TBM中板過站安全狀況分析

田皓文/TIAN Hao-wen

（中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471009）

隨著我國科學技術(shù)的發(fā)展和綜合國力的提高，TBM 的施工設備和施工技術(shù)越來越成熟，TBM 在山嶺隧道的施工中已經(jīng)得到了較好的應用，但在城市硬巖中，利用TBM 施工地鐵隧道在國內(nèi)還沒有先例[1]。重慶軌道交通6 號線TBM試驗段工程為國內(nèi)首次將TBM 應用于城市地鐵隧道的掘進施工項目。在重慶軌道交通6 號線TBM 試驗段的施工中，不可避免的遇到了TBM過站的問題，特別是在大龍山車站，TBM 要從車站中板通過。

1 TBM中板過站的風險分析

由于重慶軌道交通6 號線一期工程大龍山車站是國內(nèi)首次采取TBM 中板過站的方式，沒有成熟的技術(shù)可供借鑒，而由TBM 重載產(chǎn)生的巨大負荷又會對車站中板的安全構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)，因此在制定TBM 中板過站前要對TBM 中板過站的安全風險進行詳細分析，以期在制定方案時進行合理規(guī)避。

通過分析，TBM 中板過站的風險主要有以下幾個方面：①TBM 主機和后配套的重量對車站中板的巨大壓力；②TBM 步進過程中，TBM 姿態(tài)的控制；③車站斷面較大，對TBM 步進過程中的步進方式提出挑戰(zhàn)，同時對步進過程中TBM的穩(wěn)定性（不發(fā)生左右傾覆等）構(gòu)成威脅。

2 TBM中板過站的安全控制措施

為了應對TBM 中板過站的風險和挑戰(zhàn)，在制定過站方案時采取了以下措施。

1）過站方式采取TBM 弧底步進的方法，由于車站斷面較大，撐靴無法撐到側(cè)墻上提供反力，故在TBM 步進過站時采用弧底步進的形式，在步進底板預埋弧底步進預埋件并預埋步進導向軌。步進時，將步進機架與預埋件采用插銷的方式固定（預埋件為一鋼管），為步進機架提供作用反力，主推進油缸推動刀盤沿預埋導向軌滑行，一個循環(huán)完畢，放下后支撐，推進油缸收回，帶動步進機架向前運動一個循環(huán)。由以上敘述可以發(fā)現(xiàn)，該方法不需要依靠撐靴提供反力，也不需要步進小車等附加機械配套，因此能夠最大程度減少TBM 重載對車站中板的壓力。

2）對車站中板進行加固，確保中板的安全，具體的加固措施如圖1 所示。加固時，下部直徑?609mm 鋼支撐支到中板上，同時采用雙拼工字鋼與中板緊貼，這樣鋼支撐和工字鋼結(jié)合形成一個完整的支撐體系。

圖1 車站加固措施

3 車站中板和支撐體系受力分析

為了驗算采取以上措施后，車站中板和支撐體系的安全性，需要計算車站中板的受力和變形，以及鋼支撐的軸力。

3.1 參數(shù)選擇

TBM中板步進采用弧形底面上翻梁預埋導軌方式。根據(jù)目前TBM設計，主機步進時荷載主要集中于三部分，機頭下方作用350t，縱向作用長度為2m；水平支撐靴下方作用250t，縱向作用長度2.5m；TBM后支撐作用150t，縱向作用長度1.6m，機頭與撐靴縱向間距約為10m，撐靴與后支撐縱距約為7m，詳見圖2所示。主機機頭荷載通過兩根鋼軌向下傳遞，鋼軌橫向間距2.59m，圓心角48°。TBM步進時，機頭始終在鋼軌上滑移，即350t荷載始終作用，步進架和后支撐交替作用，即250t和150t荷載交替作用。

圖2 TBM荷載作用圖示

3.2 計算工況選擇

計算時鋼支撐柱距為4m，根據(jù)TBM 步進中的受力分布情況，共包括4 種荷載工況。

工況一：機頭荷載位于支座，撐靴荷載位于跨中；

工況二：機頭荷載位于跨中，撐靴荷載位于支座；

工況三：機頭荷載位于支座，撐靴荷載位于跨中，同時有后支撐荷載作用；

工況四：機頭荷載位于跨中，撐靴荷載位于支座，同時有后支撐荷載作用。

后支撐荷載與撐靴步進時不同時作用，只存在短暫交替狀態(tài)，機頭荷載與后支撐荷載同時作用的荷載效應應不超過上述工況一、工況二的組合，因此主要檢算工況為工況一、工況二。

3.3 計算結(jié)果分析

使用SAP2000 有限元軟件對大龍山車站中板暗梁不同工況下的受力和變形進行計算，結(jié)果如圖3～圖8 所示。

圖3 中板彎矩分布圖（工況一）

圖4 中板彎矩分布圖（工況二）

從圖3和圖4 可以得出以下結(jié)果。

1）工況一：計算得到最大彎矩為298kNm，發(fā)生位置是TBM 主機荷載作用部位的中間；后支撐荷載作用部位的最大彎矩為280kNm，從彎矩的分布情況來看，發(fā)生較大彎矩的區(qū)域都是正彎矩，即中板暗梁產(chǎn)生下凹變形。

