張恒忠 舒衛(wèi)建 孟綏寶 俞然剛 駱超鋒 張連震 周耀升 王瀾濤 石寶星 王永輝

(1.上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，200032，上海；2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院，266580，青島；3.中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，214104，無錫∥第一作者，高級工程師)

0 引言

地鐵聯(lián)絡通道是設置在兩條主隧道之間，起到聯(lián)通、排水及防火等作用的通道[1]。聯(lián)絡通道的施工主要采用礦山法，同時輔以凍結或注漿來加固。這種傳統(tǒng)施工方法具有不占用地面交通、適用面廣、技術成熟等優(yōu)點[2]，但是存在施工速度慢、造價高、工后沉降大、對周邊環(huán)境影響大、施工過程中安全隱患較多等缺點[3]。機械法聯(lián)絡通道施工是使用頂管機或盾構機進行聯(lián)絡通道的開挖，將鋼管片和預制混凝土管片形成的拼裝式結構作為聯(lián)絡通道結構主體。該方法施工速度快、機械化程度高、工后沉降小、安全性高[4]，其應用范圍越來越廣。例如，世界首條盾構法聯(lián)絡通道——寧波軌道交通聯(lián)絡通道已變?yōu)楝F(xiàn)實[5]。

聯(lián)絡通道的開挖往往會引起主隧道的沉降和收斂，在二者的連接部位，還會發(fā)生應力集中現(xiàn)象，隧道結構可能會因此發(fā)生破壞[6]。文獻[7]開展足尺試驗，發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡通道破洞過程是管片和內(nèi)支撐共同受力的過程，內(nèi)支撐在切削過程中承擔主要的荷載變化。文獻[8]采用有限元分析方法，探究了不均勻變形對主隧道和聯(lián)絡通道的影響程度。文獻[9]使用FLAC 3D軟件研究了主洞和聯(lián)絡通道在不同施工方法以及不同開挖進尺下主洞與聯(lián)絡通道交叉段的沉降及應力演化過程。文獻[10]進行了隧道開洞的三維分析，討論了開洞過程的應力影響范圍和可能損壞的位置。

目前，機械法聯(lián)絡通道多應用于軟土地層，埋深也比較淺，而在埋深深的海底隧道中的應用還非常少。因此，有必要對此進行探究。本文依托青島地鐵8號線(以下簡為“8號線”)海域段盾構隧道聯(lián)絡通道工程，針對聯(lián)絡通道埋深深、水壓高、穿越地層破碎等特點，使用FLAC 3D軟件對聯(lián)絡通道的開挖過程進行數(shù)值模擬，探究不同工況下，主隧道、聯(lián)絡通道以及管片和支撐結構力學響應，并對結構穩(wěn)定性進行分析，為今后聯(lián)絡通道機械法施工積累經(jīng)驗。

1 工程概況

8號線大洋站—青島北站站東側過海段區(qū)間共有6條聯(lián)絡通道(見圖1)，其中9#、10#、11#聯(lián)絡通道采用頂管法開挖。9#聯(lián)絡通道(里程為左線DK44+641.672，右線DK44+635.000)埋深最深為41.4 m，長度為25 m，開挖直徑為3 290 mm，管片厚度為0.25 m。聯(lián)絡通道縱斷面圖如圖2所示。

聯(lián)絡通道穿越巖層為較破碎的強風化泥質(zhì)粉砂巖和中風化火山角礫巖(見圖3)，圍巖等級為Ⅲ級；過海段為膠州灣北部區(qū)域，最高潮位水深3～11 m。地下水受海水潮汐影響較大，無穩(wěn)定水位。近海地下基巖裂隙水受潮汐影響，與海水連通性較好，涌水量較大。

2 聯(lián)絡通道施工模擬

聯(lián)絡通道機械法施工流程如下：洞門加固→安裝始發(fā)和接收套筒→掘進機就位→套筒中填充介質(zhì)→切削主隧道管片→設備頂進，拼接管片→切削另一條主隧道管片→進入接收套筒→封堵洞門，拆除套筒→完成施工。

