楊世東, 賀維國(guó)， 傅鶴林， 何永禮， 劉 科， 楊涇煒

(1. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133； 2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，它是采用盾構(gòu)在地層中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承隧道四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時(shí)在開挖掌子面用切削裝置進(jìn)行地層開挖，通過出土機(jī)械將開挖土體運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。該方法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用于世界各地的隧道工程中。我國(guó)的大部分地鐵區(qū)間隧道及市政越江通道都采用盾構(gòu)法施工，在盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并形成了成熟的裝備制造、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)一體化產(chǎn)業(yè)體系。

盾構(gòu)隧道施工時(shí)，當(dāng)襯砌環(huán)脫出盾尾后，管片上浮是盾構(gòu)隧道施工過程中普遍存在的問題[1]。魏綱等[2]對(duì)盾構(gòu)施工階段的管片上浮進(jìn)行了力學(xué)分析，認(rèn)為管片上浮對(duì)隧道的安全性及耐久性均有影響。葉俊能等[3]對(duì)管片施工期間的容許上浮量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)管片施工期間上浮可分為3個(gè)階段，其中線性發(fā)展階段以錯(cuò)臺(tái)變形為主。董賽帥等[4]研究了管片上浮量的決定性因素，認(rèn)為改善水泥砂漿的初凝時(shí)間以及早期抗剪強(qiáng)度是有效控制管片上浮的重要措施之一。上述研究均是針對(duì)盾構(gòu)隧道少量上浮的情況。盾構(gòu)隧道少量上浮易引起管片產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)、裂縫及破損，通過貼碳纖維布[5]、安裝加固錨筋及鋼筋網(wǎng)片[6]等加固措施進(jìn)行修復(fù)后一般不影響管片的使用，處理相對(duì)容易。盾構(gòu)隧道還可能由于地層、施工等原因造成盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，導(dǎo)致管片產(chǎn)生較大上浮，從而影響隧道使用的情況，如成都地鐵2號(hào)線外語學(xué)校站—互助站區(qū)間隧道沿設(shè)計(jì)軸線上浮約2 m、成都地鐵1號(hào)線南延線廣都北站—華陽站區(qū)間隧道沿設(shè)計(jì)軸線上浮2.395 m、長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線長(zhǎng)沙火車南站—光達(dá)站區(qū)間沿設(shè)計(jì)軸線上浮1.036 m。上述隧道由于上浮量過大，已影響隧道正常使用，需對(duì)隧道進(jìn)行局部拆除重建后方可滿足行車要求。針對(duì)盾構(gòu)隧道的拆除重建，一般采用明挖法[7-8]進(jìn)行處理。目前，國(guó)內(nèi)外尚無洞內(nèi)暗挖法拆除重建缺陷盾構(gòu)隧道的先例及文獻(xiàn)記載。本文以長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線長(zhǎng)沙火車南站—光達(dá)站區(qū)間工程為例，介紹一種軟巖地層中采用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片的技術(shù)，主要包括缺陷盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度的確定、處置方案模糊比選、復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片的實(shí)施及效果評(píng)價(jià)等。

1 工程概述

長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線長(zhǎng)沙火車南站—光達(dá)站區(qū)間出長(zhǎng)沙火車南站后依次下穿紅旗路、瀏陽河、濱河?xùn)|路后至光達(dá)站，區(qū)間隧道位于已建成運(yùn)營(yíng)的2號(hào)線長(zhǎng)沙火車南站—光達(dá)站區(qū)間隧道北側(cè)，區(qū)間平面布置如圖1所示。該區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)從光達(dá)站始發(fā)，向西掘進(jìn)至長(zhǎng)沙火車南站東端的盾構(gòu)井吊出。隧道右線盾構(gòu)于2016年10月15日開始在光達(dá)站下井組裝調(diào)試，2016年11月2日正式始發(fā)掘進(jìn)，2017年1月15日前盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)平穩(wěn)，管片拼裝正常，2017年1月15日開始盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，隧道出現(xiàn)比較嚴(yán)重的上浮，后組織多次專家會(huì)進(jìn)行糾偏處理，但盾構(gòu)姿態(tài)始終難以控制，并隨著糾偏的進(jìn)行，盾構(gòu)沿設(shè)計(jì)軸線偏差越來越大，根據(jù)2017年2月20日復(fù)測(cè)資料，管片結(jié)構(gòu)最大上浮值達(dá)1 036 mm。

