超大直徑盾構(gòu)出井吊裝對工作井影響研究

魏向陽

（中國鐵建股份有限公司 北京 100855）

1 引 言

隨著城市建設(shè)及地下施工技術(shù)的發(fā)展，我國城市地鐵隧道建設(shè)日益廣泛，盾構(gòu)法施工技術(shù)也日漸成熟。在盾構(gòu)隧道設(shè)計及施工中，盾構(gòu)機始發(fā)及接收是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但由于隧道施工地形的復(fù)雜性、盾構(gòu)機的大重量及其他特殊情況等不利因素，盾構(gòu)機入井與出井設(shè)計及施工往往存在較大的困難，在吊裝過程可能導(dǎo)致嚴(yán)重的基坑塌陷和人員傷亡及大量經(jīng)濟損失等事故的發(fā)生，可見盾構(gòu)機出井吊裝尤為重要［1－4］。

國內(nèi)諸多研究學(xué)者對盾構(gòu)機吊裝施工中設(shè)計和施工方法進行了大量研究。張揚等［5］根據(jù)履帶吊接地比壓的概念計算了履帶板底部三種受力情況，為履帶吊底板設(shè)計提供計算依據(jù)。石嵐等［6］計算了1 250 t和450 t吊車的站位對軟弱地基的作用，并采用不同地基處理方法進行分析，確定了較為安全經(jīng)濟的地基處理方法。李晉［7］對履帶吊在吊裝過程中對基坑土體產(chǎn)生的地基附加應(yīng)力值進行了計算分析，并提出適合現(xiàn)場吊裝的地基處理方案。李琰等［8］采用朗肯理論分析了基坑土體的受力情況，通過計算結(jié)果制定出保證吊裝安全的措施，實現(xiàn)了300 t起重機的近坑吊裝作業(yè)?？讘c梅等［9］在盾構(gòu)機吊出過程中對工作井結(jié)構(gòu)的受力與變形進行實時監(jiān)測，通過有限元軟件對吊裝施工過程進行模擬，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，數(shù)據(jù)能較好吻合。周陽宗等［10］通過對加固前后吊裝過程進行數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)吊裝位置沉降較明顯，向外漸弱，且因土質(zhì)較軟，在反力作用下使部分土體發(fā)生一定程度的隆起。宋林等［11］通過對結(jié)構(gòu)樓板約束等效、冠梁剛度折減和土體參數(shù)等的合理確定，得出一種較為準(zhǔn)確的二維模型檢算方法。

本文以濟南黃河隧道南岸接收工作井盾構(gòu)機出井吊裝為研究背景，借助MIDAS GTS/NX有限元分析軟件，對濟南穿黃隧道東線隧道貫通及盾構(gòu)荷載吊裝對黃河隧道南岸工作井的變形及受力影響展開研究，確保盾構(gòu)工作井及吊裝工作的安全，以期為類似工程施工提供參考依據(jù)。

2 工程概況與地質(zhì)條件

濟南黃河隧道全長4 760 m，盾構(gòu)隧道直徑15.2 m，為超大斷面盾構(gòu)隧道。南岸接收工作井主體結(jié)構(gòu)為地下五層矩形框架結(jié)構(gòu)，基坑結(jié)構(gòu)深32.2 m、寬47 m、長27.8 m，為 C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚1.5 m，側(cè)墻厚1.4 m，中隔墻厚1.2 m，頂板厚1.2 m，中板厚3.5～0.8 m，層凈高3.05～6.8 m。

南岸接收井地貌形態(tài)為沖積平原，地面高程23.76～24.6 m，地形平坦，地貌單一，主層較為連續(xù)，夾層較多，地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，多為黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土，見圖1。

圖1 南岸工作井地質(zhì)剖面

3 吊裝方案

本次東線盾構(gòu)機吊裝選用一臺750 t履帶吊作為主吊（用于盾構(gòu)機各主要部件從接收井內(nèi)吊出）及一臺260 t履帶吊作為輔吊。履帶吊吊裝站位見圖2。為滿足吊裝需要，在工作井東、北兩側(cè)履帶吊工作區(qū)域地面施工600 mm厚的鋼筋混凝土路基板。

4 數(shù)值分析

為了分析吊裝方案的可行性，保證盾構(gòu)工作井及吊裝工作的安全，借助Midas GTS/NX有限元軟件，對濟南黃河隧道南岸接收工作井貫通及盾構(gòu)機荷載吊裝施工過程進行三維數(shù)值計算。

