盾構(gòu)機(jī)動(dòng)載作用下小凈距漸變重疊隧道穩(wěn)定性研究

李 棟，張鳳舞，周聲才，，周東平，郭臣業(yè)，夏彬偉

(1.重慶市能源投資集團(tuán)科技有限責(zé)任公司，重慶400060;2.重慶市能源投資集團(tuán)，重慶401121;3.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400030)

在城市地鐵工程中，由于上、下行線公用站臺(tái)的原因，一般將上、下行隧道設(shè)計(jì)成水平并行隧道。但由于受城市建(構(gòu))筑物的限制和地下空間綜合利用開(kāi)發(fā)的需要，在地鐵區(qū)間局部或全部采用上下重疊隧道的情況將越來(lái)越多［1-3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)重疊隧道的施工力學(xué)、縱向地層變化及地表沉降等方面開(kāi)展了大量研究［4-7］。隨著盾構(gòu)機(jī)在地鐵隧道施工中的廣泛使用，出現(xiàn)了“隧道先開(kāi)挖，盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)”的施工形式，由于盾構(gòu)機(jī)重量大、隧道間距小，在此過(guò)程中容易引起下洞結(jié)構(gòu)變形過(guò)大甚至破壞，影響后期使用，但目前對(duì)此類問(wèn)題研究甚少。筆者以重慶地鐵六號(hào)線花卉園—大龍山區(qū)間小凈距漸變重疊隧道工程為背景，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的手段，對(duì)在后通過(guò)的盾構(gòu)機(jī)動(dòng)荷載作用下，小凈距漸變重疊隧道的變形、結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力及彎矩的演變規(guī)律進(jìn)行了研究。

1 工程概況

重慶地鐵六號(hào)線花卉園—大龍山區(qū)間隧道采用上下重疊、交錯(cuò)布置的形式，線間距從9.8 m漸變至完全重合(圖1)，上洞最小埋深15 m，下洞最大埋深42.5 m，采用“隧道法先開(kāi)挖，盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)”施工方式。隧道上覆地層由上而下依次為：第四系全新統(tǒng)填土層(Qml4)、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)沉積巖層。圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，主要以中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖夾薄層砂巖為主，圍巖整體性較好。局部地下水主要為松散孔隙水和基巖裂隙水。

圖1 隧道斷面形式Fig.1 Cross-section of tunnel

盾構(gòu)機(jī)通過(guò)前，仰拱先回填至盾構(gòu)機(jī)通過(guò)底面，并預(yù)埋43 kg/m的弧形底面鋼軌，鋼軌間距為2.6 m，同時(shí)預(yù)埋D108×6.5鋼套管，鋼管長(zhǎng)度為0.5 m，縱向間距為3 m，橫向間距為3.5 m。預(yù)埋鋼軌部分與仰拱同時(shí)澆筑。盾構(gòu)機(jī)依靠支撐靴提供的反作用力步進(jìn)，步進(jìn)速度控制在3～5 m/h，護(hù)盾沿預(yù)埋導(dǎo)向軌滑行，將兩側(cè)靴用膠墊包裹以減輕對(duì)二襯側(cè)墻的壓力(圖2)。

圖2 盾構(gòu)機(jī)實(shí)物Fig.2 Shield machine

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

采用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算，模型長(zhǎng)120 m，寬60 m，高度60 m，隧道埋深18 m，見(jiàn)圖3。盾構(gòu)機(jī)頭長(zhǎng)8 m，重約350 t，將其線性分布在上洞上，即在上洞的襯砌上加兩個(gè)220 kN/m沿軸向分布的線性荷載。底部加水平和豎向約束，左右兩側(cè)加水平約束。上、下洞分別采用I 16和I 18工字鋼進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，拱墻和仰拱使用C25噴射混凝土。由于鋼架是0.8 m/榀，在計(jì)算過(guò)程中，將其折算成鋼板。材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh division of computation model

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1 位移計(jì)算

下洞拱頂豎向位移如圖4。經(jīng)計(jì)算，斷面1和斷面2下洞拱頂豎向位移均較小，分別為－1 mm和－0.8 mm。因此，在盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)上洞的過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)起到了良好支撐作用，有效控制了隧道變形。

圖4 下洞拱頂豎向位移曲線Fig.4 Curve of vertical displacement of vault

2.2.2 應(yīng)力計(jì)算

圖5 下洞襯砌的主應(yīng)力Fig.5 Main stress of lining structure

由圖5可知，斷面1和斷面2下洞初襯主應(yīng)力云圖變化基本一致，最大第一主應(yīng)力均出現(xiàn)在仰拱及拱頂區(qū)域，分別為2.44 MPa和1.84 MPa，最大第三主應(yīng)力均出現(xiàn)在右拱腳處，分別為－12.6 MPa和－9.48 MPa。

