張?zhí)?/p>

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安　710043)

?

城市軌道交通TBM拆卸洞室設(shè)計及安全性研究

張?zhí)?/p>

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西西安710043)

摘要:以重慶軌道交通六號線工程銅鑼山隧道為研究對象，針對大埋深隧道，提出復(fù)合式TBM在隧道洞內(nèi)進(jìn)行拆卸，并借助有限元軟件采用定量分析與監(jiān)控量測相結(jié)合的方法，進(jìn)行拆卸洞室結(jié)構(gòu)安全性分析。研究結(jié)果表明:重慶地區(qū)類似工程采用復(fù)合式TBM在隧道內(nèi)拆卸安全可行;采用“拆卸洞+運輸洞”的形式進(jìn)行接收，實現(xiàn)了復(fù)合式TBM在洞內(nèi)分解拆卸、車輛裝載運輸，避免了施作超深吊出豎井的高風(fēng)險等問題，可為重慶及其它地區(qū)類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞:復(fù)合式TBM洞內(nèi)拆卸有限元分析結(jié)構(gòu)計算

全斷面隧道掘進(jìn)機施工技術(shù)以其快速、安全、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保等諸多優(yōu)點，在地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。為了適應(yīng)城市地質(zhì)環(huán)境中軟硬不均、變化頻繁、復(fù)合交互且?guī)r石強度差異較大的地層，復(fù)合式TBM施工技術(shù)應(yīng)運而生。但由于實際工程中的應(yīng)用實例較少，相關(guān)研究也比較滯后，可供參考文獻(xiàn)較少?；谥貞c軌道交通工程，王?。?］從管片結(jié)構(gòu)、超深豎井支護(hù)及穿越建筑物方面，對復(fù)合式TBM區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究;譚軍民［2］對復(fù)合式TBM卡盾原因進(jìn)行了分析，并制定應(yīng)對措施;郭家慶等［3］對復(fù)合式TBM施工注意事項進(jìn)行了分析;范九巳等［4］對復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工監(jiān)理方法進(jìn)行了探討。但現(xiàn)有文獻(xiàn)主要集中在對區(qū)間埋深較小、施工場地優(yōu)越的隧道施工技術(shù)及設(shè)計方法等的研究。

本文將結(jié)合重慶地鐵6號線銅鑼山隧道工程實例，闡述復(fù)合式TBM在深埋隧道洞內(nèi)拆卸的方案，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析，避免了深埋隧道施作超深豎井的問題，為后續(xù)類似工程的設(shè)計提供借鑒。

1　工程背景

1. 1工程概況

銅鑼山隧道位于重慶地鐵六號線劉家坪站—上新街站區(qū)間，下穿銅鑼山段，為左右線平行的兩條單洞單線隧道，線間距15 m，全長5 633 m。隧道屬于長隧道，為了提高施工進(jìn)度，滿足工期要求，同時減少輔助坑道的施工，擬定采用復(fù)合式TBM +礦山法相結(jié)合的施工方法。銅鑼山隧道出口端2 733 m段以灰?guī)r為主，局部段落存在煤系地層、石膏巖、白云巖、斷層破碎帶，可能存在巷道、采空、溶腔、巖溶、突涌水等不良地質(zhì)情況，考慮施工工期及安全等問題，該段采用鉆爆法施工?？紤]復(fù)合式TBM的適應(yīng)性，擬在進(jìn)口段2. 9 km的砂巖、泥巖段，采用2臺直徑6. 28 m的復(fù)合式TBM由隧道進(jìn)口向上新街站方向掘進(jìn)，通過在隧道內(nèi)實現(xiàn)地下拆卸后，再沿斜井運輸至地面。復(fù)合式TBM主要部件尺寸及質(zhì)量如表1所示。

表1復(fù)合式TBM主要部件尺寸及質(zhì)量

1. 2地質(zhì)概況(表2)

復(fù)合式TBM施工段沿線地層由地表向下主要為第四系人工填土、殘坡積及崩坡積土;侏羅系的自流井組、珍珠沖組地層的砂、泥巖;三迭系上統(tǒng)須家河組第六段石英砂巖。砂巖飽和單軸抗壓強度值為39. 9 MPa，泥巖飽和單軸抗壓強度值為6. 1 MPa。圍巖級別判定:泥巖段Ⅳ級、砂巖段Ⅲ級。地下水不甚發(fā)育，主要為松散層孔隙水以及基巖裂隙水，受大氣降水補給，涌水量較小，水文地質(zhì)條件較好。

表2地層物理力學(xué)參數(shù)

