盾構隧道先隧后井施工中工作井支護結構優(yōu)化

莫海鴻，楊春山， 2，陳俊生，陳凌偉

（1. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，510641；2. 廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州，510060）

盾構隧道先隧后井施工中工作井支護結構優(yōu)化

莫海鴻1，楊春山1， 2，陳俊生1，陳凌偉1

（1. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州，510641；2. 廣州市市政工程設計研究總院，廣東 廣州，510060）

以廣州西江引水工程盾構接收井為背景，借助大型有限元（FEM）軟件，采用3因素3水平正交試驗法進行多因素系統(tǒng)分析。探討環(huán)梁層數(shù)、圍護結構嵌固深度及環(huán)梁厚度對盾構管片張開量與工程造價的影響規(guī)律，對擬用支護方案進行優(yōu)化，提出適用于盾構隧道先隧后井施工中工作井基坑的合理支護方案?；陔p面彈性地基梁理論，提出先隧后井施工中管片張開量的理論計算方法，且驗證正交試驗模型的合理性。研究結果表明：以經(jīng)驗類比法確定的支護方案比傳統(tǒng)的基坑設計方案更科學合理。

盾構隧道；工作井；支護結構優(yōu)化；正交試驗；先隧后井；管片張開量；雙面彈性地基梁

在盾構隧道施工過程中，常遇到盾構通過工作井的情況，如采用先工作井開挖后隧道施工的常規(guī)方案，需做大量的輔助措施，尤其在輸水或電力隧道中，因井間距小，上述問題更為凸顯。為此，人們嘗試采用先開挖隧道后施工工作井的工法。該工法隧道施工完，受后續(xù)基坑開挖上抬或下沉影響，易引起局部盾構管片環(huán)縫張開［1］。管片環(huán)縫張開是隧道縱向變形的主要原因，而隧道縱向變形相對較脆弱［2］，所以控制盾構隧道縱向環(huán)縫張開，進而控制隧道縱向變形是盾構隧道先隧后井施工中的技術難點。盾構管片環(huán)縫張開主要受工作井基坑支護方案的影響，故基坑支護體系的合理設計是控制隧道縱向變形關鍵所在。當前，已有不少學者針對建筑基坑與盾構隧道工作井基坑支護結構方案合理性問題開展了相關的研究［3-6］，也取得了不少成果。但在已有研究中，不論是建筑基坑，還是盾構隧道工作井基坑，多數(shù)針對常規(guī)的基坑支護體系，而對于特定情況下支護體系合理性研究卻較少，如盾構隧道先隧后井施工中工作井合理支護體系問題。事實上，近幾年先隧后井施工法得到了越來越廣泛的應用，該工法隧道、工作井及土層之間相互作用與常規(guī)先井后隧不同，所以工作井基坑對圍護結構嵌固深度、支護結構形式及支護結構的施工工法等要求均存在較大差異。盾構隧道先隧后井施工中工作井基坑合理支護體系值得探討?；诖耍疚淖髡咭詮V州西江引水盾構工程為依托，借助有限元軟件，采用3因素3水平正交試驗法進行多因素系統(tǒng)分析，計算分析永久環(huán)梁層數(shù)、連續(xù)墻嵌固深度及環(huán)梁厚度對管片張開量的影響規(guī)律，并對盾構工作井基坑支護擬用方案進行優(yōu)化，以期獲得更合理的支護體系，為類似工程先隧后井施工中工作井基坑支護設計提供參考。

1　工程概況

西江引水工程在穿越廣州市城區(qū)重要交通樞紐時，采用了對環(huán)境擾動小的盾構開挖技術。盾構工程穿越工作井采用了先隧后井的施工工法。此次研究取其中一接收井及其周圍局部范圍土層進行計算分析。該工作井平面為長×寬為28 m×14 m的長方形，井深為22 m，分6步開挖。基坑支護擬采用1.2 m厚地下連續(xù)墻加4道鋼筋混凝土內(nèi)撐，其中鋼筋混凝土墻深度約為32 m，墻底以下10 m范圍為素墻，接收井剖面如圖1所示。

根據(jù)該項目地質(zhì)勘查報告與結構設計方案，土層與結構的參數(shù)見表 1～3，其中，基坑支護結構混凝土強度等級為C30。

圖1　盾構接收井剖面圖Fig. 1　Section of shield receiving well

表1　土層物理力學參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of soil

表2　工作井支護結構參數(shù)Table 2 Supporting parameters of well

表3　管片設計參數(shù)Table 3 Design parameters of segment

2　正交試驗計算模型

2.1計算模型

項目實際施工順序依次為：第1部分工作井開挖、盾構隧道開挖、第2部分工作井開挖（10.4 m）。隧道縱向變形張開主要受盾構施工和第2階段工作井開挖卸載效應的影響?；娱_挖影響寬度約為開挖深度的3～5倍，影響深度為開挖深度的2～4倍，結合盾構施工的沉降槽寬度為 15～20 m［7］，計算模型長×寬×高為90 m×60 m×60 m。

