树枝

施有志, 王晨飞, 赵花丽, 等. 2021. 海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究[J].工程地质学报, 29(6): 1887-1897. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0165
引用本文: 施有志, 王晨飞, 赵花丽, 等. 2021. 海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究[J].工程地质学报, 29(6): 1887-1897. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0165
Shi Youzhi, Wang Chenfei, Zhao Huali, et al. 2021. Numerical simulation of subsea shield tunneling process[J].Journal of Engineering Geology, 29(6): 1887-1897. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0165
Citation: Shi Youzhi, Wang Chenfei, Zhao Huali, et al. 2021. Numerical simulation of subsea shield tunneling process[J].Journal of Engineering Geology, 29(6): 1887-1897. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0165

海底盾构隧道掘进过程数值模拟研究

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2021-0165
基金项目: 

厦门市建设科技计划项目 XJK-2020-1-21

详细信息
    通讯作者:

    施有志(1976-),男,博士,教授,主要从事岩土、隧道及地下工程的研究. E-mail: 2013110907@xmut.edu.cn

  • 中图分类号: U455.43

NUMERICAL SIMULATION OF SUBSEA SHIELD TUNNELING PROCESS

  • 摘要: 为精确模拟海底盾构隧道掘进过程的施工力学效应,以厦门地铁2号线海底盾构段工程为依托,建立盾构机-注浆体-围岩-海水相互作用的三维数值模型,全面考虑施工影响因素,如开挖面泥水压力、千斤顶推力、盾构机超挖、机身与土体相互作用、注浆压力、海水压力、壁后注浆的时空变化性质等,通过计算结果与实测的验证后,对开挖面支护压力、地层损失率、注浆压力和千斤顶力等4种因素进行参数变化分析。结果表明:初期管片水土压力受到的施工扰动较为强烈,之后先大幅快速下降,降幅在100kPa左右,再缓慢降低,降幅在20kPa左右,最后趋于稳定;开挖面支护压力设为320kPa左右最为合理,增大支护压力,仅对开挖面前方一定范围内土体变形有影响,由于埋深较大,对地表竖向位移基本没有影响;地层损失率对地层沉降、管片上浮及管片内力的影响较大,随着地层损失率增大1%,地表沉降增大241.3%,管片上浮量降低38.2%,弯矩减少23.9%;注浆压力对管片上浮和管片内力有较大影响,注浆压力增大10%,管片上浮量增大32.1%,弯矩增大24.3%;千斤顶力主要对沿隧道轴向的管片轴力有一定影响,对管片上浮和管片弯矩影响很小。研究成果可为管片结构设计及海底盾构施工参数控制提供更加合理的参考建议。
  • 图  1  跨海段工程地质示意图(单位:m)

    Figure  1.  Schematic diagram of engineering geology of cross sea section(unit: m)

    图  2  盾构隧道三维数值模型

    a. 三维视图;b. 局部放大图

    Figure  2.  Three dimensional numerical model of shield tunnel

    图  3  盾构机就位

    Figure  3.  Shield machine in place

    图  4  盾构推进5环

    Figure  4.  Shield driven 5-ring

    图  5  盾构推进6环

    Figure  5.  Shield propulsion 6 ring

    图  6  地层竖向位移

    a. 盾构推进5环;b. 盾构推进10环;c. 盾构推进15环

    Figure  6.  Vertical displacement of stratum

    图  7  开挖面前方土体变形

    a. 总变形云图;b. 沿隧道轴向水平变形云图

    Figure  7.  Soil deformation in front of excavation face

    图  8  开挖面变形

    a. 开挖面水平位移云图;b. 开挖面总变形形态(指向隧道后方)

    Figure  8.  Deformation of excavation face

    图  9  开挖面周围地层应力

    a. 最大主应力;b. 最小主应力

    Figure  9.  Stratum stress around excavation face

    图  10  管片竖向位移云图

    a. 盾构推进5环;b. 盾构推进10环;c. 盾构推进15环

    Figure  10.  Nephogram of segment vertical displacement

    图  11  管片弯矩云图

    a. 盾构推进5环;b. 盾构推进10环;c. 盾构推进15环

    Figure  11.  Segment bending moment nephogram

    图  12  隧道管片所受围岩压力随时间的变化

    Figure  12.  Variation of surrounding rock pressure on tunnel segment with time

    图  13  管片环土压力传感器布置图

    Figure  13.  Layout of segment ring earth pressure sensor

    图  14  管片水土压力实测时程曲线

    Figure  14.  Measured time history curve of segment water and soil pressure

    图  15  开挖面水平位移云图

    a. 开挖面压力288kPa;b. 开挖面压力320kPa;c. 开挖面压力350kPa

    Figure  15.  Horizontal displacement nephogram of excavation face

    图  16  开挖面压力对地层竖向位移的影响

    a. 开挖面压力288kPa;b. 开挖面压力320kPa;c. 开挖面压力350kPa

    Figure  16.  Influence of excavation pressure on vertical displacement of stratum

