【摘" " 要】：為了優(yōu)化盾構(gòu)管片開孔臨時支撐系統(tǒng)，依托以色列特拉維夫綠線項目，對新型環(huán)形鋼支撐支護(hù)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬理論分析。驗證了此結(jié)構(gòu)樣式具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、便捷施工性，可為類似管片破除臨時支護(hù)或者管片加固提供一種新的解決方案。

【關(guān)鍵詞】：盾構(gòu)；管片開孔；環(huán)形鋼支撐；支護(hù)措施

Study on Temporary Support Measures for Tunnel Segment Opening

GAN Yicheng， LIN Yunjun， HE Aihua， ZHU Guangya

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308，China）

【Abstract】：To optimize the temporary support system for tunnel segment openings， a new type of circular steel support was analyzed by numerical simulation based on Tel Aviv Green Line project. It is proved that this structure style has good structural stability， economy and convenient construction， and can provide a new solution for similar temporary support or segment reinforcement.

【Key words】：tunnel shield； segments opening； circular steel support； support measures

盾構(gòu)區(qū)間的附屬結(jié)構(gòu)，例如聯(lián)絡(luò)通道、區(qū)間通風(fēng)井、 雨水泵房等，通常采用傳統(tǒng)暗挖法施工[1]，施工前需要破除已拼裝好的盾構(gòu)管片，再實施洞內(nèi)開挖，施工相關(guān)結(jié)構(gòu)。其中，破除原管片時，原隧道的安全性（包括土體穩(wěn)定性以及相鄰管片的受力安全性）不僅是施工期間的安全保障，更是附屬結(jié)構(gòu)施工完成后，整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全穩(wěn)定及耐久性的保障。

Chungsik Y等[2]對管片開孔處的受力進(jìn)行了3D數(shù)值分析研究，并列舉了幾種臨時支護(hù)措施；劉軍等[4]對聯(lián)絡(luò)通道施工過程中管片開孔應(yīng)用數(shù)值模擬進(jìn)行力學(xué)分析，提出了管片破除前架設(shè)井字形臨時鋼支撐的重要性；劉震中等[4]對大直徑盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)進(jìn)行研究，通過對管片變形和地層沉降的監(jiān)測，肯定了臨時支撐系統(tǒng)的關(guān)鍵作用。以上多是對管片開孔處受力問題的研究，對管片開孔臨時支撐形式的研究很少，本文提出一種新型環(huán)框形式的臨時鋼支撐，并依托以色列特拉維夫綠線工程聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計施工為例，建立相應(yīng)三維有限元模型，對環(huán)框形式的鋼支撐進(jìn)行力學(xué)安全及穩(wěn)定性分析。

1 傳統(tǒng)臨時支護(hù)

目前國內(nèi)對管片臨時支護(hù)的做法有以下幾種：一是在開孔附近設(shè)計多環(huán)特制鋼管片[6]，此方法雖然拆卸方便，但成本高，加工難度也相對較大，同時在地下潮濕環(huán)境中鋼管片的耐腐蝕性較差，影響耐久性；二是在開孔附近管片環(huán)縫間設(shè)置相互切合的剪力銷[6]，管片局部破除時，殘余管片靠剪力銷將力傳遞到相鄰?fù)暾芷?，不需要額外支護(hù)，但這種帶插裝剪力銷的管片需要特殊的管片制作模具，費用較高，管片拼裝時對施工精度要求較高，剪力銷位置容易出現(xiàn)裂縫；三是在開孔附近架設(shè)臨時井字形鋼支撐，此方案架設(shè)靈活，但當(dāng)隧道底部有臨時出土和管片運輸軌道及其他排水管通風(fēng)管時，易與井字形鋼支撐沖突，且井字形中間空間限制較多，不方便管片破除后的開挖施工。

