地鐵盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置變形驗(yàn)算及壓力試驗(yàn)研究

魏林春，侯永茂，趙艷鵬，巴雅吉呼

（上海隧道工程股份有限公司，上海200082）

0 引言

目前，盾構(gòu)法隧道施工的大量增加，盾構(gòu)進(jìn)出洞工程作為盾構(gòu)隧道主要風(fēng)險(xiǎn)之一，隨著盾構(gòu)進(jìn)出洞施工事故也不斷增加。盾構(gòu)進(jìn)出洞事故對(duì)社會(huì)和國家造成重大的損失和不可估量的社會(huì)負(fù)面影響。如1993年5月，高雄捷運(yùn)某隧道上行盾構(gòu)進(jìn)洞施工時(shí)，發(fā)生洞圈滲漏造成地面沉陷，導(dǎo)致鄰近房屋出現(xiàn)傾斜；2008年8月，南京集慶門站—所街站盾構(gòu)區(qū)間隧道工程集慶門站盾構(gòu)進(jìn)洞時(shí)發(fā)生事故，造成4條區(qū)間隧道、2臺(tái)盾構(gòu)被淹；2008年，上海地鐵盾構(gòu)進(jìn)出洞工程中出現(xiàn)多起地面塌陷事故，對(duì)社會(huì)造成較大影響。

本文針對(duì)當(dāng)前盾構(gòu)進(jìn)出洞施工環(huán)境趨于復(fù)雜化，工程施工風(fēng)險(xiǎn)較大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型地鐵盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置，可大大降低盾構(gòu)進(jìn)洞施工發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率，避免盾構(gòu)進(jìn)洞施工中重大工程事故發(fā)生。

1 依托工程簡介

杭州地鐵2號(hào)線一期工程錢江世紀(jì)城-錢江路站區(qū)間盾構(gòu)從錢江世紀(jì)城站始發(fā)穿越江南風(fēng)井、錢塘江、江北風(fēng)井至錢江路站盾構(gòu)進(jìn)洞。江南風(fēng)井隧道縱坡為28‰，盾構(gòu)進(jìn)洞洞圈中心標(biāo)高為-16.155 m，地表標(biāo)高+5.67 m。盾構(gòu)進(jìn)洞段隧道斷面所處地層主要為：③7粘質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粘土、⑥2淤泥質(zhì)粘土。南岸含水層厚度15.6～19.7 m，南岸土層透水性中等，水量豐富，按照常規(guī)盾構(gòu)進(jìn)洞施工風(fēng)險(xiǎn)較大。該盾構(gòu)到達(dá)整體接收裝置是以下行線盾構(gòu)達(dá)到江南風(fēng)井進(jìn)洞工程為依托進(jìn)行設(shè)計(jì)的。江南風(fēng)井進(jìn)洞地基加固示意圖如圖1所示。

圖1 江南風(fēng)井進(jìn)洞段地基加固示意圖

2 盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置設(shè)計(jì)及變形驗(yàn)算

2.1 盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置設(shè)計(jì)簡介

盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置通過內(nèi)部壓力平衡洞門外水土壓力，確保盾構(gòu)進(jìn)洞工程中施工安全。盾構(gòu)進(jìn)洞整體式接收裝置按照杭州地鐵2號(hào)線錢江世紀(jì)城-錢江路站區(qū)間江南風(fēng)井盾構(gòu)進(jìn)洞工程要求0.3 MPa壓力設(shè)計(jì)，裝置共分為5個(gè)筒體和1個(gè)端板，每段筒體和端封板又分為上、下兩半，上、下兩容器間由8.8級(jí)M27高強(qiáng)螺栓連接。筒體一為過渡環(huán)，一端按照隧道縱坡28‰設(shè)置與洞門連接，另一端與后面筒體法蘭連接；筒體二、筒體三及筒體四為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，相互通過法蘭連接；最后為平面端板。盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置簡圖如圖2所示。

