周 禾，張慶賀，徐 飛

(1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092;3.上海第一市政工程有限公司，上海 200092)

針對(duì)單一地層而言，都有比較合適的相應(yīng)施工工法。如堅(jiān)硬巖體隧道，可以采用礦山法施工;均質(zhì)較硬巖體的山嶺隧道，可以采用TBM工法施工;軟土地層的暗挖隧道，可以采用盾構(gòu)法施工等。然而，對(duì)于復(fù)雜地層、軟弱不均的地層，實(shí)際施工中仍有不少難處。如軟硬互層段、有孤石地段和微風(fēng)化高硬度巖石段或遇到建筑物樁基等障礙物，此時(shí)單純依靠一種工法較難完成施工。

目前，國內(nèi)在廣州、深圳等地的地鐵施工過程中碰到的復(fù)雜地層、軟弱不均的地層時(shí)，一般都采用盾構(gòu)通過礦山法隧道段的施工工法。劉建美［1］以廣州地鐵四號(hào)線大學(xué)城專線小新區(qū)間隧道為例，詳細(xì)介紹了盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段時(shí)的回填、盾尾注漿和分階段壓注漿等工藝;楊書江［2］從解決空推無法對(duì)已拼裝管片隧道施加足夠軸向壓力角度出發(fā)，提出了在盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段拼裝管片時(shí)，采用焊接連接鋼筋、支擋牛腿和復(fù)緊螺栓三步走的措施，保證隧道的防水效果。汪茂祥［3］結(jié)合廣州地鐵5號(hào)線區(qū)楊盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道，介紹了盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段的導(dǎo)臺(tái)施工、盾構(gòu)“磕頭”、管片錯(cuò)臺(tái)控制和增大盾構(gòu)總推力壓緊管片等施工關(guān)鍵技術(shù)。

但是，目前大部分研究工作主要圍繞盾構(gòu)通過礦山法隧道段的施工工藝研究，并未從理論上系統(tǒng)地分析盾構(gòu)通過礦山法隧道段時(shí)管片的受力變化規(guī)律。為了探索盾構(gòu)通過礦山法隧道段時(shí)管片的受力變化規(guī)律，本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，采用三維有限元軟件ANSYS對(duì)盾構(gòu)通過礦山法隧道段進(jìn)行研究，分析管片受力情況在隧道縱軸線上的變化規(guī)律，為今后國內(nèi)地鐵盾構(gòu)通過堅(jiān)硬地層施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 工程簡介

1.1 盾構(gòu)通過礦山法隧道段工藝簡介

盾構(gòu)通過礦山法隧道段施工的通常做法是:①從地表打一豎井下至隧道設(shè)計(jì)巖層處，采用礦山法將較堅(jiān)硬巖土層爆破挖除，施工斷面稍大于盾構(gòu)外徑的初期襯砌;②在礦山法隧道內(nèi)回填土或者細(xì)石子;③盾構(gòu)在預(yù)先做好的礦山法隧道里空推并完成管片拼裝(此階段基本無同步注漿);④補(bǔ)壓漿。見圖1。

圖1 盾構(gòu)在礦山法隧道里空推通過工作豎井

1.2 依托工程簡介

深圳地鐵2號(hào)線東港路站—招商?hào)|路站區(qū)間隧道從東港路站出發(fā)，下穿新建澳城花園，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道下部將遇到高強(qiáng)度微風(fēng)化巖層。隧道斷面內(nèi)為最不利的第四系中更新統(tǒng)殘積層、拱頂上部為具有高滲透性(滲透系數(shù)達(dá)到15 m/d)的③3礫砂(含淤泥)層。

區(qū)間隧道整體設(shè)計(jì)為土壓平衡盾構(gòu)施工。采用預(yù)先礦山法暗挖，然后盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段的施工方法通過其間的高強(qiáng)微風(fēng)化巖層段。左右線礦山法段分別長147.5 m和287.0 m，埋深約10.0 m(見圖2)。

圖2 盾構(gòu)通過礦山法隧道段平面圖

礦山法隧道襯砌為 C25、S6噴射混凝土，內(nèi)徑6 600 mm，外徑7 300 mm，厚 350 mm;盾構(gòu)管片為C50、S10預(yù)制管片，內(nèi)徑5 400 mm，外徑6 000 mm，厚300 mm。

