盾構隧道區(qū)間風井內管片局部拆除方案及管片穩(wěn)定性研究

張麗平

摘要：文章主要盾構隧道區(qū)間中間風井內管片局部拆除方案及拆除后隧道的問題性進行研究，通過SAP84軟件對隧道結構進行受力計算，初步得出受力結果，并根據受力結果調整配筋及提出其他相應措施，確保隧道結構安全可靠。

關鍵詞：隧道、管片、拆除、穩(wěn)定

1 概述

某地鐵盾構隧道區(qū)間因設計需要，須設置一個車站脫離風井，而此風井在正線區(qū)間內，須在已盾構好的隧道內進行管片局部拆除。

對風井內上部管片進行局部切割拆除，形成可供通風的風口，然后將管片四周和風井內側墻和中隔墻通過梁板進行密閉連接，保證下部土體和地下水無法涌入板上部空間和隧道內部，以起到減小風井內土體開挖、管片拆除和施工后澆環(huán)梁的風險。

該方案需保證管片和增加梁板連接的可靠性，同時需防止盾構隧道沉降、上浮和左右移動的變形造成管片結構的失穩(wěn)破壞，保證管片的整體性。根據以上要求，初步設計方案如下：

（1）挖除風井內土體前進行盾構隧道內部支撐;

（2）挖除上部土體，切割管片;

（3）進行增加梁板的施工;

（4）風井內部和管片內部增設注漿孔注漿。

2 方案詳述

2.1 管片拆除前施工準備

管片拆除前施工單位需采取針對性措施，保證風井內部水位穩(wěn)定在開挖面以下。如通過管片內部注漿孔和增設注漿孔對滲水空隙進行封堵，增加風道內部抽排水等。同時對風井內部管片采取臨時支撐措施。具體如下圖所示：

2.2 管片拆除后增加板梁方案

內部支撐和內襯施工好以后進行風井內土體挖除和管片切割，同時對洞門進行不間斷封堵和風井內抽水，該項工作應合理安排工序，細化施工方案，盡量壓縮工期，減少施工風險。

選取中間三環(huán)整環(huán)管片進行局部切割拆除，然后進行增加板梁和外凸環(huán)梁施工。增加板梁與風井側墻和中間隔墻的連接需可靠，鑿毛風井內側墻，在側墻植筋與增加水平板連接，鑿透中隔墻，使增加水平板與兩隧道中間腔體內增加的水平板形成一個整體;增加水平板與既有管片可靠連接，在混凝土管片內植筋。風井端墻處弧形混凝土管片采用外凸環(huán)梁的形式與風井端墻連接，將外凸的所有管片全部包住，在端墻和混凝土管片內植筋，外凸環(huán)梁的環(huán)向鋼筋錨入增加的水平板，外凸環(huán)梁與水平板一次性澆筑。如圖2所示。

3 管片與板連接結點處受力分析

3.1 計算模型

選取風井內管片開孔后在運營期的工況為計算斷面。

根據隧道所在地層主要計算參數取值如下：

（1）地下水位深度（m）：歷年最高潛水位標高2.63m（水土分算）。

（2）土層重度γ（kN/m3）：19

管片計算比較成熟的計算方法為η-ζ法（即慣用法）：首先將單環(huán)以勻質圓環(huán)計算，但考慮環(huán)向接頭存在，圓環(huán)整體的彎曲剛度降低，取圓環(huán)抗彎剛度為ηEI（η為<1的彎曲剛度有效率，本次計算η取0.8計算），算出圓環(huán)水平直徑處變位y后，計入兩側抗力PP=k·y。然后考慮錯縫拼裝后整體補強效果，進行彎矩的重分配。由于本計算需考慮對管片開孔，無法使用慣用法進行計算分析。

本計算采用SAP84軟件對管片進行有限元分析，將管片視為均質圓弧，采用全周徑向只能受壓彈簧和切向的拉壓彈簧對地層進行約束，不考慮管片接頭的影響，對管片剛度進行折減，乘以0.8折減系數。

采用sap模型對管片受力進行平面分析，取寬度1m單元進行計算，考慮到管片開孔處約束介于簡支和固支之間，對開孔處約束分別按簡支和固支進行計算，按照保守計算，端部支座軸力和剪力值取兩個計算結果的包絡值。結算結果沒有計算荷載分項系數。計算模型如圖3所示。

3.2 計算結果

通過SAP84軟件對管片進行有限元分析，管片開頭端部的剪力圖、軸力圖和彎矩圖如下所示：

通過計算得到管片開頭端部的剪力、軸力和彎矩最大值分別為：164.8kN、960.4 kN、148.6 kN.m。

3.3 最不利情況受力分析

對此三個受力指標分別考慮最不利情況進行受力分析。

（1）剪力

根據“與管片連接節(jié)點構造圖”，此處剪力作用面可簡化為寬度1m，高度550mm的板結構受力進行計算，根據砼規(guī)6.3.3-1條，在不考慮箍筋和彎起鋼筋的條件下，V=0.7×1.57×1000×300=329.7 kN>164.8×1.1=181.3 kN，可滿足要求。

另外考慮該處管片的徑向和環(huán)向均進行植筋連接，該節(jié)點處抗剪完全可滿足要求。

（2）軸力

該處軸力作用于后施工板上，采取最為保守情況，考慮該軸力均勻施加于一根350寬、750高的梁上（連接點沿管片中線至板邊的距離約為780mm），如考慮該梁為兩端固支，跨度2.8m梁，則梁端部的最大彎矩為627.5 kN.m。通過計算知：

單筋矩形截面或翼緣位于受拉邊的T形截面受彎構件受壓區(qū)高度 x 按下式計算：

配筋面積為3185 mm2，采用6φ28配筋方可滿足要求，故對該節(jié)點進行加強配筋。

由于該計算僅考慮最不利情況，故采用該節(jié)點的構造方式可滿足要求。

（3）彎矩

該處彎矩為148.6 kN.m，板厚550mm，板寬1000mm，通過計算最小配筋率即可滿足抗彎要求，實際該處配筋為φ20@150，完全可滿足該處抗彎要求。

4 結論

通過計算分析，采取以上的節(jié)點構造和配筋形式，完全可以滿足管片的受力要求。但由于管片受力情況復雜，且該處管片受力存在剛性節(jié)點，與管片塊與塊之間的柔性連接相沖突，需盡量采取措施避免管片的沉降或變形。

需對增加水平板下方及管片下方土體進行注漿充填，保證管片周邊土體密實，防止管片移位變形或沉降導致管片結構失穩(wěn)。

參考文獻：

[1]張冬梅，宗翔，黃宏偉.盾構隧道掘進引起上方已建隧道的縱向變形研究[J].巖土力學. 2014（09）

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