王 明，程勇東，劉 學(xué)，甘曉露，俞建霖，龔曉南

（1.中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，安徽 合肥 230041；2.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；3.浙江省城市地下空間開(kāi)發(fā)工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310058）

0 引 言

為滿足我國(guó)城市化發(fā)展的需求，我國(guó)地鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)，目前在建或擬建地鐵的城市有 40余座。盾構(gòu)法作為目前最為先進(jìn)的隧道施工方法，以其施工環(huán)境影響小、施工快速安全及機(jī)械化程度高等諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為我國(guó)城市地區(qū)地鐵隧道建設(shè)的首選方法[1-2]。

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，前方的刀盤會(huì)不斷切削周圍的土體。如果地層中存在大量堅(jiān)硬巖層、孤石群或地層呈現(xiàn)上軟下硬狀態(tài)時(shí)，仍采用盾構(gòu)法施工將會(huì)加速刀具磨損、降低掘進(jìn)速度。如果在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行刀盤更換或維修將導(dǎo)致施工成本大幅增加，而且施工過(guò)程中的刀盤更換施工安全風(fēng)險(xiǎn)極大，會(huì)對(duì)工程整體進(jìn)度和施工人員安全產(chǎn)生較大影響。為了使盾構(gòu)機(jī)在這種復(fù)雜地層中還能連續(xù)安全地掘進(jìn)及管片拼裝，盾構(gòu)機(jī)空推過(guò)礦山法隧道施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。李劍明[3]結(jié)合深圳地鐵2號(hào)線工程案例介紹了盾構(gòu)空推拼裝管片推進(jìn)通過(guò)礦山法隧道的特殊施工技術(shù)。李錦富等[4]介紹了深圳地鐵某區(qū)間盾構(gòu)空推過(guò)礦山法隧道段的施工過(guò)程，并分析和提出了空推隧道管片滲漏水控制方法。

礦山法隧道施工完成后，盾構(gòu)隧道會(huì)在空推的狀況下進(jìn)行管片拼裝，此時(shí)盾構(gòu)掌子面無(wú)土壓力的反作用力作用，會(huì)使盾構(gòu)管片環(huán)縫間隙增大，影響隧道的拼接質(zhì)量及防水性能。為保證盾構(gòu)機(jī)通過(guò)空推段時(shí)的管片拼裝質(zhì)量，盾構(gòu)機(jī)前方必須提供足夠的反作用力，以將管片環(huán)縫隙擠壓密實(shí)，確保隧道密封性能良好，管片環(huán)之間不漏水。實(shí)際施工過(guò)程中，采用刀盤前方堆積足夠數(shù)量的砂土來(lái)提供足夠的反力，但反作用力的取值需要結(jié)合盾構(gòu)機(jī)及管片的受力狀況進(jìn)行一定的計(jì)算。王春河[5]對(duì)水平狀態(tài)下的空推隧道盾構(gòu)機(jī)反作用力計(jì)算方法進(jìn)行了分析，未研究盾構(gòu)隧道處于上坡或下坡時(shí)相應(yīng)的反作用力計(jì)算方法。本文在既有研究基礎(chǔ)之上，對(duì)空推隧道盾構(gòu)機(jī)反作用力計(jì)算問(wèn)題進(jìn)行分析研究，以評(píng)估不同工況下盾構(gòu)機(jī)空推所需要的反作用力。

1 空推隧道盾構(gòu)機(jī)反作用力計(jì)算方法

1.1 計(jì)算方法概述

為保證盾構(gòu)機(jī)通過(guò)空推段時(shí)的管片拼裝質(zhì)量，盾構(gòu)機(jī)前方必須提供足夠的反作用力，以將管片環(huán)縫隙擠壓密實(shí)，確保隧道密封性能良好，管片環(huán)之間不漏水。實(shí)際施工過(guò)程中，可以通過(guò)在刀盤前方堆積足夠數(shù)量的砂土提供足夠的反作用力。因此，如圖1所示，當(dāng)考慮隧道處于水平狀態(tài)時(shí)，空推隧道的反作用力由以下5個(gè)部分組成[5]：

圖1 空推隧道盾構(gòu)機(jī)受力示意圖Fig.1 Force diagram of a shield passing through an empty mined tunnel

（1）混凝土導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)機(jī)的摩擦阻力F1。盾構(gòu)機(jī)在空推階段主要依靠混凝土導(dǎo)臺(tái)支撐，導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)機(jī)之間的摩擦阻力可以提供一定的反作用力作用。

