鄭 斌（上海黃浦江越江設施投資建設發(fā)展有限公司， 上海 200336）

地面出入式盾構（Groud Penetrating Shietd Technology，GPST）工法是一種盾構能夠按照設計線路直接從地面（或地面簡易導坑）始發(fā)和到達，可避開工作井大開挖施工的全過程盾構施工方法。該工法作為新型隧道工程施工技術，導致與其相關的研究成果、實施案例和配套技術等參考文獻比較匱乏，但因其是解決現代城市復雜條件下隧道文明施工和綠色環(huán)保的有效措施之一，依然吸引著國內外學者和科研機構對其地質適應性、技術可行性和設備有效性等方面進行探索研究。

國內外對于 GPST 工法中涉及隧道管片抗浮和管片穩(wěn)定裝置的關鍵技術和理論研究比較匱乏，而且還需要大量的工程應用項目驗證。特別是涉及 GPST 工法下管片穩(wěn)定裝置的研究文獻少之又少。而管片穩(wěn)定裝置又對整個隧道圓度變形控制至關重要，因此，有必要對 GPST 工法盾構管片穩(wěn)定機構進行理論研究和試驗分析，研發(fā)設計出適用于大直徑GPST 盾構的管片支撐裝置。

1 工程概況

本項目是在 Φ 6 m 級小直徑 GPST 盾構現有技術不足的前提下，依托龍水南路 11 m 級大直徑越江隧道新建工程進行進一步深入研究盾構機管片穩(wěn)定裝置受力與管片結構圓度變形之間的關系，根據負載變化自動適應調整管片穩(wěn)定裝置滾輪支撐點，從而有效減小 GPST 工法施工造成的擾動并確保隧道管片變形得到有效控制，滿足大直徑無工作井地面出入式盾構法工法的需要，同時為進一步提高大直徑盾構無工作井地面出入式盾構法技術可靠性提供解決方案。相比 6 m級地鐵盾構而言，11 m 級大斷面隧道的 GPST 技術在國內還沒有工程應用，大直徑盾構體積龐大，自重重，在面臨無土壓土倉進、出土、淺覆土等工況下，隧道管片極易變形。

2 管片穩(wěn)定裝置設計

2.1 功能需求

由于 GPST 工法施工過程中需要穿越淺覆土、超淺覆土等各種復雜多變的工況，設計管片穩(wěn)定機構支撐管片，增強隧道管片整環(huán)剛度。針對在零覆土、超淺覆土工況下，管片自立性差、結構易變形的問題，設計管片支撐裝置對管片的變形進行限制，同時滿足隨盾構機推進時隨動。

2.2 機械結構設計

管片穩(wěn)定裝置設有牽引橋架、支撐環(huán)、行走車輪等機構組成，如圖 1 所示。

圖1 管片穩(wěn)定裝置三維模型圖

支撐環(huán)設有 5 組，依照管片寬度（L=1.5 m）平行等距設置，確保盾構機在掘進時一直有 5 環(huán)管片處在管片穩(wěn)定裝置的支撐下。支撐環(huán)上設有按照特定角度分布的 12 個滾輪組，滾輪組安裝位置在能夠確保每片管片得到支撐前提下，最大化的避開了管片拼接手孔及接縫 。牽引橋架底部左右兩側設有2×2組行走車輪。油缸伸縮實現滾輪與管片內圓面緊貼，進而起到支撐穩(wěn)定管片的作用，整個管片穩(wěn)定裝置依靠設置的滾輪和行走車輪可以實現其在管片上的滾動以及隨著盾構機的推進向前移動。各個支撐環(huán)連接固定在牽引橋架上，較好的保證了整個管片穩(wěn)定裝置的結構強度。

支撐環(huán)由上撐靴架、左右撐靴架和滾輪組件構成，如圖 2 所示。其中，各撐靴架通過油缸和導向柱與牽引橋架連接，導向柱一段與撐靴架固定連接，另一端可在固定在牽引橋架的導向孔中滑動，一方面限定了各撐靴架的運動方向只能為平行于支撐環(huán)平面方向，另一方面可以承受撐靴架帶來的剪力。撐靴環(huán)在油缸的作用下按一定方向伸出或縮回，使?jié)L輪與管片內圓面貼緊，同時可依據現場施工需要調節(jié)油缸的伸縮量，進一步實現對管片支撐力大小的控制。

