王 昆， 葉 蕾， 程永龍， 高文梁， 張樹祺， 鄭亮奎

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

目前，城市地面空間日益匱乏，人們對開發(fā)地下空間以填補和完善城市功能需求已成共識[1-4]。為實現(xiàn)地下空間網(wǎng)絡(luò)互通，建立已有空間之間的銜接，確保隧道運營期間的安全,基于防火、防災(zāi)和救援等的需要，常在相鄰2條隧道之間每隔一定距離設(shè)置一條聯(lián)絡(luò)消防通道[5-6]。目前國內(nèi)外隧道建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，因此，安全高效的隧道聯(lián)絡(luò)通道修建技術(shù)已成為地鐵、公路、綜合管廊、深隧排水通道等各類聯(lián)絡(luò)通道基建行業(yè)的迫切需求。然而，在盾構(gòu)法隧道基礎(chǔ)上修建聯(lián)絡(luò)通道,必然會使原隧道的受力狀態(tài)發(fā)生改變,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,使與聯(lián)絡(luò)通道相連接部位的交叉管片成為受力的薄弱點，進而對聯(lián)絡(luò)通道及原隧道造成較大的影響[7-8]。因此，在聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，如何減少施工對既有主隧道的影響，維持地層及主隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進而提高施工安全性，就成為機械法聯(lián)絡(luò)通道用掘進機研究的熱點和關(guān)鍵問題。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對隧道聯(lián)絡(luò)施工方法進行了相關(guān)研究。岳豐田等[9]對凍結(jié)帷幕土體、凍脹壓力和隧道變形等方面的監(jiān)測結(jié)果進行分析研究，得出凍土溫度、凍脹壓力和隧道變形的變化規(guī)律。劉軍等[10]運用數(shù)值模擬的方法對盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中管片的力學(xué)行為進行現(xiàn)場監(jiān)測并利用三維有限元數(shù)值計算方法進行研究，得出聯(lián)絡(luò)通道施工過程中及管片開洞后管片的受力和位移特性。張勇[11]針對軟土地質(zhì)特性及其作用機制，得出軟土地層施工隧道聯(lián)絡(luò)通道的防水設(shè)計理論。吳文濤等[12]針對雙線盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道組成的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，建立三維數(shù)值模型并進行受力影響計算分析，得出聯(lián)絡(luò)通道的施工使得盾構(gòu)隧道的變形由對稱變形轉(zhuǎn)為不對稱變形的結(jié)論。岳志華[13]運用組合模板對異型斷面聯(lián)絡(luò)通道進行二次襯砌施工，得出聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)相關(guān)難題的解決方案。上述研究針對施工過程中聯(lián)絡(luò)通道的受力形式和隧道變形進行了大量的理論研究，但在施工設(shè)備和施工方法方面卻存在一定的不足。

目前，聯(lián)絡(luò)通道的開挖常采用冷凍加固、礦山法暗挖以及注漿加固的施工方法。然而，冷凍加固和注漿加固需要大量注漿、鉆孔，這會破壞管片結(jié)構(gòu)及內(nèi)部鋼筋，對管片強度有明顯的削弱，而且會造成滲水，影響隧道的耐久性。本文提出一種機械法聯(lián)絡(luò)通道用掘進機始發(fā)和接收裝置的設(shè)計方法，包括始發(fā)鋼套筒和接收鋼套筒的適應(yīng)性分析，并以某聯(lián)絡(luò)通道工程為背景，基于該通道的復(fù)雜地質(zhì)條件和始發(fā)接收結(jié)構(gòu)參數(shù)要求，探索一套適用于該聯(lián)絡(luò)通道的始發(fā)接收密封裝置，以期為各類機械法聯(lián)絡(luò)通道的安全可靠施工提供參考。

1 機械法聯(lián)絡(luò)通道始發(fā)接收施工方法及密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 施工方法

由于聯(lián)絡(luò)通道是在成型主隧道的基礎(chǔ)上開挖，其端頭微加固甚至不加固，且始發(fā)及接收端頭環(huán)境非常復(fù)雜。掘進機始發(fā)或到達破除洞門后，洞門常規(guī)密封很難抵抗得住地下水壓力。一旦地下水擊穿洞門密封，導(dǎo)致密封失效、壓力泄露，地下水將夾雜地層中的砂土漏出，進而使地層失穩(wěn)，造成地面塌方等事故，使得掘進機不能順利始發(fā)或到達。為確保掘進機順利始發(fā)及接收，采用始發(fā)端半鋼套筒(半封閉)和接收端全鋼套筒(全封閉)裝置方案，如圖1所示。在始發(fā)及接收洞門外，采用特制鋼套筒與聯(lián)絡(luò)通道預(yù)埋洞門鋼圈連接，如圖2所示。在洞門外預(yù)留注漿孔，必要時在隧道內(nèi)進行管片壁后徑向注漿加固。