4.1 吊裝施工影響預(yù)測

4.1.1 計算模型及基本假定

根據(jù)施工平面位置關(guān)系，建立三維有限元計算模型。為消除邊界條件的影響，模型范圍取3～5倍隧道洞徑，模型尺寸為：X×Y×Z＝長×寬×高＝175 m×180 m×120 m。吊車荷載等效為均布荷載施加在鋼制路基箱上。模型頂面為地表面，取為自由面，下邊界施加固定約束，左右邊界施加法向約束（見圖3～圖4）。

圖3 三維數(shù)值計算模型

圖4 三維數(shù)值計算模型透視圖

（1）土體、地連墻采用實體單元模擬，環(huán)框梁、板梁采用梁單元模擬，管片襯砌、墻、底板、腋板均采用板單元模擬。巖土體采用修正摩爾－庫倫彈塑性模型，假定其為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。（2）考慮到管片之間接頭對結(jié)構(gòu)剛度的影響，將結(jié)構(gòu)剛度折減85%。（3）初始應(yīng)力場模擬時不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力的影響。

根據(jù)盾構(gòu)機各部件重量，選取吊裝最大件主驅(qū)動（包含吊裝工裝吊耳415 t）時的工況進行分析。荷載按以下考慮：750 t履帶吊機身自重量（包含臂桿）240 t，車身配重 220 t，超起平衡重400 t；750 t吊鉤＋索具重量13 t，專用路基箱長6 m、寬3 m，重量23 t，考慮起吊物在吊裝過程中的動載力，取動載系數(shù)為1.2，荷載組合后地面吊裝荷載為128.48 kPa。

4.1.2 模型計算參數(shù)

巖土體采用的計算本構(gòu)模型為修正摩爾－庫倫模型，圍巖地層及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的物理力學(xué)參數(shù)見表1～表2。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

表2 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算參數(shù)

利用“單元生死”功能對濟南黃河隧道南岸接收工作井盾構(gòu)吊裝施工進行全過程的仿真模擬?？紤]隧道施工過程中應(yīng)力釋放，土體開挖未施作管片之前應(yīng)力釋放20%，在管片施作后釋放80%，不考慮主體結(jié)構(gòu)施工過程。具體施工工況為：初始應(yīng)力平衡→東線隧道貫通→吊裝施工。

4.1.3 有限元模擬結(jié)果與分析

由圖5、圖6可以看出，東線隧道貫通、吊車吊裝施工會對地連墻和主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但產(chǎn)生的影響較小。受墻體開洞的影響，東線隧道貫通時，地連墻最大水平位移為－1.13 mm，主體結(jié)構(gòu)最大水平位移為－0.92 mm；吊裝施工時，地連墻最大水平位移為－1.06 mm，主體結(jié)構(gòu)最大水平位移為－0.86 mm，受吊裝荷載的影響，地連墻頂部出現(xiàn)向坑外的位移，最大位移量為0.49 mm。東線隧道貫通與吊裝施工時地連墻與主體結(jié)構(gòu)X方向水平位移峰值見表3（注：各位移云圖中負(fù)值表示位移方向為垂直墻體向內(nèi)，位移正值表示位移方向為垂直墻體向外）。

圖5 東線隧道貫通時地連墻及主體結(jié)構(gòu)變形位移云圖

圖6 吊裝施工時地連墻變形位移云圖（TY）

表3 隧道貫通及吊裝施工時地連墻與主體結(jié)構(gòu)水平X向位移峰值

根據(jù)東線隧道貫通、吊裝施工內(nèi)力計算結(jié)果可以看出，環(huán)框梁的最大計算彎矩值較大，出現(xiàn)在第二道環(huán)框梁中部位置處。受履帶吊吊裝施工超載的影響，主體結(jié)構(gòu)最大計算彎矩值為3 915 kN·m，出現(xiàn)在東墻（豎向）支座處。彎矩出現(xiàn)峰值位置及內(nèi)力計算云圖見圖7～圖8。第一、三道環(huán)框梁峰值彎矩與北墻、東墻橫向彎矩峰值見表4。

圖7 東線隧道貫通時主體結(jié)構(gòu)彎矩云圖

表4 隧道貫通及吊裝施工時地連墻與主體結(jié)構(gòu)支撐與側(cè)墻彎矩峰值

圖8 吊裝施工時主體結(jié)構(gòu)彎矩云圖

4.2 吊裝施工影響預(yù)測（荷載-結(jié)構(gòu)法）

（1）計算荷載組合

結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)類型，按結(jié)構(gòu)整體和單個構(gòu)件可能出現(xiàn)的最不利組合，依相應(yīng)的規(guī)范［12］要求進行計算，并考慮施工過程中荷載變化情況分階段計算。荷載組合及組合系數(shù)：1.1×（1.35×恒載＋1.4×0.7×活載）＝1.485×恒載＋1.078×活載。其中恒載為水土壓力、結(jié)構(gòu)自重；活載為吊車荷載。

