田皓文/TIAN Hao-wen

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和綜合國(guó)力的提高，TBM 的施工設(shè)備和施工技術(shù)越來(lái)越成熟，TBM 在山嶺隧道的施工中已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用，但在城市硬巖中，利用TBM 施工地鐵隧道在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有先例[1]。重慶軌道交通6 號(hào)線TBM試驗(yàn)段工程為國(guó)內(nèi)首次將TBM 應(yīng)用于城市地鐵隧道的掘進(jìn)施工項(xiàng)目。在重慶軌道交通6 號(hào)線TBM 試驗(yàn)段的施工中，不可避免的遇到了TBM過(guò)站的問(wèn)題，特別是在大龍山車站，TBM 要從車站中板通過(guò)。

1 TBM中板過(guò)站的風(fēng)險(xiǎn)分析

由于重慶軌道交通6 號(hào)線一期工程大龍山車站是國(guó)內(nèi)首次采取TBM 中板過(guò)站的方式，沒(méi)有成熟的技術(shù)可供借鑒，而由TBM 重載產(chǎn)生的巨大負(fù)荷又會(huì)對(duì)車站中板的安全構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)，因此在制定TBM 中板過(guò)站前要對(duì)TBM 中板過(guò)站的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，以期在制定方案時(shí)進(jìn)行合理規(guī)避。

通過(guò)分析，TBM 中板過(guò)站的風(fēng)險(xiǎn)主要有以下幾個(gè)方面：①TBM 主機(jī)和后配套的重量對(duì)車站中板的巨大壓力；②TBM 步進(jìn)過(guò)程中，TBM 姿態(tài)的控制；③車站斷面較大，對(duì)TBM 步進(jìn)過(guò)程中的步進(jìn)方式提出挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)步進(jìn)過(guò)程中TBM的穩(wěn)定性（不發(fā)生左右傾覆等）構(gòu)成威脅。

2 TBM中板過(guò)站的安全控制措施

為了應(yīng)對(duì)TBM 中板過(guò)站的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，在制定過(guò)站方案時(shí)采取了以下措施。

1）過(guò)站方式采取TBM 弧底步進(jìn)的方法，由于車站斷面較大，撐靴無(wú)法撐到側(cè)墻上提供反力，故在TBM 步進(jìn)過(guò)站時(shí)采用弧底步進(jìn)的形式，在步進(jìn)底板預(yù)埋弧底步進(jìn)預(yù)埋件并預(yù)埋步進(jìn)導(dǎo)向軌。步進(jìn)時(shí)，將步進(jìn)機(jī)架與預(yù)埋件采用插銷的方式固定（預(yù)埋件為一鋼管），為步進(jìn)機(jī)架提供作用反力，主推進(jìn)油缸推動(dòng)刀盤沿預(yù)埋導(dǎo)向軌滑行，一個(gè)循環(huán)完畢，放下后支撐，推進(jìn)油缸收回，帶動(dòng)步進(jìn)機(jī)架向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)循環(huán)。由以上敘述可以發(fā)現(xiàn)，該方法不需要依靠撐靴提供反力，也不需要步進(jìn)小車等附加機(jī)械配套，因此能夠最大程度減少TBM 重載對(duì)車站中板的壓力。

2）對(duì)車站中板進(jìn)行加固，確保中板的安全，具體的加固措施如圖1 所示。加固時(shí)，下部直徑?609mm 鋼支撐支到中板上，同時(shí)采用雙拼工字鋼與中板緊貼，這樣鋼支撐和工字鋼結(jié)合形成一個(gè)完整的支撐體系。

圖1 車站加固措施

3 車站中板和支撐體系受力分析

為了驗(yàn)算采取以上措施后，車站中板和支撐體系的安全性，需要計(jì)算車站中板的受力和變形，以及鋼支撐的軸力。

3.1 參數(shù)選擇

TBM中板步進(jìn)采用弧形底面上翻梁預(yù)埋導(dǎo)軌方式。根據(jù)目前TBM設(shè)計(jì)，主機(jī)步進(jìn)時(shí)荷載主要集中于三部分，機(jī)頭下方作用350t，縱向作用長(zhǎng)度為2m；水平支撐靴下方作用250t，縱向作用長(zhǎng)度2.5m；TBM后支撐作用150t，縱向作用長(zhǎng)度1.6m，機(jī)頭與撐靴縱向間距約為10m，撐靴與后支撐縱距約為7m，詳見(jiàn)圖2所示。主機(jī)機(jī)頭荷載通過(guò)兩根鋼軌向下傳遞，鋼軌橫向間距2.59m，圓心角48°。TBM步進(jìn)時(shí)，機(jī)頭始終在鋼軌上滑移，即350t荷載始終作用，步進(jìn)架和后支撐交替作用，即250t和150t荷載交替作用。