圖1 施工裝置方案圖

圖2 洞口工藝處理方案

其施工工藝如下：

1)安裝完始發(fā)鋼套筒后對刀盤與洞門及鋼套筒形成的腔體進行保壓，壓力滿足0.09～0.12 MPa的始發(fā)要求。

2)安裝完接收鋼套筒后在其內(nèi)部回填砂土，并預(yù)加壓力0.09～0.12 MPa，與土艙切口壓力相同。

3)掘進機在始發(fā)端鋼套筒中開始掘進，依次經(jīng)過沙土層、始發(fā)端纖維筋混凝土管片、地層和接收端纖維筋混凝土管片，直接掘進到鋼套筒內(nèi)，掘進機掘進過程同時完成管片拼裝和同步注漿，注漿壓力約2.5 MPa，流量約35 L/min。

4)掘進機在掘進過程中，盾尾刷即將脫離拼裝管片時，通過管片背部注漿的方式對聯(lián)絡(luò)通道管片進行加固止水，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，如圖3所示。等漿液凝固后，依次拆解鋼套筒和主機并吊出，完成到達施工。

圖3 盾尾二次注漿

鋼套筒始發(fā)和接收是在密閉鋼套筒內(nèi)進行，通過在鋼套筒密閉空間內(nèi)的填入填充物提供平衡掌子面的水土壓力，保證施工安全，使主機破除洞門前就已建立了水土平衡的環(huán)境。刀盤破除位于聯(lián)絡(luò)通道上的管片后等同于盾構(gòu)常規(guī)掘進，從而避免了掘進機破除洞門過程中因為滲漏或掌子面上部失穩(wěn)而出現(xiàn)塌方的隱患，可實現(xiàn)對洞門的不加固處理。隧道由主隧道混凝土管片+聯(lián)絡(luò)通道施工洞門附近幾環(huán)鋼混管片(方便聯(lián)絡(luò)通道掘進機錐形刀盤破除洞門)組成。

始發(fā)鋼套筒的作用在于無需對始發(fā)洞門處地層進行加固，設(shè)備主機在錐形刀盤作用下直接破除洞門繼而對聯(lián)絡(luò)通道進行開挖。同時為了保證始發(fā)洞門處地層內(nèi)水不會直接涌出，設(shè)計有密封裝置，即通過在始發(fā)鋼套筒內(nèi)設(shè)置密封刷來隔絕地層內(nèi)水。同時在密封刷腔位置設(shè)置有油脂注入口，用于注入密封油脂，增強鋼套筒密封止水的效果。又因機械法施工，聯(lián)絡(luò)通道管片與主機、始發(fā)鋼套筒存在不同的位置關(guān)系，故始發(fā)鋼套筒內(nèi)的密封刷設(shè)計為可適應(yīng)多種不同壓縮量狀態(tài)。

1.2 始發(fā)接收密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使施工在一個安全的環(huán)境中進行，始發(fā)和接收端與原隧道連接面的可靠性尤為重要。根據(jù)施工要求，聯(lián)絡(luò)通道是為滿足防災(zāi)救援和排水要求，用來連接已完成的主隧道的一種特殊通道，它與原隧道垂直或相交布置。故為了保證洞門始發(fā)鋼套筒與原隧道內(nèi)孔面無縫連接，將其設(shè)計為曲面連接形式，且連接法蘭面上設(shè)計有合理數(shù)量的螺栓孔，保證鋼套筒與原隧道面可靠連接。因掘進機在整個掘進過程中要通過始發(fā)接收鋼套筒，為方便其始發(fā)時的套裝及接收時的拆解并拉出洞外，故將始發(fā)和接收端套筒進行分塊設(shè)計，其始發(fā)與接收密封裝置三維結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。

