孔慶梅，溫 森,b，趙麗敏

(河南大學(xué) a.土木建筑學(xué)院；b.材料與結(jié)構(gòu)研究所，河南 開封 475004)

隧道施工中盾構(gòu)機(jī)吊裝對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響

孔慶梅a，溫 森a,b，趙麗敏a

(河南大學(xué) a.土木建筑學(xué)院；b.材料與結(jié)構(gòu)研究所，河南 開封 475004)

盾構(gòu)機(jī)吊裝是盾構(gòu)法隧道施工中的重要步驟，由于盾構(gòu)機(jī)本身體型大、荷載重、起吊時(shí)間短的特點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)吊裝成為隧道盾構(gòu)施工過程中的一個(gè)危險(xiǎn)因素。在盾構(gòu)機(jī)吊裝過程中，對(duì)連續(xù)墻的位移、支撐桿的軸向力和變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，針對(duì)盾構(gòu)起吊過程短暫、監(jiān)測實(shí)施困難的特點(diǎn)，采用有限元分析法，將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明:盾構(gòu)機(jī)的吊裝過程中，隧道開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的，有限元分析方法也是有效的。此研究成果可為相似工況其他隧道工程中的盾構(gòu)機(jī)吊裝安全穩(wěn)定分析提供參考。

盾構(gòu)吊裝；隧道施工；數(shù)值分析；監(jiān)測數(shù)據(jù)；支護(hù)結(jié)構(gòu); 基坑支護(hù)

1 研究背景

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源逐漸變得稀有，地下空間的開發(fā)利用成為城市建設(shè)的熱點(diǎn)。

盾構(gòu)工法以其施工質(zhì)量好、效率高、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為地鐵修建的主要工法。在盾構(gòu)隧道施工建設(shè)中，盾構(gòu)進(jìn)出洞是施工中既關(guān)鍵又容易發(fā)生事故的工序[1]。始發(fā)井、接收井若設(shè)計(jì)不合理或考慮不足，盾構(gòu)吊裝過程可能發(fā)生嚴(yán)重的基坑垮塌事故、傷亡事故，以及造成不可估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。為了保證隧道吊出工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)機(jī)吊裝過程中的安全穩(wěn)定，對(duì)吊出工作井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻的位移、鋼筋混凝土內(nèi)支撐的內(nèi)力及變形[4]。盾構(gòu)起吊施工過程中，盾構(gòu)起吊瞬間，支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力迅速變化，基坑支護(hù)是否安全，起吊能否順利完成，這個(gè)短暫過程很關(guān)鍵。實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)能為安全起吊提供第一時(shí)間的指導(dǎo)，但是受限于該過程的短暫性，部分監(jiān)測項(xiàng)目根本無法實(shí)施，所以采用了有限元方法對(duì)這個(gè)施工過程進(jìn)行模擬，同時(shí)對(duì)比軸的模擬變化值與監(jiān)測值，若二者結(jié)果符合度好，則可用有限元對(duì)基坑的其他監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行模擬和預(yù)分析，以期能為類似工程提供預(yù)指導(dǎo)。

2 工程概況

2.1 工程周邊環(huán)境

某盾構(gòu)吊出井位于廣州市疊景路與廣州大道南交叉口。該井周邊環(huán)境復(fù)雜，首先，起吊井距離廣州大道主干線約10 m，廣州大道車流量及人流量都較大；其次，該井距離廣州地稅大廈最近距離僅15 m左右，而且該井邊約50 m處為金蕙園住宅小區(qū)，復(fù)雜的環(huán)境為盾構(gòu)機(jī)起吊制造了難題，同時(shí)也對(duì)盾構(gòu)起吊監(jiān)測提出了更高的要求。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中受原有管線的影響，對(duì)原設(shè)計(jì)線路進(jìn)行了平面和豎向兩方面的調(diào)整，調(diào)整后的起吊井井口為不規(guī)則五邊形，其中較長邊為18.7 m，較短邊僅為7 m，井深29.5 m，井口面積為315 m2。E井作為盾構(gòu)過井，同時(shí)兼作柳園電力隧道盾構(gòu)的吊出井，其位置及周邊環(huán)境見圖 1。

圖1 E井位置及周邊環(huán)境

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察，可知在勘察深度范圍所揭露的地層主要包括有淤泥、粉質(zhì)黏土和基巖層。主要的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)為天然密度ρ、壓縮模量Es、黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ、承載力特征值fak，具體如表1所示。地質(zhì)剖面如圖2所示。

