清華園隧道大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)控制掘進(jìn)分析

房新勝 葉來(lái)賓 朱牧原 杜貴新

(1.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800； 2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 概述

隨著我國(guó)隧道建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)法在隧道建設(shè)中逐漸成為不可或缺的一環(huán)。目前，對(duì)泥水盾構(gòu)而言，國(guó)內(nèi)外已有較多研究。林存剛等探討泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地面沉降的影響[1]；李承輝等通過(guò)總結(jié)蘭州地鐵1號(hào)線的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泥水盾構(gòu)下穿黃河具有較好的適應(yīng)性[2]；王乾屾等利用FLAC 3D等有限元軟件建立流固耦合模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)盾構(gòu)施工期間不同階段地層孔隙水壓力的縱向和橫向變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)[3]；朱勁鋒等研制出并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)及搭載冷凍刀盤式盾構(gòu)[4]；汪輝武等總結(jié)了蘭州地鐵交通1號(hào)線的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)透水砂卵石地層下的泥水平衡盾構(gòu)帶壓與常壓進(jìn)倉(cāng)技術(shù)進(jìn)行了有益嘗試[5]；陳中天等以蘭州地鐵1號(hào)線為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS有限元軟件分析離掌子面若干環(huán)距離受力影響的規(guī)律[6]；吳昌勝等基于工程數(shù)據(jù)的Mindlin解，獲得大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工引起地層變形的計(jì)算公式[7]；王昊以南寧地鐵1號(hào)線為背景，介紹暗挖隧道防治突涌災(zāi)害的各種方法[8]；李達(dá)以廣州地鐵4號(hào)線的工程數(shù)據(jù)為背景，介紹盾構(gòu)法在上軟下硬地層中的施工技術(shù)[9]；張忠苗等驗(yàn)證Peck公式在杭州地區(qū)軟土地層中的適用性[10]；閔凡路等設(shè)計(jì)泥漿有壓滲透裝置，探討了泥膜的作用機(jī)理[11]；劉方等采用數(shù)值模擬對(duì)3種預(yù)加固方案(水平旋噴樁、管幕和小導(dǎo)管注漿)下既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形和受力進(jìn)行分析[12]；周慶合依據(jù)清華園隧道盾構(gòu)區(qū)間的隧道參數(shù)和工程地質(zhì)條件，分析盾構(gòu)機(jī)刀盤和刀具對(duì)卵石土、砂、粉質(zhì)黏土互層的適應(yīng)性[13-14]；陳仁朋等通過(guò)三維有限元模型研究了建筑物-地層變形相互作用規(guī)律，對(duì)比分析了墻體主拉應(yīng)變?cè)茍D與實(shí)測(cè)裂縫分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道下穿引起的主拉應(yīng)變超過(guò)0.05%的墻體區(qū)域會(huì)產(chǎn)生裂縫，且墻體裂縫的發(fā)展角度與該處的主拉應(yīng)變方向垂直[15]。

綜上所述，盾構(gòu)法相較于其他隧道工法，所處的工程環(huán)境更為復(fù)雜，事故影響也更大。依托清華園隧道某區(qū)間工程，對(duì)泥水盾構(gòu)在粉質(zhì)黏土及砂卵石地層的掘進(jìn)參數(shù)控制以及反力架等工程構(gòu)件布置進(jìn)行研究。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)及水文條件

清華園隧道3-2區(qū)間起點(diǎn)位于清華同方大廈西側(cè)的3號(hào)盾構(gòu)始發(fā)井，線路出3號(hào)始發(fā)井后向南依次穿越成府路、北四環(huán)后，到達(dá)位于原清華園火車站內(nèi)的2號(hào)盾構(gòu)接收井，全長(zhǎng)1741 m。

3-2區(qū)間為單洞雙線隧道，隧道直徑為12.64 m，管片外徑12.2 m、內(nèi)徑11.1 m，環(huán)寬2 m，混凝土強(qiáng)度C50、抗?jié)B等級(jí)P12。管片之間通過(guò)M36、8.8級(jí)直螺栓連接，環(huán)間塊之間連接2根螺栓，徑向兩環(huán)之間連接25根。