2復(fù)合式TBM洞內(nèi)拆卸方案設(shè)計

2. 1洞內(nèi)拆卸工序

復(fù)合式TBM調(diào)頭工序為:調(diào)頭前準(zhǔn)備工作(確定姿態(tài)、安裝調(diào)頭段鋼軌、安裝接收基座、安裝洞門密封環(huán)、拆卸設(shè)備安裝調(diào)試等)→右線貫通、渣土清理→主機和后配套分離→主機被牽引至拆卸洞內(nèi)→主機拆卸運輸出洞→后配套被牽引至拆卸洞內(nèi)→后配套拆卸運輸出洞→完成右洞拆卸工作→拆卸設(shè)備轉(zhuǎn)移安裝至左線。

2. 2拆卸洞及運輸洞平面布置

復(fù)合式TBM施工終點位于銅鑼山山體中部，埋深160 m，施作吊出豎井難度大，且復(fù)合式TBM拆卸后提升風(fēng)險高，故通過施作拆卸洞室及斜井，將復(fù)合式TBM洞內(nèi)拆卸并通過斜井運輸至地面。

同時考慮到拆卸洞的結(jié)構(gòu)尺寸大，將拆卸洞選址設(shè)置在圍巖條件較好的Ⅲ級砂巖地段內(nèi)，確保施工及結(jié)構(gòu)安全。

擬定拆卸段采用“拆卸洞+運輸洞”的形式，如圖1所示。拆卸洞主要用于復(fù)合式TBM接收及主機、設(shè)備橋架和后配套拆卸、裝車，運輸洞主要用于將拆卸后的設(shè)備通過車輛運輸至地面。

圖1復(fù)合式TBM洞內(nèi)拆卸平面布置

2. 3拆卸洞斷面擬定

復(fù)合式TBM調(diào)頭斷面的凈空尺寸應(yīng)滿足地鐵建筑限界，以及各種設(shè)備使用功能與拆卸工藝的要求，并結(jié)合施工誤差、結(jié)構(gòu)變形和位移等因素給出必要的富裕量，再從經(jīng)濟性和實用性方面綜合考慮。最終確定:

拆卸洞室的有效長度L = 35 m;

拆卸洞室的有效高度H = D + h1+ h2+ h3= 12 m;

拆卸洞室的有效寬度B = D + d = 8. 28 m;

拆卸洞走行吊機安裝寬度B1= B + 2b = 8. 5 m。

拆卸洞限界斷面如圖2所示。

圖2復(fù)合式TBM拆卸洞限界斷面

3　結(jié)構(gòu)計算分析

3. 1基本假定與荷載

3. 1. 1基本假定

1)假定各地層均為理想彈性體，且屬連續(xù)、均質(zhì)的各向同性體;

2)假定襯砌為小變形彈性梁，并離散為足夠多個等厚度直桿梁單元;

3)假定初期支護(hù)與四周圍巖密貼，且回填材料的力學(xué)參數(shù)不小于周圍巖體的力學(xué)參數(shù);初期支護(hù)與二次襯砌密貼，且回填材料的力學(xué)參數(shù)不小于初期支護(hù)的力學(xué)參數(shù);

4)用布置于各節(jié)點上的彈簧單元來模擬圍巖與初期支護(hù)、襯砌的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的黏結(jié)力;彈簧受壓時的反力即為圍巖對襯砌的彈性抗力。

3. 1. 2計算荷載

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、受力條件、地質(zhì)條件等因素，考慮施工和使用年限內(nèi)發(fā)生的變化，其主要荷載包括:結(jié)構(gòu)自重、地層壓力、水壓力及浮力等永久荷載;洞內(nèi)橋吊工作荷載等施工荷載。并根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范規(guī)定的可能出現(xiàn)的最不利組合進(jìn)行計算。

3. 2計算模式

為盡可能掌握隧道襯砌的實際受力狀態(tài)，按地層—結(jié)構(gòu)模式(平面)進(jìn)行了計算。計算軟件為Ansys。為了建立真實的物理模型，圍巖采用等參平面四邊形單元進(jìn)行離散，而二次襯砌采用梁單元( beam)模擬。

3. 2. 1有限元模型

1)計算模型

根據(jù)斷面區(qū)間隧道位置關(guān)系圖建立模型，上表面取距拱頂30 m，左邊界、右邊界及下表面取至離隧道周邊4D處。約束條件:左右邊界受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為荷載約束。計算模型如圖3所示。

圖3“地層—荷載”計算模型與網(wǎng)格劃分

2)地層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

計算時圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)《重慶地鐵六號線二期銅鑼山隧道工程勘察報告(詳勘)》加以選取。