（2）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體土壓力所提供的軸向阻力F2。

（3）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體底部提供的摩擦阻力F3。盾構(gòu)機(jī)在空推階段會(huì)在千斤頂?shù)耐屏ψ饔孟轮饾u向前移動(dòng)，刀盤前方堆填土體與礦山隧道底板之間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的滑動(dòng)摩擦阻力。

（4）盾尾刷與管片之間的摩擦阻力F4。盾構(gòu)機(jī)在向前移動(dòng)時(shí)，盾尾刷與管片之間也會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦阻力。

（5）后配套臺(tái)車的牽引阻力F5。

因此，根據(jù)以上計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)空推時(shí)所能提供給盾構(gòu)管片的總反作用力F為：

由式（1）可知，總反作用力的大小可通過(guò)調(diào)整F2和F3，即堆填砂土的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，以滿足管片防水性能等需求。

1.2 計(jì)算方法建立

既有的空推隧道反作用力分析僅針對(duì)處于水平狀態(tài)的隧道，實(shí)際上，盾構(gòu)隧道在空推過(guò)程中很可能處于上坡或下坡?tīng)顟B(tài)，會(huì)使得空推反作用力計(jì)算出現(xiàn)不同的結(jié)果。因此本文分別對(duì)3種狀態(tài)下的盾構(gòu)空推反作用力計(jì)算進(jìn)行討論。

（1）水平狀態(tài)

a）混凝土導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)機(jī)的摩擦阻力F1。

式中：μ1為混凝土導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)機(jī)之間的摩擦系數(shù)，一般可取為0.3；Ws為盾構(gòu)機(jī)的總重量。

b）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體側(cè)向土壓力所提供的軸向阻力F2。

式中：D為盾構(gòu)掌子面直徑；L為堆填砂土長(zhǎng)度；γs為堆填砂土的重度；Ks為堆填砂土的側(cè)壓力系數(shù)；H為堆填砂土的高度。由式（2）可知，本文假定土體與盾構(gòu)刀盤的接觸面積為HD。

c）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體底部提供的摩擦阻力F3。

式中：L為堆填砂土長(zhǎng)度；μ2為堆填土體與礦山法隧道底板之間的摩擦系數(shù)。

d）盾尾刷與管片之間的摩擦阻力F4。

式中：n為盾尾刷上的管片環(huán)數(shù)，一般取 2；μ3為盾尾刷與管片之間的摩擦系數(shù)；Wg為隧道管片的重量。

e）后配套臺(tái)車的牽引阻力F5。

式中：μ4為配套臺(tái)車與隧道結(jié)構(gòu)接觸面的摩擦系數(shù)；Wt為配套臺(tái)車的重量。

最終的空推反作用力為：

（2）上坡?tīng)顟B(tài)

上坡?tīng)顟B(tài)下的空推隧道盾構(gòu)機(jī)受力示意圖如圖2所示。

圖2 空推隧道上坡?tīng)顟B(tài)下盾構(gòu)機(jī)受力示意圖Fig.2 Force diagram of a shield passing through an empty mined tunnel in the uphill condition

a）混凝土導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)機(jī)的摩擦阻力F1。

式中：α為上坡角度。

b）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體土壓力所提供的軸向阻力F2。

c）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體底部提供的摩擦阻力F3。

d）盾尾刷與管片之間的摩擦阻力F4。

e）后配套臺(tái)車的牽引阻力F5。

由于隧道處于上坡?tīng)顟B(tài)，盾構(gòu)機(jī)和堆填砂土重量分力會(huì)產(chǎn)生額外的反作用力作用。

f）盾構(gòu)機(jī)重量產(chǎn)生的阻力F6。

g）堆填砂土重量產(chǎn)生的阻力F7。

最終的空推反力為：

（3）下坡?tīng)顟B(tài)

