崔麗艷 崔 濤 邱俊宏 陳 斌

(1．許繼電氣股份有限公司，461000,許昌；2．中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，300142,天津//第一作者,工程師)

地鐵隧道工程事故發(fā)生后，大部分均采用明挖法對(duì)破損段隧道進(jìn)行修復(fù)，進(jìn)而將明挖修復(fù)段隧道與完好段隧道連接為整體[1-3]。在修復(fù)過程中，明挖修復(fù)段地下連續(xù)墻要穿過既有盾構(gòu)管片，工程中常采用全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)進(jìn)行管片切割、破碎和拔除。在需要施工地下連續(xù)墻的區(qū)域，將隧道內(nèi)部用砂漿填充密實(shí)，用全回轉(zhuǎn)套管鉆機(jī)作為切割設(shè)備，將套管壓入土體，利用沖抓斗抓除套管內(nèi)土體；挖至隧道管片位置后，利用重錘將管片進(jìn)行破碎后抓出[4]；然后回填土體,并采用雙高壓旋噴對(duì)填充體進(jìn)行低強(qiáng)度加固處理。

在管片切割作業(yè)過程中，因鉆進(jìn)過程中壓入力和沖砸的影響，存在對(duì)修復(fù)段外側(cè)完好隧道造成損壞的可能。對(duì)修復(fù)段外鄰近未破損管片進(jìn)行有效保護(hù),防止切割過程中對(duì)未破損管片進(jìn)行破壞,是修復(fù)方案的難點(diǎn)。

有限元數(shù)值方法可以反映復(fù)雜的土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、結(jié)構(gòu)與土體的相互作用,以及模擬實(shí)際的施工過程，是研究解決工程問題中結(jié)構(gòu)受力和變形的有力工具[5-7]。因此，本文利用有限元軟件ABAQUS模擬修復(fù)段管片切割對(duì)鄰近完好隧道管片的影響，以期為今后地鐵盾構(gòu)隧道出現(xiàn)類似情況時(shí)制定方案提供參考。

1 工程事故概況

某地鐵盾構(gòu)隧道區(qū)間(見圖1)自A站始發(fā)至B站接收，區(qū)間內(nèi)設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。盾構(gòu)區(qū)間線間距約為15 m，縱斷面采用“V”字坡，最大縱坡坡度為2‰，隧道頂部覆土深度為8～17 m。

隧道穿越地層范圍內(nèi)自上而下分別為⑥4粉質(zhì)黏土、⑦粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)區(qū)間主要處于⑦、⑧1粉質(zhì)黏土層，夾⑧2砂質(zhì)粉土(透鏡體)。

在A-B區(qū)間右線掘進(jìn)至第345環(huán)時(shí)，發(fā)生透水險(xiǎn)情，進(jìn)一步發(fā)展成涌水、涌砂事故，隧道發(fā)生破壞，并引起地表大面積沉降。漏水事故搶險(xiǎn)完成后，需對(duì)右線漏水段隧道進(jìn)行修復(fù)。擬采用明挖法修復(fù)破損的管片。修復(fù)之前需首先對(duì)區(qū)間管片進(jìn)行探查，進(jìn)而確定明挖修復(fù)段的長(zhǎng)度。區(qū)間右線共布設(shè)了15個(gè)斷面，其中盾構(gòu)機(jī)范圍布置2個(gè)斷面，已施工盾構(gòu)區(qū)間布置13個(gè)斷面，如圖2所示。

a) 平面圖

b) 縱剖面圖

圖1 隧道A-B區(qū)間平剖面圖

尺寸單位：m

圖2 隧道修復(fù)段管片監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

盾構(gòu)機(jī)及臺(tái)車長(zhǎng)度為65 m，因此確定明挖修復(fù)段長(zhǎng)度為75 m。修復(fù)段基坑寬度為10.8 m，深度為22～24 m，采用1.2 m厚T型幅地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻與隧道交接處采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行切割。

2 數(shù)值模型的建立

采用有限元軟件ABAQUS[8]建立三維數(shù)值模型，如圖3 a)所示。模型計(jì)算域橫向(X軸向)長(zhǎng)度為60 m，縱向(Y軸向)長(zhǎng)度為120 m，深度(Z軸向)為60 m。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，該計(jì)算域尺寸基本滿足低空曠場(chǎng)地條件下盾構(gòu)掘進(jìn)模擬的邊界效應(yīng)影響的要求。模型網(wǎng)格劃分如圖3 b)所示，土體網(wǎng)格共38 856個(gè)實(shí)體單元，網(wǎng)格類型為C3D8R。管片結(jié)構(gòu)網(wǎng)格共800個(gè)殼單元，網(wǎng)格類型為S4R。

