陳 丹 王 婷

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

盾構(gòu)法施工具有施工速度快、安全高效、保護(hù)環(huán)境等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]，在發(fā)達(dá)國(guó)家已有200多年的歷史，目前被廣泛應(yīng)用于多個(gè)工程領(lǐng)域，如城市軌道交通、鐵路、公路、水利水電、輸油氣管道等。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)施工技術(shù)在我國(guó)公共交通領(lǐng)域應(yīng)用較多。如廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道、南京、武漢、上海越江隧道及杭州過(guò)江隧道等的建設(shè)[2]，極大提升了我國(guó)大直徑盾構(gòu)隧道的修建技術(shù)。然而，盾構(gòu)隧道之間存在聯(lián)絡(luò)通道、設(shè)備硐室等，需要從一側(cè)盾構(gòu)隧道破除管片并進(jìn)行開(kāi)挖施工，必然會(huì)對(duì)周圍土層造成擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本身及周邊地表建(構(gòu))筑物、地下管線等帶來(lái)不同程度的影響[3]。劉軍等以北京某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道施工為工程背景，分析聯(lián)絡(luò)通道施工對(duì)管片變形和受力狀態(tài)的影響[4]；張志強(qiáng)等以廣州地鐵2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間段為依托，研究盾構(gòu)區(qū)間隧道與聯(lián)絡(luò)通道組成復(fù)雜形式空間結(jié)構(gòu)的受力尺寸，重點(diǎn)研究盾構(gòu)隧道開(kāi)口尺寸、與聯(lián)絡(luò)通道連接方式[5]；曾豐姿以北京地鐵5號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道為例，建立三維結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)分析拆除盾構(gòu)管片后暗挖法施工聯(lián)絡(luò)通道對(duì)開(kāi)洞范圍盾構(gòu)管片變形和內(nèi)力影響[6]；王東元等以珠三角地區(qū)某地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程為背景，采用有限元法分析不同的加固方法對(duì)聯(lián)絡(luò)通道拱頂位移的影響[7]；王暉等研究水平凍結(jié)法施工南京地鐵某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道對(duì)隧道內(nèi)力和變形的影響，為以后聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工提供依據(jù)[8]；李治國(guó)等以某市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道在富水砂層中的聯(lián)絡(luò)通道施工為背景，通過(guò)對(duì)幾種常用的地層加固方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，選取注漿和降水相結(jié)合的加固方案[9]；楊勇勇通過(guò)多種分析手段，研究聯(lián)絡(luò)通道暗挖法施工對(duì)地表沉降和隧道位移的影響[10]。

不難看出，以上研究主要針對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的結(jié)構(gòu)受力，而對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道管片開(kāi)洞力學(xué)影響的研究較少，以某城際鐵路大直徑盾構(gòu)隧道工程為依托，針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

鄭州—新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路起于鄭州東站，止于新鄭機(jī)場(chǎng)站，全長(zhǎng)約28 km，平均站間距7.1 km，開(kāi)行列車21對(duì)/d，發(fā)車間隔30 min，采用鐵路日?？瓦\(yùn)組織模式，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km[11]。場(chǎng)地地貌屬于平原區(qū)，場(chǎng)地地形平坦、開(kāi)闊，局部略有起伏，東高西低，相對(duì)高差不大。主要工程包括隧道、路基、橋梁等，隧道局部下穿建筑物群，采用圓形斷面，斷面內(nèi)徑11.3 m，管片厚550 mm。

該盾構(gòu)區(qū)間里程為DK41+750～DK45+550，全長(zhǎng)3 800 m，DK42+800(管片環(huán)號(hào)525環(huán))處線路右側(cè)設(shè)置“直放站+箱變硐室”(以下稱為直放站)，硐室長(zhǎng)10 m，寬5 m，高3.96 m，采用礦山法施工，初支厚度300 mm，二次襯砌厚度500 mm。直放站硐室結(jié)構(gòu)縱斷面及橫剖面見(jiàn)圖1。

圖1 直放站硐室結(jié)構(gòu)縱斷面及橫剖面(單位：mm)