圖1 長(zhǎng)沙火車南站—光達(dá)站區(qū)間總平面布置圖

Fig. 1 Plan of layout of South Changsha Railway Station-Guangda Station Section

區(qū)間所處的原始地貌單元屬瀏陽河兩側(cè)沖積階地，階面較平坦，地形起伏較小，階地主要由第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土和砂卵石層組成，具明顯的二元結(jié)構(gòu)。瀏陽河段為典型的河流沖蝕、堆積地貌，分別由河谷、江心洲和漫灘組成。地層由上至下依次為素填土〈1-2〉、粉質(zhì)黏土〈4-1-3〉、粉砂〈4-3-2〉和圓礫〈4-5-2〉、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖〈7-1〉及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖〈8-1〉。地下水主要為第四系松散層上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水3種。地質(zhì)縱剖面如圖2所示。事故隧道段中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖覆蓋層厚度為4.74～5.06 m。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為極軟巖，遇水易崩解、軟化。

圖2 地質(zhì)縱剖面圖(單位： m)Fig. 2 Geological profile (unit: m)

2 缺陷盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度的確定

2.1 線路調(diào)坡方案

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，管片221～242環(huán)水平誤差超過100 mm，最大偏差發(fā)生在231環(huán)，偏差為232 mm；豎向偏差自214環(huán)開始超過100 mm，最大豎向偏差發(fā)生在236環(huán)，偏差為1 036 mm。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料如表1所示。根據(jù)表1實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行線路調(diào)線調(diào)坡時(shí)必須滿足限界、結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)和軌道等專業(yè)要求。

表1區(qū)間右線事故段隧道軸線偏差實(shí)測(cè)值

Table 1 Measured deviation of tunnel axial line of defective section mm

注： 平面及豎向允許偏差為50 mm。

線路調(diào)整時(shí)，有2種思路。第1種思路： 盡量利用既有結(jié)構(gòu)，通過壓縮限界滿足行車要求。該方案首先對(duì)接觸網(wǎng)的高度進(jìn)行壓縮，接觸網(wǎng)的極限壓縮高度為220 mm，同時(shí)對(duì)軌道限界進(jìn)行壓縮，軌道限界極限壓縮高度為230 mm。擬合線路通過增加坡長(zhǎng)為200 m、坡度為6.75‰的上坡，與原線路通過R=2 500 m、T=38.687 m、E=0.299 m的豎曲線進(jìn)行順接，占用各專業(yè)的限界富余量后，基本滿足行車要求。線路調(diào)整方案如圖3(a)所示。該方案后期設(shè)備安裝不允許出現(xiàn)任何誤差，且地鐵運(yùn)營(yíng)期間隧道不得發(fā)生任何沉降變形，一旦后期設(shè)備安裝出現(xiàn)施工誤差或隧道發(fā)生沉降變形，將影響行車，無法補(bǔ)救，不宜推薦采用。

(a) 方案1

(b) 方案2

第2種思路： 需首先滿足各專業(yè)的限界要求，通過處理結(jié)構(gòu)滿足行車運(yùn)營(yíng)。隧道軸線允許偏差100 mm[9]，該方案通過增加坡長(zhǎng)為200 m、坡度為6.6‰的上坡，與原線路進(jìn)行順接。線路調(diào)整方案如圖3(b)所示。

圖3(b)方案由于設(shè)置了反坡豎曲線，需在豎曲線最低點(diǎn)新增區(qū)間排水泵站，增加工程投資，但該方案不占用設(shè)備安裝空間，允許隧道后期產(chǎn)生一定的沉降變形，作為線路調(diào)線調(diào)坡的推薦方案。

2.2 缺陷盾構(gòu)隧道長(zhǎng)度的確定

根據(jù)線路調(diào)線調(diào)坡推薦方案，確定223～247環(huán)范圍內(nèi)隧道為缺陷盾構(gòu)隧道，需要進(jìn)行拆除，共計(jì)拆除25環(huán)管片，長(zhǎng)度為37.5 m。隧道管片拆除后需按調(diào)坡后線路進(jìn)行結(jié)構(gòu)恢復(fù)。

