復(fù)合式TBM在重慶地鐵的首次應(yīng)用

曹 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

為解決施工安全、工期、施工占地等一系列問題，從而找到更適合重慶地鐵建設(shè)需要的機(jī)械，以傳統(tǒng)的TBM為基礎(chǔ)，吸取了土壓平衡盾構(gòu)的原理及優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)刀盤、刀具、主軸承、主驅(qū)動(dòng)以及螺旋輸送機(jī)等設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性改造，命名為“復(fù)合式TBM”[1]。本文以重慶地鐵六號(hào)線二期工程為背景，從支護(hù)措施、沿線施工條件、過站等方面分析其適應(yīng)性，并通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步研究管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算、掘進(jìn)引起的地表沉降、近距離下穿周邊建(構(gòu))筑物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，進(jìn)而解決復(fù)合式TBM首次應(yīng)用涉及的一些主要問題。

1 工程背景

1.1 工程概況[2]

六號(hào)線二期工程全長(zhǎng)約41.78 km，線路平面最小曲線半徑為500 m，最大縱坡為28‰。南段線路長(zhǎng)約15.51 km，其中地下線長(zhǎng)約11.90 km，高架線長(zhǎng)約2.13 km，路基段長(zhǎng)約1.30 km，敞開段長(zhǎng)約0.18 km;北段線路長(zhǎng)約26.27 km，其中地下線長(zhǎng)約17.29 km，高架線長(zhǎng)約8.21 km，敞開段長(zhǎng)約0.77 km。全線共設(shè)14座車站，平均站間距2.98 km。

1.2 地質(zhì)概況[3]

沿線地形起伏較大，多為中丘地形，反向坡較陡，坡角 20°～30°，順向坡較緩，坡角 10°～20°。由地表向下主要地層為人工填土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖與中風(fēng)化砂巖互層，場(chǎng)地各巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。區(qū)間隧道所處地層主要為中等風(fēng)化的砂巖及泥巖，為較軟～硬質(zhì)巖，巖層均勻單一。巖體飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度值為7.5～30.9 MPa，巖體完整性系數(shù)0.45～0.75，軟化系數(shù)0.60～0.77;主要發(fā)育兩組節(jié)理，微張，局部張開約1～2 mm，間距1～4 m左右，延伸長(zhǎng)度為2～4 m，裂隙內(nèi)充填泥質(zhì)。除銅鑼山與中梁山之外，其余大部分地下區(qū)間地下水不甚發(fā)育，主要為松散層孔隙水以及基巖裂隙水，受大氣降水以及城市給排水管網(wǎng)滲漏水補(bǔ)給，涌水量較小，水文地質(zhì)條件較好。巖層具有一定的自穩(wěn)能力。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 復(fù)合式TBM適應(yīng)性分析

文獻(xiàn)[4]從地質(zhì)條件、線網(wǎng)線形、區(qū)間埋深及掘進(jìn)長(zhǎng)度等方面對(duì)復(fù)合式TBM的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。本文重點(diǎn)從復(fù)合式TBM支護(hù)措施、沿線施工條件、過站等方面進(jìn)行適應(yīng)性分析。如表2所示，復(fù)合式TBM開挖后，管片緊跟、同步注漿及二次注漿保證了管片背后密實(shí)，確保了洞周的穩(wěn)定性和安全，為順利通過圍巖破碎帶、埋深較淺地段以及下穿建(構(gòu))筑物等高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域創(chuàng)造有利條件。復(fù)合式TBM始發(fā)、轉(zhuǎn)場(chǎng)、吊出施工占地相對(duì)較小，對(duì)場(chǎng)地要求較低，完全符合老城區(qū)用地現(xiàn)狀。復(fù)合式TBM掘進(jìn)區(qū)段相對(duì)較短，且多采用“先站后洞”，在車站端頭分解主機(jī)與后配套，主機(jī)偏移后用過站小車過站，只需端頭局部加寬，既減少了工程浪費(fèi)，又降低了對(duì)相鄰車站工期的影響;同時(shí)，復(fù)合式TBM作業(yè)環(huán)境較好，減少了多種職業(yè)病的危害，并降低了對(duì)地面環(huán)境的影響。

表2 傳統(tǒng)的TBM與復(fù)合式TBM適應(yīng)性比較

3 斷面設(shè)計(jì)及管片結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 斷面設(shè)計(jì)

從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面考慮，并結(jié)合國(guó)內(nèi)相似地鐵工程的成功經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)管片采用C50混凝土，管片外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，厚度300 mm，幅寬1 500 mm。環(huán)向采用“1+2+3”的分塊模式，即1個(gè)封頂塊+2個(gè)鄰接塊+3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊，如圖1所示。管片塊與塊、環(huán)與環(huán)之間采用高強(qiáng)螺栓連接，縱向錯(cuò)縫拼裝。

