大直徑盾構(gòu)隧道新型擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件力學(xué)特征分析

李?lèi)?ài)民 郭 旺

(1. 天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，300392，天津；2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,200092,上海//第一作者，高級(jí)工程師)

目前，我國(guó)針對(duì)以盾構(gòu)隧道為基礎(chǔ)擴(kuò)挖形成地鐵車(chē)站的研究，主要集中在中小直徑盾構(gòu)雙線隧道間的擴(kuò)挖方案[1-2]。國(guó)外如日本、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家已有部分雙線盾構(gòu)隧道擴(kuò)挖修建車(chē)站的建設(shè)實(shí)例，但國(guó)內(nèi)暫缺少實(shí)施案例。

北京地鐵14號(hào)線工程酒仙橋區(qū)段環(huán)境條件苛刻，穿越區(qū)域道路狹長(zhǎng)，兩側(cè)建(構(gòu))筑物密集，難以布置雙線盾構(gòu)隧道，只能布置單洞雙線區(qū)間；站位受到地面交通和管線的制約，實(shí)施困難；沿線風(fēng)險(xiǎn)工程眾多，工期制約因素較多。根據(jù)環(huán)境條件，常規(guī)明挖、暗挖方案或雙線隧道間擴(kuò)挖方案難以實(shí)施或風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大。因此，探索一種以連續(xù)推進(jìn)的單洞盾構(gòu)隧道為基礎(chǔ)，采用全地下擴(kuò)挖形成車(chē)站的地鐵建造技術(shù)，不但可以解決狹窄環(huán)境下線路路由的選擇問(wèn)題，也可發(fā)揮盾構(gòu)法安全高效的優(yōu)勢(shì)，減少地鐵建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響[3]。

本文以北京地鐵14號(hào)線φ10 m盾構(gòu)遂道擴(kuò)挖車(chē)站試驗(yàn)段為工程背景，通過(guò)數(shù)值模擬分析，研究采用中洞-邊樁法擴(kuò)挖修建地鐵車(chē)站施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力、變形及力的轉(zhuǎn)換特征，可為工程設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)依據(jù)。

1 大直徑盾構(gòu)隧道新型擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)分析模型

運(yùn)用巖土有限元分析軟件MIDAS GTS NX 建立三維地層結(jié)構(gòu)分析模型，重點(diǎn)研究和分析施工過(guò)程中盾構(gòu)管片、邊樁導(dǎo)洞、中導(dǎo)洞扣拱初襯及中柱等構(gòu)件的受力行為和變化特征。

1. 1 模型基本假定

1) 模型尺寸為77 m(y方向)×10.8 m(x方向)×50 m(z方向)；除模型頂面外，其余面均施加約束；土體材料為各向同性連續(xù)材料。

2) 計(jì)算中采用修正摩爾-摩侖屈服準(zhǔn)則，假設(shè)所有混凝土和鋼結(jié)構(gòu)材料均為彈性體。

3) 土體、盾構(gòu)隧道內(nèi)縱梁-中柱結(jié)構(gòu)、二襯結(jié)構(gòu)、邊樁灌注樁及冠梁均采用實(shí)體單元模擬；盾構(gòu)管片、邊樁導(dǎo)洞及中導(dǎo)洞扣拱初襯結(jié)構(gòu)均采用板單元模擬；盾構(gòu)內(nèi)臨時(shí)支撐均采用梁?jiǎn)卧M。

4) 盾構(gòu)管片按照考慮接頭剛度折減時(shí)的勻質(zhì)圓環(huán)模型進(jìn)行建立[4-7]。綜合考慮擴(kuò)挖施工需求,盾構(gòu)襯砌采用9塊均分方式[8]進(jìn)行分塊。模擬實(shí)際施工進(jìn)尺時(shí)，按照縱向3環(huán)管片為1循環(huán)進(jìn)行拆除管片和施作二襯。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 三維有限元計(jì)算模型

1. 2 物理力學(xué)參數(shù)

土層均采用修正摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1. 3 施工步序模型

車(chē)站施工采用淺埋暗挖PBA(洞樁法)法，在已形成的大直徑盾構(gòu)隧道基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)挖。主要施工步驟如下： 自車(chē)站端部或在車(chē)站中部拓展開(kāi)挖面；

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

當(dāng)縱向開(kāi)挖面形成后再暗挖形成車(chē)站初襯扣拱；在扣拱初襯保護(hù)下拆除盾構(gòu)管片，實(shí)施二襯結(jié)構(gòu)，封閉形成永久二襯結(jié)構(gòu)體系。具體施工步驟示意見(jiàn)表2。