3 缺陷盾構(gòu)隧道處置方案

3.1 初步方案

3.1.1 明挖處置方案

對(duì)缺陷盾構(gòu)隧道采用明挖法進(jìn)行處理。明挖法處理需在缺陷盾構(gòu)隧道四周施工圍護(hù)樁及樁間止水，然后分層開挖土方并架設(shè)支撐系統(tǒng)，開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在基坑內(nèi)拆除缺陷盾構(gòu)隧道管片，再重新施作隧道主體結(jié)構(gòu)。本工程基坑深度超過20 m，經(jīng)計(jì)算，豎向需設(shè)置3道支撐，考慮破除管片時(shí)操作空間及新建隧道的限界要求，靠近左線一側(cè)基坑外擴(kuò)0.5 m，另一側(cè)基坑外擴(kuò)1.2 m，基坑總寬度7.7 m，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 明挖法處置方案基坑支護(hù)設(shè)計(jì)圖(單位： mm)Fig. 4 Design of foundation pit support (unit: mm)

3.1.2 局部換拱方案

缺陷盾構(gòu)隧道段位于直線段，采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)管片拼裝，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊位于隧道下部，2個(gè)鄰接塊及封頂塊位于隧道上部，管片結(jié)構(gòu)布置如圖5所示。

隧道事故主要為上浮引起，拱部限界滿足線路行車要求，仰拱部位限界不滿足線路行車要求，可考慮對(duì)仰拱進(jìn)行擴(kuò)挖，利用襯砌置換底部2塊標(biāo)準(zhǔn)塊(A塊)，如圖6所示。

圖5 缺陷盾構(gòu)隧道段管片結(jié)構(gòu)布置圖Fig. 5 Segment pieces of defective shield tunnel section

圖6 局部換拱方案示意圖Fig. 6 Sketches of local arch replacing

3.1.3 復(fù)合式襯砌全環(huán)置換管片方案

缺陷盾構(gòu)隧道洞身位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層中，隧道拱頂中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖地層覆蓋層厚度為4.74～5.06 m，可考慮洞內(nèi)擴(kuò)挖利用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片。復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

圖7 復(fù)合式襯砌斷面設(shè)計(jì)圖(單位： mm)Fig. 7 Designed cross-section of composite lining (unit: mm)

3.2 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法[10-13]的處置方案比選

3.2.1 確定因素集和評(píng)語集

本工程需對(duì)盾構(gòu)管片置換的3個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)選。方案1： 明挖處置方案； 方案2： 局部換拱方案； 方案3： 復(fù)合式襯砌全環(huán)置換管片方案。評(píng)價(jià)的主要因素為： 工期、造價(jià)、環(huán)境影響、安全性和對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性，即因素集U={工期，造價(jià)，環(huán)境影響，安全性，對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性}。評(píng)價(jià)各因素優(yōu)劣等級(jí)分為4個(gè)等級(jí)： 優(yōu)、良、中、差，評(píng)語集及相應(yīng)分值V={優(yōu)，良，中，差}={100，80，60，40}。

3.2.2 確定各因素權(quán)重

在缺陷盾構(gòu)隧道方案評(píng)選中，評(píng)價(jià)因素權(quán)向量由建設(shè)單位及評(píng)審專家組綜合工期、造價(jià)、環(huán)境影響、安全性和對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性5個(gè)因素確定，評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量W=(0.25，0.15，0.2，0.25，0.15)。

3.2.3 構(gòu)建隸屬度矩陣

方案評(píng)審過程中，邀請(qǐng)8位專家各自對(duì)每一方案每一因素優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果如表2—4所示。

表2 方案1評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation results of scheme 1

表3 方案2評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Evaluation results of scheme 2

表4 方案3評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of scheme 3

將各方案評(píng)價(jià)結(jié)果以矩陣形式表達(dá)如下：

3.2.4 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

在確定權(quán)重向量W和構(gòu)建隸屬度矩陣R的基礎(chǔ)上，計(jì)算綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果B。

根據(jù)P=V·BT，計(jì)算各方案總體得分為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，P3>P2>P1，故在3個(gè)方案中方案3為最佳方案，即復(fù)合式襯砌全環(huán)置換缺陷盾構(gòu)隧道管片方案為最佳方案，作為處置方案的實(shí)施方案。

4 復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片方案的實(shí)施

4.1 實(shí)施步驟

采用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片主要步驟如圖8所示。

圖8 復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片實(shí)施流程圖

Fig. 8 Flowchart of defective shield tunnel segment replacing by composite lining