    图  17  盾尾间隙示意图

    Figure  17.  Schematic diagram of shield tail clearance

    图  18  地层损失率对地层竖向位移的影响

    a. 地层损失率1%;b. 地层损失率1.5%

    Figure  18.  Influence of formation loss rate on vertical displacement

    图  19  地层损失率对管片上浮的影响

    a. 地层损失率1%;b. 地层损失率1.5%

    Figure  19.  Influence of formation loss rate on segment floating

    图  20  地层损失率对管片弯矩的影响

    a. 地层损失率1.0%;b. 地层损失率1.5%

    Figure  20.  The influence of formation loss rate on bending moment of segments

    图  21  注浆压力对管片上浮的影响

    a. 膨胀系数50%;b. 膨胀系数60%

    Figure  21.  Influence of grouting pressure on segment floating

    图  22  注浆压力对管片弯矩的影响

    a. 膨胀系数50%; b. 膨胀系数60%

    Figure  22.  Influence of grouting pressure on segment bending moment

    图  23  千斤顶力2000kN ·m-2时的管片竖向位移云图

    Figure  23.  Nephogram of segment vertical displacement under jack force of 2000kN ·m-2

    图  24  千斤顶力对管片轴力N1的影响

    a. 千斤顶力1500kN ·m-2; b. 千斤顶力2000kN ·m-2

    Figure  24.  Influence of jack force on segment axial force N1

    图  25  千斤顶力对管片轴力N2的影响

    a. 千斤顶力1500kN ·m-2; b. 千斤顶力2000kN ·m-2

    Figure  25.  Influence of jack force on segment axial force N2

    图  26  千斤顶力对管片弯矩M11的影响

    a. 千斤顶力1500kN ·m-2;b. 千斤顶力2000kN ·m-2

    Figure  26.  Influence of jack force on segment bending moment M11

    图  27  千斤顶力对管片弯矩M22的影响

    a. 千斤顶力1500kN ·m-2;b. 千斤顶力2000kN ·m-2

    Figure  27.  Influence of jack force on segment bending moment M22

    表  1  围岩材料参数

    Table  1.   Material parameters of surrounding rock

    参数 中砂
    重度γ/kN·m-3 20
    三轴固结排水剪切实验的参考割线模量E50ref/kN·m-2 7000
    固结实验的参考切线模量Eoedref/kN·m-2 7000
    三轴固结排水卸载-再加载试验的参考卸载再加载模量Eurref/kN·m-2 35 000
    与模量应力水平相关的幂指数m 0.5
    有效黏聚力c′/kN·m-2 1
    有效内摩擦角Ф′/(°) 32
    割线剪切模量衰减为0.7倍的初始剪切模量G0时对应的剪应变γ0.7 0.000 25
    小应变刚度试验的参考初始剪切模量G0ref 70 000
    xyz向渗透系数/m·d-1 5
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    表  2  管片和注浆材料参数

    Table  2.   Parameters of segment and grouting material

    参数 管片 注浆体(1~4d) 注浆体(>5d)
    材料模型 线弹性 莫尔-库仑 莫尔-库仑
    单元类型 实体单元 实体单元 实体单元
    γ/kN·m-3 25 14 14
    E/kN·m-2 26.62×106 12×103 20×103
    v 0.15 0.2
    c′/kN·m-2 525 1030
    Ф/(°) 40 45
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    表  3  板单元材料参数

    Table  3.   Material parameters of plate element

    参数 γ/kN·m-3 d/m E/kN·m-2 v G/kN·m-2
    盾构机 25 0.17 200e6 0 100e6
    内力积分板 0 0.35 35.5e3 0.15 15.43e3
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    表  4  盾构从第5环推进到第6环的模型设置

    Table  4.   Model setting of shield from ring 5 to ring 6

    步骤 说明
    1 冻结第5环管片端面的千斤顶反力
    2 冻结第6环范围内的盾壳板单元、接触面单元及板单元收缩
    3 激活第6环范围内的管片和注浆体单元,并替换相应的材料
    4 激活第6环范围内的注浆体单元的体积应变,并设置双向膨胀系数,模拟注浆压力
    5 激活第6环管片端面的千斤顶反力,法向压力-1500kN·m-2
    6 冻结原开挖面上的支护压力
    7 冻结原开挖面前方一环范围内的土体
    8 激活原开挖面前方一环盾壳及接触面
    9 激活新的开挖面支护压力
    10 激活盾壳收缩,对整个盾壳设定收缩率
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    表  5  地层损失率影响

