地鐵盾構隧道管片明挖法修復施工的數(shù)值分析

崔麗艷 崔 濤 邱俊宏 陳 斌

(1．許繼電氣股份有限公司，461000,許昌；2．中國鐵路設計集團有限公司，300142,天津//第一作者,工程師)

地鐵隧道工程事故發(fā)生后，大部分均采用明挖法對破損段隧道進行修復，進而將明挖修復段隧道與完好段隧道連接為整體[1-3]。在修復過程中，明挖修復段地下連續(xù)墻要穿過既有盾構管片，工程中常采用全回轉套管鉆機進行管片切割、破碎和拔除。在需要施工地下連續(xù)墻的區(qū)域，將隧道內(nèi)部用砂漿填充密實，用全回轉套管鉆機作為切割設備，將套管壓入土體，利用沖抓斗抓除套管內(nèi)土體；挖至隧道管片位置后，利用重錘將管片進行破碎后抓出[4]；然后回填土體,并采用雙高壓旋噴對填充體進行低強度加固處理。

在管片切割作業(yè)過程中，因鉆進過程中壓入力和沖砸的影響，存在對修復段外側完好隧道造成損壞的可能。對修復段外鄰近未破損管片進行有效保護,防止切割過程中對未破損管片進行破壞,是修復方案的難點。

有限元數(shù)值方法可以反映復雜的土體應力應變關系、結構與土體的相互作用,以及模擬實際的施工過程，是研究解決工程問題中結構受力和變形的有力工具[5-7]。因此，本文利用有限元軟件ABAQUS模擬修復段管片切割對鄰近完好隧道管片的影響，以期為今后地鐵盾構隧道出現(xiàn)類似情況時制定方案提供參考。

1 工程事故概況

某地鐵盾構隧道區(qū)間(見圖1)自A站始發(fā)至B站接收，區(qū)間內(nèi)設置一處聯(lián)絡通道兼泵房。盾構區(qū)間線間距約為15 m，縱斷面采用“V”字坡，最大縱坡坡度為2‰，隧道頂部覆土深度為8～17 m。

隧道穿越地層范圍內(nèi)自上而下分別為⑥4粉質黏土、⑦粉質黏土、⑧1粉質黏土。盾構區(qū)間主要處于⑦、⑧1粉質黏土層，夾⑧2砂質粉土(透鏡體)。

在A-B區(qū)間右線掘進至第345環(huán)時，發(fā)生透水險情，進一步發(fā)展成涌水、涌砂事故，隧道發(fā)生破壞，并引起地表大面積沉降。漏水事故搶險完成后，需對右線漏水段隧道進行修復。擬采用明挖法修復破損的管片。修復之前需首先對區(qū)間管片進行探查，進而確定明挖修復段的長度。區(qū)間右線共布設了15個斷面，其中盾構機范圍布置2個斷面，已施工盾構區(qū)間布置13個斷面，如圖2所示。

a) 平面圖

b) 縱剖面圖

圖1 隧道A-B區(qū)間平剖面圖

尺寸單位：m

圖2 隧道修復段管片監(jiān)測點位布設

盾構機及臺車長度為65 m，因此確定明挖修復段長度為75 m。修復段基坑寬度為10.8 m，深度為22～24 m，采用1.2 m厚T型幅地下連續(xù)墻作為圍護結構。地下連續(xù)墻與隧道交接處采用全回轉鉆機進行切割。

2 數(shù)值模型的建立

采用有限元軟件ABAQUS[8]建立三維數(shù)值模型，如圖3 a)所示。模型計算域橫向(X軸向)長度為60 m，縱向(Y軸向)長度為120 m，深度(Z軸向)為60 m。根據(jù)文獻[9]的研究，該計算域尺寸基本滿足低空曠場地條件下盾構掘進模擬的邊界效應影響的要求。模型網(wǎng)格劃分如圖3 b)所示，土體網(wǎng)格共38 856個實體單元，網(wǎng)格類型為C3D8R。管片結構網(wǎng)格共800個殼單元，網(wǎng)格類型為S4R。

地下連續(xù)墻厚度為1.2 m，深度為52 m。既有隧道覆土厚度平均為17.2 m，左、右線隧道中心距為15 m，隧道外徑為6.2 m，管片寬度為1.5 m。隧道內(nèi)一定范圍內(nèi)填充M10水泥砂漿。鉆機直徑為2 m。根據(jù)土拱效應，按照從中間到兩側的開挖切割順序依次施工，分別為順序1、順序2(近左線側)、順序3，如圖4 a)所示。