表1 巖土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖2 E井地層加固縱剖面圖

圖3 內(nèi)支撐平面布置Fig.3 Plane layout of inner supports at different elevations

2.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

工作井的支護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻和4道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的形式。4道鋼筋混凝土內(nèi)支撐中，第1道內(nèi)支撐的尺寸為700 mm×900 mm，其余3道內(nèi)支撐的尺寸為800 mm×1 000 mm；冠梁的尺寸為800 mm×1 000 mm，第2道至第4道腰梁尺寸為1 200 mm×1 000 mm。基坑內(nèi)支撐的具體結(jié)構(gòu)布置如圖 3所示。

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)洞門周圍的土體，本工程采用玻璃纖維加筋的方式進(jìn)行加固。對(duì)于隧道端頭周圍的土體，本工程采用從洞門范圍內(nèi)進(jìn)行打孔注漿的加固方案加固基坑外圍土體。加固區(qū)域截面為半徑為3 m的半圓，加固長度為10 m，具體如圖4及圖 2。

圖4 基坑土體加固區(qū)域平面圖

2.4 盾構(gòu)機(jī)吊裝方案

由于盾構(gòu)機(jī)頭體型大、荷載重的特點(diǎn)，其吊裝過程的每一個(gè)步驟都需要經(jīng)過精細(xì)計(jì)算及嚴(yán)密監(jiān)測。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)被吊起離地10 cm時(shí)，需徹底檢查吊裝體系的安全穩(wěn)定性，并對(duì)整個(gè)吊裝體系的安全運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行及時(shí)合理評(píng)價(jià)[5]。出于安全考慮，吊裝前對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行了拆分，首次起吊的盾構(gòu)機(jī)頭和吊裝機(jī)械加起來總質(zhì)量接近3×105kg。為選擇合理起吊點(diǎn)，起吊機(jī)提前進(jìn)場選址，吊裝機(jī)相對(duì)于基坑的平面位置如圖4所示。

2.5 現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)布置

盾構(gòu)機(jī)吊裝過程中基坑內(nèi)支撐監(jiān)測控制點(diǎn)的布置選點(diǎn)由下列條件決定[6-8]：

(1) 所布置的監(jiān)測點(diǎn)要求必須能夠檢測到盾構(gòu)機(jī)吊裝過程中相鄰建筑物地基的沉降、傾斜、裂縫和變形。

(2) 項(xiàng)目監(jiān)測方案報(bào)警值的設(shè)置要根據(jù)監(jiān)測對(duì)象的相關(guān)規(guī)范以及內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求而定。

(3) 支撐桿應(yīng)力和變形監(jiān)測值的變化范圍必須被控制在一個(gè)合理的區(qū)間內(nèi)。

基于上述原則，位移傳感器(S)應(yīng)布置在隧道挖掘區(qū)域的周邊土體內(nèi)用來監(jiān)測基坑的變形，應(yīng)力傳感器(Z)應(yīng)布置在內(nèi)支撐梁上用來監(jiān)測支撐梁軸向力的變化，測斜管(C)應(yīng)布置在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的連續(xù)墻中用來監(jiān)測基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直傾斜角。監(jiān)測點(diǎn)的選擇以及監(jiān)測儀器的具體布置如圖3所示。

3 盾構(gòu)機(jī)吊裝過程的監(jiān)測結(jié)果

3.1 軸力分析

盾構(gòu)機(jī)起吊瞬間，支撐結(jié)構(gòu)的受力情況監(jiān)測至關(guān)重要，但是該過程時(shí)間短暫，部分項(xiàng)目無法進(jìn)行監(jiān)測，而本文關(guān)注的重點(diǎn)只是起吊過程，所以在盾構(gòu)機(jī)起吊期間只對(duì)內(nèi)支撐進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。

盾構(gòu)機(jī)起吊過程各支撐的受力情況不同，如表2所示。

表2 盾構(gòu)起吊過程支撐軸力實(shí)測變化值

以本工程中實(shí)時(shí)監(jiān)測的3根內(nèi)支撐為例，當(dāng)起吊機(jī)進(jìn)場時(shí)，距離起吊機(jī)最近的支撐Zi-3軸力變化最為明顯，Zi-2 次之，Zi-1軸力變化最小。吊裝施工過程中不同位置處支撐的軸力變化規(guī)律也不同，當(dāng)?shù)鯔C(jī)進(jìn)場時(shí)，重量巨大的起吊機(jī)使近側(cè)連續(xù)墻向基坑內(nèi)位移，直接推動(dòng)Zi-3支撐，使其發(fā)生壓縮變形，所以該支持軸向壓力在吊機(jī)進(jìn)場和盾構(gòu)機(jī)起吊過程都在增加。而對(duì)于支撐Zi-2及Zi-1，在基坑連續(xù)墻受力變形過程中，該位置處的內(nèi)支撐有時(shí)會(huì)以受拉變形來抵抗基坑變形，所以其原來軸向壓力會(huì)有所減少，如Z1-1，Z1-2，Z2-1，Z2-2，但也有軸向壓力繼續(xù)增大的情況，如Z3-2，Z2-2。同時(shí),分析發(fā)現(xiàn)第4道支撐在盾構(gòu)起吊過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)有些異常，可能由監(jiān)測偶然因素導(dǎo)致，故分析時(shí)不再考慮該數(shù)據(jù)。

