盾構(gòu)機(jī)拆卸對(duì)地表變形的影響

齊保棟 王權(quán) 劉高崗 王二力

[摘? 要]：深圳12號(hào)線地鐵盾構(gòu)隧道與既有1號(hào)線桃園車站接駁，盾構(gòu)機(jī)刀盤等結(jié)構(gòu)只能在原位進(jìn)行破除拆解后由車站運(yùn)出，盾殼留在隧道內(nèi)充當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)。文章采用有限元軟件Midas GTS模擬了12號(hào)線左右隧道盾構(gòu)機(jī)拆除過程中對(duì)地表變形的影響。模擬結(jié)果表明：盾殼滿足支護(hù)要求，盾構(gòu)拆解后對(duì)地表變形影響小;右線隧道盾構(gòu)機(jī)拆除影響地表變形值為1.1 mm，左線隧道盾構(gòu)機(jī)拆除影響地表變形值為1.2 mm;滿足規(guī)范要求，該盾構(gòu)機(jī)拆卸方法滿足施工安全要求， 對(duì)類似工程有借鑒意義。

[關(guān)鍵詞]：盾構(gòu)機(jī)拆卸; 單側(cè)接駁; 盾殼襯砌結(jié)構(gòu); 暗挖礦山法

U455.43B

在盾構(gòu)隧道的施工過程中，隧道施工結(jié)束后盾構(gòu)機(jī)的拆解會(huì)對(duì)區(qū)間隧道和周圍土體產(chǎn)生一定的力學(xué)影響。尤其是在工程情況復(fù)雜的條件下，需要事先進(jìn)行模擬計(jì)算來驗(yàn)證整個(gè)拆除過程的影響，用以指導(dǎo)施工，從而保證拆除過程的安全進(jìn)行。本文以深圳市12號(hào)線市域地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道為工程背景，研究在新建地鐵盾構(gòu)隧道與既有車站接駁位置附近進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)拆除對(duì)地表變形的影響，得到了盾構(gòu)機(jī)拆解過程中地表的變形規(guī)律。

1 工程概況

本文以深圳市12號(hào)線桃園站至南頭古城站區(qū)間隧道為依托工程，主要包括新建12號(hào)線桃園車站、既有1號(hào)線桃園車站和12號(hào)線桃南區(qū)間隧道，三者間的相互關(guān)系詳見圖1。依據(jù)圖1位置，盾構(gòu)隧道由右至左進(jìn)行施工，在距離既有1號(hào)線桃園站2 m處停止作業(yè)，改由從既有車站內(nèi)向右進(jìn)行暗挖礦山法施工。施工完成后，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行原位拆解，盾殼留在原位置處充當(dāng)襯砌使用，盾構(gòu)機(jī)其余構(gòu)件拆除后運(yùn)出。12號(hào)線區(qū)間隧道最大縱坡為13.254‰，覆土厚度14.3～16.7 m。盾構(gòu)隧道主要穿越礫質(zhì)黏土層，局部為全風(fēng)化花崗巖。沿線場地隸屬珠江三角洲海口水系，區(qū)間施工范圍內(nèi)無地表水，隧道位于水位線以下。

2 盾構(gòu)機(jī)拆解數(shù)值模型

2.1 有限元模型

本文采用 Midas GTS 軟件分析復(fù)雜環(huán)境下區(qū)間隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)拆除解體對(duì)地層的影響。模型X方向?yàn)樯钲谑谐鞘熊壍澜煌?2號(hào)線桃園站—南頭古城站區(qū)間隧道方向，Y方向?yàn)榧扔?號(hào)線桃園站方向，模型Z方向?yàn)樨Q直方向，詳見圖2～圖4。

模型尺寸為 60 m×50 m×30 m（長×寬×總高），12號(hào)線區(qū)間隧道埋深16.76 m，左線和右線的中心間距為17.2 m。由于盾構(gòu)機(jī)在隧道內(nèi)拆卸，本模型中以礦山法A型襯砌、盾構(gòu)法管片以及兩種隧道之間的盾殼形成隧道支護(hù)。其中，礦山法A型襯砌采用現(xiàn)澆方式，隧道長2 m，隧道內(nèi)徑5.5 m，襯砌厚度0.48 m;盾構(gòu)機(jī)盾殼長6.6 m，厚度0.07 m;盾構(gòu)法管片總長24 m，管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片幅寬1.5 m，共16環(huán)。盾構(gòu)機(jī)拆卸周圍的地層采用注漿加固，加固區(qū)域的長、寬、高分別為12 m、12.2 m、12 m。模型中包括1號(hào)線既有桃園站以及12號(hào)線新建桃園站，車站邊墻和底板采用殼單元模擬，車站內(nèi)的梁、柱采用桿單元模擬。