始發(fā)段分為2個(gè)區(qū)段，分別為0～17 m(三重旋噴樁加固段)，17～200 m(原狀土地段)。始發(fā)段從0～200 m的地層分布較均勻，盾構(gòu)掘進(jìn)斷面基本均處在粉質(zhì)黏土地層中。

始發(fā)段上覆第四系全新統(tǒng)沖積層，從上向下依次為0雜填土、2粉質(zhì)黏土、3-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、3-2粉砂、3-3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和4-2粉土。始發(fā)段地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 始發(fā)段地質(zhì)剖面

2.2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1)建設(shè)難點(diǎn)

清華園隧道是國(guó)鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)工程，穿越3處特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源以及80處一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，穿越地層繁雜多樣，且可能對(duì)鄰近重要建筑物造成不良影響。

(2)施工技術(shù)

工程中采用了全預(yù)制拼裝技術(shù)，可一邊掘進(jìn)一邊鋪設(shè)軌下結(jié)構(gòu)，大幅提升了工程效率，實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化拼裝、流程化組織，對(duì)于清華園隧道而言，在使用此技術(shù)后，總工期可減少4個(gè)月左右。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入密封環(huán)、接觸掌子面前，盾構(gòu)機(jī)前部的懸空距離的最大值為2.7 m，為盡量阻止盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)“栽頭”現(xiàn)象，在地連墻內(nèi)澆筑1 000 mm寬的C15混凝土基座，用于支撐盾構(gòu)機(jī)。混凝土基座為弧形結(jié)構(gòu)，施工范圍為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)軸線左右各22.5°。

3 盾構(gòu)始發(fā)施工

3.1 盾構(gòu)機(jī)初始選型參數(shù)

清華園隧道3-2區(qū)間采用1臺(tái)φ12.64 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，主機(jī)長(zhǎng)14.5 m，刀盤-前盾-中盾-盾尾直徑由12.64 m過(guò)渡至12.57 m。

3.2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)設(shè)備檢查和物資準(zhǔn)備

(1)設(shè)備檢查

檢查盾構(gòu)機(jī)驗(yàn)收?qǐng)?bào)告及整機(jī)調(diào)試報(bào)告；檢查盾構(gòu)前進(jìn)方向是否有障礙物，如土建施工雜物、管片間焊接鋼板等；檢查泥水處理設(shè)備的驗(yàn)收?qǐng)?bào)告及整機(jī)調(diào)試報(bào)告；檢查其他附屬設(shè)備包括冷卻水塔、攪拌站及龍門吊，在始發(fā)前盾構(gòu)機(jī)應(yīng)完成設(shè)備的組裝調(diào)試；確保洞內(nèi)運(yùn)輸及地面運(yùn)輸?shù)母鞣N車輛就位。

(2)物資準(zhǔn)備

提前使用制漿設(shè)備并配置好始發(fā)需要的初始泥漿，使用ZDJ-80設(shè)備，制漿能力為80 m3/h。制漿材料采用NSHS1型盾構(gòu)制漿劑拌制，并加入一定量的NSHS2型制漿劑，儲(chǔ)存到新漿池待用。NSHS1型盾構(gòu)制漿劑一般占泥水總量的5‰～10‰(質(zhì)量體積比)，漏斗黏度為18～18.5 s，比重為1.08～1.12，其流變性和護(hù)壁性應(yīng)滿足要求。

3.3 始發(fā)基座及反力架結(jié)構(gòu)施工

方鋼作為盾構(gòu)機(jī)殼滑行的軌道。施工始發(fā)井底板時(shí)預(yù)埋插筋，將始發(fā)基座和底板連接成一個(gè)整體，使基座在始發(fā)時(shí)抗剪力更大(見圖2)。始發(fā)基座、弧形槽設(shè)計(jì)見圖3。

圖2 始發(fā)基座和底板

圖3 始發(fā)基座與弧形槽設(shè)計(jì)(單位：m)

盾尾基座長(zhǎng)13.5 m，寬5 m，4條盾構(gòu)機(jī)滑行軌道設(shè)置在基座周圍，與盾構(gòu)機(jī)中心線夾角分別為34.86°，86.82°。