模型中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構關系，根據(jù)地質勘察報告,采用總應力指標，共分成7層土，土層物理力學參數(shù)見表1。隧道管片(C50)及地下連續(xù)墻(C30)、水泥砂漿(M10)均采用線彈性本構關系,既有盾構機也采用線彈性本構關系。土體與結構物的接觸均采用摩擦接觸，切向摩擦系數(shù)取0.3，法向為硬接觸。模型的邊界條件如下：模型頂面為自由面，無約束；模型底面每個方向均約束；模型4個側面均只法向約束，其余方向自由無約束。

a) 有限元模型

b) 網(wǎng)格劃分

管片混凝土的強度等級為C50，厚度為350 mm。根據(jù)修正慣用法[10](將管片接頭部分彎曲剛度的降低等效為管片環(huán)整體彎曲剛度的降低，并引入管片剛度有效率η和彎矩傳遞系數(shù)ζ來考慮接頭造成的管片剛度降低與接縫拼裝的影響)，采用線彈性的S4R殼單元按整體結構計算。根據(jù)文獻[11]對軟土地區(qū)的試驗研究，取η=0.75來考慮本工程中管片錯縫拼裝的影響，管片的彈性模量和泊松比分別取25.9 GPa和0.2。

模型的工序流程如下：① 地應力平衡(包括地下連續(xù)墻和隧道的生成)；② 右線隧道內(nèi)注入水泥砂漿；③ 開挖順序1土體(根據(jù)施工方案，施加鉆機壓力400 kN和扭矩3 000 kNm，具體形式見圖5)；④ 切除順序1管片；⑤ 開挖順序2土體(根據(jù)施工方案，施加鉆機壓力400 kN和扭矩3 000 kNm)；⑥ 切除順序2管片；⑦ 開挖順序3土體(根據(jù)施工方案，施加鉆機壓力400 kN和扭矩3 000 kNm)；⑧ 切除順序3管片。

3 模擬結果分析

3.1 隧道變形

圖5為鉆機加載后管片扭曲變形的示意圖(扭矩作用方向為逆時針方向，扭矩作用時刻為開挖順序1土體后，切除順序1管片前)。圖6依次顯示了隧道在初始地應力平衡后以及全部管片切割完成后，隧道豎向位移U3、環(huán)內(nèi)水平向位移U1、環(huán)間水平向位移U2的云圖。由圖6可見，由于在切割前對隧道內(nèi)一定長度范圍內(nèi)進行了水泥砂漿的填充，對隧道管片的變形起到了一定的抑制作用，所以隧道管片施工前后沿各個方向的位移變化并不明顯，均未超過5 mm。

圖5 鉆機加載后管片變形示意圖

a) 初始狀態(tài)U3b) 切割完成后U3c) 初始狀態(tài)U1d) 切割完成后U1e) 初始狀態(tài)U2f) 切割完成后U2

圖6 受保護側隧道(完好側)施工前后變形對比

3.2 隧道彎矩

為更清楚地表明不同管片環(huán)的內(nèi)力情況，圖7～10均采用透視圖進行顯示。對于隧道彎矩，主要對比分析了初始地應力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后、最后一鉆切割完成后等4種情況。

從圖7 a)和圖7 b)可以看出，鉆機豎向荷載(400 kN)比原覆土荷載(1 400 kN)小，相當于有豎向卸載，故主要影響因素為鉆機切割扭矩。從圖7 c)和圖7 d)可以看出，由于管片切割以后，隧道襯砌結構的整體性降低，隧道平面內(nèi)最大彎矩出現(xiàn)小幅提高(增幅約17%)，但最大彎矩位置基本沒有改變。相比切割之前，切割環(huán)附近1環(huán)以內(nèi)隧道有彎矩的突變，故整個切割過程對鄰近隧道彎矩的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