通過(guò)對(duì)下洞初襯的主應(yīng)力場(chǎng)的分析，在盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)上洞過(guò)程中，下洞的仰拱及拱頂局部區(qū)域的鋼筋混凝土的應(yīng)力較大，應(yīng)進(jìn)行加固。其余部分的主應(yīng)力都較小，整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.3 鋼拱架內(nèi)力計(jì)算

下洞鋼拱架的軸力、彎矩如圖6。

圖6 下洞鋼拱架附加縱向內(nèi)力Fig.6 Additional longitudinal internal force of the steel gantry

由圖6可知，斷面1和斷面2下洞鋼拱架最大軸力分別為－1 480和－1 220 kN，最大彎矩分別為12.7和9.8 kN·m?？梢?jiàn)，作用在鋼架上的內(nèi)力小于其自身承載力，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在兩洞交錯(cuò)段，盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)上洞使下洞承受的豎向壓力因向兩側(cè)圍巖轉(zhuǎn)移而減小，因此下洞彎矩較小。雖然彎矩值并不大，但彎矩呈明顯偏轉(zhuǎn)，靠下洞右墻腳處顯著增大，相應(yīng)的仰拱底處明顯減小。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)上洞過(guò)程中，斜槽回填部分局部混凝土區(qū)域產(chǎn)生了塑性區(qū)。故在回填混凝土?xí)r，應(yīng)盡量回填密實(shí)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3 監(jiān)控量測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)方案

目前對(duì)“隧道先開(kāi)挖，盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)”的設(shè)計(jì)和施工尚無(wú)相應(yīng)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有可以借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)。因此，只有加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，才能掌握盾構(gòu)機(jī)在動(dòng)荷載作用下小凈距漸變重疊隧道的動(dòng)態(tài)反應(yīng)。

快遞業(yè)作為運(yùn)輸業(yè)中最快捷、最周到的服務(wù)形式，在滿足了首都經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善首都人民生活體驗(yàn)的同時(shí)，也因發(fā)展方式粗放、基礎(chǔ)設(shè)施滯后導(dǎo)致安全事故、暴力分揀等頻發(fā)，制約了快遞服務(wù)行業(yè)健康發(fā)展。2017年11月18日晚，北京大興西紅門鎮(zhèn)新建村附近公寓發(fā)生火災(zāi)，造成19人遇難8人受傷的事故慘劇系因地下冷庫(kù)管理不善引起的。

根據(jù)地質(zhì)條件、隧道埋設(shè)條件及上下洞距離的漸變規(guī)律，沿隧道縱向共布設(shè)了12個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行附加縱向變形和附加軸力監(jiān)測(cè)分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖7。

圖7 監(jiān)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.7 Layout of monitoring measuring points

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 附加縱向變形

實(shí)測(cè)下洞附加縱向變形如圖8?？梢钥闯觯軜?gòu)機(jī)后通過(guò)上洞過(guò)程中，各點(diǎn)附加縱向變形以盾構(gòu)機(jī)支撐靴位置為中心呈前后對(duì)稱形式，整體上呈拱頂沉降及拱腰側(cè)鼓的變化趨勢(shì)。在支撐靴前方0.5 D(D為下洞直徑)到后方1 D范圍產(chǎn)生較大沉降，最大值為－1.93 mm，隨著盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)影響的逐漸消散，各點(diǎn)沉降量逐漸減小，在支撐靴前方0.5～1.5 D和后方2.5～1 D范圍產(chǎn)生少量隆起，最大值為0.21 mm;最終，在支撐靴前方1.5 D距離后基本不受影響，在支撐靴后方2.5 D距離后產(chǎn)生最大值為0.5 mm永久沉降。拱腰變形最要集中在支撐靴前方1 D和后方1.5 D范圍內(nèi)，最大值為0.69 mm。各特征點(diǎn)的附加縱向變形與上下洞的相對(duì)位置密切相關(guān)，隨著重疊隧道凈距的逐漸減小，受盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)影響顯著增大，拱頂沉降值和水平收斂值均增大。

圖8 下洞附加縱向變形曲線Fig.8 Curve of longitudinal additional deformation

3.2.2 附加縱向軸力

實(shí)測(cè)下洞附加軸力變化如圖9?？梢钥闯?，盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)上洞所引起的下洞縱向附加軸力變化規(guī)律分布較為復(fù)雜，但各影響因素作用條件下的內(nèi)力變化趨勢(shì)一致，隨著隧道凈距減小，下洞的附加軸力逐漸增大，并以支撐靴位置為中心對(duì)稱分布，最大附加軸力約為1 510 kN，主要影響范圍為后方1.5 D至前方1 D。

圖9 下洞附加縱向軸力Fig.9 Additional longitudinal axis force

3.2.3 盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)速度影響

監(jiān)測(cè)還發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)步進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)一旦停機(jī)，就意味著再次步進(jìn)時(shí)所需的支撐靴推力要比前一次啟動(dòng)時(shí)所需的推力更大，此時(shí)推進(jìn)力增加的速度也明顯高于停機(jī)前的增加速度。如果停頓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在盾構(gòu)機(jī)頭停留部位將對(duì)重疊隧道中間夾層及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生持續(xù)壓力，使其產(chǎn)生蠕變，導(dǎo)致下洞對(duì)應(yīng)點(diǎn)附加變形和附加應(yīng)力顯著增加。因此，應(yīng)提前做好盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)準(zhǔn)備工作，保證盾構(gòu)機(jī)勻速步進(jìn)。

