頂管法T接隧道現(xiàn)場試驗(yàn)研究分析

丁劍敏， 董子博， 莫振澤， 靳永福， 丁 謇， 王乃龍

(1. 無錫地鐵集團(tuán)建設(shè)分公司, 江蘇 無錫 214000； 2. 寧波用躬科技有限公司, 浙江 寧波 315000)

0 引言

聯(lián)絡(luò)通道的施工方法包括明挖法、凍結(jié)法、機(jī)械法等。由于空間等的要求，目前聯(lián)絡(luò)通道常采用凍結(jié)法[1-2]； 機(jī)械法作為一種較為新型的工法，有效率較高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其機(jī)制目前研究較少，應(yīng)用還較少。目前機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道在國外的應(yīng)用包括： 1)德國漢堡第四易北河隧道安全通道中的應(yīng)用； 2)墨西哥Emisor Oriente隧道旁出支線的應(yīng)用。而在國內(nèi)的應(yīng)用主要包括： 1)香港屯門—赤鱲角連接路橫通道[3]開挖； 2)在南京地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用。

一種全新工法需要積累大量數(shù)據(jù)才能掌握其變化規(guī)律[4]，并反映到隧道的設(shè)計(jì)與施工中去。目前國內(nèi)外有關(guān)聯(lián)絡(luò)通道的開挖進(jìn)行了不同的靜態(tài)數(shù)值研究[5-6]；另外，現(xiàn)場試驗(yàn)部分國內(nèi)外也進(jìn)行了相關(guān)研究： 2013年，A. Strauss等[7]進(jìn)行了主隧道開挖聯(lián)絡(luò)通道的現(xiàn)場研究，得出在支撐下的主隧道應(yīng)變較??；2016年，A. Georg 等[8]在巖體中對(duì)TBM修建聯(lián)絡(luò)通道的過程進(jìn)行了相關(guān)檢測，得出機(jī)械法施作聯(lián)絡(luò)通道過程中，隨著施工的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生了變化，施工工況也有所改變。以上研究對(duì)于隧道開洞具有一定的借鑒意義，但其均主要研究凍結(jié)法的開洞過程，對(duì)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的研究較少。

本文依托無錫軌道交通3號(hào)線工程盾構(gòu)區(qū)間頂管法聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)計(jì)和施工，進(jìn)行隧道頂部沉降、管片收斂以及管片應(yīng)變等的全過程現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)，獲取主隧道襯砌結(jié)構(gòu)在施工全過程階段的位移和收斂等數(shù)據(jù)，研究這一施工過程對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的主要影響因素，以期為聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械化的設(shè)計(jì)和施工提供有力支撐。

1 現(xiàn)場試驗(yàn)研究背景

1.1 工程概況

本工程位于高浪路東站—周涇巷站頂管區(qū)間，左線全長1 197.859 m，右線全長1 198.470 m。頂管施工區(qū)域的土層為①1雜填土、③1-1粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、④1黏質(zhì)粉土、④2粉砂夾砂質(zhì)粉土、⑥1黏土、⑥2粉質(zhì)黏土。聯(lián)絡(luò)通道位于⑥1黏土中，通道頂部3 m均為⑥1黏土。聯(lián)絡(luò)通道位于周涇巷站—高浪路東站段YDK35+091.500(ZDK35+091.500)處，結(jié)構(gòu)覆土19.19 m，線間距為14 m，采用機(jī)械法施工。施工位置土層如圖1所示，施工結(jié)束后的聯(lián)絡(luò)通道如圖2所示。

圖1 施工位置土層剖面圖

圖2 聯(lián)絡(luò)通道

1.2 施工過程

聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工如圖3所示，是一種利用機(jī)械切削面形成聯(lián)絡(luò)通道的新工法。

圖3 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工示意圖(單位： mm)

圖3中斷面A-A具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。主隧道特殊環(huán)共有3環(huán)，為鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，包含1個(gè)封頂塊、2個(gè)相鄰塊、3個(gè)基本塊。

本文研究的頂管機(jī)頭與盾構(gòu)類似，掘進(jìn)過程相似，只是拼裝方式采用頂管的方式，聯(lián)絡(luò)通道分為上下2塊(標(biāo)準(zhǔn)塊和K塊)。施工具體流程如下：