1.3 盾構(gòu)通過礦山法隧道段遇到的技術(shù)難題

與軟土地區(qū)的普通盾構(gòu)施工相比，在已經(jīng)施工完畢的礦山法隧道內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)空推施工，存在如下幾大技術(shù)難題:

1)隧道上部缺少上覆土的作用，導(dǎo)致管片脫出盾尾后上浮較嚴(yán)重;

2)盾構(gòu)縱向及四周失去土體擠壓力，管片拼裝難以達(dá)到橫向真圓度，環(huán)間接縫難以壓緊，差異沉降較大，易造成管片錯(cuò)臺(tái)，對(duì)隧道正常使用和管片防水產(chǎn)生不利影響。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算假定

為了探求盾構(gòu)通過礦山法隧道段管片受力變化的基本規(guī)律，需要對(duì)實(shí)際工況作出一些假定?；居?jì)算假定如下:

①地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布;②計(jì)算中不考慮管片接頭影響以及錯(cuò)縫拼裝方式對(duì)襯砌整體剛度的折減作用;③盾構(gòu)每個(gè)推進(jìn)步長為3 m(2環(huán)管片寬度);④土層采用理想彈塑性模型，噴射混凝土、管片及回填材料采用線彈性模型;⑤盾構(gòu)在礦山法隧道里空推施工時(shí)無同步注漿。

2.2 計(jì)算模型

如圖3(a)所示的計(jì)算模型，Z軸為隧道軸線方向，Y軸為隧道深度方向，X軸為隧道寬度方向。模型X方向?qū)?0.0 m，Y方向深33.0 m，Z方向長45.0 m。網(wǎng)格Z方向間距1.5 m(取一環(huán)管片的寬度)。隧道埋深為13.0 m。

模型邊界條件:模型前后兩面邊界施加Z方向的水平約束;模型的左右邊界施加X方向的水平約束;模型底面施加Y方向的豎向約束。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

考慮到管片的接頭影響，采用等效剛度(剛度折減系數(shù)取為0.9)的方法，將管片視為均質(zhì)彈性殼結(jié)構(gòu)(shell63單元)，如圖3(b);土體及回填層采用實(shí)體單元(solid45)，且服從D-P屈服準(zhǔn)則。通過改變回填材料力學(xué)屬性的方法來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)壓漿工藝。地下水的作用，以施加在管片單元的壓力荷載來代替。各層土體及支護(hù)體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 基本計(jì)算參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬計(jì)算流程

根據(jù)盾構(gòu)通過礦山法隧道段的實(shí)際施工過程，數(shù)值模擬流程如下:

第一步，數(shù)值計(jì)算初始條件。包括3個(gè)計(jì)算步:第1計(jì)算步，自重應(yīng)力;第2計(jì)算步，開挖土體，并考慮開挖時(shí)的應(yīng)力釋放(釋放率取為50%);第3計(jì)算步，施作礦山法隧道襯砌噴射混凝土。

第二步，盾構(gòu)在礦山法隧道內(nèi)空推(無同步注漿)并完成管片拼裝。其空推工況為:回填層回填至隧道中心線深度處，地下水位位于隧道中心線處。每個(gè)空推步施工2環(huán)管片，同時(shí)施加掌子面壓力P1=1 MPa，分15個(gè)空推計(jì)算步;其中最后第15空推步到達(dá)模型的邊界，不施加掌子面壓力。

第三步，補(bǔ)壓漿。盾構(gòu)空推完全完成以后，進(jìn)行補(bǔ)壓漿施工。補(bǔ)壓漿施工工況為:施工到某一補(bǔ)壓漿步時(shí)，對(duì)該補(bǔ)壓漿步的2環(huán)管片施加補(bǔ)壓漿壓力［4］，考慮此前壓注的漿液已凝固并完全填充隧道建筑間隙，同時(shí)取消上一補(bǔ)壓漿步的壓力荷載。計(jì)算示意如圖4。