地下連續(xù)墻厚度為1.2 m，深度為52 m。既有隧道覆土厚度平均為17.2 m，左、右線隧道中心距為15 m，隧道外徑為6.2 m，管片寬度為1.5 m。隧道內(nèi)一定范圍內(nèi)填充M10水泥砂漿。鉆機(jī)直徑為2 m。根據(jù)土拱效應(yīng)，按照從中間到兩側(cè)的開挖切割順序依次施工，分別為順序1、順序2(近左線側(cè))、順序3，如圖4 a)所示。

模型中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)關(guān)系，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,采用總應(yīng)力指標(biāo)，共分成7層土，土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。隧道管片(C50)及地下連續(xù)墻(C30)、水泥砂漿(M10)均采用線彈性本構(gòu)關(guān)系,既有盾構(gòu)機(jī)也采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。土體與結(jié)構(gòu)物的接觸均采用摩擦接觸，切向摩擦系數(shù)取0.3，法向?yàn)橛步佑|。模型的邊界條件如下：模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個(gè)方向均約束；模型4個(gè)側(cè)面均只法向約束，其余方向自由無約束。

a) 有限元模型

b) 網(wǎng)格劃分

管片混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C50，厚度為350 mm。根據(jù)修正慣用法[10](將管片接頭部分彎曲剛度的降低等效為管片環(huán)整體彎曲剛度的降低，并引入管片剛度有效率η和彎矩傳遞系數(shù)ζ來考慮接頭造成的管片剛度降低與接縫拼裝的影響)，采用線彈性的S4R殼單元按整體結(jié)構(gòu)計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[11]對(duì)軟土地區(qū)的試驗(yàn)研究，取η=0.75來考慮本工程中管片錯(cuò)縫拼裝的影響，管片的彈性模量和泊松比分別取25.9 GPa和0.2。

模型的工序流程如下：① 地應(yīng)力平衡(包括地下連續(xù)墻和隧道的生成)；② 右線隧道內(nèi)注入水泥砂漿；③ 開挖順序1土體(根據(jù)施工方案，施加鉆機(jī)壓力400 kN和扭矩3 000 kNm，具體形式見圖5)；④ 切除順序1管片；⑤ 開挖順序2土體(根據(jù)施工方案，施加鉆機(jī)壓力400 kN和扭矩3 000 kNm)；⑥ 切除順序2管片；⑦ 開挖順序3土體(根據(jù)施工方案，施加鉆機(jī)壓力400 kN和扭矩3 000 kNm)；⑧ 切除順序3管片。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 隧道變形

圖5為鉆機(jī)加載后管片扭曲變形的示意圖(扭矩作用方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，扭矩作用時(shí)刻為開挖順序1土體后，切除順序1管片前)。圖6依次顯示了隧道在初始地應(yīng)力平衡后以及全部管片切割完成后，隧道豎向位移U3、環(huán)內(nèi)水平向位移U1、環(huán)間水平向位移U2的云圖。由圖6可見，由于在切割前對(duì)隧道內(nèi)一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行了水泥砂漿的填充，對(duì)隧道管片的變形起到了一定的抑制作用，所以隧道管片施工前后沿各個(gè)方向的位移變化并不明顯，均未超過5 mm。

圖5 鉆機(jī)加載后管片變形示意圖

a) 初始狀態(tài)U3b) 切割完成后U3c) 初始狀態(tài)U1d) 切割完成后U1e) 初始狀態(tài)U2f) 切割完成后U2

圖6 受保護(hù)側(cè)隧道(完好側(cè))施工前后變形對(duì)比

3.2 隧道彎矩

為更清楚地表明不同管片環(huán)的內(nèi)力情況，圖7～10均采用透視圖進(jìn)行顯示。對(duì)于隧道彎矩，主要對(duì)比分析了初始地應(yīng)力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后、最后一鉆切割完成后等4種情況。

從圖7 a)和圖7 b)可以看出，鉆機(jī)豎向荷載(400 kN)比原覆土荷載(1 400 kN)小，相當(dāng)于有豎向卸載，故主要影響因素為鉆機(jī)切割扭矩。從圖7 c)和圖7 d)可以看出，由于管片切割以后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體性降低，隧道平面內(nèi)最大彎矩出現(xiàn)小幅提高(增幅約17%)，但最大彎矩位置基本沒有改變。相比切割之前，切割環(huán)附近1環(huán)以內(nèi)隧道有彎矩的突變，故整個(gè)切割過程對(duì)鄰近隧道彎矩的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