    Table  5.   Influence of formation loss rate

    地层损失率/% 地表沉降/mm 管片上浮/mm 管片弯矩/kN·m
    0.5 10.9 34.3 176.4
    1.0 22.7 25.6 148.9
    1.5 37.2 21.2 134.3
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    表  6  注浆压力影响

    Table  6.   Influence of grouting pressure

    膨胀系数/% 管片上浮/mm 管片弯矩/kN·m
    40 34.3 176.4
    50 45.3 219.2
    60 54.9 249.3
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    表  7  千斤顶力影响

    Table  7.   Jack force effect

    千斤
    顶力
    /kN·m-2
    管片
    上浮
    /mm
    管片轴力
    N1
    /kN·m-1
    管片轴力
    N2
    /kN·m-1
    管片弯矩
    M11
    /(kN·m)·m-1
    管片弯矩
    M22
    /(kN·m)·m-1
    1500 34.3 1288/-4353 1408/-5609 77.2 176.4
    2000 34.4 1066/-4581 1388/-5586 76.9 176.4
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  • Chen X K, Zhu W, Wang R. 2017. Experimental study on the triaxial test of the shield backfill grouting material at initial stage[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 34 (4): 140-143. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-CJKB201704029.htm
    Fang Y, He C. 2009. Numerical analysis of earth-pressure-balance shield driving considering based on construction course[J]. Journal of Railway Engineering Society, 26 (11): 56-60. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-TDGC200911012.htm
    Han B M, Chen J H, Yang Y J, et al. 2020. Statistical analysis of urban rail transit operation in the world in 2019: A review[J]. Urban Rapid Rail Transit, 33 (1): 4-8.
    Han L, Ye G L, Wang J H, et al. 2015. Finite element analysis of impact of under-crossing of large shallow shield tunnel on riverbank[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 37 (S1): 125-128. http://www.researchgate.net/publication/283689852_Finite_element_analysis_of_impact_of_under-crossing_of_large_shallow_shield_tunnel_on_riverbank
    Li K F. 2020. Study on thickness and settlement of minimum covering soil of shield tunnel crossing river[J]. Journal of Changzhou University(Natural Science Edition), 32 (1): 79-84.
    Li K F. 2020. Stability analysis and safety construction control technology research of shield crossing river[J]. Construction Safety, 35 (1): 18-21.
    Lu K D. 2020. Study on distribution characteristics of pore water pressure in the cross-river of shield tunnel[J]. Building Structure, 50 (S2): 759-763.
    Mui L C, Wang Z X, Shi W B. 2015. Theoretical and numerical simulations of face stability around shield tunnels in sand[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 37 (1): 98-104. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ytgcxb201501011
    Qi C, He C, Feng K. 2015. Fluid-solid interaction-based mechanical characteristics of underwater shield tunnel[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 50 (2): 306-311, 330. http://www.researchgate.net/publication/283843029_Fluid-solid_interaction-based_mechanical_characteristics_of_underwater_shield_tunnel
    Shi Y Z, Lin S Z, Che A L. 2017. Optimization analysis of the soil small strain stiffness parameters based on deep foundation pit monitoring data[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 34 (4): 654-660. http://www.researchgate.net/publication/319943458_Optimization_analysis_of_the_soil_small_strain_stiffness_parameters_based_on_deep_foundation_pit_monitoring_data
    Tang S H, Zhang X P, Liu H, et al. 2020. Research and prospect on engineering difficulties and key technologies for underwater shield tunnel in complex ground[J/OL]. Journal of Engineering Geology, 2020-06-03, https://doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2020-044.
    Wang J A, Zhou J X, Li F, et al. 2020. Study on fluid-solid coupling effect of large diameter underwater shield tunnel excavation[J]. Yangtze River, 51 (9): 175-182.
    Wang S Q, Cai S H, Jiang S Z. 1998. Study on simultaneous grouting material for shield tunnel[J]. Journal of Yangtze River Sciences Research Institute, 15 (4): 28-30, 38. http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-CJKB804.006.htm