計算采用三維實體單元模擬土層、襯砌環(huán)、螺栓、盾尾注漿及連續(xù)墻，用梁模擬內(nèi)支撐梁，用殼單元模擬板撐和盾殼。土體用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，基坑與隧道結構則采用彈性模型；總體與支護結構模型如圖2～3所示。計算區(qū)域含20環(huán)管片，相應編號為1～20號，靠近基坑連續(xù)墻為20號；考慮到1號管片與工作井間有一定距離，受基坑開挖影響較小，所以在模型邊界設定時對該環(huán)管片進行水平與豎向位移約束。

根據(jù)盾構實踐經(jīng)驗，管片等效直接頭模量為54.0 MPa，施工過程襯砌環(huán)縫承受的千斤頂壓力為1.6 MN［8-9］。將此壓力轉化為作用于環(huán)縫墊板上的壓力荷載為5.4 MPa。目前，盾構施工基本使用同步注漿技術，壓力應小于0.4～0.6 MPa［10］，且橫斷面的注漿壓力可近似認為隨深度線性變化［11-12］，故此處計算取注漿壓力作用分布形式如圖 4所示，其中 Pin1= 0.3 MPa，Pin2=0.4 MPa，中間呈線性分布。作用在隧道掘進面的支護壓力根據(jù)實際土層情況取120 kPa。

圖2　計算模型及基坑開挖步驟Fig. 2　Calculation model and excavation steps of foundation pit

圖3　支護結構模型Fig. 3　Model of supporting structures

圖4　盾尾注漿壓力分布Fig. 4　Distribution of grouting pressure acting on segments

2.2模型計算工況

模型施工階段定義思路依次為：初始應力計算、施工地下連續(xù)墻、第1階段基坑開挖支護、盾構隧道施工、第2階段基坑開挖支護、臨時支護結構的拆除。第1階段基坑施工是開挖基坑土體1和土體2（見圖2）及施加相應的支護結構。通過穩(wěn)定流計算得到孔壓，以外荷載形式作用于模型以考慮應力-滲漏耦合作用。盾構隧道開挖步長為1.5 m，共開挖23次到達工作井內(nèi)目標位置，第n（4＜n≤23）步隧道開挖具體施工模擬包括：盾構支護下第n步隧道開挖，施加第n個開挖面支護壓力，鈍化第n-4個盾殼，激活第n-3個管片，施加n-4個注漿壓力以及施加第n-3個千斤頂壓力。隧道施工完成后進行第2階段基坑開挖支護，包括基坑土體3～6開挖及施加相應的支護結構。最后對臨時支護結構進行拆除。

在基坑擬用支護方案中，支護結構與環(huán)梁均為臨時結構，結構拆除時易引起鄰近圍護墻局部盾構管片的張開。同時，先隧后井施工對連續(xù)墻嵌固深度要求較常規(guī)設計方案低，只需考慮第2階段基坑開挖深度影響，而擬用方案設計時圍護墻嵌固深度按實際工作井坑深（22 m）確定。為此，結合先隧后井施工法特點，探索工作井基坑施工應設置的合理支護體系。

工作井支護體系需考慮后續(xù)風機等放置對工作井基坑支護尺寸的要求，故不能設置永久內(nèi)支撐梁以免擋住風機施，僅考慮設置永久環(huán)梁。工作井基坑支護結構主要影響因素包括永久環(huán)梁層數(shù)、連續(xù)墻嵌入深度及環(huán)梁厚度3個因素。采用3因素3水平（3個因素，每個因素有3個水平）正交試驗設計方法，進行合理永久支護體系探索。根據(jù)概率統(tǒng)計知識可知：3因素 3水平含有33=27種組合試驗，用正交試驗設計僅需要進行9次，主要影響因素及其水平見表4。

表4　主要影響因素及其水平Table 4 Main influencing factors and their levels

3　正交試驗計算結果分析

3.1不同方案計算結果與分析

模型20環(huán)管片范圍內(nèi)含19個環(huán)縫接頭，編號依次為1～19；由環(huán)間接頭的水平向變形，計算管片環(huán)縫張開量。定義張開量在相對張開時為正，相對壓縮時為負。