盾構(gòu)前體、中體基座長(zhǎng)13.1 m，寬8.9 m，4條盾構(gòu)機(jī)滑行軌道設(shè)置在基座周圍，與盾構(gòu)機(jī)中心線夾角分別為34.86°，88.30°。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，由于刀盤對(duì)土體有一個(gè)旋轉(zhuǎn)切削的過(guò)程，在土體對(duì)盾構(gòu)機(jī)的反作用力下，盾體可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)，故將鋼構(gòu)件的一頭焊接在盾體上，另一頭放置在工字鋼上，以保證盾體穩(wěn)定。

4 盾構(gòu)反力架受力有限元分析

4.1 反力架力學(xué)模型及相關(guān)條件

立柱計(jì)算高度為5 600 mm，橫梁跨度為5 800 mm，荷載傳遞路徑為：盾構(gòu)機(jī)推力→負(fù)環(huán)管片→反力架→鋼管支撐→支座。兩個(gè)橫梁和兩個(gè)立柱對(duì)應(yīng)的桿件與負(fù)環(huán)管片相接觸。

設(shè)橫梁方向?yàn)閤方向，豎柱與橫梁組成截面的垂直方向?yàn)閥方向，豎直方向?yàn)閦方向。在立柱的上下表面和斜支撐地面施加固定約束。

4.2 三號(hào)井反力架靜強(qiáng)度分析計(jì)算

(1)概述

采用門架結(jié)構(gòu)，總厚度為1 200 mm。反力架頂橫梁及兩側(cè)豎梁后面設(shè)23根鋼管支撐。所用材料主要采用Q345B高強(qiáng)鋼，結(jié)構(gòu)模型見圖4。

圖4 反力架三維結(jié)構(gòu)模型

(2)計(jì)算載荷工況

①載荷工況

a.工況一

工作工況：鋼環(huán)表面承受盾構(gòu)產(chǎn)生的6×104kN均布推力。

b.工況二

偏載工況：順著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向，鋼環(huán)右端面承受5×104kN均布推力，鋼環(huán)左端不加力。

②材料的許用應(yīng)力

材料的許用應(yīng)力見表1。

表1 材料許用應(yīng)力

(3)有限元建模

反力架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型見圖5。采用全實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為45 368個(gè)單元，65 474個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 反力架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型

(4)小結(jié)

①工況一

反力架最大應(yīng)力為174 MPa見圖6、最大靜撓度為6.43 mm見圖6；在載荷工況下，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，最大強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。

圖6 反力架工況一應(yīng)力云圖

②工況二

反力架最大應(yīng)力為263 MPa、最大靜撓度為8.73 mm(見圖7)；在載荷工況下，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，最大強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。

圖7 反力架工況二應(yīng)力云圖

4.3 二號(hào)井反力架靜強(qiáng)度分析計(jì)算

(1)概述

采用門架結(jié)構(gòu)，其總厚度為1 200 mm。反力架頂橫梁及兩側(cè)豎梁后面設(shè)若干根鋼管支撐。所用材料主要采用Q345B高強(qiáng)鋼，結(jié)構(gòu)模型見圖8。

圖8 反力架三維結(jié)構(gòu)模型

(2)計(jì)算載荷工況：

①載荷工況：

a.工況一

工作工況：鋼環(huán)表面承受盾構(gòu)產(chǎn)生的6×104kN均布推力。

b.工況二

偏載工況：順著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向，鋼環(huán)右端面承受5×104kN均布推力，鋼環(huán)左端不加力。

②材料的許用應(yīng)力

材料的許用應(yīng)力同表1。

(3)有限元建模：反力架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型見圖9。采用全實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。該模型共劃分了45 832個(gè)單元，66 272個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖9 反力架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型

(4)結(jié)論

a.工況一

反力架最大應(yīng)力為172 MPa，最大靜撓度為5.3 mm(見圖10)；在載荷工況下，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，最大強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。

圖10 反力架工況一應(yīng)力云圖

b.工況二

反力架最大應(yīng)力為270 MPa，最大靜撓度為7.77 mm(見圖11)；在載荷工況下，最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，最大強(qiáng)度和剛度滿足使用要求。