對(duì)比在平面同一位置上的4道支撐，在吊機(jī)進(jìn)場時(shí)，Z1-3,Z2-3, Z3-3三點(diǎn)的軸力變化絕對(duì)值依次減小,該現(xiàn)象說明吊機(jī)荷載對(duì)基坑的影響效果從上到下，逐漸減弱。其他各點(diǎn)距離吊機(jī)較以上3點(diǎn)遠(yuǎn)，因此變化規(guī)律并不與其一致。

3.2 位移分析

由于盾構(gòu)起吊過程時(shí)間短暫，實(shí)際上當(dāng)對(duì)連續(xù)墻進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)起吊結(jié)束。此時(shí)作用在基坑上的吊機(jī)及盾構(gòu)機(jī)荷載的大小和位置都沒有改變，所以此時(shí)對(duì)連續(xù)墻位移進(jìn)行監(jiān)測依然有意義。測斜孔中C4,C3,C5這3個(gè)測斜孔距盾構(gòu)機(jī)位置最近，受盾構(gòu)起吊影響較明顯，其他幾個(gè)測孔變形不明顯，所以本文僅對(duì)這3個(gè)測孔做詳細(xì)分析,各孔位移變化如圖5所示。

圖5 各孔位移變化Fig.5 Variations of displacement with depth in different holes

測斜管內(nèi)軌道槽的設(shè)置使測斜儀只采集連續(xù)墻向基坑內(nèi)的垂直向位移值。C4測孔距離盾構(gòu)起吊井最近，且C4孔在盾構(gòu)及吊機(jī)荷載下位移方向剛好沿連續(xù)墻法線方向指向基坑內(nèi)，所以由圖5(a)可見，在整個(gè)盾構(gòu)起吊施工過程中，C4測孔的位移都是指向基坑內(nèi)，且變化值最大。而C5及C3測孔設(shè)置的位置與C4測孔不同，在起吊施工過程中，這兩個(gè)孔的位移變化規(guī)律也較C4測孔不同，其中C3測孔在起吊機(jī)進(jìn)場時(shí)表現(xiàn)出向基坑外位移的情況，見圖5(b)。如圖5(c)所示,對(duì)于C5測點(diǎn)孔，在吊機(jī)荷載下其位移方向與測斜儀監(jiān)測方向有夾角，向基坑內(nèi)部的位移分量較小，所以在吊機(jī)進(jìn)場、盾構(gòu)起吊的過程中C5測點(diǎn)孔的位移監(jiān)測值變化很不明顯。

4 有限元分析

4.1 模型建立

有限元分析方法能清晰地反映基坑施工過程中各支護(hù)體系的應(yīng)力應(yīng)變及對(duì)周邊建筑物的影響情況，從而備受青睞，同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展更為利用有限元方法解決基坑開挖所產(chǎn)生的工程問題奠定了基礎(chǔ)[9-11]。根據(jù)本工程的吊裝方案，結(jié)合有限元軟件(Midas-GTS)在有限元模型中繪制吊裝機(jī)安置區(qū)域，并通過等效荷載作用的方式將吊裝機(jī)和盾構(gòu)機(jī)的荷載等效作用在吊裝機(jī)的位置上，吊裝機(jī)安置區(qū)域所占面積為6 m2，將吊裝機(jī)和盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體的荷載作用等效為500 kPa的均布荷載來考慮。為了弱化邊界條件對(duì)數(shù)值計(jì)算分析的影響，有限元模型尺寸在長寬方向上設(shè)置為基坑長寬的5倍。建模結(jié)果及單元網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 模型網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh generation in the model

如前文所述，隧道挖掘施工前，首先對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行了加固處理，相對(duì)應(yīng)的，在有限元模型參數(shù)設(shè)置中將土體的初始彈性模量由10 MPa調(diào)整為50 MPa。有限元模型中經(jīng)過加固處理的部分土體單元如圖6(b)所示。

4.2 內(nèi)支撐軸向力對(duì)比分析

根據(jù)有限元模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分析內(nèi)支撐的軸向力，盾構(gòu)機(jī)吊裝前、后的內(nèi)支撐軸向力如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)起吊前、后內(nèi)支撐軸向力Fig.7 Axial forces of inner support before and after the lifting of shield

通過整理有限元模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)比分析內(nèi)支撐軸向力在盾構(gòu)機(jī)吊裝前后的變化，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 盾構(gòu)起吊過程支撐軸力模擬變化值