根據(jù)圖8，采用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片最不利工況為管片拆除后、初期支護(hù)施工前，該工況的安全跟單次管片拆除環(huán)數(shù)(長(zhǎng)度)密切相關(guān)，單次拆除管片環(huán)數(shù)越少，圍巖的變形量越小，對(duì)工作環(huán)兩端管片的影響也越小，施工越安全，反之，單次拆除管片環(huán)數(shù)越多，圍巖的變形量越大，地面沉降也越大，工作環(huán)兩端管片發(fā)生破壞及失穩(wěn)的可能性也越大。

4.2 管片單次拆除環(huán)數(shù)對(duì)圍巖及管片的影響分析

為驗(yàn)證上述推論的合理性，采用有限元法對(duì)施工過程進(jìn)行模擬計(jì)算，考察單次拆除管片環(huán)數(shù)對(duì)圍巖及管片的影響。

4.2.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程具體情況，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，為減小模型邊界效應(yīng)影響，計(jì)算范圍取隧道的3～5倍開挖直徑，其中，左右邊界取4倍開挖直徑，下邊界取4倍開挖直徑，上邊界取實(shí)際埋置深度15 m。模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=54 m×42 m×41 m。計(jì)算模型如圖9所示。

模型邊界條件： 左、右兩側(cè)約束X方向法向位移，前、后兩側(cè)約束Y方向法向位移，底部約束Z方向法向位移，上表面為自由面。地層采用實(shí)體單元模擬，選用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則； 盾構(gòu)管片采用shell單元進(jìn)行模擬。

模型中，各地層厚度按29#鉆孔資料進(jìn)行取值，盾構(gòu)開挖直徑為6 m，管片材料為C50抗?jié)B鋼筋混凝土，厚300 mm，每環(huán)寬1.5 m。計(jì)算模型中，管片彈性模量取35.5 GPa，泊松比取0.2，密度為2 500 kg/m3，土層計(jì)算參數(shù)取值如表5所示。

圖9 計(jì)算模型(單位： m)Fig. 9 Calculation model (unit: m)

巖土名稱密度/(g/cm3)黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)壓縮模量/MPa變形模量/MPa泊松比μ素填土1．9015120．38粉質(zhì)黏土1．9554．715．37．20．34粉砂1．97224100．32圓礫2．08535300．30 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2．105528500．29 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖2．42230352500．27

4.2.2 計(jì)算工況

為考察一次拆除不同數(shù)量管片地層的穩(wěn)定性及鄰近管片的安全性，分別考慮拆除1環(huán)、2環(huán)、3環(huán)和4環(huán)4種工況下圍巖及管片結(jié)構(gòu)的安全。管片拆除位置如圖10所示，計(jì)算工況如表6所示。具體施工過程為： 1)建立模型，在自重場(chǎng)下計(jì)算平衡； 2)開挖盾構(gòu)隧道，施加管片，計(jì)算平衡； 3)按表6各工況拆除管片，計(jì)算平衡。

圖10 管片拆除位置Fig. 10 Positions of segment dismantling

序號(hào)工況說明 1工況1拆除管片12工況2拆除管片1、23工況3拆除管片1、2、34工況4拆除管片1、2、3、4

4.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

在盾構(gòu)開挖完后，將模型位移清零(不清除應(yīng)力狀態(tài))，以考察拆除不同環(huán)數(shù)管片對(duì)地層和隧道結(jié)構(gòu)位移變化的影響。

