曲線并行盾構(gòu)隧道施工控制研究

李少華

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司, 上海 200070)

受場地條件等因素制約,地鐵線路將不可避免地出現(xiàn)曲線,甚至還可能出現(xiàn)小半徑曲線.雖然目前尚無“小曲率半徑隧道”的確切定義,但已有規(guī)范[1]指出,當(dāng)?shù)罔F隧道平面曲線半徑(Q)小于等于350 m、其他隧道小于等于40D(D為盾構(gòu)外徑)時(shí),盾構(gòu)宜配備鉸接系統(tǒng)和超挖刀(仿形刀)系統(tǒng).潘泓等[2]通過現(xiàn)場監(jiān)測分析,指出曲線隧道區(qū)間內(nèi)側(cè)地層沉降較直線隧道區(qū)間大；受盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎的影響,易使曲線隧道內(nèi)、外側(cè)地層產(chǎn)生非對稱變形.以濟(jì)南地鐵曲率半徑為300 m的曲線盾構(gòu)隧道工程為背景,王國富等[3-4]考慮了曲線盾構(gòu)隧道開挖面支護(hù)力的非對稱分布,推導(dǎo)了開挖面主動(dòng)破壞極限支護(hù)力理論公式,同時(shí)建立了考慮曲線隧道內(nèi)、外側(cè)不同超挖量的三維實(shí)體模型；路林海等[5]對該工程進(jìn)行了多斷面地表沉降監(jiān)測,指出盾構(gòu)施工對曲線隧道內(nèi)側(cè)地層擾動(dòng)較大.傅鶴林等[6]進(jìn)行了關(guān)于隧道曲率半徑、埋深的參數(shù)敏感性分析,并結(jié)合數(shù)值模擬對理論解析進(jìn)行了可靠性驗(yàn)證.馮浩和閆格[7]給出了曲線隧道外側(cè)與內(nèi)側(cè)的千斤頂推力之比,指出各監(jiān)測斷面沉降峰值有朝曲線內(nèi)側(cè)偏移的趨勢,且隨隧道曲率半徑的減小而增大.Zhang等[8]分析了曲線盾構(gòu)隧道施工期偏航掘進(jìn)荷載對地層變形的影響.Li等[9]探究了曲線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起周圍地層附加應(yīng)力沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向及環(huán)隧道斷面方向的分布規(guī)律,指出曲線隧道周圍的土體較直線隧道更容易屈服,應(yīng)引起重視.

對于交通運(yùn)輸系統(tǒng)不斷快速發(fā)展的特大城市,已經(jīng)在擁擠有限的空間里規(guī)劃、設(shè)計(jì)或建造了許多新隧道,因此并行(雙線)盾構(gòu)隧道近接施工問題[10]在所難免；在此期間,重要的是要采取有效控制措施,確保擬建隧道周圍土體的穩(wěn)定性及先行隧道結(jié)構(gòu)的安全性[11].受結(jié)構(gòu)參數(shù)、地層條件、施工荷載等因素影響,相鄰隧道之間的相互作用問題非常復(fù)雜[12-13]，特別是當(dāng)凈距小于3倍隧道直徑時(shí),并行盾構(gòu)隧道近接施工對周圍地層及隧道結(jié)構(gòu)的影響不容忽視[14].雖然目前學(xué)者們對曲線盾構(gòu)隧道有了初步探究,但關(guān)于曲線并行盾構(gòu)隧道施工控制方面的研究較少[15].

鑒于此,本文通過建立考慮楔形管片環(huán)縫接頭特性的曲線并行隧道掘進(jìn)精細(xì)化模型,從控制地層豎向及水平位移、管片內(nèi)力及安全系數(shù)等角度,探討并驗(yàn)證能有效控制曲線盾構(gòu)隧道施工的措施及效果.

1 曲線盾構(gòu)施工控制技術(shù)

據(jù)報(bào)道,日本東京都下水道勝島泵站進(jìn)水管渠工程采用直徑為10.3 m的盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)了曲率半徑為30 m的急曲線隧道施工.此類Q/D<3的難點(diǎn)工程得以順利實(shí)施,主要?dú)w因于三方面應(yīng)對措施：① 采用配有大行程超挖刀和高性能鉸接裝置的“短”盾構(gòu)機(jī)(與外徑之比接近1,如圖1a)；② 采用較小寬度的鋼管片(如圖1b),以應(yīng)對千斤頂?shù)牟痪鶆蛲屏Γ虎?采用塑流性凝膠化材料對過度超挖空隙進(jìn)行及時(shí)填充(如圖1c).