（2）荷載計算

場地地質(zhì)條件和地層參數(shù)及主要工程材料同上，各項荷載經(jīng)計算取值如下：

結(jié)構(gòu)所在土層取加權(quán)平均重度：19.3 kN/m3；

結(jié)構(gòu)所在土層取加權(quán)平均壓力系數(shù)：0.37；

地面施工荷載：71.38 kN/m2；

超載側(cè)壓力：26.41 kN/m2；

側(cè)墻頂水土壓力：25.7 kN/m2；

側(cè)墻底水土壓力：246.1 kN/m2；

側(cè)墻頂荷載組合結(jié)果：66.63 kN/m2；

側(cè)墻底荷載組合結(jié)果：393.93 kN/m2。

因施工期采取降水措施，不考慮結(jié)構(gòu)上的水壓力，模型見圖9。

圖9 數(shù)值計算模型

（3）模擬結(jié)果與分析

通過計算可知，受隧道開洞及施工超載影響，主體結(jié)構(gòu)最大計算彎矩值為2 837 kN·m，出現(xiàn)在北墻（豎向）支座處；受結(jié)構(gòu)埋深的影響，環(huán)框梁最大計算彎矩值為9 634 kN·m，出現(xiàn)在第三道環(huán)框梁端部位置處。

5 安全施工

（1）考慮現(xiàn)場施工的不確定性及計算時選用的模型、巖土體參數(shù)等與實際存在差異，現(xiàn)場施工時要引起重視，加大監(jiān)測頻率和強度，采取相應(yīng)的措施，及時進行上報和反饋監(jiān)測信息，確保施工安全。

（2）當(dāng)盾構(gòu)刀盤到達接收洞門圍護結(jié)構(gòu)時，為了確保盾構(gòu)接收端土體具有良好的自穩(wěn)性和密實性，避免在洞門破除期間接收洞口出現(xiàn)地下水及砂土涌出情況，必須提前對接收端頭土層進行加固、降水。地層加固后，需驗證加固效果，保證盾構(gòu)安全接收。

（3）盾構(gòu)隧道貫通前，需按照《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》（GB 50446—2017）的相關(guān)要求，對接收洞門位置進行復(fù)核測量，繼而確定盾構(gòu)機的貫通姿態(tài)及掘進糾偏計劃，另外還需利用井下控制點對盾構(gòu)姿態(tài)進行人工復(fù)測，以確保掘進過程中盾構(gòu)姿態(tài)正確。

（4）盾構(gòu)接收段周邊建筑物密集且距離較近，必須嚴(yán)格按照方案施工，以確保周邊建筑安全。

6 結(jié)論

本文以濟南黃河隧道南岸接收工作井盾構(gòu)機出井吊裝為工程背景，借助MIDAS GTS/NX有限元軟件，分析了東線隧道貫通及吊裝施工對黃河隧道南岸工作井的變形及受力影響，得到結(jié)論如下：

（1）東線隧道貫通、吊車吊裝施工會對地連墻和主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但產(chǎn)生的影響較小。東線隧道貫通時，地連墻最大水平位移為－1.13 mm，主體結(jié)構(gòu)最大水平位移為－0.92 mm；吊裝施工時，地連墻最大水平位移為－1.06 mm，主體結(jié)構(gòu)最大水平位移為－0.86 mm。

（2）東線隧道貫通、吊裝施工內(nèi)力計算表明，環(huán)框梁的最大計算彎矩值為16 325 kN·m，出現(xiàn)在第二道環(huán)框梁中部位置處。受履帶吊吊裝施工超載的影響，主體結(jié)構(gòu)最大計算彎矩值為3 915 kN·m，出現(xiàn)在東墻（豎向）支座處。

（3）受隧道開洞及施工超載的影響，主體結(jié)構(gòu)最大計算彎矩值為2 837 kN·m，出現(xiàn)在北墻（豎向）支座處；受結(jié)構(gòu)埋深的影響，環(huán)框梁最大計算彎矩值為9 634 kN·m，出現(xiàn)在第三道環(huán)框梁端部位置處。

（4）通過對比分析及計算結(jié)果均表明吊裝方案的可行性，能夠保證盾構(gòu)工作井及吊裝工作的安全?？紤]現(xiàn)場施工的不確定性，在滿足吊裝要求的同時，履帶吊應(yīng)盡量遠(yuǎn)離接收井以減小對主體結(jié)構(gòu)的影響，現(xiàn)場施工時要引起重視，加大監(jiān)測頻率和強度，及時上報和反饋監(jiān)測信息，確保吊裝施工安全。