下坡?tīng)顟B(tài)下的空推隧道盾構(gòu)機(jī)受力示意圖如圖3所示。

圖3 空推隧道下坡?tīng)顟B(tài)下盾構(gòu)機(jī)受力示意圖Fig.3 Force diagram of a shield passing through an empty mined tunnel in the downhill condition

a）混凝土導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)機(jī)的摩擦阻力F1。

式中：β為下坡角度。

b）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體土壓力所提供的軸向阻力F2。

c）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體底部提供的摩擦阻力F3。

d）盾尾刷與管片之間的摩擦阻力F4。

e）后配套臺(tái)車的牽引阻力F5。

由于隧道處于下坡?tīng)顟B(tài)，盾構(gòu)機(jī)和堆填砂土的重量會(huì)削弱反作用力。

f）盾構(gòu)機(jī)重量產(chǎn)生的分力F6。

g）堆填砂土重量產(chǎn)生的分力F7。

最終的空推反作用力為：

1.3 工程應(yīng)用及分析

（1）工程概況

杭臨城際鐵路某區(qū)間采用盾構(gòu)工法施工，接收段采用空推形式，以減少盾構(gòu)在硬巖段中的掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)。盾構(gòu)段為單線單圓隧道。區(qū)間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道一座，聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工。

區(qū)間出高青區(qū)間U型槽以1 400 m曲線半徑沿科技大道前行，以550 m曲線半徑向東南方向前行，接入高新園區(qū)站。隧道從高青區(qū)間 U型槽以27.844‰下坡至最低點(diǎn)，然后以7.284‰坡度上坡，最后以 2‰上坡至高新園區(qū)站接收。盾構(gòu)區(qū)間埋深始發(fā)段覆土最淺6.34 m，最深處埋深12.71 m。左右線線間距10.9～15.6 m。隧道采用6塊管片錯(cuò)縫拼裝而成，管片為標(biāo)準(zhǔn)通用襯砌環(huán)，環(huán)寬1.5 m，外徑6.7 m，隧道內(nèi)徑6.0 m，管片壁厚0.35 m，每環(huán)楔形量40 mm，共計(jì)1 123環(huán)。本工程案例中空推階段的隧道剖面示意圖如圖4所示。

圖4 空推階段隧道剖面示意圖Fig.4 Diagram of the tunnel section for a shield passing through an empty mined tunnel

（2）分析計(jì)算

由工程概況可知，盾構(gòu)隧道空推階段處于上坡?tīng)顟B(tài)，坡度為7.284‰，坡角為0.42°。

a）混凝土導(dǎo)臺(tái)與盾構(gòu)機(jī)的摩擦阻力F1。

b）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體土壓力所提供的軸向阻力F2，假定堆填土體高度為2 m。

c）盾構(gòu)刀盤前方堆填土體底部提供的摩擦阻力F3，假定堆填土體長(zhǎng)度為10 m。

d）盾尾刷與管片之間的摩擦阻力F4。

e）后配套臺(tái)車的牽引阻力F5。

由于隧道處于上坡?tīng)顟B(tài)，盾構(gòu)機(jī)和堆填砂土重量分力會(huì)產(chǎn)生額外的反作用力。

f）盾構(gòu)機(jī)重量產(chǎn)生的阻力F6。

g）堆填砂土重量產(chǎn)生的阻力F7。

最終的空推反作用力為：

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)假定堆填土體長(zhǎng)度為10 m，高度為2 m時(shí)，空推反作用力約為3 258.09 kN，大于盾構(gòu)防水性能所需的3 000 kN[5]。說(shuō)明在這種情況下，盾構(gòu)機(jī)可以提供足夠的反作用力。盾構(gòu)機(jī)重量產(chǎn)生的阻力F6以及堆填砂土重量產(chǎn)生的阻力F7也提供一定的反作用力，說(shuō)明忽略上坡坡度的影響可能會(huì)使得反作用力計(jì)算結(jié)果偏于保守，造成一定的浪費(fèi)。當(dāng)上坡坡度更大時(shí)，F(xiàn)6以及F7的影響不應(yīng)該被忽略。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)首先確定滿足盾構(gòu)隧道防水要求的管片環(huán)間軸向壓力值，之后根據(jù)所需的壓力值和工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合適的堆填土體長(zhǎng)度與高度。

2 結(jié) 論

針對(duì)空推隧道處于水平、上坡、下坡3種工況下的盾構(gòu)機(jī)反作用力構(gòu)成進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的反作用力計(jì)算方法。研究結(jié)果表明，隧道在上坡?tīng)顟B(tài)下應(yīng)考慮盾構(gòu)機(jī)和堆填砂土重量分力產(chǎn)生的額外反作用力作用，而在下坡?tīng)顟B(tài)則應(yīng)考慮盾構(gòu)機(jī)和堆填砂土重量分力引發(fā)的反作用力減小。相關(guān)研究結(jié)果可以為類似工程提供理論參考。