2）工況二：計算得到最大彎矩：497kNm，發(fā)生位置是TBM 主機荷載作用區(qū)域（跨中）；后支撐荷載作用部位的最大彎矩為298kNm。

圖5 中板撓曲變形圖（工況一）

圖6 中板撓曲變形圖（工況二）

從圖5和圖6 可以得出以下結(jié)果。

1)工況一：中板暗梁主要發(fā)生下凹的變形，下凹變形最大值為2.2mm，發(fā)生在TBM 主機荷載作用的位置。

2)工況二：中板暗梁的最大下凹變形為2.4mm，發(fā)生在TBM 主機荷載作用的位置。

圖7 鋼支撐軸力圖（工況一）

圖8 鋼支撐軸力圖（工況二）

從圖7和圖8 可以看出：鋼支撐最大軸力約為1192kN，和鋼支撐的承載力對比后，可以算出鋼支撐最大應力比為0.27，說明鋼支撐軸力在安全范圍內(nèi)。

綜合受力和變形的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論。

1)工況二即機頭荷載位于跨中、撐靴荷載位于支座，中板暗梁的受力和變形都較工況一情況下大，因此在TBM 施工中，當TBM 主機移動到中板支撐的跨中位置時，要密切注意監(jiān)測結(jié)構(gòu)的受力和變形。

2)從兩種工況下的受力和變形計算結(jié)果來看，絕對值都在安全范圍內(nèi)，說明過站方案中對中板的加固措施能夠起到很好的支撐作用，加固方案比較合理。

4 車站結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

在TBM 步進過程中，對車站中板撓度和鋼支撐軸力進行了實時監(jiān)測，在車站中板上每隔10m 左右布置一個橫斷面監(jiān)測中板沉降（撓度），在同一位置的鋼支撐上布置應變計監(jiān)測鋼支撐的軸力變化。選擇一個比較有代表性的監(jiān)測斷面進行分析，其監(jiān)測的結(jié)果如圖9、圖10 所示。

圖9 YDK24+238斷面鋼支撐軸力變化趨勢圖

圖10 YDK24+238斷面鋼沉降測點A1變化時程曲線圖

從圖9 中可以看出，鋼支撐均受壓，且P2點應力整體上大于P1點應力。隨著TBM 步進，鋼支撐應力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，P1、P2點變化趨勢基本一致，并與TBM 步進吻合。在TBM 步進到距離該斷面20m 時，鋼支撐應力基本不發(fā)生變化；TBM 步進到距離該斷面10m 時，鋼支撐軸力明顯增大，說明雖然此時TBM 還未步進到該里程，但該里程鋼支撐已經(jīng)承擔了TBM 傳遞到中板下翻梁的壓力；隨著TBM 步進，鋼支撐受力逐漸增大，當TBM 機頭完全在該里程時，鋼支撐受力最大，P2點最大值為139kN，P1點最大值為70kN，遠小于TBM 自身的重量，也說明下翻梁起到了很好的傳遞壓力作用，保護了中板后期安全。當TBM 支撐靴和后支撐通過時，鋼支撐受力明顯增大；通過后，應力值呈明顯減小趨勢，最后趨于穩(wěn)定。

從圖10 中可以看出，TBM 通過造成了一定量的中板沉降，A1 點最終累計沉降為1.41mm，說明TBM 很大一部分都施加給了上翻梁，鋼支撐起到良好的支護作用，最終使得中板未發(fā)生較大的變形。從圖中還可以看出，在TBM 距離監(jiān)測斷面20m 左右時，其步進對監(jiān)測斷面沉降影響較小，基本不發(fā)生變化；當TBM 步進到距離監(jiān)測斷面10m 左右時，監(jiān)測點發(fā)生明顯沉降，但沉降值也較小，在0.05mm/h 以下；當TBM步進到該斷面時，沉降速度達到最大，最大值在0.1～0.2mm/h，并持續(xù)3～4h，隨著TBM 步進，中板沉降速度逐漸減小，在TBM 主要施壓部分通過后，中板有小幅回彈，最終趨于穩(wěn)定。從整體上來看，沉降速度呈現(xiàn)先增后減，先負后正趨勢。

5 結(jié)論與討論

本研究通過對TBM 中板過站的風險進行分析，制定了合理的過站方法和合理的中板加固和支撐體系，并通過對車站中板和支撐體系的受力和變形的計算，驗證了過站方案的合理性，最后在過站方案的實施中，采取監(jiān)控量測的手段，監(jiān)控了車站中板的撓度和受力、鋼支撐的軸力，和數(shù)值計算結(jié)果相印證，實證了過站方案的合理性。通過本項目的研究，發(fā)現(xiàn)在TBM 在城市軌道交通工程的應用中，還有很多風險和難題需要探討，例如：如何合理制定TBM 過站方案；TBM 過站時的步進速度對車站結(jié)構(gòu)的影響等。

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