盾構(gòu)機(jī)的拆卸圍繞刀盤、主驅(qū)動(dòng)、人艙、H架、螺旋輸送機(jī)以及管片拼裝機(jī)等6大主體部分進(jìn)行模擬，主體構(gòu)件的重量和尺寸根據(jù)施工過程中實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。為方便模擬盾構(gòu)機(jī)的拆卸，提高模型的收斂度，將盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)簡化，模型如圖2～圖5所示。盾構(gòu)自重對(duì)隧道的作用通過定義盾構(gòu)質(zhì)量，以自重作用在隧道結(jié)構(gòu)上的形式施加。

2.2 模型邊界條件與計(jì)算參數(shù)

假設(shè)模型處于彈性半無限空間中，因此模型邊界變形約束為零。模型頂面為自由面，無約束;模型底面每個(gè)方向均約束;模型4個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，結(jié)合設(shè)計(jì)資料及相關(guān)規(guī)范，選取結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)詳見表1，巖土體力學(xué)參數(shù)詳見表2。

2.3 盾構(gòu)機(jī)拆卸過程

根據(jù)施工設(shè)計(jì)，12號(hào)線區(qū)間隧道右線掘先進(jìn)完成，后左線掘進(jìn)結(jié)束。因此，模型盾構(gòu)機(jī)拆除遵循先右線再左線的順序。有限元模型主要分析步驟設(shè)置：

第1步：既有車站、新車站施工完成，位移清零。第2步：隧道施工完成。第3步：拆卸右隧道中的管片拼裝機(jī)。第4步：拆卸右隧道中的螺旋輸送機(jī)。第5步：拆卸右隧道中的H架。第6步：拆卸右隧道中的人艙。第7步：拆卸右隧道中的主驅(qū)動(dòng)。第8步：拆卸右隧道中的刀盤。第9步：拆卸左隧道中的管片拼裝機(jī)。第10步：拆卸左隧道中的螺旋輸送機(jī)。第11步：拆卸左隧道中的H架。第12步：拆卸左隧道中的人艙。第13步：拆卸左隧道中的主驅(qū)動(dòng)。第14步：拆卸左隧道中的刀盤。

3 盾構(gòu)機(jī)拆卸對(duì)地表變形的影響分析

3.1 右線隧道盾構(gòu)機(jī)拆卸對(duì)地表影響

圖 6為右隧道盾構(gòu)機(jī)拆卸過程中地表Z向的位移變化云圖。從圖中可以看出，整體上地表Z向的變形主要集中在兩隧道之間，呈拱形分布越靠近拱形中間區(qū)域位移值越大;且距離隧道始發(fā)端越近，地表Z向的變形越大，其原因是盾構(gòu)隧道施工的累計(jì)沉降;在盾構(gòu)機(jī)拆卸的過程中，地表最大豎向位移由1.028 mm變?yōu)?.097 mm。表明盾構(gòu)機(jī)拆卸對(duì)地表豎向位移雖然會(huì)產(chǎn)生一定影響，但位移值不大。

3.2 左線隧道盾構(gòu)機(jī)拆卸對(duì)地表影響

圖7為左隧道盾構(gòu)機(jī)拆卸過程中地表Z向的位移變化云圖。其位移分布規(guī)律與右隧道中盾構(gòu)機(jī)拆卸相似;在盾構(gòu)機(jī)拆卸的過程中，地表最大豎向位移從1.111 mm變?yōu)?.168 mm，相比與右線隧道盾構(gòu)機(jī)拆解而言，左線隧道盾構(gòu)機(jī)拆解對(duì)地表位移影響更大一些，但位移值小符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下區(qū)間隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)解體問題，本文通過有限元軟件建立了三維數(shù)值模型進(jìn)行了拆卸過程的模擬。研究了盾構(gòu)機(jī)拆卸對(duì)地表位移的影響，主要得到結(jié)論：

（1）右線隧道和左線隧道盾構(gòu)機(jī)拆解過程產(chǎn)生的地表位移影響規(guī)律一致，地表Z向的變形主要集中在兩隧道之間呈拱形分布;且距離隧道始發(fā)端越近，越靠近拱形中間區(qū)域地表Z向位移值越大。

（2）右線隧道盾構(gòu)機(jī)拆解后地表位移由1.028 mm增加至1.097 mm，左線隧道盾構(gòu)機(jī)拆解后地表位移由1.111 mm增加至1.168 mm。相比與右線隧道盾構(gòu)機(jī)拆解，左線隧道盾構(gòu)機(jī)拆解對(duì)地表位移影響更大。

（3）左、右兩線盾構(gòu)機(jī)拆解對(duì)地表位移的影響主要集中在兩隧道之間，且位移值較小滿足施工安全要求。證實(shí)該盾構(gòu)機(jī)拆解方法滿足施工要求，可為類似工程提供借鑒意義。

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