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

直放站處地層從上到下依次為①42粉砂9.86 m、②33粉土9.435 m、②22粉質(zhì)黏土10.635 m、②44粉砂1.36 m，洞身基本處于粉質(zhì)黏土層，洞室拱頂埋深31.295 m，水位埋深20.75 m，地下水類型屬于第四系松散巖類孔隙水，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。直放站硐室范圍盾構(gòu)隧道地質(zhì)縱斷面見(jiàn)圖2。

圖2 直放站硐室范圍盾構(gòu)隧道地質(zhì)縱斷面(單位：m)

1.3 直放站硐室施工方案

直放站硐室采用礦山法施工，從盾構(gòu)隧道混凝土管片一側(cè)開(kāi)挖。由于硐室施工，使得管片開(kāi)洞洞周產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[12]，改變盾構(gòu)管片原有的受力形式，會(huì)導(dǎo)致管片環(huán)變形，在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)土體不穩(wěn)的情況[13]。

直放站硐室結(jié)構(gòu)采用臺(tái)階法施工，其施工流程見(jiàn)圖3。

圖3 直放站硐室結(jié)構(gòu)施工流程

1.4 盾構(gòu)管片拼裝形式及參數(shù)

(1)襯砌環(huán)構(gòu)造

襯砌環(huán)外徑：12 400 mm；內(nèi)徑：11 300 mm；管片幅寬：2 000 mm；管片厚度：550 mm。每環(huán)襯砌環(huán)由1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L)、6塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B)共9塊管片組成。每環(huán)楔形環(huán)管片采用楔形量40 mm的雙面楔形形式[14]。

(2)管片混凝土等級(jí)

混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C50；抗?jié)B等級(jí)：P12。

(3)管片連接

管片環(huán)向、縱向采用斜螺栓連接，管片螺栓機(jī)械性能為8.8級(jí)。

(4)拼裝方式

盾構(gòu)管片縱向采用錯(cuò)縫式拼裝，管片襯砌圓環(huán)立面和平面見(jiàn)圖4。

圖4 管片襯砌圓環(huán)立面和平面 (單位：mm)

2 盾構(gòu)硐室開(kāi)洞力學(xué)效應(yīng)研究

2.1 計(jì)算假定和參數(shù)選取

采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，采用如下假定和計(jì)算模型。

(1)各層土體水平方向分布且具有各向同性。

(2)不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，考慮自重應(yīng)力場(chǎng)作用的初始應(yīng)力場(chǎng)。

(3)鋼筋混凝土盾構(gòu)管片、直放站硐室結(jié)構(gòu)的初支和二襯結(jié)構(gòu)。

(4)考慮到管片錯(cuò)縫拼裝和接頭的影響，盾構(gòu)管片整體結(jié)構(gòu)按剛度折減系數(shù)0.8考慮。

土體材料采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則；隧道結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作，采用線彈性本構(gòu)關(guān)系。

數(shù)值模擬計(jì)算中地層、鋼筋混凝土盾構(gòu)管片、直放站初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層和結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.2 計(jì)算模型和邊界條件

按實(shí)際施工順序模擬盾構(gòu)隧道施工及硐室開(kāi)挖施工。模型以水平面內(nèi)沿垂直盾構(gòu)隧道軸線方向?yàn)閄軸，與平行盾構(gòu)隧道軸線方向?yàn)閅軸，豎直方向?yàn)閆軸。為保證模型的計(jì)算精度，在管片開(kāi)洞部位網(wǎng)格密度較高，離管片開(kāi)洞部位較遠(yuǎn)處的網(wǎng)格密度較小，模型橫向長(zhǎng)50 m，縱向長(zhǎng)50 m，高45 m。地層單元和二次襯砌均采用實(shí)體單元，管片結(jié)構(gòu)和初期支護(hù)采用板單元。

計(jì)算模型采用位移邊界條件，在模型底部施加豎向位移約束，模型四周施加法向位移約束，地表為自由面。

2.3 不同直徑對(duì)管片受力變形特征的影響

取盾構(gòu)管片開(kāi)洞尺寸寬4 m，高4.1 m，分別選取盾構(gòu)隧道內(nèi)徑D1=5.4 m、管片厚0.3 m，D2=7.7 m、管片厚0.4 m，D3=11.3 m、管片厚0.55 m三種情況進(jìn)行研究，主要研究盾構(gòu)隧道直徑增加對(duì)管片和環(huán)框梁受力變形的影響。數(shù)值模擬計(jì)算所建三維模型見(jiàn)圖5～圖7。