1) 頂管機(jī)下井至始發(fā)初始狀態(tài)，是本次開始測量的起點(diǎn)。內(nèi)支撐體系到達(dá)指定位置，頂管機(jī)就緒，如圖5所示。此時(shí)始發(fā)施工準(zhǔn)備工作已經(jīng)就緒，始發(fā)的各臺(tái)車已就位。

圖4 主隧道結(jié)構(gòu)示意圖(單位： mm)

圖5 始發(fā)內(nèi)支撐安裝完成

2) 內(nèi)支撐體系預(yù)支撐階段。3號(hào)臺(tái)車就位，鋼套筒與鋼環(huán)梁的螺栓實(shí)施連接后，頂管機(jī)的姿態(tài)調(diào)整就位。接著內(nèi)支撐體系施加預(yù)頂力，切削管片的準(zhǔn)備階段就緒，頂管進(jìn)入始發(fā)狀態(tài)。內(nèi)支撐體系由3部分組成，包括頂部支撐、前部支撐和后部支撐及其所對(duì)應(yīng)的月牙板(前部支撐所對(duì)應(yīng)的半月板是2塊分開，其余都是一整塊)。內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)支撐體系與管片接觸的方式為點(diǎn)接觸。利用內(nèi)支撐體系月牙板上的橡膠板與管片進(jìn)行點(diǎn)接觸和力的傳遞，如圖7所示。

圖7 內(nèi)支撐體系月牙板示意圖

3) 刀尖磨穿管片階段。該階段不斷安裝管節(jié)并進(jìn)行推進(jìn)，刀尖磨穿管片，這一過程中外部水土荷載由于側(cè)漏等會(huì)進(jìn)行封堵施工，如圖8所示。

圖8 側(cè)面漏水以及封堵過程

4) 刀盤磨穿管片階段。該階段刀盤繼續(xù)磨管片，直到整個(gè)刀盤磨穿管片。

5) 頂管機(jī)掘進(jìn)階段。刀盤磨穿管片后，頂管機(jī)開始掘進(jìn)，直到完成聯(lián)絡(luò)通道的全部施工。前2環(huán)聯(lián)絡(luò)通道為鋼管片。

6) 接收端內(nèi)支撐預(yù)撐階段。5號(hào)臺(tái)車就位后，先進(jìn)行特殊3環(huán)與鋼套筒以及3環(huán)之間環(huán)縫的焊接，如圖9所示。接著內(nèi)支撐體系施加預(yù)頂力，完成切削管片的準(zhǔn)備階段，進(jìn)入接收狀態(tài)，施加撐力的方法與始發(fā)相同。

7)刀尖頂住接收端過程。即將進(jìn)入接收段，接收端臺(tái)車準(zhǔn)備就位，剛套筒開始安裝，直接與混合管片鋼部分焊接；接著內(nèi)支撐體系千斤頂施加預(yù)推力，此時(shí)與始發(fā)段類似；刀尖頂住接收端管片，接收開始。

圖9 鋼套筒焊接后現(xiàn)場圖

8) 頂管機(jī)掘進(jìn)接收階段。刀尖磨穿管片即為頂管機(jī)開始接收階段。頂管機(jī)到達(dá)預(yù)定位置，并進(jìn)行接收端的接收； 頂管機(jī)進(jìn)洞拼裝的最后4環(huán)為鋼管片環(huán)(第21～24環(huán))； 后進(jìn)行注漿，注漿完成后進(jìn)行卸力，最后進(jìn)行焊接，最終完成情況如圖10和圖11所示。圖11示出聯(lián)絡(luò)通道建成圖，可以看到其分為上下2塊。

圖10 鋼套筒焊接后現(xiàn)場圖

圖11 聯(lián)絡(luò)通道建成

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

2.1 斷面選取及測點(diǎn)布置

現(xiàn)場試驗(yàn)的相關(guān)試驗(yàn)方法已有較多成功的案例[9-15]。本次現(xiàn)場試驗(yàn)主要通過在內(nèi)支撐體系施加頂力后布置傳感器來監(jiān)測主隧道的響應(yīng)情況。傳感器分2種，具體布置位置如圖12—14所示。