圖2 管片穩(wěn)定裝置支撐環(huán)組成

滾輪組件三維模型如圖 3 所示，滾輪組件包括一滾輪，一滾輪支架，一滾輪底座，一氮氣彈簧，導向塊、導向槽、調整墊片和螺桿，其中滾輪最外側即與管片相接觸的部位設有聚氨酯材料，防止?jié)L輪支撐管片時造成損傷。滾輪底座緊固在牽引橋架上，滾輪支架采用螺桿與滾輪底座連接，導向槽焊接于滾輪底座，導向塊焊接在滾輪支架上，導向塊與導向槽配合以及滾輪支架和滾輪底座之間的間隙，可以限定滾輪運動方向并具有一定角度的調節(jié)量。其中，氮氣彈簧安裝在滾輪底座上，起到支撐滾輪支架的作用，當管片穩(wěn)定裝置隨盾構推進時滾輪由于通過錯臺而產生的負載超過氮氣彈簧初始負載值時，氮氣彈簧將進行收縮，滾輪徑向位置變小，從而使?jié)L輪順利通過錯臺，避免滾輪因受力過大而損壞，造成整個裝置的實效。此外，通過在滾輪底座下安裝厚度各異的調整墊片能夠實現滾輪徑向方向的位置調整。當出現油缸完全伸出滾輪依舊不能緊貼管片的情況時，可以借助增加調整墊塊來解決。

圖3 滾輪組件結構示意圖

3 仿真分析

應用有限元軟件對管片穩(wěn)定裝置的主要受力部件進行力學分析，模擬管片穩(wěn)定裝置在隧道支撐管片時的載荷情況，可以幫助我們對其各個部件的應力分布和位移分布情況進行比較準確和全面的分析，校核強度，發(fā)現設計不足，為后續(xù)優(yōu)化設計提供依據。

（1）牽引橋架。牽引橋架模型概況如表 1 所示。牽引橋架模型材料信息如表 2 所示。

表1 牽引橋架模型概況

表2 牽引橋架模型材料信息

牽引橋架受到油缸推力使?jié)L輪支撐管片的反作用力，受到自身重力和受到管片通過行走車輪傳遞的反作用力。牽引橋架有限元分析結果如圖 4 和圖 5 所示。

圖4 應力分布

圖5 反作用力示意

從圖 4 可以看出牽引橋架的最大應力為 104.2 MPa，則最小安全系數為 3.32，滿足設計要求。

牽引橋架所受行走車輪的反作用力如圖 5 所示。通過計算工具可得行走車輪安裝面的反反作用力分別為 1.47×105 N 、1.47×105N、1.25×105 N、1.24×105 N，因此可以計算出此時行走車輪對管片的最大壓強為 P=F/A=24 MPa，滿足設計強度要求。

（2）上撐靴架。上撐靴架受到油缸推力時，使?jié)L輪緊貼管片，此時上撐靴架會受到一個反作用力，上撐靴架有限元分析結果如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 應力分布

圖7 位移分布

由圖 6 和圖 7 可以得到上撐靴架所受最大應力為 55 MPa，最小安全系數為 4.27，最大位移為 0.13 mm，滿足設計要求。

（3）左右撐靴架。左右撐靴架受到油缸推力時，使?jié)L輪緊貼管片，此時左右撐靴架會受到一個反作用力，左右撐靴架應力分布如圖 8 所示，位移分布如圖 9 所示。

圖8 應力分布

圖9 位移分布

由圖 8 和圖 9 可以得到上撐靴架所受最大應力為54 MPa，最小安全系數為 4.3，最大位移為 0.15 mm，滿足設計要求。

4 結 語

本文針對地面出入式工法盾構施工中面臨淺覆土、超淺覆土、負覆土等工況下，尤其對于超大直徑隧道在始發(fā)段和到達段，管片所受土壓力不均勻變化和自重比較大等因素的影響，導致成環(huán)管片產生不同程度的變形，產生管片錯臺等不良現象，提出了一種適合大直徑盾構的管片穩(wěn)定裝置，該裝置支撐環(huán)設計采用撐靴架上設置滾輪的組合方式，實現支撐管片和隨盾構推進隨動的雙功能，裝置操控性簡單可靠，不干涉隧道其他機構或裝置的工作；將牽引橋架設計作為支撐環(huán)的固定承載架，很好的保證了管片穩(wěn)定機構的整體結構強度；創(chuàng)造性的將滾輪組件設計為氮氣彈簧加滾輪的形式，保證滾輪在通過錯臺時可以根據負載大小調整與管片的徑向位置，實現機構的自適應性。最后，通過有限元對管片穩(wěn)定裝置的主要部件進行有限元模擬計算，分析結果顯示其強度和可靠性均達到初始設計要求。