圖1 曲線盾構(gòu)施工控制技術(shù)Fig.1 Control technology for curved shield tunneling

根據(jù)已有研究,過度超挖將加劇土體變形的結(jié)論已得到證實(shí)[16](對應(yīng)措施③)；且在設(shè)計(jì)規(guī)范范圍內(nèi),混凝土管片結(jié)構(gòu)施工期的受力也是較為安全的[17](對應(yīng)措施②).因此,本文重點(diǎn)分析采取縮短盾構(gòu)機(jī)長度的措施(對應(yīng)措施①)對曲線并行盾構(gòu)隧道施工的控制效果.

2 精細(xì)化有限元模擬

2.1 工程背景

珠海地區(qū)地質(zhì)特征為典型的上軟下硬復(fù)合地層,為了便于分析,將其概化為上下兩層土,各層土的平均特征見表1.以新建鐵路珠海市區(qū)至珠海機(jī)場城際軌道交通工程為背景,實(shí)際工程為凈距約為一倍隧道直徑的曲線并行盾構(gòu)隧道,施工順序?yàn)橄染蜻M(jìn)曲線內(nèi)側(cè)隧道、再掘進(jìn)曲線外側(cè)隧道(見圖2).

圖2 曲線盾構(gòu)隧道內(nèi)部圖Fig.2 Interior view of curved shield tunnels

表1 上軟下硬復(fù)合地層參數(shù)

2.2 有限元模型的建立

運(yùn)用ABAQUS建立曲率半徑為300 m的曲線并行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)有限元模型,如圖3所示.模型中土體、盾殼、管片、注漿體、超挖層采用實(shí)體單元(C3D8R)模擬,數(shù)量共計(jì)394 620個(gè),具體參數(shù)見表2,其中土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型；管片結(jié)構(gòu)為楔形量為46 mm的雙面楔形通用管片,表2中參數(shù)為其平均值.螺栓采用線性梁單元(B31)模擬,數(shù)量共計(jì)4 560個(gè),具體參數(shù)見表3.

圖3 曲線并行盾構(gòu)隧道數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of twin curved shield tunnels

表2 實(shí)體單元參數(shù)

表3 M30螺栓參數(shù)

管片環(huán)縫接頭的模擬如圖4所示,即建立三維面面接觸以模擬管片環(huán)間的相互作用(切向設(shè)置庫侖摩擦接觸,法向設(shè)置硬接觸)；建立縱向螺栓與管片間的特定約束以模擬每環(huán)間19個(gè)斜螺栓的安裝,由此實(shí)現(xiàn)可考慮管片環(huán)縫接頭特性的曲線并行盾構(gòu)隧道掘進(jìn)精細(xì)化模擬.

圖4 管片環(huán)縫接頭的模擬Fig.4 Simulation of circumferential joint of the segment

2.3 分析工況

如圖3所示,每步開挖一環(huán)管片寬度的土體,即將盾構(gòu)向前推進(jìn)一環(huán)管片寬度作為一個(gè)分析步.曲線隧道在偏航掘進(jìn)過程中,曲線內(nèi)、外側(cè)荷載比取為1∶4、偏航角設(shè)為1.8°[8],并將該偏航掘進(jìn)工況定義為工況1.

以工況1為基準(zhǔn),將盾構(gòu)機(jī)長度縮短為8 m(與外徑之比為0.91),由于盾殼長度的縮短,盾殼與土體間摩擦力有所減小(約6.4 kN),作用在楔形管片上的千斤頂推力(曲線內(nèi)、外側(cè)的管片環(huán)面均布力)也相應(yīng)減小.將盾構(gòu)機(jī)長度縮短后的數(shù)值模型定義為工況2,如圖5所示.以下為對比分析工況1和工況2,后行盾構(gòu)隧道管片拼裝至監(jiān)測斷面時(shí),周圍地層變形及先行隧道管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果.