圖2 TBM荷載作用圖示

3.2 計(jì)算工況選擇

計(jì)算時(shí)鋼支撐柱距為4m，根據(jù)TBM 步進(jìn)中的受力分布情況，共包括4 種荷載工況。

工況一：機(jī)頭荷載位于支座，撐靴荷載位于跨中；

工況二：機(jī)頭荷載位于跨中，撐靴荷載位于支座；

工況三：機(jī)頭荷載位于支座，撐靴荷載位于跨中，同時(shí)有后支撐荷載作用；

工況四：機(jī)頭荷載位于跨中，撐靴荷載位于支座，同時(shí)有后支撐荷載作用。

后支撐荷載與撐靴步進(jìn)時(shí)不同時(shí)作用，只存在短暫交替狀態(tài)，機(jī)頭荷載與后支撐荷載同時(shí)作用的荷載效應(yīng)應(yīng)不超過(guò)上述工況一、工況二的組合，因此主要檢算工況為工況一、工況二。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

使用SAP2000 有限元軟件對(duì)大龍山車站中板暗梁不同工況下的受力和變形進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3～圖8 所示。

圖3 中板彎矩分布圖（工況一）

圖4 中板彎矩分布圖（工況二）

從圖3和圖4 可以得出以下結(jié)果。

1）工況一：計(jì)算得到最大彎矩為298kNm，發(fā)生位置是TBM 主機(jī)荷載作用部位的中間；后支撐荷載作用部位的最大彎矩為280kNm，從彎矩的分布情況來(lái)看，發(fā)生較大彎矩的區(qū)域都是正彎矩，即中板暗梁產(chǎn)生下凹變形。

2）工況二：計(jì)算得到最大彎矩：497kNm，發(fā)生位置是TBM 主機(jī)荷載作用區(qū)域（跨中）；后支撐荷載作用部位的最大彎矩為298kNm。

圖5 中板撓曲變形圖（工況一）

圖6 中板撓曲變形圖（工況二）

從圖5和圖6 可以得出以下結(jié)果。

1)工況一：中板暗梁主要發(fā)生下凹的變形，下凹變形最大值為2.2mm，發(fā)生在TBM 主機(jī)荷載作用的位置。

2)工況二：中板暗梁的最大下凹變形為2.4mm，發(fā)生在TBM 主機(jī)荷載作用的位置。

圖7 鋼支撐軸力圖（工況一）

圖8 鋼支撐軸力圖（工況二）

從圖7和圖8 可以看出：鋼支撐最大軸力約為1192kN，和鋼支撐的承載力對(duì)比后，可以算出鋼支撐最大應(yīng)力比為0.27，說(shuō)明鋼支撐軸力在安全范圍內(nèi)。

綜合受力和變形的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論。

1)工況二即機(jī)頭荷載位于跨中、撐靴荷載位于支座，中板暗梁的受力和變形都較工況一情況下大，因此在TBM 施工中，當(dāng)TBM 主機(jī)移動(dòng)到中板支撐的跨中位置時(shí)，要密切注意監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的受力和變形。

2)從兩種工況下的受力和變形計(jì)算結(jié)果來(lái)看，絕對(duì)值都在安全范圍內(nèi)，說(shuō)明過(guò)站方案中對(duì)中板的加固措施能夠起到很好的支撐作用，加固方案比較合理。

4 車站結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)

在TBM 步進(jìn)過(guò)程中，對(duì)車站中板撓度和鋼支撐軸力進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在車站中板上每隔10m 左右布置一個(gè)橫斷面監(jiān)測(cè)中板沉降（撓度），在同一位置的鋼支撐上布置應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)鋼支撐的軸力變化。選擇一個(gè)比較有代表性的監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析，其監(jiān)測(cè)的結(jié)果如圖9、圖10 所示。