4.2.3.1 地層的變形分析

不同工況下地層的變形值如圖11所示。

(a) 盾構(gòu)開挖完成后

(b) 拆除第1環(huán)管片

(c) 拆除第2環(huán)管片

(d) 拆除第3環(huán)管片

(e) 拆除第4環(huán)管片

各工況地層豎向位移變化如圖12所示。

圖12 不同工況下地層豎向位移

Fig. 12 Vertical ground displacement under different conditions

由圖11—12可知： 在盾構(gòu)開挖、管片施作完成后，豎向沉降最大值約為8.23 mm，隆起量約為8.16 mm，

均發(fā)生在隧道周邊，地表沉降變形量較小，與盾構(gòu)施工時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。在進(jìn)行管片置換施工時(shí)，隨著管片一次性拆除環(huán)數(shù)的增加，地層的變形逐漸增加，最大沉降值增量依次為： 0.08、1.41、2.77、3.66 mm，基本均發(fā)生在拆除范圍的中點(diǎn)位置，地層的累計(jì)變形量為11.9 mm。同時(shí)拆除3環(huán)管片時(shí)，圍巖拱頂沉降增量值有較大的突變。在管片拆除區(qū)域，該部分上部土體在兩端管片的支撐下抵抗圍巖荷載，若管片一次性拆除較多，上部圍巖荷載較大，勢(shì)必引起地層的較大變形。在拆除1環(huán)、2環(huán)管片時(shí)，其基本不對(duì)地層產(chǎn)生太大的影響；而在拆除3環(huán)、4環(huán)管片時(shí)，沉降增量值有一定的變化。

4.2.3.2 鄰近拆除區(qū)域管片位移與變形

管片變形如圖13和圖14所示。管片豎向及管片水平位移變化如圖15所示。

(a) 盾構(gòu)開挖完成后

(b) 拆除第1環(huán)管片

(c) 拆除第2環(huán)管片

(d) 拆除第3環(huán)管片

(e) 拆除第4環(huán)管片

圖13不同工況下管片豎向位移(單位： m)

Fig. 13 Vertical displacement of segment under different conditions (unit: m)

(a) 盾構(gòu)開挖完成后

(b) 拆除第1環(huán)管片

(c) 拆除第2環(huán)管片

(d) 拆除第3環(huán)管片

(e) 拆除第4環(huán)管片

圖14不同工況下管片水平位移(單位： m)

Fig. 14 Horizontal displacement of segment under different conditions (unit: m)

(a) 管片結(jié)構(gòu)豎向位移

(b) 管片結(jié)構(gòu)水平位移

由圖13—15可知： 隨著管片一次性拆除環(huán)數(shù)的增加，管片的變形逐漸增加，豎向沉降增量最大值均出現(xiàn)在鄰近的第1環(huán)管片拱頂。拆除第1環(huán)、第2環(huán)管片時(shí)，管片水平位移增量最大值出現(xiàn)在鄰近的第1環(huán)管片起拱線處，在拆除第3環(huán)、第4環(huán)管片時(shí)，X方向位移增量最大值出現(xiàn)在鄰近的第1、2環(huán)管片相接的起拱線處。管片的豎向位移向隧道內(nèi)側(cè)，水平位移向隧道外側(cè)，說明拆除管片時(shí)隧道鄰近管片有逐漸被壓扁的趨勢(shì)。從數(shù)值上看，在拆除管片時(shí)，臨近管片的豎向、水平位移均不大，累計(jì)徑向收斂值也小于規(guī)范限值20 mm[14],說明管片拆除時(shí)對(duì)臨近管片的位移影響基本可控。

4.2.3.3 鄰近拆除區(qū)域管片結(jié)構(gòu)受力分析

1)各工況管片軸力如圖16所示。

2)各工況管片彎矩如圖17所示。

由圖16和圖17可知： 隨著管片一次拆除環(huán)數(shù)的增加，管片所受的軸力及彎矩逐漸增大，鄰近拆除區(qū)域的第1環(huán)管片所受影響較大，第2環(huán)管片次之。為更直觀了解鄰近第1環(huán)管片的受力情況，其內(nèi)力圖如圖18所示。

(a) 盾構(gòu)開挖完成后

(b) 拆除第1環(huán)管片

(c) 拆除第2環(huán)管片

(a) 盾構(gòu)開挖完成后

(b) 拆除第1環(huán)管片

(c) 拆除第2環(huán)管片

(a) 盾構(gòu)施工完成后管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

(b) 拆除第1環(huán)管片時(shí)鄰近管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

(c) 拆除第2環(huán)管片時(shí)鄰近管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

(d) 拆除第3環(huán)管片時(shí)鄰近管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

(e) 拆除第4環(huán)管片時(shí)鄰近管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

力的單位為kN，彎矩單位為kN·m。

圖18不同工況下鄰近第1環(huán)管片內(nèi)力圖

Fig. 18 Internal force of segment adjacent to ring 1 under different conditions

3)鄰近第1環(huán)管片的內(nèi)力變化如圖19所示。

根據(jù)圖19，隨著管片拆除環(huán)數(shù)的增加，軸力、彎矩均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)逐漸降低，拆除管片越多,鄰近第1環(huán)管片的受力越大，也越不安全。按照最不利工況(同時(shí)拆除4環(huán)管片)，按照壓彎構(gòu)件核算其裂縫寬度，小于規(guī)范控制值0.2 mm[15]。