圖4 補(bǔ)壓漿施工數(shù)值模擬示意

3 空推計(jì)算結(jié)果及分析

盾構(gòu)空推施工時(shí)管片縱、橫向受力變化規(guī)律具有明顯的三維特征，沿隧道軸向不同位置管片的縱、橫向受力不同。為研究管片縱、橫向受力變化規(guī)律，在計(jì)算過程中，沿隧道軸向每3 m(2環(huán))設(shè)一監(jiān)測斷面，在Z=3～42 m處，共設(shè)14個(gè)斷面，每個(gè)斷面監(jiān)測管片橫向彎矩、軸向應(yīng)變及隧道管片徑向壓力的變化。通過對(duì)各個(gè)斷面的分析，可以得出盾構(gòu)通過礦山法隧道段時(shí)管片的受力變化情況，綜合分析14個(gè)斷面，可以得到沿隧道軸線管片受力變化的規(guī)律。

3.1 管片橫向彎矩分析

圖5為盾構(gòu)空推施工至第22環(huán)時(shí)管片橫向彎矩圖。為分析盾構(gòu)空推施工過程中管片橫向彎矩在縱向上的分布規(guī)律，在模擬計(jì)算中布設(shè)了5個(gè)點(diǎn)(如圖6中的A，B，C，D和 E)來監(jiān)測管片橫向彎矩變化。各監(jiān)測點(diǎn)位置如圖6所示。

圖5 空推至第22環(huán)時(shí)管片橫向彎矩云圖(單位:N·m)

由于盾構(gòu)空推過程中，管片上下部分回填層充填密實(shí)程度不同，所以管片不同位置處受力情況不同。盾構(gòu)空推施工過程管片不同位置內(nèi)力縱向變化規(guī)律如下(見圖7)。

圖6 模型監(jiān)測點(diǎn)布置示意

圖7 盾構(gòu)空推至第26環(huán)時(shí)管片橫向彎矩

1)空推施工中，管片上半部分無回填層，上半部分受力情況在縱向上理應(yīng)傳遞比較遠(yuǎn)。在脫離盾尾16環(huán)管片(24 m)的范圍內(nèi)，管片拱頂位置、最大負(fù)彎矩位置橫向受力隨著脫離盾尾距離的增大而增大;在脫離盾尾16環(huán)以后，這兩個(gè)位置受力完全穩(wěn)定，彎矩穩(wěn)定值分別為10.0 kN·m和-9.7 kN·m。

2)拱底位置存在回填層，縱向傳力相比拱頂衰減快。在脫離盾尾12環(huán)管片(18 m)的范圍內(nèi)，管片拱底橫向受力隨著脫離盾尾距離的增加而增大;在脫離盾尾12環(huán)以后，拱底位置受力完全穩(wěn)定，彎矩穩(wěn)定值為 5.0 kN·m。

3)隧道中心線位置回填層回填程度處于過渡狀態(tài)，其受力穩(wěn)定距離為14環(huán)(21 m)，穩(wěn)定值為 -6.8 kN·m。

3.2 管片軸向應(yīng)變分析

圖8為管片拱頂、隧道中心線位置、拱底3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的縱向應(yīng)變?cè)谒淼垒S向上的變化規(guī)律?？偟膩砜?，管片縱向應(yīng)變變化可以分兩個(gè)階段，第一階段是隨著管片脫離盾尾的距離增大，管片縱向應(yīng)變減小;第二階段是當(dāng)管片脫離盾尾距離達(dá)到穩(wěn)定距離后，管片縱向應(yīng)變保持穩(wěn)定不變。從圖8中可以看出，盾構(gòu)空推施工過程中管片不同位置縱向應(yīng)變?cè)谒淼垒S向上的變化規(guī)律有所不同:管片拱頂縱向應(yīng)變的穩(wěn)定距離是20環(huán)(30 m)，而管片中心線位置的穩(wěn)定距離是16環(huán)(24 m)。管片橫斷面不同位置壓應(yīng)變不同，應(yīng)對(duì)壓應(yīng)變小的部位及時(shí)緊固縱向螺栓，保證隧道縱向穩(wěn)定。