3.2 管片結(jié)構(gòu)計(jì)算[5]

針對(duì)區(qū)間隧道情況，根據(jù)隧道埋深、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境選取最不利位置，并借助有限元軟件建立“荷載—結(jié)構(gòu)”和“地層—結(jié)構(gòu)”2種計(jì)算模型，對(duì)管片內(nèi)力和地表沉降進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2.1 管片內(nèi)力計(jì)算

圖1 復(fù)合式TBM橫斷面

管片是計(jì)算中的重點(diǎn)模擬對(duì)象，采用能考慮接頭位置與剛度的精確計(jì)算法計(jì)算，采用有限元軟件進(jìn)行分析。如圖2所示，將盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)假定并離散為等厚度小變形彈性直梁?jiǎn)卧?，用接頭抗彎剛度Kθ來體現(xiàn)環(huán)向接頭的實(shí)際抗彎剛度。當(dāng)錯(cuò)縫式拼裝時(shí)，由于縱向接頭將引起襯砌圓環(huán)間的相互咬合作用，此時(shí)根據(jù)錯(cuò)縫拼裝方式，除考慮計(jì)算對(duì)象的襯砌圓環(huán)外，還將對(duì)其有影響的前后襯砌圓環(huán)也作為研究對(duì)象;采用空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并用圓環(huán)徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt來體現(xiàn)縱向接頭的環(huán)間傳力效果。結(jié)構(gòu)與圍巖的作用模式通過設(shè)置在結(jié)構(gòu)周圍只能受壓的徑向和切向彈簧來實(shí)現(xiàn)，彈簧受拉時(shí)將自動(dòng)脫離，彈簧的剛度由結(jié)構(gòu)周圍圍巖的地基抗力系數(shù)決定。

圖2 精確計(jì)算法力學(xué)模式與計(jì)算模型

計(jì)算中依據(jù)地質(zhì)勘察資料和相應(yīng)的規(guī)范選取參數(shù)，并通過不斷改變地下水位建立多種工況研究地下水位對(duì)管片結(jié)構(gòu)的影響。通過對(duì)比分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn):不考慮水壓力的作用為管片結(jié)構(gòu)最不利工況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 無水情況下管片彎矩、軸力

3.2.2 地面沉降分析

為進(jìn)一步分析復(fù)合式TBM掘進(jìn)引起的地表沉降，取地面以下60 m、寬度100 m、縱向50 m范圍建立三維“地層—荷載”模型模擬盾構(gòu)的施工工況，進(jìn)行足尺計(jì)算。計(jì)算模型的側(cè)面邊界受軸向位移約束，下部邊界受垂向位移約束。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn):隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，地表沉降值相應(yīng)變化，引起地表沉降累計(jì)最大值為1.2 mm，滿足規(guī)范要求。

4 下穿建筑物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

復(fù)合式TBM多次近距離下穿道路、管線、居民住宅小區(qū)、人防洞室及辦公大樓，存在重大風(fēng)險(xiǎn)，尤其是下穿中央鑫都段。中央鑫都的1號(hào)樓(28F/-2F)和2號(hào)樓(29F/-2F)均位于區(qū)間隧道的左上方，凈距約15 m，部分商業(yè)樓(3F/-2F)位于區(qū)間隧道的正上方。2號(hào)樓與區(qū)間隧道幾乎處于平衡狀態(tài)，距離最近且單樁設(shè)計(jì)軸力最大，為最不利情況(圖4)。

圖4 隧道與中央鑫都相對(duì)位置(單位:m)

為了盡可能地模擬真實(shí)狀態(tài)，建立三維“地層—荷載”計(jì)算模型，按照以下3個(gè)步驟來進(jìn)行計(jì)算:①計(jì)算原始應(yīng)力狀態(tài);②基坑開挖并施加建筑荷載;③下部隧道開挖和支護(hù)。從計(jì)算結(jié)果中提取最有代表性的特征節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)一步研究復(fù)合式TBM掘進(jìn)過程中樁基和隧道的位移隨時(shí)步變化規(guī)律(圖5、圖6)。

圖5 樁基特征點(diǎn)豎向位移

由圖5、圖6可知:由復(fù)合式TBM掘進(jìn)引起的樁基最大豎向附加位移為5.8 mm，且相鄰樁基最大沉降差約為1 mm;掘進(jìn)過程中，隧道周圍附加水平位移最大值為2.3 mm，出現(xiàn)在隧道左側(cè);豎向位移最大值為4.8 mm，出現(xiàn)在隧道拱頂?？梢娝淼篱_挖對(duì)上部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)的變形影響很少，風(fēng)險(xiǎn)可控。