圖12 傳感器布置位置側(cè)視圖

圖13 切削側(cè)傳感器布置位置圖

圖14 靠背側(cè)傳感器布置位置圖

圖12為其中一環(huán)的應(yīng)變片位置(以第1環(huán)為例)其余環(huán)的位置相同，具體布置位置如圖13和圖14所示(圖中標(biāo)號(hào)的第1個(gè)數(shù)字為環(huán)號(hào)，第2個(gè)數(shù)字為位置)。

本次試驗(yàn)所用表面應(yīng)變計(jì)(B)的量程為20 000 με，精度為0.1 με；接縫處的表面測縫計(jì)(ZJ)量程為100 mm，精度為0.01 mm；頂部沉降的監(jiān)測儀布置于每環(huán)的頂部，量程為100 mm，精度為0.01 mm。測試采用實(shí)時(shí)監(jiān)測的方法，測量周期為60 s，測量的起點(diǎn)為頂部支撐力施加之前。

2.2 傳感器埋設(shè)安裝與采集

傳感器采用預(yù)埋的方法進(jìn)行安裝，其步驟如下： 1)將傳感器組裝在預(yù)制的角鐵或鋼板上； 2)將角鐵或鋼板焊接在近外弧面的鋼筋籠上，在傳感器表面粘貼紙板等保護(hù)材料； 3)傳感器電纜線沿鋼筋固定，端部涂抹防水膠，接入固定于內(nèi)弧面的預(yù)制鐵線盒內(nèi)； 4)管片澆筑、養(yǎng)護(hù)，將管片外弧面保護(hù)紙板剝離，從內(nèi)弧面鐵線盒內(nèi)拉出電纜線。軸力計(jì)布置如圖15所示。

圖15 半切削環(huán)接收鋼筋軸力計(jì)布置圖

在試驗(yàn)環(huán)管片拼裝前對(duì)傳感器進(jìn)行初始讀數(shù)，接入結(jié)束后采用振弦式動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀，每2 min采集1次數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場測試沉降規(guī)律總結(jié)

始發(fā)端沉降曲線如圖16所示。由圖16可知： 始發(fā)端的頂部沉降由于切削過程而導(dǎo)致迅速增加，在整個(gè)掘進(jìn)過程中變化較小，在接收結(jié)束后又恢復(fù)到初始的沉降量。

接收端沉降曲線如圖17所示。由圖17可知： 沉降在整個(gè)掘進(jìn)過程中一直在1 mm左右波動(dòng)，在接收階段緩慢下降到2 mm左右。

聯(lián)絡(luò)通道中心沉降如圖18所示。由圖18可知： 沉降在掘進(jìn)到中心位置時(shí)會(huì)突然下降，在后續(xù)的掘進(jìn)過程中緩慢下降至3 mm，在接收過程中緩慢上升回2 mm。

圖16 始發(fā)端沉降曲線圖

圖17 接收端沉降曲線圖

圖18 聯(lián)絡(luò)通道中心沉降曲線圖

整條聯(lián)絡(luò)通道施工過程中的縱向沉降如圖19所示。由圖19可知： 初始工況和始發(fā)工況中沉降量幾乎沒有變化，在掘進(jìn)到聯(lián)絡(luò)通道中段的位置形成了一個(gè)對(duì)勾狀的沉降狀態(tài)，在接收后這一變化趨勢放緩。

3.2 現(xiàn)場測試收斂規(guī)律總結(jié)

由于內(nèi)支撐的存在，切削位置的收斂不方便測量。為了解整個(gè)施工過程中的收斂影響范圍，取始發(fā)端和接收端切削前第5環(huán)和后5環(huán)的收斂數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，整個(gè)切削過程中前后5環(huán)的收斂變形很小，說明切削過程中對(duì)較遠(yuǎn)的隧道收斂已沒有影響。

圖19 聯(lián)絡(luò)通道縱向沉降曲線圖

表1 現(xiàn)場測試收斂變化結(jié)果

3.3 現(xiàn)場測試表面應(yīng)變及接縫張開規(guī)律總結(jié)