(a) 鄰近第1環(huán)彎矩變化

(b) 鄰近第1環(huán)軸力變化

Fig. 19 Variation of internal force of segment adjacent to ring 1 under different conditions

4.2.3.4 地層應(yīng)力塑性狀態(tài)分析

不同工況下地層應(yīng)力塑性狀態(tài)如圖20所示。

(a) 拆除第1環(huán)管片 (b) 拆除第2環(huán)管片

(c) 拆除第3環(huán)管片 (d) 拆除第4環(huán)管片

Fig. 20 Plastic zones of surrounding rock under different conditions

由圖20分析地層應(yīng)力塑性狀態(tài)可知: 拆除1環(huán)管片時(shí)，圍巖基本無塑性區(qū)出現(xiàn)；拆除2環(huán)管片時(shí)，拆除區(qū)域內(nèi)局部出現(xiàn)塑性區(qū)，但未連通；拆除3環(huán)、4環(huán)管片時(shí)，拆除區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)，且基本全環(huán)連通。因此，拆除1環(huán)管片時(shí)，基本不影響原地層應(yīng)力塑性狀態(tài)，施工較為安全；拆除2環(huán)管片時(shí)，對(duì)原地層應(yīng)力塑性狀態(tài)有影響，但相比拆除3環(huán)、4環(huán)時(shí)的影響??；拆除3環(huán)、4環(huán)管片時(shí)圍巖出現(xiàn)貫通塑性區(qū)，施工風(fēng)險(xiǎn)增大。

4.3 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

采用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道后，二次襯砌內(nèi)力及變形如圖21所示。

(a) 二次襯砌彎矩圖(單位： N·m)

(b) 二次襯砌軸力圖(單位： N)

(c) 二次襯砌變形圖(單位： m)

Fig. 21 Internal force and deformation of secondary lining after segment replacement

由圖21對(duì)比置換前后內(nèi)力及變形可知： 其襯砌豎向位移由8.23 mm變?yōu)? mm；其襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫寬度由0.04 mm變?yōu)?.03 mm，襯砌的變形及裂縫寬度均減小，說明采用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片后，結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)一步提高了。

5 新型臺(tái)車在管片置換中的應(yīng)用

利用復(fù)合式襯砌置換管片時(shí)，為確保原盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定，保證施工安全，做到快速施工，針對(duì)本工程，開發(fā)了一種新型臺(tái)車及其施工方法，新型臺(tái)車的應(yīng)用可使缺陷盾構(gòu)隧道處置做到流水化作業(yè)，大大縮短處置工期，同時(shí)節(jié)省工程投資。

5.1 新型臺(tái)車的構(gòu)成

新型臺(tái)車包括支撐桁架和縱向連系梁。支撐桁架由縱向連系梁連接形成整體結(jié)構(gòu)，用于置換管片時(shí)支撐工作面前后管片。支撐桁架由型鋼立柱、型鋼橫梁及型鋼斜支撐組成。每榀支撐桁架立柱底部設(shè)有輪軌，方便移動(dòng)，支撐桁架底部設(shè)有液壓千斤頂式可調(diào)節(jié)支腿，形成每榀支撐桁架的著力點(diǎn)，縱向設(shè)有6榀，用于支撐工作面前后管片結(jié)構(gòu)體系。型鋼橫梁上設(shè)有可調(diào)節(jié)絲桿及可橫向移動(dòng)的手動(dòng)葫蘆，方便施工材料的運(yùn)輸。支撐桁架立柱底部輪軌間距滿足材料運(yùn)輸要求，同時(shí)亦可滿足電瓶車的通行，保證施工材料的運(yùn)輸順暢。在第3、4榀桁架之間設(shè)置施工平臺(tái)，可對(duì)缺陷盾構(gòu)隧道管片進(jìn)行處理?？烧{(diào)節(jié)支腿、可調(diào)節(jié)絲桿與盾構(gòu)隧道管片之間設(shè)有鋼墊板，減小支撐傳力點(diǎn)與管片之間的應(yīng)力集中。新型臺(tái)車如圖22所示。