2.1 計算模型及參數(shù)

采用FLAC 3D軟件建立有限元計算模型。模型尺寸為105 m(長，y向)×105 m(寬，x向)×80 m(高，z向)，如圖4所示。為了保證計算精度，將靠近盾構隧道和聯(lián)絡通道開挖部分的網(wǎng)格劃分較密，遠離開挖部分的網(wǎng)格劃分較疏。數(shù)值模型本構關系采用莫爾-庫倫彈塑性模型，土體采用實體單元，隧道管片采用殼單元，如圖5所示。水位設置在地層頂面以上4 m處。各土層及結構的參數(shù)見表1和表2。

圖4 三維計算模型Fig.4 3D computational model

2.2 邊界條件及初始應力場

計算模型采用位移邊界條件，在模型底部施加豎向約束，兩側面施加水平約束，上表面為自由面。

圖5 聯(lián)絡通道及主隧道模型Fig.5 Model of link passage and main tunnel

表1 地層參數(shù)Tab.1 Formation parameters

表2 結構參數(shù)Tab.2 Structure parameters

初始應力場由自重產(chǎn)生。為保證數(shù)值模擬的準確性，在隧道開挖支護前賦予隧道與實際相符的初始應力場，隧道開挖前，圍巖初始應力產(chǎn)生的位移場和速度場予以清零。

數(shù)值模擬采用更改強度參數(shù)的彈塑性求解法。即先將黏聚力和抗拉強度設大值，平衡后再將黏聚力和抗拉強度更改為實際值，最終計算平衡。

2.3 模擬工況

為了模擬盾構施工，土體挖除后，立即施加殼單元進行平衡求解。根據(jù)盾構法聯(lián)絡通道的施工特點，將施工過程劃分為3個工況(具體見表3)。工況1中，臺車對主隧道管片施加支撐力，從而對洞門進行加固。臺車支撐體系按表4進行分級加載。數(shù)值計算過程中，通過對主隧道相應區(qū)域的管片施加法向力來實現(xiàn)對此工況的模擬。

表3 開挖工況Tab.3 Excavation conditions

表4 臺車支撐體系分級加載步驟Tab.4 Trolley support system grading loading steps

2.4 計算結果分析

2.4.1 工況1(洞門破除)

1) 位移分析。左線主隧道的洞門打開之后，其整體剛度明顯降低，致使靠近聯(lián)絡通道一側的管片變形明顯大于另一側管片，左線主隧道的橫向橢圓長軸有所增加。豎向位移主要集中在洞口的頂部和底部，頂部向下沉降最大值為2.86 mm，底部向上隆起最大值為2.55 mm，如圖6所示；在水平方向上，洞口腰部向隧道外側擴張，最大位移為1.93 mm，如圖7所示。影響范圍主要集中在洞口兩側大約3 m范圍內(nèi)，整體上看，左線主隧道有變扁的趨勢。

圖6 洞口管片豎向位移云圖Fig.6 Vertical displacement nephogram of the opening segment

圖7 洞口管片水平位移云圖Fig.7 Horizontal displacement nephogram of the opening segment

2) 應力分析。破洞后，左線主隧道管片由原來的對稱受力變?yōu)榉菍ΨQ受力，開洞側管片洞口頂部和底部壓應力明顯增加，如圖8所示。同時，洞口腰部的拉應力也明顯增大，如圖9所示。由于左線主隧道玻璃纖維筋管片的打開，開口處邊界處于自由狀態(tài)。根據(jù)殼體的開口理論，自由邊界開口周圍的應力集中狀態(tài)要高于孔口有約束的情況[11]。因此，在聯(lián)絡通道拼接管片之前，隧道的受力狀態(tài)最為不利，穩(wěn)定性最差。在土體加固效果較差或者主隧道內(nèi)部支撐不力的情況下，主隧道破壞的危險很大。因此，主隧道在破洞之前，要提前對洞口附近主隧道管片結構以及聯(lián)絡通道開挖方向洞口巖土體進行加固，以防止結構在破洞后發(fā)生破壞。