圖4 始發(fā)鋼套筒三維模型

圖5 接收鋼套筒三維模型

2 機械法聯(lián)絡(luò)通道鋼套筒力學(xué)建模及數(shù)值仿真分析

2.1 套筒連接法蘭面螺栓直徑計算

在實際施工過程中，刀盤旋轉(zhuǎn)切削所受轉(zhuǎn)矩最終通過鋼套筒平衡，而各鋼套筒通過法蘭面螺栓連接，其受力示意圖見圖6。根據(jù)普通螺栓連接力矩平衡條件可得

F0fr1+F0fr2+…+F0frz=KsT。

(1)

式中：F0為單個螺栓受到的剪切力；f為結(jié)合面之間的摩擦因數(shù)；r為螺栓孔分布半徑；Ks為可靠性系數(shù)，一般取1.1～1.3；T為法蘭所受總轉(zhuǎn)矩。

由式(1)可得

(2)

根據(jù)第四強度理論計算可得

(3)

式中：σca為第四強度屈服強度； [σ]為材料的許用拉應(yīng)力；d1為螺栓內(nèi)螺紋直徑。

由式(2)和式(3)可得

圖6 各套筒法蘭面連接受力示意

(4)

化簡式(4)可得

(5)

運用前文所建的計算模型，選取不同材料參數(shù)進行數(shù)值仿真，研究在切削轉(zhuǎn)矩一定且保證設(shè)備穩(wěn)定的條件下螺栓數(shù)量與螺栓直徑之間的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可知： 始發(fā)接收鋼套筒連接螺栓的大小與所設(shè)計的螺栓孔數(shù)量有關(guān)； 隨著連接螺栓數(shù)量的增多，臨界螺栓直徑相應(yīng)減小。

圖7 螺栓個數(shù)與螺栓內(nèi)螺紋直徑的關(guān)系曲線

2.2 鋼套筒扭轉(zhuǎn)拉伸力學(xué)建模及分析

aa′=Rdφ

。

(6)

圖8 鋼套筒扭轉(zhuǎn)受力分析

則半徑為R處的切應(yīng)變?yōu)?/p>

(7)

式中x為鋼套筒軸向坐標長度。

同理可得半徑為ρ處的切應(yīng)變?yōu)?/p>

(8)

根據(jù)剪切胡克定律可知

τρ=Gγρ。

(9)

式中：τρ表示半徑為ρ的切應(yīng)力；G為材料的切變模量。

將式(8)帶入式(9)可得

淺表層的危巖清理，采用人工配合風(fēng)鎬、撬棍、鋼釬進行，施工作業(yè)前拴好安全繩，安全繩拴于穩(wěn)定的樹樁上或插筋上，清理時按4～6人為1作業(yè)小組，1人負責(zé)安全監(jiān)護，其余人員用風(fēng)鎬、撬棍和鋼釬進行清撬，多組平行錯距作業(yè)，表層的危巖清撬完成后，及時請地質(zhì)工程師及相關(guān)工程人員現(xiàn)場判定確認處理效果，明確是否繼續(xù)進行清撬施工，如圖2所示。

(10)

根據(jù)靜力學(xué)分析可得，半徑為ρ處的轉(zhuǎn)矩為

(11)

由式(10)和式(11)可得

(12)

由式(12)可知，最大切應(yīng)力出現(xiàn)在最大半徑R處，即

(13)

在軸向推力的作用下，鋼套筒所受正應(yīng)力為

(14)

式中：FN為推力；A為截面面積。

在危險截面上與轉(zhuǎn)矩T對應(yīng)的切應(yīng)力在邊緣各點上達到最大值，沿截面的直徑D1D2，切應(yīng)力和正應(yīng)力的分布如圖9所示。

圖9 扭轉(zhuǎn)剪切模型分析

根據(jù)二向應(yīng)力狀態(tài)分析理論可得

(15)

由第四強度理論可得

(16)

即

(17)

將式(13)和式(14)帶入式(17)化簡得

(18)

以寧波某聯(lián)絡(luò)通道項目用3 m級掘進機最大設(shè)計推力和主驅(qū)動脫困轉(zhuǎn)矩為邊界條件。地質(zhì)條件為淤泥質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土，設(shè)計壓力0.5 MPa，實際最大工作壓力0.2 MPa，則該隧道掘進機所施加給鋼套筒的最大推力為1.05×107N，最大轉(zhuǎn)矩為8.6×105N·m。根據(jù)以上扭轉(zhuǎn)拉壓數(shù)學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)進行數(shù)值仿真分析，得出最大軸向力和轉(zhuǎn)矩與鋼套筒直徑及壁厚之間的關(guān)系曲面軸(見圖10和圖11)。由數(shù)值仿真結(jié)果可知，隨著鋼套筒最大直徑和壁厚的增大，所承受的最大軸向力和轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，但并不是隨著壁厚的增大簡單地呈單調(diào)遞增的趨勢，而是在整體增大的同時出現(xiàn)了多個波峰波谷。這是因為隨著壁厚的增大，材料的屈服強度逐漸降低，進而影響了最大軸向力和轉(zhuǎn)矩的變化趨勢。