3)屈服準(zhǔn)則

計算采用彈塑性平面應(yīng)變模型。巖土材料的非線性按DP材料處理，塑性準(zhǔn)則使用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。

4)計算步驟模擬

計算步驟為初始平衡→隧道開挖→隧道襯砌施作→洞內(nèi)橋吊工作荷載施加。

3. 2. 2計算結(jié)果

1)隧道周圍的圍巖應(yīng)力

由各個方向的應(yīng)力云圖可看出，隧道周圍大部分區(qū)域是受壓的。應(yīng)力極值分布見表3。本段圍巖處于T3xj砂巖中，地基承載力為3 MPa，滿足要求。

表3拆卸洞周邊圍巖應(yīng)力

2)二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力

選取隧道結(jié)構(gòu)拱頂、拱腰、支座、邊墻、仰拱進(jìn)行受力分析檢算。

二次襯砌結(jié)構(gòu)采用“破損階段”法設(shè)計，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度;并根據(jù)承載力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求進(jìn)行裂縫驗算。隧道襯砌各控制點內(nèi)力及安全系數(shù)及裂縫檢算結(jié)果見表4、表5。

表4安全系數(shù)檢算結(jié)果

表5裂縫寬度檢算結(jié)果

經(jīng)過驗算，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及裂縫寬度符合相關(guān)規(guī)范要求［5-6］。

通過上述結(jié)構(gòu)計算與綜合分析，并結(jié)合重慶地鐵的經(jīng)驗，拆卸洞擬采用復(fù)合式襯砌，其支護(hù)參數(shù)見表6。

表6拆卸洞支護(hù)參數(shù)

4　監(jiān)控量測

在隧道開挖后，立即進(jìn)行拱頂沉降、水平收斂、底部隆起以及圍巖壓力等監(jiān)測。

目前已完成區(qū)間結(jié)構(gòu)施工，隧道拱頂下沉、水平收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:最不利位置拱頂累計沉降14. 4 mm，水平收斂6. 8 mm，底部隆起0. 2 mm;各監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，且與施工階段的數(shù)值模擬計算結(jié)果基本吻合，建(構(gòu))筑物、隧道結(jié)構(gòu)均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4施工過程監(jiān)控量測

5　結(jié)論

1)采用復(fù)合式TBM在洞內(nèi)拆卸并通過斜井運出是安全可行的，避免了施作超深吊出井的高風(fēng)險等問題;

2)采用隧道內(nèi)拆卸復(fù)合式TBM，實現(xiàn)了城市軌道交通長大穿山區(qū)間施工工法的多樣性，拓展了復(fù)合式TBM的適用范圍;

3)利用有限元軟件，結(jié)合“地層—結(jié)構(gòu)”模型定量分析受力情況，按破損階段法進(jìn)行強度驗算，以可靠指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，方法適當(dāng)。

參考文獻(xiàn)

［1］王俊．復(fù)合式TBM在重慶地鐵實踐中的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011( 6) : 88-93．

［2］譚軍民．復(fù)合地層中TBM卡盾原因分析及脫困案例［J］．山西建筑，2012( 12) : 201-203．

［3］郭家慶，李磊．淺談復(fù)合式TBM施工注意事項［J］．建筑機械化，2012( 1) : 89-91．

［4］范九巳，張鵬．關(guān)于重慶地鐵復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工監(jiān)理方法的探討［J］．科技信息，2012( 28) : 393-394．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［6］中華人民共和國建設(shè)部．GB 50517—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2003．

(責(zé)任審編孟慶伶)

Design and its safety study on shield disassemble cavern for construction of urban transit project

ZHANG Tai

( China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Abstract:T he T ongluoshang T unnel in Chongqing urban rail transit line 6 was studied in this paper．As for the large section and deep-buried tunnels，disassembling in cavern using combined T BM was proposed．Quantitative analysis for cavern structural safety was performed by using finite element software，together with monitoring．T he results show that it is safe and feasible to disassemble with the combined T BM inside the tunnel in Chongqing area．T his method taked the mode of“disassemble cavern plus transport cavern”，facilitating the disassembling，truck loading and transporting of the combined T BM inside the cavern and avoiding the high risk of making super depth hanging out shaft．It may provide guidelines for similar projects in Chongqing or other places．

Key words:Combined T BM ; Disassemble cavern; Finite element analysis; Structural calculation

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0062-04

作者簡介:張?zhí)? 1985—)，男，工程師。

收稿日期:2015-07-09;修回日期: 2015-10-20

中圖分類號:U452．2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．15