    Wei G. 2010. Selection and distribution of ground loss ratio induced by shield tunnel construction[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 32 (9): 1354-1361. http://www.researchgate.net/publication/290652544_Selection_and_distribution_of_ground_loss_ratio_induced_by_shield_tunnel_construction
    Wen Y Q, Su D, Deng B, et al. 2020. Three dimensional numerical simulation of ground disturbance caused by DOT shield tunnelling[J]. Modern Tunnelling Technology, 57 (S1): 450-457.
    Xu J H, He C, Xia W Y. 2009. Research on coupling seepage field and stress field analyses of underwater shield tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics, 30 (11): 3519-3522, 3527. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ytlx200911050
    Xu L M. 2020. Analysis of mechanical performance of subway shield tunnel structure with submarine weathering trough based on monitoring and calculation[J]. Journal of China & Foreign Highway, 40 (5): 219-225.
    Zhang Z Q, He C, She C G. 2005. Three dimensional finite element modeling of excavation and advancement processes of shield tunnel construction in Nanjing metro[J]. Journal of the China Railway Society, 27 (1): 84-89.
    陈喜坤, 朱伟, 王睿. 2017. 注入初期盾构壁后注浆体的三轴试验研究[J]. 长江科学院院报, 34 (4): 140-143. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJKB201704029.htm
    方勇, 何川. 2009. 考虑施工过程的土压平衡式盾构隧道掘进数值分析[J]. 铁道工程学报, 26 (11): 56-60. doi: 10.3969/j.issn.1006-2106.2009.11.013
    韩宝明, 陈佳豪, 杨运节, 等. 2020.2019年世界城市轨道交通运营统计与分析综述[J]. 都市快轨交通, 33 (1): 4-8. doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2020.01.002
    韩磊, 叶冠林, 王建华, 等. 2015. 浅覆土大直径盾构穿越对河堤影响的有限元分析[J]. 岩土工程学报, 37 (S1): 125-128. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2015S1026.htm
    李凯飞. 2020a. 盾构隧道穿越河流最小覆土厚度及沉降研究[J]. 常州大学学报(自然科学版), 32 (1): 79-84. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSY202001012.htm
    李凯飞. 2020b. 盾构穿越河流的稳定性分析及安全施工控制技术研究[J]. 建筑安全, 35 (1): 18-21. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZAQ202001005.htm
    路开道. 2020. 盾构隧道越江段孔隙水压力分布特性研究[J]. 建筑结构, 50 (S2): 759-763.
    缪林昌, 王正兴, 石文博. 2015. 砂土盾构隧道掘进开挖面稳定理论与颗粒流模拟研究[J]. 岩土工程学报, 37 (1): 98-104. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201501013.htm
    齐春, 何川, 封坤. 2015. 考虑流固耦合效应的水下盾构隧道受力特性[J]. 西南交通大学学报, 50 (2): 306-311, 330. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2015.02.015
    施有志, 林树枝, 车爱兰. 2017. 基于深基坑监测数据的土体小应变刚度参数优化分析[J]. 应用力学学报, 34 (4): 654-660. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYLX201704009.htm
    唐少辉, 张晓平, 刘浩, 等. 2020. 复杂地层水下盾构隧道工程难点及关键技术研究与展望[J/OL]. 工程地质学报, 2020-06-03, https://doi.org/10.13544/j.cnki.jeg.2020-044.
    王金安, 周家兴, 李飞, 等. 2020. 大直径水下盾构隧道开挖流固耦合效应研究[J]. 人民长江, 51 (9): 175-182. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-RIVE202009031.htm
    王树清, 蔡胜华, 蒋硕忠. 1998. 盾构法隧道施工同步注浆材料研究[J]. 长江科学院学报, 15 (4): 28-30, 38. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CJKB804.006.htm
    温瑜琴, 苏栋, 邓碧, 等. 2020. 双圆盾构掘进地层扰动的三维数值模拟[J]. 现代隧道技术, 57 (S1): 450-457. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD2020S1059.htm
    魏刚. 2010. 盾构隧道施工引起的土体损失率取值及分布研究[J]. 岩土工程学报, 32 (9): 1354-1361. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201009010.htm
    许金华, 何川, 夏炜洋. 2009. 水下盾构隧道渗流场应力场耦合效应研究[J]. 岩土力学, 30 (11): 3519-3522, 3527. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2009.11.050
    许黎明. 2020. 基于监测与计算的海底风化槽地铁盾构隧道结构受力性能分析[J]. 中外公路, 40 (5): 219-225. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GWGL202005043.htm
    张志强, 何川, 佘才高. 2005. 南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析[J]. 铁道学报, 27 (1): 84-89. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDXB200501017.htm
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-29
  • 修回日期:  2021-07-06
  • 刊出日期:  2021-12-25

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