2 工程概況

以色列綠線G3-2項目位于特拉維夫主城區(qū)，地下部分共有4站4區(qū)間，采用雙線盾構(gòu)法施工，設(shè)置10個區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道。由于工籌計劃安排及地面場地限制，部分聯(lián)絡(luò)通道施工時盾構(gòu)機(jī)仍在掘進(jìn)，即要求聯(lián)絡(luò)通道施工時不能耽誤或者阻斷盾構(gòu)機(jī)的出土、管片運輸、洞內(nèi)通風(fēng)等工作。

選取埋深最大的一個聯(lián)絡(luò)通道作為研究對象。該處區(qū)間管片覆土厚度約為17.2 m，施工期間地下水深度約10.4 m，主要為黏土層（CL）、砂層（CH）、黏質(zhì)砂層（SC）及Kurkar（凝砂塊）結(jié)構(gòu)的K1、K2、K3地層。隧道洞身主要穿越Unit2地層。見表1。

該聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)主隧道管片外徑7 200 mm、內(nèi)徑6 500 mm，混凝土等級為B60（fck=60 N/mm2、Ecm=3 170 060 N/mm2）。每環(huán)拼接形式為“5+1”，寬度為1 m，錯縫拼接，環(huán)縫與縱縫間均采用等級為8.8的M20螺栓連接。根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道空間要求，主隧道管片需開孔尺寸為2.9 m×3.548 m。見圖1。

3 臨時支護(hù)措施

3.1 支護(hù)方案的選擇

在隧道管片開孔前需進(jìn)行臨時支護(hù)，一直持續(xù)使用到聯(lián)絡(luò)通道二襯施工完成并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后方可拆除，但此過程中盾構(gòu)機(jī)出土車及管片運輸車等后配套仍需經(jīng)過此處，所設(shè)計鋼架不能阻斷運輸通道，傳統(tǒng)做法有特制鋼管片和環(huán)縫剪力銷兩種方案。對造價、當(dāng)?shù)厥┕に郊肮芷瑥S家加工工藝水平的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：由于整個區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道處涉及多種管片寬度（800、1 000、1 500 mm），導(dǎo)致鋼管片造價較高；剪力銷對管片生產(chǎn)及現(xiàn)場安裝精度要求較高，本項目還涉及小半徑曲線，設(shè)置管片環(huán)縫剪力銷較為困難，精度無法保證。

經(jīng)過與盾構(gòu)廠家及施工單位探討，設(shè)計出一種新型支護(hù)方案：7個環(huán)形工字鋼（規(guī)格203×203×86 kg/m UC）+2個橫梁（規(guī)格457×279×128 kg/m UB）形式，鋼環(huán)間采用連系梁（203×203×86 kg/m UC）連接，每個鋼環(huán)由5段弧形工字鋼通過螺栓連接形成閉環(huán)，管片開孔處上下各設(shè)置2個橫梁，在洞口范圍內(nèi)的上下橫梁與連系梁間采用十字撐連接。見圖2。

3.2 計算模型

3.2.1 模型的建立

采用有限元軟件SAP2000對臨時支撐系統(tǒng)進(jìn)行截面應(yīng)力和自身變形驗算；采用巖土有限元軟件Plaxis-3D對整個施工過程模擬，計算地面變形及管片穩(wěn)定性。

在SAP2000中，使用桁架單元模擬鋼環(huán)，通過迭代方法求解結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力，從而判斷結(jié)構(gòu)的安全性；環(huán)形鋼梁簡化為連續(xù)框架構(gòu)件；管片與鋼環(huán)的接觸面采用gap單元模擬。為了增加安全余量，計算模型不考慮管片的支撐作用，荷載經(jīng)管片傳導(dǎo)到每環(huán)鋼環(huán)上，模型中將荷載直接附加到每環(huán)鋼環(huán)上。見圖3。

在Plaxis中，土體模型大小為80 m×20 m×50 m，采用板單元模擬管片，框架單元模擬鋼環(huán)，管片與鋼環(huán)之間采用單壓線彈簧連接。對管片開孔外側(cè)，即聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域進(jìn)行土層參數(shù)修改，以表達(dá)土層加固。使用界面單元模擬管片結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用，界面單元的力學(xué)屬性可以使用對周圍土層力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行折減的方法計算（軟件默認(rèn)方法），界面單元折減系數(shù)Rinter的取值范圍在0～1。施工全過程模擬：盾構(gòu)管片安裝—聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域地層加固—臨時鋼環(huán)安裝—管片開孔—聯(lián)絡(luò)通道開挖。見圖4。