圖6 左線隧道各特征點(diǎn)位移

5 監(jiān)控量測(cè)

在復(fù)合式TBM到達(dá)前50 m時(shí)，立即布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行地表沉降、建(構(gòu))筑物沉降及傾斜等監(jiān)測(cè);同時(shí)，在隧道開挖后，立即進(jìn)行拱頂沉降、水平收斂、底部隆起以及圍巖壓力等監(jiān)測(cè)。各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目原則上應(yīng)根據(jù)其變化大小來確定觀測(cè)頻率，如洞周收斂位移和拱頂下沉的監(jiān)測(cè)頻率可根據(jù)位移速度及離開掌子面的距離而定，如表3所示。

表3 位移速度與監(jiān)測(cè)頻率關(guān)系

目前已完成區(qū)間結(jié)構(gòu)施工，整個(gè)施工過程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示:一般段落最不利位置地表沉降2.0 mm、拱頂沉降2.8 mm、水平收斂4.3 mm、底部隆起0.2 mm;下穿建筑物段落最不利位置建筑物沉降3.1 mm、建筑物傾斜2.1 mm、拱頂沉降2.2 mm、水平收斂5.4 mm、底部隆起0.2 mm;各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，且與施工階段的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本吻合，建(構(gòu))筑物、隧道結(jié)構(gòu)均處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

目前，重慶地鐵六號(hào)線二期工程共投入9臺(tái)復(fù)合式TBM，已實(shí)現(xiàn)累計(jì)安全掘進(jìn)27.775 km，并創(chuàng)下單臺(tái)日掘進(jìn)19環(huán)(28.5 m)、月掘進(jìn)540 m的記錄。通過以上分析，得到如下結(jié)論:

1)復(fù)合式TBM適應(yīng)重慶地區(qū)環(huán)境，并降低了震動(dòng)和噪音對(duì)周圍環(huán)境的不利影響，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離連續(xù)、快速掘進(jìn)，減少了對(duì)相鄰車站的影響，加快了工程進(jìn)度，確保了施工安全和周邊建筑物的安全，對(duì)于重慶地區(qū)地鐵建設(shè)具有重要意義。

2)針對(duì)區(qū)間隧道具體情況，通過不斷改變地下水位建立不同工況進(jìn)行計(jì)算比較，取不考慮水壓工況下最不利荷載組合進(jìn)行管片配筋是合適的;建立三維“地層—荷載”模型模擬TBM的施工工況，動(dòng)態(tài)分析盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)引起的地表沉降的方法可行。

3)采用“數(shù)值模擬+監(jiān)控量測(cè)”進(jìn)行重大風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)估的方法是可靠的。借助有限元軟件對(duì)重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行定性分析，并通過施工期間的監(jiān)控量測(cè)，動(dòng)態(tài)掌握圍巖、周邊建(構(gòu))筑物、隧道結(jié)構(gòu)的變化情況，及時(shí)分析、預(yù)測(cè)和反饋信息，確保了施工安全和周邊建(構(gòu))筑物的安全。

4)成功解決了管片內(nèi)力計(jì)算、地表沉降及重大風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)估等問題，為重慶地鐵建設(shè)積累了重要資料。建議結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)進(jìn)一步完善適宜于重慶地區(qū)的成洞技術(shù)和圍巖壓力的計(jì)算方法;同時(shí)，收集復(fù)合式TBM掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)參數(shù)，分析螺旋出土機(jī)轉(zhuǎn)速n、總推力F及掘進(jìn)速度v之間的相互關(guān)系，總結(jié)其姿態(tài)控制要領(lǐng)，為以后類似工程提供更有價(jià)值的指導(dǎo)。

[1]王玉卿.重慶地鐵復(fù)合式TBM(盾構(gòu))施工應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2011，32(6):28-30.

[2]重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.重慶市軌道交通六號(hào)線二期工程可行性研究報(bào)告[R].重慶:重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，2009.

[3]重慶市勘測(cè)院.重慶市軌道交通六號(hào)線二期工程TBM段巖土工程初步勘察報(bào)告[R].重慶:重慶市勘測(cè)院，2010.

[4]王俊.復(fù)合式TBM在重慶地鐵實(shí)踐中的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011(6):88-93.

[5]戴志仁.盾構(gòu)隧道管片設(shè)計(jì)若干問題研究與探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(6):65-70.