試驗(yàn)切削過程中頂管機(jī)頂力測試結(jié)果如圖20所示。圖中掘進(jìn)的頂力是不連續(xù)的，是由于頂管機(jī)間斷的推進(jìn)，在停機(jī)保壓過程中頂管機(jī)頂力沒有測量。頂力變化的基本趨勢是逐漸增大，頂管切削的速度緩慢加快。

圖20 頂管機(jī)頂力測試結(jié)果

頂管推力由初始的1 000 kN經(jīng)過20 h增加到2 000 kN，第34 h主隧道混凝土管片剛被磨穿，后頂管頂力一直維持在1 500～2 000 kN，直至56 h頂管機(jī)頭磨穿整個(gè)管片。圖20中的虛線為頂管機(jī)進(jìn)尺變化，突然下降是由于安裝管片時(shí)頂管機(jī)回收千斤頂而進(jìn)尺恢復(fù)至初值。進(jìn)尺反映了頂管機(jī)的推進(jìn)速度。

由于各傳感器的變化規(guī)律類似，所以選用具有代表性的幾個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié)。將頂管機(jī)頂力與切削環(huán)的表面應(yīng)變B2-1和半切削環(huán)的ZJ3-1進(jìn)行對(duì)比，并以初始為起點(diǎn)，分別計(jì)算每5 h頂管機(jī)頂力的相對(duì)變化率與應(yīng)變量或張開量相對(duì)變化率的比值。表格采用的公式如下： 頂管機(jī)變化率=(該時(shí)刻頂管機(jī)頂力-初始時(shí)刻頂管機(jī)頂力)/初始時(shí)刻頂管機(jī)頂力。應(yīng)變變化率與張開變化率也采用上述方法。為了統(tǒng)一時(shí)刻，采取第5 h為初始時(shí)刻值。中間沒有的時(shí)刻為頂管機(jī)停機(jī)保壓的時(shí)刻，沒有相關(guān)對(duì)比。具體變化率對(duì)比如表2所示。

表2 變化率對(duì)比

圖21 頂管機(jī)頂力與B2-1變化規(guī)律對(duì)比

圖22 頂管機(jī)頂力與ZJ3-1變化規(guī)律對(duì)比

綜合對(duì)比表2、圖21、圖22可知： 在整個(gè)過程中頂管機(jī)頂力與測量物理量基本是符合線性變化的，線性相差基本在10%以內(nèi)，可以認(rèn)為頂管機(jī)頂力與接縫張開以及表面應(yīng)變是正相關(guān)的。

4 結(jié)論與討論

1)整個(gè)施工過程是相對(duì)安全的，無論是頂?shù)资諗?、表面?yīng)變和頂部沉降等，數(shù)值相對(duì)較小。整個(gè)施工過程表現(xiàn)出明顯的階段劃分。

2)初始工況和始發(fā)工況中沉降量幾乎沒有變化，在掘進(jìn)到聯(lián)絡(luò)通道中段的位置形成了一個(gè)對(duì)勾狀的沉降狀態(tài)，在接收后這一變化趨勢放緩。始發(fā)端的頂部收斂在始發(fā)后增加，在掘進(jìn)過程中慢慢恢復(fù)。

3)整個(gè)切削過程中前后5環(huán)的收斂變形很小，說明切削對(duì)較遠(yuǎn)的隧道收斂已沒有影響。且頂?shù)资諗肯⒑芸欤乔邢鳝h(huán)幾乎沒有頂?shù)资諗康脑黾印?/p>

4)整個(gè)過程中頂管機(jī)頂力與測量物理量基本是符合線性變化的，表面形變和接縫張開等與頂管機(jī)的切削力息息相關(guān)。說明這一過程中對(duì)隧道影響最大的即為頂管機(jī)頂力。

頂管法聯(lián)絡(luò)通道為聯(lián)絡(luò)通道的施工提供了一種新方法，本文相關(guān)施工過程的研究也為在類似條件下推廣該工法提供了理論支持。后期需對(duì)內(nèi)力變化等隧道響應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行分析，以得到完整的開洞響應(yīng)規(guī)律。