2.2 盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置變形驗(yàn)算

盾構(gòu)進(jìn)洞整體式接收裝置設(shè)計(jì)完成后，為了保證進(jìn)洞接收裝置能夠安全有效地應(yīng)用于工程中，在裝置加工前，根據(jù)盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置實(shí)際的使用工況，建立整體接收裝置的細(xì)部三維有限元模型，并對(duì)整體裝置及支撐的受力情況進(jìn)行了研究。

計(jì)算模型根據(jù)實(shí)際情況，考慮了裝置肋板與筒身的焊接方式，裝置與支座支撐方式及整體接收裝置的坡度等因素。同時(shí)為了模擬計(jì)算的方便，將過渡環(huán)與洞口焊接位置設(shè)為固定約束、法蘭間的連接設(shè)定為兩個(gè)法蘭為一個(gè)整體、端封板上的梁及后支撐簡化為梁單元等模型簡化措施。有限元計(jì)算模型如圖3所示。

數(shù)值計(jì)算共考慮四個(gè)工況：自重荷載；最大0.1 MPa水壓；最大0.2 MPa水壓；最大0.3 MPa水壓。圖4為0.3 MPa水壓下裝置筒身及支撐變形云圖?？梢娫?.3 MPa作用下筒體變形較小，端板最大變形約2.26 cm，后支撐最大變形為4.9 mm，裝置應(yīng)力水平均在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，裝置處于安全有效工作狀態(tài)。表1為四個(gè)工況裝置變形計(jì)算結(jié)果匯總表。

表1 不同工況下裝置變形計(jì)算結(jié)果匯總表

3 盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置現(xiàn)場(chǎng)壓力試驗(yàn)

盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置安裝完成后，為了檢驗(yàn)裝置的密封性與可靠性，對(duì)裝置進(jìn)行注水壓力密封試驗(yàn)。通過對(duì)裝置進(jìn)行注水分級(jí)加壓，從0.05 MPa開始，每級(jí)增加0.05 MPa壓力，最大水壓為0.3 MPa，共進(jìn)行了六個(gè)工況。分級(jí)加壓過程中對(duì)第三環(huán)筒身各處、端板及支撐后靠地墻布置電子位移計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)支撐布置軸力計(jì)測(cè)點(diǎn)，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，動(dòng)態(tài)了解盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置的變形情況，指導(dǎo)盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置壓力試驗(yàn)安全實(shí)施。圖5為盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)景。

圖6為不同工況下第三環(huán)左下位移計(jì)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)曲線。由圖6可見，水壓為0.05 MPa時(shí)，筒體變形約為5 mm，水壓為0.3 MPa時(shí)，筒體變形約為8 mm。圖7為不同工況下的支撐軸力監(jiān)測(cè)值變化曲線。在試驗(yàn)工況下，支撐軸力增長迅速，軸力曲線隨著注水的進(jìn)行與停止上下波動(dòng)，水壓0.3 MPa時(shí)軸力最大約為520 kN。

4 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前復(fù)雜的地鐵盾構(gòu)進(jìn)洞施工環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種新型地鐵盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置，分別通過數(shù)值計(jì)算分析和工程現(xiàn)場(chǎng)壓力試驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置進(jìn)行了驗(yàn)證研究。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。研究結(jié)果表明，地鐵盾構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置設(shè)計(jì)滿足杭州地鐵2號(hào)線錢江世紀(jì)城-錢江路站區(qū)間江南風(fēng)井盾構(gòu)進(jìn)洞工程施工要求。

圖3 裝置的三維有限模型

圖4 0.3MPa水壓下簡身及支撐變形云圖

圖5 眉構(gòu)進(jìn)洞整體接收裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)景

圖6 簡體環(huán)向左下位移變化曲線圖

圖7 支撐的軸力變化曲線圖

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]趙峻,戴海蛟.盾構(gòu)法隧道軟土地層盾構(gòu)進(jìn)出洞施工技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)書報(bào),2004,23(增2)：5147—5152.