圖5 盾構(gòu)機(jī)長度縮短后模型Fig.5 Model with reduced shield length

3 計(jì)算結(jié)果對比與分析

3.1 土體豎向位移

3.1.1現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

圖6給出了現(xiàn)場掘進(jìn)工況(工況1)下后行隧道(曲線外側(cè)隧道)盾尾到達(dá)監(jiān)測斷面時(shí)的土體豎向位移場云圖,模型中負(fù)值表示豎直向下的移動(dòng).圖7給出了工況1下監(jiān)測斷面位置處的地表橫向(垂直于隧道軸線)沉降槽曲線,為了對比分析,同時(shí)加入現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果.圖中有限元模擬同現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合較好,地層變形規(guī)律與已有研究相似,驗(yàn)證了本文精細(xì)化數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性.

圖6 土體豎向位移云圖

圖7 監(jiān)測與數(shù)值結(jié)果對比Fig.7 Comparison of measured and numerical results

3.1.2施工控制結(jié)果對比

圖8給出了工況1和工況2的土體豎向位移結(jié)果,由圖可知,采取縮短盾構(gòu)機(jī)長度的措施可有效減小土體豎向位移(減幅約8.8%),縮小沉降槽寬度.

圖8 施工控制結(jié)果對比Fig.8 Comparison of construction control results

3.2 土體水平位移

圖9給出了兩種工況曲線并行隧道兩側(cè)及夾土層的橫向水平位移.由圖可知,兩種工況夾土層的水平位移相當(dāng),但工況2曲線隧道內(nèi)、外側(cè)土體的水平

圖9 深層土體水平位移

位移均小于工況1,減幅分別為7.2%、15.5%.

3.3 管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力

日本土木工程師協(xié)會提出的盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定,若兩隧道之間的距離小于新建(先行)隧道的外徑,則需要充分證明施工安全性[18].圖10和圖11分別給出了兩種工況下先行隧道監(jiān)測斷面管片的軸力圖和彎矩圖.由圖可知,工況1和工況2的內(nèi)力分布規(guī)律相似,其中軸力的最值相差不大；彎矩的最值均出現(xiàn)在靠近后行隧道一側(cè)(α= 0°),但工況2的值較工況1減小約92.5kN·m/m(減幅約42.8%).

圖10 管片軸力Fig.10 Axial force in the segment

圖11 管片彎矩Fig.11 Bending moment in the segment

在獲得管片軸力(N)及彎矩(M)分布的基礎(chǔ)上,依據(jù)相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)[13,17,19],分析襯砌管片的安全性.圖12給出了兩種工況下,先行隧道監(jiān)測斷面位置處管片的安全系數(shù).由圖可知,工況2的安全系數(shù)分布較為均勻,且最小安全系數(shù)較工況1大幅提高(約2.8倍).

圖12 管片安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文通過總結(jié)日本一急曲線隧道施工順利實(shí)施的應(yīng)對措施,分析了采取縮短盾構(gòu)機(jī)長度的措施對曲線并行盾構(gòu)隧道施工的控制效果.數(shù)值結(jié)果表明：

1) 本文所建立的數(shù)值模型充分考慮管片環(huán)縫接頭特性,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了本文精細(xì)化數(shù)值模擬方法的可靠性.

2) 采取縮短盾構(gòu)機(jī)長度的措施不僅能有效減小土體豎向位移、曲線隧道內(nèi)側(cè)和外側(cè)土體水平位移,還能使地表沉降槽寬度變窄.

3) 盾構(gòu)機(jī)長度改變與否,管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律及軸力最值不發(fā)生顯著變化.采取縮短盾構(gòu)機(jī)長度的措施可明顯減小管片結(jié)構(gòu)的彎矩最值，提高其安全系數(shù).

為了有效控制地層的變形和確保管片結(jié)構(gòu)的受力安全,縮短盾構(gòu)機(jī)長度不失為一種可靠的措施,但同時(shí)也帶來了實(shí)際施工操作空間狹小的問題.因此,今后從盾構(gòu)機(jī)制造,到施工推進(jìn),乃至管片拼裝,都應(yīng)注重智能化、信息化、自動(dòng)化等方面的革新.