3.3 隧道環(huán)內(nèi)軸力

圖8分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后和最后一鉆切割完成后的管片環(huán)內(nèi)軸力分布情況。從圖8 a)和圖8 b)可以看出，第一鉆加載后,對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)內(nèi)(塊與塊)軸力的突變，且最大軸力位置發(fā)生改變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。從圖8 b)和圖8 c)可以看出，由于管片被第一鉆切割以后，結(jié)構(gòu)的整體性被破壞，該環(huán)的環(huán)內(nèi)軸力重分布(軸力值降低)，并轉(zhuǎn)移給鄰近的管片環(huán)，使鄰近環(huán)軸力大幅提升(增幅約118%)；直至完全切割完成，切斷了軸力轉(zhuǎn)移的路徑，鄰近環(huán)環(huán)內(nèi)軸力才有小幅降低，如圖8 d)所示。切割期間，鄰近環(huán)最大軸力位置基本未變，整個(gè)切割過程對(duì)鄰近管片環(huán)內(nèi)軸力的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

3.4 隧道環(huán)間軸力

圖9分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后和最后一鉆切割完成后的隧道環(huán)間軸力分布情況。從圖9 a)和圖9 b)可以看出，第一鉆加載后，由于扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力造成環(huán)間軸力的重分布，對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))軸力的突變，最大軸力位置發(fā)生改變，突變影響范圍在2環(huán)以內(nèi)。從圖9 c)和圖9 d)可以看出，由于管片被第一鉆切割以后，結(jié)構(gòu)的縱向整體性被破壞，結(jié)構(gòu)隨切割逐漸失去縱向約束，環(huán)間軸力重分布，開始出現(xiàn)軸向拉力,直至整環(huán)切除，受保護(hù)側(cè)較大范圍出現(xiàn)受拉環(huán)間軸力，影響范圍在2～3環(huán)。

3.5 隧道環(huán)間剪力

圖10分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后和最后一鉆切割完成后的管片環(huán)間剪力分布情況。從圖10 a)和圖10 b)可以看出，設(shè)備壓力造成環(huán)間剪力的重分布，第一鉆加載后，對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。從圖10 c)和圖10 d)可以看出，由于管片被第一鉆切割以后，結(jié)構(gòu)的縱向整體性被破壞，對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

4 結(jié)論

本文利用有限元軟件ABAQUS模擬了隧道修復(fù)段管片切割對(duì)鄰近完好隧道管片的影響。模擬分析得到如下結(jié)論：

(1) 由于在切割前對(duì)隧道內(nèi)一定長(zhǎng)度范圍進(jìn)行了水泥砂漿的填充，水泥砂漿對(duì)隧道管片的變形起到了一定的抑制作用，所以隧道管片施工前后沿各個(gè)方向的位移變化并不明顯，均為毫米級(jí)的變形，且均未超過5 mm，滿足規(guī)范要求。

(2) 鉆機(jī)豎向荷載比原覆土荷載小，故對(duì)隧道的主要影響因素為鉆機(jī)切割扭矩。管片切割后隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體性降低，平面內(nèi)最大彎矩出現(xiàn)小幅提高(增幅約17%)，最大彎矩位置基本沒有改變，整個(gè)切割過程對(duì)鄰近隧道彎矩的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

(3) 第一鉆加載后,對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)內(nèi)(塊與塊)軸力的突變，且最大軸力位置改變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)；由于管片被第一鉆切割后，結(jié)構(gòu)的整體性被破壞，該環(huán)的環(huán)內(nèi)軸力重分布(降低)，并轉(zhuǎn)移給鄰近的管片環(huán)，使其軸力大幅提升(增幅約118%)；直至完全切割完成，切斷了軸力轉(zhuǎn)移的路徑，鄰近環(huán)內(nèi)軸力才有小幅降低。切割期間最大軸力位置基本沒有改變，整個(gè)切割過程對(duì)鄰近管片環(huán)內(nèi)軸力的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

(4) 第一鉆加載后,由于扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力造成環(huán)間軸力的重分布，對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))軸力的突變，最大軸力位置發(fā)生改變，突變影響范圍在2環(huán)以內(nèi)；而在管片被第一鉆切割以后，結(jié)構(gòu)的縱向整體性被破壞，結(jié)構(gòu)隨切割逐漸失去縱向約束，環(huán)間軸力重分布，開始出現(xiàn)軸力拉力；直至整環(huán)切除，受保護(hù)側(cè)較大范圍出現(xiàn)受拉環(huán)間軸力，影響范圍為2～3環(huán)。

(5) 設(shè)備豎向壓力造成環(huán)間剪力的重分布，第一鉆加載后，對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)；在管片被第一鉆切割以后，結(jié)構(gòu)的縱向整體性被破壞，對(duì)應(yīng)切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。