表2 擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)的主要施工步驟

2 擴(kuò)控結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件力學(xué)特征分析

2. 1 盾構(gòu)管片力學(xué)特征分析

盾構(gòu)隧道管片形成至拆除主要經(jīng)歷如表3中所示的10個(gè)施工步驟。因擴(kuò)挖施工在中柱形成后進(jìn)行，所以管片的應(yīng)力及內(nèi)力變化較大階段自步驟3開(kāi)始。表3匯總了步驟3～10的盾構(gòu)管片襯砌應(yīng)力云圖，表4梳理出各步驟盾構(gòu)管片襯砌出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置。

由表4可知,管片襯砌應(yīng)力集中位置十分明顯，主要集中在底部管片處。這主要是由于K管片所承受的結(jié)構(gòu)重力傳遞至縱梁-中柱結(jié)構(gòu)，再累加縱梁-中柱的重力傳至底部管片所致。從表4管片襯砌應(yīng)力數(shù)值的變化特征得出：底部管片的應(yīng)力集中呈緩慢減小趨勢(shì)，而在步驟8后又緩慢回升。

表3 各施工階段盾構(gòu)管片襯砌應(yīng)力云圖

表4 各施工階段盾構(gòu)管片襯砌應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)表

施工步管片襯砌應(yīng)力最大值/MPa318.97418.50517.36617.33716.30816.01916.241016.28注:盾構(gòu)襯砌管片最大應(yīng)力均發(fā)生在A4管片上

與此同時(shí)，扣拱初襯形成后，頂部荷載均通過(guò)K管片向下傳遞至縱梁和中柱，K管片應(yīng)作為擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)受力體系的關(guān)鍵支撐構(gòu)件，其應(yīng)力大小僅次于底部管片，應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)表5。

表5 各施工階段K管片襯砌應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)表

K管片與底部A4管片應(yīng)力變化曲線見(jiàn)圖2。由圖2可知：K管片上應(yīng)力的變化特征與底部管片相反;K管片所承擔(dān)的應(yīng)力隨施工步不斷增大，幫助底部管片“分擔(dān)”應(yīng)力，從而減少底部管片應(yīng)力集中，兩者相互關(guān)聯(lián)。

圖2 各施工階段管片襯砌應(yīng)力變化曲線

各施工步盾構(gòu)管片襯砌內(nèi)力最大值及出現(xiàn)部位匯總于表6。

表6 各施工階段管片襯砌內(nèi)力最大值統(tǒng)計(jì)表

由表6可知:在邊樁導(dǎo)洞開(kāi)挖、中導(dǎo)洞開(kāi)挖和拆除管片過(guò)程中，盾構(gòu)管片的彎矩最大值集中于K管片處，并在拆除K管片兩側(cè)襯砌小塊、二襯扣拱前明顯增大；二襯扣拱后，管片彎矩值減小，而在之后的施工步中基本保持不變，故可明顯看到K管片承受頂部彎曲的過(guò)程；同時(shí)盾構(gòu)管片在隧道成環(huán)階段軸力較大，拆除K管片兩側(cè)小塊后，軸力大幅減少;頂部荷載通過(guò)中導(dǎo)洞扣拱初襯向剩余K管片、縱梁-中柱結(jié)構(gòu)和邊樁傳遞，與預(yù)測(cè)工況吻合。

2. 2 邊樁導(dǎo)洞初襯、中導(dǎo)洞扣拱初襯及臨時(shí)仰拱受力分析

取1個(gè)施工步分析邊樁導(dǎo)洞初襯、中導(dǎo)洞扣拱初襯及臨時(shí)仰拱在擴(kuò)挖過(guò)程中的內(nèi)力變化特征。各主要施工步下各導(dǎo)洞初襯應(yīng)力云圖見(jiàn)表7，各施工步下初襯應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表8，最大應(yīng)力變化特征見(jiàn)圖3。

表7 各施工階段初支應(yīng)力圖

由表8、圖3可知:初襯應(yīng)力在二襯扣拱施作前出現(xiàn)最大值，主要集中出現(xiàn)在扣拱初襯與邊樁導(dǎo)洞交匯處；二襯扣拱施作完成后應(yīng)力明顯下降，在盾構(gòu)管片依次拆除時(shí)，應(yīng)力集中出現(xiàn)在中導(dǎo)洞扣拱初襯，即扣拱靠近K管片處，且數(shù)值較為穩(wěn)定。