圖5 D1=5.4 m模型示意

圖6 D2=7.7 m模型示意

圖7 D3=11.3 m模型示意

(1)管片變形分析

按照破除管片、施做硐室初支、施作硐室二襯等施工步序進(jìn)行。開(kāi)洞尺寸不變，隨著盾構(gòu)隧道直徑增大，X、Y、Z三個(gè)方向的變形隨之增加；且隨著硐室開(kāi)挖步序進(jìn)展，變形也逐漸增加。各施工步序下，管片X、Y、Z方向變形值見(jiàn)表2。

表2 不同盾構(gòu)直徑下管片變形值 mm

(2)管片內(nèi)力分析

從模擬計(jì)算可以看出，開(kāi)洞尺寸不變，管片彎矩絕對(duì)值隨著盾構(gòu)直徑的增大逐漸增加，并且管片彎矩主要在縱向洞周2 m范圍受到影響；不同隧道直徑下，開(kāi)口處上下邊緣的管片軸力絕對(duì)值均遠(yuǎn)小于管片其他位置。盾構(gòu)管片拆除時(shí)，開(kāi)口處管片上下受拉，左右受壓。在開(kāi)口處左右邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，管片軸力主要在縱向洞周約4 m范圍受到影響。施作完二襯后，不同直徑的盾構(gòu)管片內(nèi)力值見(jiàn)表3。

表3 不同盾構(gòu)直徑的管片內(nèi)力值

2.4 不同開(kāi)洞尺寸對(duì)管片受力變形的影響

隨著管片開(kāi)洞尺寸增大，會(huì)使拆除管片面積和臨空面增大，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力更為不利。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為11.3 m，管片厚度0.55 m。分別選取硐室尺寸寬2 m、高2.6 m，寬4 m、高4.1 m，寬6 m、高5.6 m三種工況進(jìn)行研究。其三維模型見(jiàn)圖8～圖10。

圖8 硐室2 m×2.6 m模型示意

圖9 硐室4.1 m×4.1 m模型示意

圖10 硐室6 m×5 m模型示意

(1)管片變形分析

按照隧道管片破除、硐室初支施作、硐室二襯施作等施工步序進(jìn)行，隨著盾構(gòu)開(kāi)洞尺寸增大，盾構(gòu)管片變形增加；且隨著開(kāi)挖步序進(jìn)行，變形也逐漸增加。各施工步序下管片X、Y、Z三個(gè)方向變形值見(jiàn)表4。

表4 不同盾構(gòu)開(kāi)洞尺寸管片變形值 mm

(2)管片內(nèi)力分析

由表4可以看出，隨著盾構(gòu)開(kāi)洞尺寸增大，管片環(huán)所受彎矩絕對(duì)值逐漸增加，管片彎矩變化主要在縱向洞周2 m范圍內(nèi)。不同開(kāi)洞尺寸下開(kāi)口處上下邊緣的管片軸力絕對(duì)值均遠(yuǎn)小于管片其他位置。盾構(gòu)管片拆除時(shí)，開(kāi)口處管片上下受拉，左右受壓。在開(kāi)口處的左右邊緣出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，管片軸力變化主要在縱向洞周約4 m范圍。不同開(kāi)洞尺寸的管片內(nèi)力值見(jiàn)表5。

表5 不同開(kāi)洞尺寸管片內(nèi)力值

3 盾構(gòu)開(kāi)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工優(yōu)化

通過(guò)以上計(jì)算分析，在盾構(gòu)開(kāi)洞尺寸相同的條件下，隨著盾構(gòu)直徑增大，盾構(gòu)管片受力及變形越大；在盾構(gòu)內(nèi)徑保持不變的情況下，隨著盾構(gòu)管片開(kāi)洞尺寸增大，管片受力及變形越大。因此，大直徑盾構(gòu)的開(kāi)洞尺寸應(yīng)盡可能小，才能減少開(kāi)洞對(duì)洞周管片的影響。

(1)如果本工程盾構(gòu)管片開(kāi)洞尺寸與硐室接近(6 m×5.6 m)，根據(jù)模擬計(jì)算，相較于4 m×4.1 m的開(kāi)洞尺寸，最大彎矩增加約17%，最大彎矩出現(xiàn)在洞頂、洞底部位；最大軸力增加約13%，不同開(kāi)洞尺寸下開(kāi)口處上下邊緣的管片軸力絕對(duì)值均遠(yuǎn)小于管片其他位置；最大變形增加約79%。因此，在滿足硐室功能及建筑限界等要求下，應(yīng)盡可能減小大直徑盾構(gòu)隧道的開(kāi)洞尺寸。