對于某特定地鐵、公路、綜合管廊出線井，深隧排水通道等的聯(lián)絡(luò)通道而言，鋼套筒的材料、直徑及壁厚是影響整個工程施工安全的重要參數(shù)。圖12和圖13分別示出最大軸向推力隨鋼套筒最大直徑和壁厚變化的關(guān)系曲線。由數(shù)值計算結(jié)果可知，鋼套筒直徑、壁厚及材料強度的增大都能提高設(shè)備的極限承載能力。在最大軸向力和轉(zhuǎn)矩一定的條件下，該理論仿真分析為合理選取鋼套筒外徑和壁厚提供了參考依據(jù)。

圖10 軸向力最大推力與鋼套筒直徑、壁厚的關(guān)系

圖11 最大轉(zhuǎn)矩與鋼套筒直徑、壁厚的關(guān)系

圖12 最大軸向推力隨鋼套筒最大直徑變化曲線(筒體厚度t=30 mm)

3 鋼套筒力學(xué)性能分析

3.1 始發(fā)鋼套筒力學(xué)性能分析

針對始發(fā)鋼套筒的初步設(shè)計方案模型，采用四面體單元進行特定尺寸大小的網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生節(jié)點72 595個，劃分單元37 402個，并對局部網(wǎng)格進行優(yōu)化，如圖14所示。按照始發(fā)鋼套筒的安裝方式和受力形式，對其施加約束條件。由于始發(fā)鋼套筒承受的載荷主要有腔體填充物的壓力、掘進機刀盤推力產(chǎn)生的壓力及結(jié)構(gòu)的自重。在始發(fā)鋼套筒連接法蘭面施加約束，將掘進機刀盤推力施加在鋼套筒橫截面上，將腔體填充物壓力施加到鋼套筒圓柱面上，其相關(guān)計算參數(shù)如表1所示。

圖13 最大軸向力隨鋼套筒壁厚變化曲線(D=3.5 m)

圖14 始發(fā)鋼套筒三維模型及網(wǎng)格劃分(單位： m)

表1 鋼套筒力學(xué)分析相關(guān)參數(shù)

根據(jù)以上邊界條件對始發(fā)鋼套筒三維模型進行力學(xué)性能分析，得到該模型的應(yīng)力和變形分布云圖，如圖15和圖16所示。由圖15可知，在表1所述始發(fā)鋼套筒邊界條件下，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力約為100MPa，最大應(yīng)力位于端部焊縫處。始發(fā)鋼套筒基體材料為Q345B，該材料的屈服強度為295MPa，分析材料強度遠大于分析結(jié)果最大強度100MPa，應(yīng)力滿足寧波某聯(lián)絡(luò)通道項目用3m級掘進機強度要求。由力學(xué)仿真分析結(jié)果可知，始發(fā)鋼套筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在相貫面上，且主要集中在左右兩側(cè)，從左右兩側(cè)邊緣處沿圓周方向逐漸減小。這是因為鋼套筒相貫處呈現(xiàn)出上下受力面積小、左右受力面積大的分布特點，即形成左右對稱、上下對稱的受力形式。

由圖16可以看到，在靜力作用下變形的最大位置處出現(xiàn)在鋼套筒縱截面處，且從左右兩側(cè)邊緣處沿圓周方向逐漸減小。這種結(jié)果主要是由鋼套筒相貫處呈現(xiàn)出上下受力面積小、左右受力面積大造成的。始發(fā)鋼套筒左右兩橫截面處最大變形約為0.4mm，剛度滿足設(shè)計要求。

綜合以上分析，始發(fā)接收鋼套筒受力分析結(jié)果滿足推進受力要求，并儲備了一定的安全余量。

圖15 始發(fā)鋼套筒應(yīng)力分布云圖(單位： MPa)

圖16 始發(fā)鋼套筒變形分布云圖(單位： mm)