3.3 隧道環(huán)內(nèi)軸力

圖8分別為初始地應力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后和最后一鉆切割完成后的管片環(huán)內(nèi)軸力分布情況。從圖8 a)和圖8 b)可以看出，第一鉆加載后,對應切割部分附近有環(huán)內(nèi)(塊與塊)軸力的突變，且最大軸力位置發(fā)生改變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。從圖8 b)和圖8 c)可以看出，由于管片被第一鉆切割以后，結構的整體性被破壞，該環(huán)的環(huán)內(nèi)軸力重分布(軸力值降低)，并轉移給鄰近的管片環(huán)，使鄰近環(huán)軸力大幅提升(增幅約118%)；直至完全切割完成，切斷了軸力轉移的路徑，鄰近環(huán)環(huán)內(nèi)軸力才有小幅降低，如圖8 d)所示。切割期間，鄰近環(huán)最大軸力位置基本未變，整個切割過程對鄰近管片環(huán)內(nèi)軸力的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

3.4 隧道環(huán)間軸力

圖9分別為初始地應力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后和最后一鉆切割完成后的隧道環(huán)間軸力分布情況。從圖9 a)和圖9 b)可以看出，第一鉆加載后，由于扭轉剪應力造成環(huán)間軸力的重分布，對應切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))軸力的突變，最大軸力位置發(fā)生改變，突變影響范圍在2環(huán)以內(nèi)。從圖9 c)和圖9 d)可以看出，由于管片被第一鉆切割以后，結構的縱向整體性被破壞，結構隨切割逐漸失去縱向約束，環(huán)間軸力重分布，開始出現(xiàn)軸向拉力,直至整環(huán)切除，受保護側較大范圍出現(xiàn)受拉環(huán)間軸力，影響范圍在2～3環(huán)。

3.5 隧道環(huán)間剪力

圖10分別為初始地應力狀態(tài)下、第一鉆加載后、第一鉆切割完成后和最后一鉆切割完成后的管片環(huán)間剪力分布情況。從圖10 a)和圖10 b)可以看出，設備壓力造成環(huán)間剪力的重分布，第一鉆加載后，對應切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。從圖10 c)和圖10 d)可以看出，由于管片被第一鉆切割以后，結構的縱向整體性被破壞，對應切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

4 結論

本文利用有限元軟件ABAQUS模擬了隧道修復段管片切割對鄰近完好隧道管片的影響。模擬分析得到如下結論：

(1) 由于在切割前對隧道內(nèi)一定長度范圍進行了水泥砂漿的填充，水泥砂漿對隧道管片的變形起到了一定的抑制作用，所以隧道管片施工前后沿各個方向的位移變化并不明顯，均為毫米級的變形，且均未超過5 mm，滿足規(guī)范要求。

(2) 鉆機豎向荷載比原覆土荷載小，故對隧道的主要影響因素為鉆機切割扭矩。管片切割后隧道襯砌結構的整體性降低，平面內(nèi)最大彎矩出現(xiàn)小幅提高(增幅約17%)，最大彎矩位置基本沒有改變，整個切割過程對鄰近隧道彎矩的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

(3) 第一鉆加載后,對應切割部分附近有環(huán)內(nèi)(塊與塊)軸力的突變，且最大軸力位置改變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)；由于管片被第一鉆切割后，結構的整體性被破壞，該環(huán)的環(huán)內(nèi)軸力重分布(降低)，并轉移給鄰近的管片環(huán)，使其軸力大幅提升(增幅約118%)；直至完全切割完成，切斷了軸力轉移的路徑，鄰近環(huán)內(nèi)軸力才有小幅降低。切割期間最大軸力位置基本沒有改變，整個切割過程對鄰近管片環(huán)內(nèi)軸力的影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。

(4) 第一鉆加載后,由于扭轉剪應力造成環(huán)間軸力的重分布，對應切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))軸力的突變，最大軸力位置發(fā)生改變，突變影響范圍在2環(huán)以內(nèi)；而在管片被第一鉆切割以后，結構的縱向整體性被破壞，結構隨切割逐漸失去縱向約束，環(huán)間軸力重分布，開始出現(xiàn)軸力拉力；直至整環(huán)切除，受保護側較大范圍出現(xiàn)受拉環(huán)間軸力，影響范圍為2～3環(huán)。

(5) 設備豎向壓力造成環(huán)間剪力的重分布，第一鉆加載后，對應切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)；在管片被第一鉆切割以后，結構的縱向整體性被破壞，對應切割部分附近有環(huán)間(環(huán)與環(huán))剪力的突變，突變影響范圍在1環(huán)以內(nèi)。