(2)原設(shè)計(jì)盾構(gòu)開(kāi)洞寬度為4.2 m，需破除524環(huán)、525環(huán)、526環(huán)(共3環(huán)6塊管片)，見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 原設(shè)計(jì)破除管片區(qū)域示意

圖12 原設(shè)計(jì)破除管片立面示意

根據(jù)管片實(shí)際拼裝位置，將縱向開(kāi)洞范圍由4.2 m調(diào)整為4 m，并于第524、525環(huán)兩側(cè)環(huán)縫處開(kāi)洞；按原設(shè)計(jì)開(kāi)洞高度，第525環(huán)開(kāi)洞下部邊緣需切割封頂塊的2/3，為方便施工，可以將該環(huán)封頂塊整體拆除，植筋后與加強(qiáng)環(huán)框梁底梁澆筑成一體。優(yōu)化后，只需切割兩環(huán)完整的盾構(gòu)管片，并且開(kāi)洞尺寸減少，更利于結(jié)構(gòu)受力。

(3)改變硐室與盾構(gòu)的連接形式和開(kāi)口尺寸，盾構(gòu)的受力發(fā)生改變。由數(shù)值模擬計(jì)算可知，減小盾構(gòu)隧道開(kāi)口尺寸，盾構(gòu)管片最大彎矩和最大軸力值都有所減小，且彎矩值的減小較多，這樣使得盾構(gòu)管片整體結(jié)構(gòu)的受力更合理。常規(guī)盾構(gòu)開(kāi)洞梁是按照二維計(jì)算，或參照類似工程配筋，截面尺寸及配筋較保守。通過(guò)三維數(shù)值模擬，可以更好模擬實(shí)際受力情況，初步估算，環(huán)框梁主筋鋼筋較原設(shè)計(jì)鋼筋重量減少約23%。

(4)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，開(kāi)洞處管片及洞周4 m范圍內(nèi)需要配筋加強(qiáng)。

原盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)根據(jù)太沙基公式[15]計(jì)算，分界覆土厚度為26.2 m，按2倍洞徑以上作為最大荷載分界配筋[16-17]，分別對(duì)覆土厚度H≤1D、1D2D等幾種工況進(jìn)行計(jì)算，其中管片開(kāi)孔處及洞邊一定范圍管片配筋按照加強(qiáng)配筋進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)、外側(cè)環(huán)向主筋配筋為16根φ32 mm的鋼筋。

盾構(gòu)開(kāi)洞處隧道覆土厚度約27 m，根據(jù)模擬計(jì)算，采用16根φ25 mm可滿足要求，相較于原設(shè)計(jì)，可以減少約39%的鋼筋量。

(5)盾構(gòu)隧道開(kāi)洞后，管片受力發(fā)生改變，管片容易損壞，施工前應(yīng)在這些位置進(jìn)行加強(qiáng)處理。

直放站硐室范圍，前期已經(jīng)采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁完成土體加固，開(kāi)孔的主要風(fēng)險(xiǎn)在于盾構(gòu)施工時(shí)，管片外弧面與加固體之間的空隙沒(méi)有通過(guò)同步注漿填筑飽滿，水可能從中流入隧道。為保證硐室開(kāi)挖安全，采取如下措施。

①臨時(shí)支撐

直放站硐室接口處6環(huán)管片采用型鋼內(nèi)支撐加強(qiáng)，保證管環(huán)間有足夠的剛度；待硐室二襯混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除。臨時(shí)型鋼支撐斷面見(jiàn)圖13。

圖13 臨時(shí)支撐斷面(單位：mm)

為增加型鋼與管片間受力面積，將與管片接觸的型鋼加工成斜面，在型鋼與盾構(gòu)管片的接觸面加設(shè)300 mm×200 mm×20 mm的鋼板，鋼板與管片間設(shè)10 mm橡膠墊，然后把型鋼頂在混凝土管片上，用鋼楔子塞入連接處，以確保與混凝土管片密貼。型鋼與盾構(gòu)管片接觸示意見(jiàn)圖14。