3.2.2 荷載組合

聯(lián)絡(luò)通道處主隧道管片埋深17.2 m，地下水埋深10.4 m。在SAP2000計算中，根據(jù)地勘參數(shù)，土壓力采用太沙基理論判斷為淺埋隧道，全土柱計入土壓力；水壓力按水位高度計算；地面超載按15 kN/m2取值。

荷載組合分為極限承載力狀態(tài)下的基本組合和正常使用狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)組合，其中基本組合效應(yīng)用來驗算支撐各構(gòu)件的截面應(yīng)力強(qiáng)度是否安全，標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)用來驗證支撐整體變形穩(wěn)定性。具體組合系數(shù)根據(jù)以色列規(guī)范取值，見表2。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 臨時支撐應(yīng)力分布

鋼環(huán)內(nèi)力分布與原管片類似，由于一側(cè)開孔，因此應(yīng)力最大處位于開孔下端兩側(cè)鋼環(huán)處，最大應(yīng)力值為105.7 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材應(yīng)力設(shè)計值308 MPa。見圖5。

應(yīng)力余量比較大，但適當(dāng)調(diào)小截面計算時發(fā)現(xiàn)鋼架變形超出招標(biāo)文件要求值。

3.3.2 臨時支撐變形

假定鋼環(huán)均布受力后，由于開洞影響，洞口上方的框架通過橫梁傳遞力到兩側(cè)，因此最大變形出現(xiàn)在洞口上方橫梁處，變形量為22.5 mm，滿足標(biāo)書中對管片變形（＜25 mm）的設(shè)計要求。見圖6。

3.3.3 管片開孔后對周圍土體影響及管片變形

管片開孔后周圍土體位移達(dá)到最大值2.44 mm，位于開孔下方；地面沉降量為1.57 mm；均遠(yuǎn)小于設(shè)計要求，證明此臨時鋼支撐在管片開孔后支撐效果顯著。見圖7。

管片自身變形量最大值為2.55 mm，位于開孔兩側(cè)，遠(yuǎn)小于SAP2000中支撐變形計算結(jié)果。見圖8。

這是由于單獨計算支撐時采用的假定沒考慮管片本身承載力， Plaxis模型中有聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域地層加固影響，減小了周圍地層的擾動，進(jìn)而有效控制了管片因開洞導(dǎo)致的變形；同時說明，管片與環(huán)形鋼支撐緊貼共同受力狀態(tài)時，管片開孔對整體結(jié)構(gòu)影響較小。

4 結(jié)論

1）環(huán)形鋼支撐在管片開孔時相比井字形鋼支撐更能全環(huán)貼合管片，有效限制管片變形，鋼支撐各部位受力合理。通過數(shù)值模擬分析，此形式支撐+外側(cè)地層加固的方案效果明顯，管片破除時對周圍的圍巖擾動極小。

2）環(huán)形鋼支撐截面小，占用隧道空間小，不影響隧道內(nèi)其他施工工序，可在隧道洞通前施工聯(lián)絡(luò)通道，有效縮短整體施工工期。

3）施工前對聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域進(jìn)行地層加固，可有效改善管片破除時對周圍圍巖擾動的影響。

4）環(huán)形鋼支撐間距是結(jié)合本次實際工程中的1 m寬管片的破除設(shè)計，對于其他寬度管片未做分析，因此在其他具體工程中應(yīng)適當(dāng)調(diào)整鋼支撐間距，才能更好發(fā)揮支撐作用。

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收稿日期：2023-05-15

基金項目：中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司科技研發(fā)項目（WX- 2020-02）

作者簡介：甘宜誠（1986 - ）， 男， 湖南長沙人， 工程師， 研究方向為城市軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計。