結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可得出，盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)上洞對(duì)下洞的主要影響范圍為支撐靴前方1.5 D至后方2.5 D。經(jīng)對(duì)比可知，實(shí)測(cè)下洞縱向附加變形、附加應(yīng)力值比數(shù)值計(jì)算大，原因是數(shù)值模擬對(duì)地層圍巖取均質(zhì)各向同性體，實(shí)際工程中巖體存在軟弱結(jié)構(gòu)面，屬非均質(zhì)各向同性體。但就分布規(guī)律而言與數(shù)值計(jì)算結(jié)果大體一致。

4 隧道變形的應(yīng)對(duì)措施

提高隧道的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度不失為一種應(yīng)對(duì)上述縱向效應(yīng)的有效措施，但從前面分析來(lái)看，盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)對(duì)隧道產(chǎn)生的縱向影響具有臨時(shí)性和局域性，采用此類永久性措施是不經(jīng)濟(jì)?；诖?，筆者對(duì)一些實(shí)用的臨時(shí)措施進(jìn)行了研究，主要從減弱縱向效應(yīng)影響和增強(qiáng)自身抵抗力(剛度和強(qiáng)度)考慮。

4.1 減弱縱向效應(yīng)影響措施

從數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)分析結(jié)果可以看出，盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭通過(guò)時(shí)所引起的下洞縱向效應(yīng)最為顯著。因此，可以考慮將盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)時(shí)不必要的部件進(jìn)行臨時(shí)拆卸，等通過(guò)危險(xiǎn)段后再進(jìn)行組裝;應(yīng)盡量控制盾構(gòu)機(jī)勻速步進(jìn)，并在導(dǎo)向軌上預(yù)抹黃油，減小步進(jìn)時(shí)摩擦系數(shù)，從源頭上削減這種附加縱向效應(yīng)。同時(shí)，可根據(jù)下洞拱頂、拱腰的縱向變化規(guī)律，進(jìn)行臨時(shí)梯度壓重，以使變形光滑過(guò)度，減弱此縱向效應(yīng)［8］。

4.2 增強(qiáng)自身抵抗力措施

隨著盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)預(yù)先在下洞設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，包括縱向和橫向支撐加強(qiáng)，并通過(guò)液壓千斤頂給予一定初始預(yù)應(yīng)力，可有效抵消來(lái)自盾構(gòu)機(jī)的附加作用力，提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，但對(duì)給予的預(yù)應(yīng)力應(yīng)與上下洞位置關(guān)系相對(duì)應(yīng)，預(yù)加應(yīng)力值不宜過(guò)大，預(yù)應(yīng)力施加速度不宜過(guò)快。其次，對(duì)上洞仰拱進(jìn)行回填壓漿可以加固隧道周邊地層，并改善結(jié)構(gòu)域周邊地層的接觸狀態(tài)，保證盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)時(shí)隧道穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

通過(guò)采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的研究手段，對(duì)盾構(gòu)機(jī)動(dòng)載作用下近距離漸變重疊隧道的變形、附加內(nèi)力和彎矩的分布變化影響規(guī)律研究可得如下結(jié)論：

1)盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)隧道上洞，將引起下洞整體上呈拱頂下沉及拱腰側(cè)鼓的變化趨勢(shì)，實(shí)測(cè)最大沉降值位于支撐靴后方1～2 m處;在支撐靴前方1～1.5 D和后方1.5～2.5 D 范圍內(nèi)發(fā)生少量隆起，而后逐漸趨于穩(wěn)定。

2)不均勻沉降主要集中在支撐靴前方1.5 D到后方3 D范圍內(nèi)，在支撐靴前方1 D到后方1.5 D的范圍內(nèi)梯度最大，這也是下洞附加內(nèi)力受盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)影響最不利的區(qū)域。

3)盾構(gòu)機(jī)后通過(guò)將引起下洞在支撐靴后方產(chǎn)生較大的附加力，而前方影響較小。在支撐靴附近形成突變，迅速攀升，最大附加軸力值為1 510 kN，隨后略有下降，逐漸趨于穩(wěn)定。

4)盾構(gòu)機(jī)步進(jìn)速度不均勻或出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象，將大大增大所停留位置的附加變形和附加應(yīng)力值，因此應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，保證盾構(gòu)機(jī)勻速步進(jìn)。

5)從減弱縱向效應(yīng)影響和增強(qiáng)自身抵抗力方面提出了應(yīng)對(duì)措施，能較好地消除盾構(gòu)機(jī)通過(guò)上洞對(duì)下洞產(chǎn)生的不良影響。

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