通過表2、表3和圖 7可以明顯看出數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果之間差別不大，對(duì)比2組數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算與實(shí)際測量所得到的內(nèi)支撐軸向力在盾構(gòu)機(jī)吊裝前后的變化趨勢(shì)是相似的。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)場及起吊過程，荷載對(duì)內(nèi)支撐軸向力的影響可以通過內(nèi)支撐軸向力的增值進(jìn)行分析。對(duì)比分析不同深度內(nèi)支撐的軸向力增值可知，監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值模擬數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本相同。實(shí)際監(jiān)測過程中鋼筋應(yīng)變測量儀器會(huì)受溫度的影響，而有限元分析中不考慮溫度，所以溫度因素也會(huì)影響兩者數(shù)據(jù)的符合程度。

4.3 連續(xù)墻位移對(duì)比分析

盾構(gòu)機(jī)吊裝過程中連續(xù)墻的位移可以通過連續(xù)墻側(cè)壁設(shè)置的測斜點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)換算而得。根據(jù)測點(diǎn)位置提取有限元模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 C4孔位移值有限元分析與監(jiān)測對(duì)比Fig．8 ComparisonbetweencalculateddisplacementsbyFEManalysisandmeasureddisplacements

圖8給出了有限元模擬計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測盾構(gòu)機(jī)吊裝完成后基坑支護(hù)連續(xù)墻體沿垂直方向上的位移分布變化曲線。從圖 8中可知，在有限元模擬計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測中基坑支護(hù)連續(xù)墻的位移和傾角都隨著測點(diǎn)位置深度的增加逐漸減小。位移最小值出現(xiàn)在連續(xù)墻底部位置，位移最大值量出現(xiàn)在基坑支護(hù)連續(xù)墻埋深約10 m位置處。

總體而言，通過實(shí)際監(jiān)測和有限元模擬2種方法得到的位移變化曲線符合度較好，同時(shí)2種方法得到的基坑支護(hù)連續(xù)墻位移都在合理范圍內(nèi)，沒有達(dá)到報(bào)警值。因此可以判斷，盾構(gòu)機(jī)吊裝過程中，基坑支護(hù)連續(xù)墻結(jié)構(gòu)能夠保證工程的安全穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

通過對(duì)該工程盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭吊裝過程中基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及其與有限元模擬結(jié)果的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

(1) 盾構(gòu)機(jī)吊裝過程中，基坑內(nèi)支撐的軸向力受到盾構(gòu)機(jī)自重荷載的影響，軸向力數(shù)值明顯增大?；由喜康牡?道內(nèi)支撐承受盾構(gòu)機(jī)吊裝的影響最大，其軸向力也最大，而隨著內(nèi)支撐所處位置深度的增加，其余3道內(nèi)支撐受到盾構(gòu)機(jī)吊裝的影響逐漸減弱，其軸向力變化值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

(2) 基坑連續(xù)墻越靠近邊界，受到盾構(gòu)機(jī)吊裝的影響越大，其位移值也就越大，而在垂直方向上，連續(xù)墻位移隨著位置深度的增加逐漸減小。

(3) 有限元法分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在承受盾構(gòu)起吊之類荷載作用時(shí)所得到的結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果符合度較好，可以為類似工程提供參考。

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(編輯：占學(xué)軍)

Influence of Shield Lifting on Supporting Structure ofPit During Tunnel Construction

KONG Qing-mei1, WEN Sen1,2，ZHAO Li-min1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Henan University, Kaifeng 475004, China; 2.Institute of Materials and Structures, Henan University, Kaifeng 475004, China)

Shield lifting is an important procedure in tunnel construction by shield method. Due to the large size of

shield, heavy load and short lifting time, lifting process becomes a big risk in shield tunnel construction. During the lifting process, the displacement of continuous wall, the axial forces and deformation of supports were monitored in real time. Finite element method(FEM) was applied because the lifting process is very short and some monitoring programs are difficult to be conducted. Results showed that the data from FEM proved to be effective in comparison with measured data and the excavation is safe during the shield uplifting. The research results provide references for similar projects.

shield lifting; tunnel construction; numerical analysis; monitoring data；supporting structure

2016-08-04；

2016-10-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51608174);河南省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(162102310603)；河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(152102310299)

孔慶梅(1978-)，女，河南新鄉(xiāng)人,講師，碩士，主要從事地下結(jié)構(gòu)方面的研究工作，(電話)15937872603(電子信箱)10193197@qq.com。

溫 森(1981-),男，河南信陽人,副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要從事地下工程方面的研究,(電話)15137857731(電子信箱)wsen919@126.com。

10.11988/ckyyb.20160783

2017,34(8):125-129，134

TU94

A

1001-5485(2017)08-0125-05