3.3 隧道管片徑向壓力分析

圖8 盾構(gòu)空推至第26環(huán)時(shí)管片軸向應(yīng)變分布

為分析盾構(gòu)在礦山法隧道內(nèi)空推過程中回填層土壓力在縱向上的分布規(guī)律，在模擬計(jì)算中布設(shè)了4個(gè)點(diǎn)(如圖 9 中的 A′、B′、C′和 D′)來監(jiān)測回填層土壓力的變化。各監(jiān)測點(diǎn)位置如圖9所示。

圖9 回填層土壓力監(jiān)測點(diǎn)布置示意

從圖10盾構(gòu)空推至第22環(huán)時(shí)4個(gè)監(jiān)測位置隧道管片徑向壓力分布情況可以看出，第一階段，在脫離盾尾一定的距離內(nèi)，回填層土壓力隨著脫離盾尾距離的增大而增大;第二階段，當(dāng)管片脫離盾尾距離達(dá)到一定程度時(shí)，回填層土壓力基本穩(wěn)定不變，即管片、回填層受力基本穩(wěn)定。

圖10 盾構(gòu)空推至第22環(huán)時(shí)4個(gè)監(jiān)測位置隧道管片徑向壓力分布情況

對(duì)比分析不同監(jiān)測位置回填層土壓力的變化曲線，又可以看出盾構(gòu)空推施工過程不同位置回填層土壓力在縱向上的變化規(guī)律又稍有不同:監(jiān)測點(diǎn)A′處回填層土壓力的穩(wěn)定距離是16環(huán)(24 m)，監(jiān)測點(diǎn) C′處的穩(wěn)定距離是12環(huán)(18 m)。同一橫斷面回填層壓力分布呈由隧道中心線位置到拱底減小分布規(guī)律。

4 補(bǔ)壓漿計(jì)算結(jié)果及分析

盾構(gòu)空推完成以后，進(jìn)行補(bǔ)壓漿施工。補(bǔ)壓漿施工數(shù)值模擬的主要目的是分析補(bǔ)壓漿施工對(duì)管片受力的影響范圍。考慮對(duì)稱補(bǔ)壓漿與單側(cè)補(bǔ)壓漿兩種工況(見圖11)。

圖11 補(bǔ)壓漿示意

4.1 管片橫向彎矩分析

圖12和圖13分別給出了對(duì)稱補(bǔ)壓漿與右側(cè)單側(cè)補(bǔ)壓漿工況下隧道拱頂和補(bǔ)壓漿位置管片橫向彎矩對(duì)比圖。從圖12和圖13中可以看出:

1)最大正彎矩(管片內(nèi)側(cè)受拉為正)均發(fā)生在補(bǔ)壓漿位置。對(duì)稱補(bǔ)壓漿和單側(cè)補(bǔ)壓漿工況下的橫向最大正彎矩分別為 21.8 kN·m，37.4 kN·m。

2)補(bǔ)壓漿施工會(huì)引起注漿環(huán)及鄰近管片受力的顯著變化。其中單側(cè)補(bǔ)壓漿的影響范圍為-9 m至9 m(前后6環(huán));對(duì)稱補(bǔ)壓漿的影響范圍為-6 m至6 m(前后4環(huán))。

圖12 拱頂橫向彎矩對(duì)比

圖13 補(bǔ)壓漿位置橫向彎矩對(duì)比

4.2 隧道管片徑向壓力分析

圖14和圖15分別給出了對(duì)稱補(bǔ)壓漿與右側(cè)單側(cè)補(bǔ)壓漿工況下隧道中軸線位置和拱底位置管片徑向壓力對(duì)比圖。從圖15中可以看出，對(duì)稱補(bǔ)壓漿時(shí)，拱底位置管片徑向壓力最大值約為0.8 kPa，較單側(cè)補(bǔ)壓漿時(shí)的0.2 kPa大，說明對(duì)稱補(bǔ)壓漿對(duì)控制管片上浮效果更佳。綜合圖14和圖15可以看出，對(duì)稱補(bǔ)壓漿與單側(cè)補(bǔ)壓漿對(duì)管片徑向壓力的影響范圍基本一致，為補(bǔ)壓漿位置前后4環(huán)。