圖5 管片位移云圖Fig. 5　Displacement of segment

圖5所示為擬用支護體系對應的先隧后井施工位移圖，云圖為變形后，虛線為變形前。根據(jù)管片相對位移，計算得到圖6所示的不同方案管片張開量分布規(guī)律。由圖5和圖6可見：不同方案張開量由19號至1號接頭呈減小的趨勢，最大值均出現(xiàn)在19號接頭處，最大值如表5所示?？紤]永久環(huán)梁與否，最大張開量最大相差14%。按照擬用常規(guī)設計方案，16號接頭螺栓變形為 1.27 mm，已超過螺栓彈性極限變形1.11 mm［13］，管片接頭螺栓開始產(chǎn)生塑性變形；而考慮永久支護結構方案1～3在18號接頭處開始進入塑性變形階段，方案4～9在17號接頭處開始進入塑性變形階段。因此，工作井基坑開挖完成后留永久環(huán)梁與否對隧道縱向是否變形有顯著影響。

圖6　不同方案下管片張開量Fig. 6　Segment opening under different schemes

表5所示為管片環(huán)縫張開量正交試驗結果，擬用方案管片最大張開量為2.57 mm，進入塑性變形的接頭號為16。其中，ki（i=1～3）為各因素水平i下的指標平均值，極差代表相同因素不同水平的指標平均值中最大值與最小值之差，其反映了因素對指標影響的程度。由表5可知：各因素對管片張開量的貢獻次序從大到小依次為連續(xù)墻嵌固深度、永久環(huán)梁層數(shù)、環(huán)梁厚度，其中環(huán)梁厚度對張開量幾乎沒有影響。在傳統(tǒng)概念中，連續(xù)墻嵌入深度越大、永久環(huán)梁層數(shù)越多及環(huán)梁厚度越大，盾構管片環(huán)向張開量越小。但本文研究成果表明：隨著圍護墻嵌入深度減小、環(huán)梁層數(shù)減少及環(huán)梁厚度的減小，管片張開量減小。這是因為采用一般的先井后隧施工法時，盾構施工完出洞時結構主要承受洞內(nèi)外的水土壓力差作用，主要作用方向為水平向，且基坑全深連續(xù)開挖，因此，管片張開量隨著圍護墻嵌入深度增大及支護體系剛度的增大而減小。當采用先隧后井施工時，結構主要承受后一階段（坑深為10.4 m）基坑施工引起的整體上抬或者下沉影響，受到的主要作用是豎向的，對嵌固深度要求相對更低，土層與結構的相互作用也不同于先井后隧施工法；此外，本文實例中只有第4道環(huán)梁直接作用于隧道（見圖3），管片張開量主要受第4道環(huán)梁作用，因此，環(huán)梁層數(shù)對管片張開量影響也較小。事實上，基坑支護本身是一個復雜的系統(tǒng)，各支護結構之間及支護結構與土層之間相互影響，相互約束；針對特定的基坑及施工工法，支護有相對合理的形式，不宜用僅增大支撐數(shù)量或者尺寸來控制隧道結構變形。

表5　管片張開量最大值與平均值正交試驗結果Table 5 Orthogonal experimental results of maximal and average of segment opening

表6所示為材料成本正交試驗設計結果。由表6可知：各因素對材料成本的貢獻從大到小依次為連續(xù)墻嵌固深度、環(huán)梁厚度、環(huán)梁層數(shù)。連續(xù)墻嵌固深度對材料成本影響最顯著，而基坑施工完未拆除的永久環(huán)梁層數(shù)不影響支護方案環(huán)梁工程量，故不影響總工程造價。因此，在滿足支護結構整體剛度的前提下，宜盡量減小連續(xù)墻尺寸，控制工程成本。

表6　材料成本正交試驗結果Table 6 Orthogonal experimental results of material cost

結合上述分析結果，當連續(xù)墻嵌固深度為 26 m （1.2倍坑深），永久支撐設置環(huán)梁層數(shù)為1，環(huán)梁厚度為0.8 m時，管片張開量與工程造價均比其他方案的造價小，故此為該項目基坑合理支護體系。

3.2正交試驗模型合理性驗證

以等效連續(xù)化理論與雙面彈性地基梁理論為基礎求解管片環(huán)縫張開量，與數(shù)值計算結果對比分析，以證明正交試驗計算模型的合理性。取襯砌環(huán)結合面為中心環(huán)寬長變形來考慮，當這個管片環(huán)單元受到彎矩M時，在環(huán)縫相鄰管片的兩平面間有相對轉角θ，θ/ls相當于梁彎曲的曲率。根據(jù)變形協(xié)調(diào)及力的平衡條件可得中性軸位置的φ滿足下列方程［12-13］：

根據(jù)力學知識可推求接縫張開量［12， 14］為

式中：kj1為接頭彈性剛度；Ec為管段彈性模量，kPa；Ac為管段橫截面積；ls為環(huán)寬，m；Ic為管段截面慣性矩，m4；r為隧道管片中心半徑，m；φ與x分別為管片受彎中性軸的位置和角度，其中x=rsinφ。