圖9 YDK24+238斷面鋼支撐軸力變化趨勢(shì)圖

圖10 YDK24+238斷面鋼沉降測(cè)點(diǎn)A1變化時(shí)程曲線圖

從圖9 中可以看出，鋼支撐均受壓，且P2點(diǎn)應(yīng)力整體上大于P1點(diǎn)應(yīng)力。隨著TBM 步進(jìn)，鋼支撐應(yīng)力呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，P1、P2點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致，并與TBM 步進(jìn)吻合。在TBM 步進(jìn)到距離該斷面20m 時(shí)，鋼支撐應(yīng)力基本不發(fā)生變化；TBM 步進(jìn)到距離該斷面10m 時(shí)，鋼支撐軸力明顯增大，說(shuō)明雖然此時(shí)TBM 還未步進(jìn)到該里程，但該里程鋼支撐已經(jīng)承擔(dān)了TBM 傳遞到中板下翻梁的壓力；隨著TBM 步進(jìn)，鋼支撐受力逐漸增大，當(dāng)TBM 機(jī)頭完全在該里程時(shí)，鋼支撐受力最大，P2點(diǎn)最大值為139kN，P1點(diǎn)最大值為70kN，遠(yuǎn)小于TBM 自身的重量，也說(shuō)明下翻梁起到了很好的傳遞壓力作用，保護(hù)了中板后期安全。當(dāng)TBM 支撐靴和后支撐通過(guò)時(shí)，鋼支撐受力明顯增大；通過(guò)后，應(yīng)力值呈明顯減小趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。

從圖10 中可以看出，TBM 通過(guò)造成了一定量的中板沉降，A1 點(diǎn)最終累計(jì)沉降為1.41mm，說(shuō)明TBM 很大一部分都施加給了上翻梁，鋼支撐起到良好的支護(hù)作用，最終使得中板未發(fā)生較大的變形。從圖中還可以看出，在TBM 距離監(jiān)測(cè)斷面20m 左右時(shí)，其步進(jìn)對(duì)監(jiān)測(cè)斷面沉降影響較小，基本不發(fā)生變化；當(dāng)TBM 步進(jìn)到距離監(jiān)測(cè)斷面10m 左右時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)生明顯沉降，但沉降值也較小，在0.05mm/h 以下；當(dāng)TBM步進(jìn)到該斷面時(shí)，沉降速度達(dá)到最大，最大值在0.1～0.2mm/h，并持續(xù)3～4h，隨著TBM 步進(jìn)，中板沉降速度逐漸減小，在TBM 主要施壓部分通過(guò)后，中板有小幅回彈，最終趨于穩(wěn)定。從整體上來(lái)看，沉降速度呈現(xiàn)先增后減，先負(fù)后正趨勢(shì)。

5 結(jié)論與討論

本研究通過(guò)對(duì)TBM 中板過(guò)站的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，制定了合理的過(guò)站方法和合理的中板加固和支撐體系，并通過(guò)對(duì)車站中板和支撐體系的受力和變形的計(jì)算，驗(yàn)證了過(guò)站方案的合理性，最后在過(guò)站方案的實(shí)施中，采取監(jiān)控量測(cè)的手段，監(jiān)控了車站中板的撓度和受力、鋼支撐的軸力，和數(shù)值計(jì)算結(jié)果相印證，實(shí)證了過(guò)站方案的合理性。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，發(fā)現(xiàn)在TBM 在城市軌道交通工程的應(yīng)用中，還有很多風(fēng)險(xiǎn)和難題需要探討，例如：如何合理制定TBM 過(guò)站方案；TBM 過(guò)站時(shí)的步進(jìn)速度對(duì)車站結(jié)構(gòu)的影響等。

[1]王海龍，唐 鵬，黃 旭.TBM 過(guò)站監(jiān)控量測(cè)方案[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011，(12)：85-90.

[2]李豐果.重慶軌道交通暗挖大跨及重疊隧道施工技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2010，(05)：554-560.

[3]陳耕野，劉 斌，萬(wàn)福明.韓家?guī)X大跨度公路隧道應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（02)：5509-5515.

[4]李東勇，徐振祥，王琳靜.地鐵暗挖隧道初期支護(hù)聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)值模擬分析[J].鐵道建筑，2007，(05)：34-37.

[5]蘇明輝，張 鵬.重慶地鐵巖石隧道掘進(jìn)機(jī)過(guò)站施工方案[J].都市快軌交通，2008，(05)：64-66.

[6]王 俊.地鐵敞開(kāi)式TBM 過(guò)站施工技術(shù)[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2011，(03)：62-64.

[7]陳大軍.蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM 步進(jìn)技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2010，30（02)：162-168.