圖14 隧道中軸線位置管片徑向壓力對(duì)比

圖15 拱底位置管片徑向壓力對(duì)比

5 數(shù)值模擬與監(jiān)測結(jié)果對(duì)比

圖16給出了監(jiān)測點(diǎn)A′隧道管片徑向壓力數(shù)值解與監(jiān)測值的對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果看，數(shù)值模擬反映了隧道管片徑向壓力變化的基本趨勢(shì)，但數(shù)值模擬值比實(shí)際監(jiān)測值大。主要原因有三:一是因?yàn)榛靥顚訅毫^小，監(jiān)測儀器的靈敏度不夠;二是數(shù)值模擬中回填層的本構(gòu)選取的為彈性本構(gòu)關(guān)系;三是數(shù)值模擬無法完全模擬實(shí)際施工過程，有很多細(xì)節(jié)數(shù)值模擬沒有考慮。

圖16 監(jiān)測點(diǎn)A′隧道管片徑向壓力數(shù)值解與監(jiān)測值的對(duì)比

圖17給出了拱頂位置縱向應(yīng)變數(shù)值解與監(jiān)測值的對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果看，數(shù)值模擬反映了管片縱向應(yīng)變變化的基本趨勢(shì)，但數(shù)值模擬值比實(shí)際監(jiān)測值大。主要原因是數(shù)值模擬無法完全模擬實(shí)際施工過程，有很多施工細(xì)節(jié)數(shù)值模擬沒有考慮。如數(shù)值模擬沒有考慮實(shí)際施工過程中不同位置的千斤頂頂進(jìn)力的不同，也沒有考慮導(dǎo)臺(tái)的摩擦阻力等。

圖17 拱頂位置縱向應(yīng)變數(shù)值解與監(jiān)測值的對(duì)比

6 結(jié)論

通過對(duì)深圳地鐵2號(hào)線東港路站—招商?hào)|路站區(qū)間盾構(gòu)通過礦山法隧道段施工的數(shù)值模擬，可以得出如下結(jié)論:

1)空推階段管片受力(包括管片橫向彎矩、縱向應(yīng)變和隧道管片徑向壓力)變化規(guī)律表現(xiàn)為兩個(gè)階段，第一階段是隨著管片脫離盾尾的距離增大，管片橫向彎矩和徑向壓力增大，而縱向應(yīng)變反之。第二階段是當(dāng)管片脫離盾尾距離達(dá)到穩(wěn)定距離(不同位置穩(wěn)定距離不同)后，管片受力保持穩(wěn)定不變。

2)補(bǔ)壓漿階段補(bǔ)壓漿施工會(huì)引起注漿環(huán)及鄰近管片受力的顯著變化。對(duì)稱補(bǔ)壓漿的影響范圍大約為-6 m至6 m(前后4環(huán));單側(cè)補(bǔ)壓漿的影響范圍大約為-9 m至9 m(前后6環(huán))。與對(duì)稱補(bǔ)壓漿相比，單側(cè)補(bǔ)壓漿影響范圍擴(kuò)大，由前后4環(huán)擴(kuò)大至前后6環(huán)。

3)從管片受力與控制管片上浮角度考慮，對(duì)稱補(bǔ)壓漿較單側(cè)補(bǔ)壓漿效果理想。

4)增加盾構(gòu)前堆土高度，對(duì)稱壓漿，及時(shí)緊固連接螺栓、及時(shí)排放盾尾間隙地下水等是保證該工法成功的關(guān)鍵。

［1］劉健美.“盾構(gòu)法+礦山法”施工在廣州地鐵四號(hào)線大學(xué)城專線段的應(yīng)用［J］.廣東土木與建筑，2005(6):14-15，25.

［2］楊書江.盾構(gòu)在硬巖及軟硬不均地層施工技術(shù)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2006.

［3］汪茂祥.盾構(gòu)通過礦山法施工隧道段關(guān)鍵技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2008，45(1):67-70.

［4］葉飛，朱合華，何川，等.盾構(gòu)隧道壁后注漿擴(kuò)散模式及對(duì)管片的壓力分析［J］.巖土力學(xué)，2009，30(5):1307-1312.

［5］魏綱，劉加灣.盾構(gòu)法隧道統(tǒng)一土體移動(dòng)模型參數(shù)取值研究［J］.鐵道建筑，2009(2):48-51.