圖8 洞口管片最大拉應力云圖

圖9 洞口管片最大壓應力云圖

2.4.2 工況2(聯(lián)絡通道開挖至接收洞門破除)

1) 位移分析。在開挖過程中，聯(lián)絡通道的豎向沉降主要集中在拱頂，隆起集中在拱底，如圖10所示，水平收斂集中在腰部，如圖11所示。聯(lián)絡通道的豎向沉降遠大于水平收斂，而且其中間部位變形最大，如圖12所示?？傮w上看，左線隧道有整體向右側移動的趨勢，而右線隧道有向左側移動的趨勢，而且左線主隧道管片的變形明顯要大于右線(如圖13所示)，因此聯(lián)絡通道的開挖對于左線主隧道的影響要明顯大于右線。

圖10 聯(lián)絡通道豎向位移云圖Fig.10 Vertical displacement nephogram of link passage

圖11 聯(lián)絡通道水平位移云圖Fig.11 Horizontal displacement nephogram of link passage

圖12 聯(lián)絡通道豎向位移變化曲線Fig.12 Vertical displacement change curve of link passage

圖13 管片水平位移云圖Fig.13 Nephogram of segment horizontal displacement

2) 應力分析。聯(lián)絡通道的開挖，導致主隧道原有的受力方式發(fā)生了應力重分布，在主隧道與聯(lián)絡通道的交叉處，出現(xiàn)了明顯的應力集中，最大壓應力出現(xiàn)在交叉結構的拱腰處，為28 MPa，如圖14所示；最大拉應力出現(xiàn)在洞口頂部，為19 MPa，如圖15所示。因此，在設計與施工時，要高度重視交叉部分的結構安全，同時還要做好防水處理。

圖14 管片最大壓應力云圖Fig.14 Nephogram of segment maximum compressive stress

圖15 管片最大拉應力云圖Fig.15 Nephogram of segment maximum tensile stress

聯(lián)絡通道開挖過程中，開挖面的水平壓應力在不斷發(fā)生改變，尤其是在聯(lián)絡通道中部，壓應力發(fā)生了突增，致使水平位移突增如圖16所示。因此，在聯(lián)絡通道開挖過程中，要合理調(diào)整掘進機土倉壓力，以防止開挖面涌水涌砂，從而保證開挖面的穩(wěn)定。對比圖12和圖16，發(fā)現(xiàn)在聯(lián)絡通道的中間部位，變形和開挖面壓應力都達到了最大值。這是由于聯(lián)絡通道土體開挖后，開挖區(qū)附近的土體受到持續(xù)的擾動，而且土層會進一步損失，土體應力得到釋放，原先土體承受的荷載更多地施加在聯(lián)絡通道管片上。

圖16 聯(lián)絡通道開挖面最大水平位移圖

2.4.3 工況3(拆除兩端平臺支撐)

臺車支撐拆除，主要對主隧道與聯(lián)絡通道交叉部分影響較大，而對聯(lián)絡通道影響較小。

1) 位移分析。拆除兩端隧道臺車支撐后，交叉結構位移發(fā)生了明顯變化，如圖17、圖18所示。左線主隧道頂部最大沉降由4.2 mm增加為5 mm，腰部收斂由2.2 mm增加為4.6 mm，而且影響范圍也明顯擴大。

2) 應力分析。拆除支撐后，交叉結構的腰部壓應力迅速增大，最大由23 MPa增加至28 MPa，而拉應力的變化較小，由17 MPa增加至19 MPa。因此，支撐拆除時，要加強對交叉結構的變形監(jiān)測，一旦超過預警值，應及時進行加固處理。此外，在卸載時，最好采用分級卸載的方式，使荷載能夠在管片之間有效傳遞。