圖11 反力架工況二應(yīng)力云圖

4.4 一號(hào)井反力架靜強(qiáng)度分析計(jì)算

反力架鋼支撐能承受壓力6 000 kN，反力架鋼支撐共分3種長(zhǎng)度，即7 800 mm×7根，8 800 mm×10根，300 mm×6根，共23根，每根平均提供2 610 kN反力。外徑采用800 mm，內(nèi)徑760 mm，采用Q235鋼，彈性模量取210 GPa，鋼支撐皆為兩端固定，μ取0.5，σp取460 MPa，nst取5。

(1)7 800 mm的鋼支撐強(qiáng)度分析

臨界力計(jì)算過(guò)程為

(1)

(2)

(3)

(4)

臨界應(yīng)力為

σcr=a-bλ=291.5 MPa

(5)

則臨界力為

Fcr=σcrA=1.43×104kN

(6)

穩(wěn)定性系數(shù)為

(7)

滿足穩(wěn)定性需求。

(2)8 800 mm的鋼支撐強(qiáng)度分析

臨界力計(jì)算過(guò)程與7 800 mm鋼支撐類似，穩(wěn)定性系數(shù)為

(8)

滿足穩(wěn)定性需求。

(3)300 mm的鋼支撐強(qiáng)度分析

臨界力計(jì)算過(guò)程與7 800 mm鋼支撐類似，穩(wěn)定性系數(shù)為

(9)

滿足穩(wěn)定性需求。

(4)混凝土門洞

采用C40混凝土，鋼支撐直徑均為800 mm，故每根鋼支撐與混凝土門洞的接觸面積為

(10)

每根鋼支撐平均分?jǐn)? 610 kN的力，故鋼支撐對(duì)混凝土面產(chǎn)生的壓強(qiáng)為

(11)

故混凝土不會(huì)產(chǎn)生破壞。

5 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

5.1 試掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)始發(fā)試掘進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 試掘進(jìn)段掘進(jìn)參數(shù)

5.2 最優(yōu)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)確定控制

主要采用工程類比、試掘進(jìn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，研究確定不同地層掘進(jìn)參數(shù)。盾構(gòu)試掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)不同地質(zhì)條件、覆土厚度、地面情況以及以往的工程經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)掘進(jìn)時(shí)得到的信息不斷反饋修改參數(shù)，最終研究得到適合北京砂卵石地層的最優(yōu)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

(1) 掘削量的判斷方法

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)50～100環(huán)后，對(duì)盾構(gòu)切口上方地面沉降量較小的掘進(jìn)循環(huán)對(duì)應(yīng)的掘削量統(tǒng)計(jì)，并將其數(shù)值輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行比較。

如發(fā)現(xiàn)掘削量過(guò)大時(shí)，應(yīng)立即檢查泥水密度、黏度和切口水壓等數(shù)值。此外，也可以利用先進(jìn)的探測(cè)裝置，在掘削的位置前后一定范圍內(nèi)實(shí)地調(diào)查土體坍塌情況，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，應(yīng)在第一時(shí)間調(diào)整工程參數(shù)。

(2) 溢水量檢查

泥水質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響泥膜形成時(shí)間以及開挖面穩(wěn)定。在測(cè)定泥水漿液質(zhì)量時(shí)，常常通過(guò)檢查測(cè)水量的數(shù)值判斷質(zhì)量。

當(dāng)掘削停止時(shí)，中央控制室觀測(cè)單位時(shí)間內(nèi)的累計(jì)值，如泥水溢水量過(guò)大，則應(yīng)檢查泥水質(zhì)量和管路系統(tǒng)泥漿情況。

6 結(jié)論

(1)盾構(gòu)在粉質(zhì)黏土及砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)，其始發(fā)部分的反力架受力需考慮包括但不限于全截面均布受力和單側(cè)受均布受力，反力架最大應(yīng)力為270 MPa，最大靜撓度為7.77 mm。

(2)為控制掘進(jìn)參數(shù)，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)的掘削量和溢水量是體現(xiàn)掘進(jìn)情況的重要參數(shù)。

(3)掘削量大小與泥水密度、黏度和切口水壓等數(shù)值相關(guān)。

(4)反力架上的應(yīng)力分布在鋼管支撐處最高，豎梁次之，橫梁最小。