利用縱向曲率與彎矩間的物理關系式K=M/EI與EI=ηmEcIc，代入式（2）得到管片張開量計算公式為

其中：ηm為剛度折減系數(shù)［15］，可通過下式求解：

式中：n為縱向螺栓總數(shù)；km為縱向接頭處等效抗彎彈簧剛度。

以彈性地基梁理論［16］為基礎，提出用雙面彈性地基梁模型求解隧道縱向曲率。與常規(guī)的先井后隧施工法相比，先隧后井施工法隧道施工完會受到后續(xù)基坑開挖影響，引起縱向上抬，相當于位移Δ或者集中力F作用于隧道靠近基坑一側端部，如圖7所示。

圖7　先隧后井施工基坑開挖對隧道影響計算模型Fig. 7　Calculation model between foundation and shield tunnel when tunnels followed by well excavation

采用雙面彈性地基梁理論，推導圖7中隧道縱向變形曲線。

當后續(xù)基坑開挖影響為位移時，

假定后續(xù)基坑開挖影響為集中荷載時，

式中：α為特征系數(shù)；k1和k2分別為隧道上覆與下臥土層地基反力系數(shù)，k1=k2=20 MPa/m。

由縱向變形曲線，可得到隧道的縱向曲率公式為

由式（7）可得特征系數(shù) α=0.2；由施工階段實測數(shù)據(jù)可知：后續(xù)基坑開挖階段圍護墻最大豎向位移值約為28 mm，故取豎向位移Δ為28 mm。由前分析可知：管片最大張開量出現(xiàn)在x=1.5 m處，即19號接頭處；由式（5）和式（8）計算得該接頭處曲率K=1/1 984。由表3中的參數(shù)及管片環(huán)數(shù)代入式（4）計算得ηm=0.01。根據(jù)表 3及公式 kj1=nEjA/l，計算單個螺栓的彈性剛度kj1=192.284 7 MN/m，代入式（1）得中性軸位置的角度φ=1.18。將以上計算參數(shù)代入式（3）可算出管片張開量為2.3 mm，與數(shù)值計算的值2.57 mm吻合，說明本文正交試驗所采用的模型具備合理性。

4　結論

1） 當盾構隧道工作井采用先隧后井施工法時，工作井基坑支護結構設計采用常規(guī)方案時，隧道張開主要影響范圍在后4個接頭處；而當用正交試驗法得到當基坑支護方案時，主要影響范圍在后2個接頭處，且最大張開量減小了14%。工作井基坑設置永久環(huán)梁與否對隧道變形產(chǎn)生了顯著影響。

2） 在先隧后井施工工作井支護體系主要影響因素中，對管片張開量的貢獻次序從大到小依次為連續(xù)墻嵌固深度、環(huán)梁層數(shù)、環(huán)梁厚度；對工程造價的貢獻次序從大到小依次為連續(xù)墻嵌固深度、環(huán)梁厚度、環(huán)梁層數(shù)。

3） 基坑支護本身是一個復雜的系統(tǒng)，各支護結構之間、支護結構與土層之間相互影響，相互約束。針對特定基坑與施工工法，支護有相對合理的體系，不宜單純增大支撐數(shù)量或尺寸來控制隧道結構的變形。

4） 較通過經(jīng)驗類比確定的支護方案，本文給出的最優(yōu)支護方案更科學合理。與理論計算結果對比分析表明，本文采用的正交試驗計算模型具備有效性。

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（編輯 劉錦偉）

Supporting optimization of working well in shield construction with tunnel followed by well excavation

MO Haihong1， YANG Chunshan1， 2， CHEN Junsheng1， CHEN Lingwei1

（1. School of Civil Engineering and Transportation， South China University of Technology， Guangzhou 510641， China；2. Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute， Guangzhou 510060， China）

Three-factor at three-level orthogonal array experimental method was used to conduct multifactor system analysis with finite element method （FEM） program based on the Xijiang River Water Diversion Project in Guangzhou. The influential laws of segment opening and material cost caused by the number of ring beam， the embedded depth of diaphragm wall and the thickness of ring beam were explored as well as the reasonable supporting system was proposed for shield construction when tunnels followed by well excavation. A theoretical calculation method for segment opening was raised based on double-sided elastic foundation beam， which proved the rationality of the orthogonal model. The results show that the reasonable supporting system is more scientific and reasonable than that determined by traditional experience analogy method.

shield tunnel； working well； supporting optimization； orthogonal experiment； tunnel followed by well excavation； segment opening； double-sided elastic foundation beam

U45

A

1672-7207（2016）04-1346-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.034

2015-02-23；

2015-04-28

國家自然科學基金資助項目（51108190）；華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室自主研究課題資助項目（2012ZC27）（Project （51108190） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （2012ZC27） of the State Key Laboratory of Subtropical Building Science of South China University of Technology）

莫海鴻，博士，教授，博士生導師，從事巖土工程方面的研究；E-mail：soildoctor@163.com