表8 各施工步下初襯應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)表

圖3 各施工步下初襯應(yīng)力最大值變化圖

各施工步下初支內(nèi)力最大值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表9。

表9 各施工步下初支內(nèi)力最大值統(tǒng)計(jì)表

由表9可知，初支、臨時(shí)仰拱內(nèi)力最大值變化特征與應(yīng)力最大值變化規(guī)律相同。邊樁導(dǎo)洞初襯、中導(dǎo)洞扣拱初襯以及臨時(shí)仰拱的軸力、彎矩和剪力變化規(guī)律基本相同；三者均是在步驟5,即拆除K管片周邊小塊后存在顯著上升，而在二襯扣拱施作完成后顯著下降；初襯結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在步驟4～6，最不利受力點(diǎn)出現(xiàn)在車(chē)站二襯扣拱施作前。由此說(shuō)明,隨著初襯形成以及拆除管片的受力轉(zhuǎn)換，初襯結(jié)構(gòu)、剩余K塊、縱梁-中柱和邊樁組合整體承擔(dān)上部荷載，并在二襯扣拱施作后趨于穩(wěn)定。

2. 3 縱梁-中柱應(yīng)力分析

取1個(gè)施工步來(lái)分析盾構(gòu)隧道內(nèi)梁-中柱結(jié)構(gòu)在擴(kuò)挖過(guò)程中的應(yīng)力變化規(guī)律。各主要施工步下梁-中柱應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表10。

由表10可知，盾構(gòu)隧道內(nèi)縱梁與中柱應(yīng)力值基本呈現(xiàn)逐步上升規(guī)律，而整個(gè)縱梁-中柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值始終出現(xiàn)在中柱結(jié)構(gòu)上，最大值變化規(guī)律見(jiàn)圖4。隨著車(chē)站二襯扣拱的形成，盾構(gòu)K管片上承受荷載并通過(guò)中柱向下傳遞；中柱結(jié)構(gòu)截面尺寸相對(duì)頂梁和底梁均較小，因此應(yīng)力最大值體現(xiàn)在中柱上；隨著車(chē)站底部土體開(kāi)挖與底板二襯結(jié)構(gòu)施作，部分應(yīng)力會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，應(yīng)力最大值在步驟8后出現(xiàn)下降。

表10 各施工步下梁-中柱應(yīng)力最大值統(tǒng)計(jì)表

圖4 各施工步下梁-中柱應(yīng)力最大值變化圖

3 結(jié)論

本文對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道采用淺埋暗挖PBA法施工形成車(chē)站結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程進(jìn)行受力模擬和計(jì)算分析，研究不同施工擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件的內(nèi)力和應(yīng)力變化特征，得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)分析擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)的受力轉(zhuǎn)換可知，盾構(gòu)管片、邊樁導(dǎo)洞初襯、扣拱初襯及盾構(gòu)內(nèi)縱梁-中柱結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和應(yīng)力變化特征和結(jié)果證明,大直徑盾構(gòu)隧道采用淺埋暗挖PBA法施工形成擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)是可行性的。

2) 盾構(gòu)管片、邊樁導(dǎo)洞初襯、扣拱初襯、盾構(gòu)內(nèi)縱梁-中柱等構(gòu)件內(nèi)力與應(yīng)力值均在拆除K管片兩側(cè)楔形塊后顯著增加，并在車(chē)站二襯扣拱施作結(jié)束后顯著降低，由此說(shuō)明拆除K管片兩側(cè)楔形塊至二襯扣拱施作階段是擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵階段。

3) 盾構(gòu)K管片外側(cè)與扣拱初襯相連，內(nèi)側(cè)與縱梁-中柱相連，在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換過(guò)程中， K管片及相鄰扣拱初襯應(yīng)力集中明顯。邊樁導(dǎo)洞初襯、中導(dǎo)洞扣拱初襯等暗挖初支的內(nèi)力和應(yīng)力最大值變化特征相同，其應(yīng)力主要集中出現(xiàn)在K管片附近，這說(shuō)明K管片是擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵構(gòu)件。實(shí)施階段應(yīng)選取合理節(jié)點(diǎn)方案，保證K管片與扣拱初襯、K管片與縱梁-中柱的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4) 盾構(gòu)隧道內(nèi)縱梁-中柱體系的最大應(yīng)力主要集中在中柱結(jié)構(gòu)上，且數(shù)值隨施工步逐漸增大。中柱需在擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換前施做，并在擴(kuò)挖施工過(guò)程中作為擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)豎向承載的重要構(gòu)件。