(a) 平面圖

(b) A-A剖面圖 (c) B-B剖面圖

5.2 施工方法

1)確定需要置換的缺陷盾構(gòu)隧道管片的位置。

2)將移動(dòng)臺(tái)車的施工平臺(tái)中心與需置換的管片中心重合。

3)在固定環(huán)管片內(nèi)鋪設(shè)鋼墊板，調(diào)節(jié)液壓千斤頂式可調(diào)節(jié)支腿長(zhǎng)度，使支撐桁架立柱下的輪軌上抬，調(diào)節(jié)橫梁上絲桿長(zhǎng)度，使各絲桿與固定環(huán)管片頂緊。

4)拆除處理環(huán)管片。

5)施工系統(tǒng)錨桿、格柵鋼架及初期支護(hù)噴射混凝土。

按照步驟1)—5)順序依次利用復(fù)合式襯砌初期支護(hù)置換后續(xù)管片。

新型臺(tái)車在本工程中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了洞內(nèi)流水化作業(yè)置換缺陷盾構(gòu)隧道管片，縮短了工期，費(fèi)用低，且不影響地面交通和地下管線，可在類似工程中進(jìn)行推廣。

6 結(jié)論與建議

1) 對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的沿設(shè)計(jì)軸向偏差，首先應(yīng)考慮通過調(diào)線調(diào)坡處理以滿足行車運(yùn)營(yíng)要求。若由于盾構(gòu)姿態(tài)控制困難，發(fā)生管片上浮，施工單位在進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)糾偏時(shí)應(yīng)緩慢過渡，不應(yīng)使盾構(gòu)姿態(tài)產(chǎn)生較大的突變，只要糾偏時(shí)保證一定的線形，即使盾構(gòu)偏離了設(shè)計(jì)軸線一定距離，一般情況下經(jīng)過調(diào)線調(diào)坡處理能夠解決軸線偏移問題。

2) 在調(diào)線調(diào)坡處理時(shí)，應(yīng)首先保證接觸網(wǎng)、軌道等專業(yè)的安裝限界要求，并考慮盾構(gòu)隧道后期的工后沉降變形要求，若在考慮允許偏差后仍不能滿足要求，需考慮對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行破除重建。

3) 采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)處置方案進(jìn)行模糊比選，在軟巖地層中，洞內(nèi)暗挖法處置缺陷盾構(gòu)隧道管片方案具有明顯技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，類似工程中可考慮。

4) 采用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片時(shí)，施工的安全性與一次性拆除管片的環(huán)數(shù)密切相關(guān)，考察一次性拆除不同環(huán)數(shù)管片圍巖及鄰近管片的應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)隨著管片拆除環(huán)數(shù)的增加，圍巖的拱頂豎向位移逐漸增大，位移最大值均位于拆除范圍的中點(diǎn)；鄰近第1環(huán)管片向隧道內(nèi)豎向位移逐漸增大，向隧道外水平位移逐漸增大，隧道呈現(xiàn)逐漸被壓扁的趨勢(shì)，同時(shí)，管片的彎矩、軸力也逐漸增大，結(jié)構(gòu)的安全性也逐漸降低。

5) 拆除1環(huán)管片時(shí)，圍巖基本無塑性區(qū)出現(xiàn)，不影響原地層應(yīng)力塑性狀態(tài)，施工較為安全；拆除2環(huán)管片時(shí)，拆除區(qū)域內(nèi)局部出現(xiàn)塑性區(qū)，但未連通；拆除3環(huán)、4環(huán)管片時(shí)，拆除區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較大范圍的塑性區(qū)，且基本全環(huán)連通，施工風(fēng)險(xiǎn)增加，因此，建議施工時(shí)一次拆除管片環(huán)數(shù)不宜過多，盡量不要超過2環(huán)。

6) 新型臺(tái)車的應(yīng)用，可使管片支撐、管片拆除、初支施工做到流水化作業(yè)，增加了管片置換工效，縮短了缺陷盾構(gòu)隧道處置的工期，節(jié)省了投資，宜在類似工程中進(jìn)行推廣。

7) 對(duì)處于硬塑狀黏土、巖石等地層中的隧道，利用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片時(shí)，其相對(duì)于明挖法處理方案優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)處于砂層、圓礫和卵石等富水地層中的隧道，管片置換施工存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，需輔以一定的輔助措施，建議下階段針對(duì)富水地層條件下利用復(fù)合式襯砌置換缺陷盾構(gòu)隧道管片技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，拓寬其適用條件。

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