圖14 型鋼與盾構(gòu)管片接觸示意(單位：mm)

②縱向管環(huán)支護(hù)

縱向管環(huán)變形控制主要有兩方面，一方面是螺栓復(fù)緊工作，一方面是焊接型材，拉接管環(huán)，使管環(huán)與管環(huán)之間緊密相連。

采用快速扳手，將洞室大里程和小里程方向管環(huán)螺栓各復(fù)緊20環(huán)。

采用25b工字鋼，將硐室大里程和小里程方向管環(huán)各3環(huán)進(jìn)行連接。連接方法為焊接，工字鋼與螺栓焊接處加設(shè)鋼板預(yù)制件，以增強(qiáng)拉接力并控制管環(huán)縱向變形?？v向管環(huán)連接示意見(jiàn)圖15。

圖15 縱向管環(huán)連接示意

③施作止?jié){環(huán)

止?jié){環(huán)主要作用是防止水從管片外弧面與加固體之間的空隙進(jìn)入隧道內(nèi)。因地基加固先行施工，管片外弧面與加固體之間的空隙很難通過(guò)盾構(gòu)同步注漿達(dá)到飽滿，存在滲水或流水的安全隱患。因此，決定采取如下措施。

在直放站硐室大里程和小里程方向地基加固區(qū)域內(nèi)做兩道止?jié){環(huán)(523環(huán)與526環(huán))，阻隔地下水進(jìn)入洞室開(kāi)挖面。盾構(gòu)隧道止?jié){環(huán)區(qū)域示意見(jiàn)圖16。

圖16 止?jié){環(huán)區(qū)域示意(單位：m)

在硐室開(kāi)挖影響范圍內(nèi)全部進(jìn)行注漿，采用雙液漿。

4 監(jiān)測(cè)分析

從施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，地面沉降最大值為沉降6.02 mm，開(kāi)洞周邊管片拱頂、拱底沉降最大為2.19 mm，最大水平位移為3.1 mm，均在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)，安全可控。此區(qū)間隧道已于2020年12月建成通車，運(yùn)營(yíng)良好。

5 結(jié)論

依托新建新鄭機(jī)場(chǎng)至鄭州南站城際鐵路大直徑盾構(gòu)隧道工程，利用三維數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，分析不同盾構(gòu)直徑、相同開(kāi)洞尺寸和相同盾構(gòu)直徑、不同開(kāi)洞尺寸下硐室施工對(duì)盾構(gòu)隧道受力、變形等影響，揭示大直徑盾構(gòu)硐室施工時(shí)盾構(gòu)隧道變形規(guī)律，得出結(jié)論如下。

(1)盾構(gòu)管片破除、硐室開(kāi)挖后，盾構(gòu)管片變形向硐室一側(cè)發(fā)展，由對(duì)稱變形變?yōu)椴粚?duì)稱變形，靠近硐室一側(cè)變形明顯大于另一側(cè)。

(2)隨著盾構(gòu)隧道直徑增大及開(kāi)洞尺寸加大，盾構(gòu)管片受力及變形加大，應(yīng)盡可能減小大直徑盾構(gòu)隧道的開(kāi)洞尺寸，硐室兩側(cè)4 m范圍為管片的主要受影響區(qū)。

(3)由于管片的開(kāi)洞施工，使管片受力發(fā)生改變，開(kāi)洞洞周產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，開(kāi)口處表現(xiàn)為上下管片受拉，左右管片受壓的狀態(tài)，施工時(shí)需注意對(duì)開(kāi)洞管片及其周邊4 m范圍管片進(jìn)行加強(qiáng)處理。

(4)對(duì)于大直徑盾構(gòu)隧道，改變硐室與盾構(gòu)的連接形式和開(kāi)口尺寸，盾構(gòu)受力也隨之發(fā)生改變。減小盾構(gòu)隧道與硐室相接開(kāi)口尺寸，盾構(gòu)管片最大彎矩和最大軸力值都減小，且彎矩值的減小較多。通過(guò)設(shè)計(jì)及施工的優(yōu)化，可以使得盾構(gòu)管片整體結(jié)構(gòu)的受力更合理，確保大直徑盾構(gòu)開(kāi)洞施工的結(jié)構(gòu)安全。