圖17 拆撐前、后管片豎向位移云圖

圖18 拆撐前、后水平位移云圖

2.4.4 主隧道有無臺車支撐結果對比

為了探究在聯(lián)絡通道盾構法施工過程中臺車支撐的作用，分別對兩種條件下(有、無支撐)的施工過程進行數(shù)值模擬。將結果進行對比，發(fā)現(xiàn)臺車支撐可有效減少主隧道結構的變形和受力，現(xiàn)以始發(fā)破除洞門施工工況為例，結果見表5。

2.5 實測與計算結果的對比分析

聯(lián)絡通道施工過程中對隧道沉降和收斂變形進行了現(xiàn)場監(jiān)測，主隧道拱頂沉降采用水準儀進行高程測量，計算本次變量和累計變量；主隧道收斂變形監(jiān)測用手持測距儀測量拱腰兩收斂點之間的距離，通過不同時段收斂點間的距離變化情況反映隧道結構收斂情況。監(jiān)測點布置在聯(lián)絡通道兩側主隧道管片內(nèi)，靠近聯(lián)絡通道中心線位置監(jiān)測點適當加密。監(jiān)測點位置如圖19所示。

表5 主隧道有無臺車支撐的管片變形和受力結果對比

圖19 監(jiān)測點布置圖Fig.19 Layout of monitoring points

圖20和圖21分別給出了主隧道沉降和收斂的現(xiàn)場監(jiān)測結果與數(shù)值模擬計算結果，可以看到，總體上實測結果與數(shù)值模擬計算結果的曲線規(guī)律相似，主隧道與聯(lián)絡通道交叉部位管片變形最大，因此，沉降與收斂曲線近似呈“U”型。由于實測數(shù)據(jù)存在測量誤差以及數(shù)值模擬存在模型建立、材料參數(shù)選取、邊界條件等方面的近似處理，致使實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)難以完全吻合。總的來說，數(shù)值模擬的結果基本可反映實測結果。

圖20 主隧道拱頂沉降值Fig.20 Main tunnel vault settlement value

3 結論

利用有限元軟件對聯(lián)絡通道頂管法施工過程進行數(shù)值模擬，得到以下結論：

圖21 主隧道收斂變形值Fig.21 Main tunnel convergence deformation value

1) 聯(lián)絡通道施工過程中，最危險的兩個工況是洞門破除和臺車支撐拆除，尤其是對于埋深深的海底隧道，極易發(fā)生涌水涌砂事故，因此要采取一定的加固措施，并加強對交叉部分結構的變形監(jiān)測。

2) 主隧道與聯(lián)絡通道連接處發(fā)生了明顯的應力集中，在設計與施工時，要高度重視交叉部分的結構安全，適當提高結構強度，同時還要做好防水處理，增加抗?jié)B性能。

3) 整體看，聯(lián)絡通道的開挖對左側始發(fā)隧道的影響要大于右側接收隧道。聯(lián)絡通道施工前，可根據(jù)兩側主隧道的地質(zhì)狀況選擇合適的開挖順序。

4) 開挖過程中，開挖面的壓力會不斷發(fā)生變化，開挖至聯(lián)絡通道中部時，壓力發(fā)生了突變。要及時調(diào)整掘進機土倉壓力，保證開挖面的穩(wěn)定。同時，聯(lián)絡通道的沉降和收斂變形曲線近似呈“U”型，中部變形最大，施工過程中應重視變形監(jiān)測，必要時采取加固措施以保證結構的穩(wěn)定性。

5) 主隧道內(nèi)設置臺車支撐，可有效減小主隧道結構及交叉部位的變形。此外，在卸載時，最好采用分級卸載的方式，使荷載能夠在管片之間有效傳遞。