3.2 接收鋼套筒力學(xué)行為分析

針對接收鋼套筒的初步設(shè)計方案模型，采用四面體單元進行特定尺寸大小的網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生節(jié)點167 553個，劃分單元87 977個，并對局部網(wǎng)格進行了優(yōu)化，如圖17所示。同樣按照接收鋼套筒的安裝方式和運動形式，對其施加約束條件。由于接收鋼套筒承受的載荷主要有腔體填充物的壓力、掘進機刀盤推力產(chǎn)生的壓力及結(jié)構(gòu)的自重。在接收鋼套筒連接法蘭面施加約束，將掘進機刀盤推力施加在鋼套筒橫截面上，將腔體填充物的壓力施加到鋼套筒圓柱面上，其相關(guān)計算參數(shù)見表1。

圖17 接收鋼套筒三維模型及網(wǎng)格劃分(單位： m)

接收密封裝置的變形云圖如圖18所示，最大變形量約為1.4 mm，滿足使用要求。應(yīng)力云圖如圖19所示，在接收鋼套筒邊界條件下，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為233.3 MPa，最大應(yīng)力位于填充口處，屬于典型的應(yīng)力集中范疇。密封裝置其余部位絕大部分應(yīng)力在78 MPa以下，對于基體材料為Q345B的接收鋼套筒而言，滿足強度和安全要求。

圖18 接收鋼套筒變形分布云圖(單位： mm)

3.3 工程應(yīng)用情況

該始發(fā)接收密封裝置已經(jīng)應(yīng)用于寧波軌道交通3號線1期地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程，并成功完成了聯(lián)絡(luò)通道的施工。圖20示出密封裝置實物照片，隧道貫穿后的現(xiàn)場環(huán)境如圖21所示。該聯(lián)絡(luò)通道用掘進機始發(fā)接收密封裝置所能承受的最大掘進速度為20 mm/min，3道油脂密封能承受0.5 MPa的水土壓力，滿足施工進度要求。該裝置在施工過程中設(shè)備狀態(tài)良好，掘進效率高，且能較好地保證隧道的施工質(zhì)量，表明該裝置結(jié)構(gòu)性能滿足復(fù)雜環(huán)境和地質(zhì)適應(yīng)性的設(shè)計要求。

圖19 接收鋼套筒應(yīng)力分布云圖(單位： MPa)

(a) (b)

(a) (b)

該地鐵聯(lián)絡(luò)通道項目工程目前已順利貫通1個區(qū)間段，全長17 m，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到平均日進度1.5 m、最快日進度2 m，且設(shè)備施工參數(shù)均達到使用要求。機械法施工聯(lián)絡(luò)通道各工序所用時間如表2所示，圖22示出冷凍法和機械法施工所需工期對比。對比分析表明，采用始發(fā)接收密封裝置進行機械法施工可以節(jié)約工期約80 d，能很大程度上節(jié)約成本，提高施工效率。

表2 機械法施工聯(lián)絡(luò)通道工期

圖22 冷凍法和機械法施工工期對比

4 結(jié)論與討論

1)利用ANSYS仿真平臺對始發(fā)接收密封裝置進行力學(xué)性能分析，得出其結(jié)構(gòu)滿足強度、剛度等施工荷載要求。

2)在始發(fā)接收密封裝置中注入適量砂土并在密封裝置內(nèi)建立一定壓力，使得掘進機在破除洞門之前形成穩(wěn)定的掌子面的施工方法對于實際施工有積極的效果。

3)機械法聯(lián)絡(luò)通道的成功應(yīng)用有效降低了地層坍塌的風(fēng)險，提高了聯(lián)絡(luò)通道施工的可靠性，也可為類似工程設(shè)計及施工提供一定參考。

4)機械法聯(lián)絡(luò)通道施工有工期短、安全可靠等優(yōu)勢，但也有一定局限性，如：主隧道拼裝聯(lián)絡(luò)通道洞門處管片精度要求高、始發(fā)接收密封裝置安裝精度及可靠性要求高、聯(lián)絡(luò)通道用掘進機掘進姿態(tài)控制要求高等。

5) 適應(yīng)不同管片直徑(或者異型斷面)主隧道、不同地質(zhì)(黏土、泥巖、砂巖、復(fù)合地層、高水壓、大埋深等)條件及大直徑、大轉(zhuǎn)矩掘進機的始發(fā)接收密封裝置有待進一步研究并推廣應(yīng)用。