機械法聯(lián)絡通道T接部位接收端切削模型試驗研究*

楊佳棟，鄭榮躍，鄭詩怡，鄧岳保，朱瑤宏

(寧波大學濱海城市軌道交通協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市人口持續(xù)增長，城市土地資源日益匱乏，開發(fā)地下空間、實現(xiàn)城市功能需求已成為城市發(fā)展的新方向[1]。大力發(fā)展地鐵建設，為城市空間規(guī)劃設計、區(qū)域結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了良好的解決途徑。在城市軌道建設中，對于2條單線區(qū)間隧道，當隧道連貫長度>600m時，應設聯(lián)絡通道[2]。聯(lián)絡通道具有火災救援、消防疏散等作用。目前，聯(lián)絡通道修建方法主要包括明挖法、淺埋暗挖法、凍結(jié)法和機械法。明挖法對地面環(huán)境的影響大，且受氣候影響顯著，因地鐵多處于城市主干道，因此該方法較少采用[3]。淺埋暗挖法主要適用于穩(wěn)定地層，受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件影響較大。凍結(jié)法在富水軟土、砂性地層中使用較普遍，文獻[4-6]表明，人工凍結(jié)法會造成凍脹和融沉，對周圍建筑造成影響，且在施工過程中還會改變隧道原有受力方式，發(fā)生應力重分布，降低隧道管片膠結(jié)強度。

機械法是聯(lián)絡通道施工的發(fā)展方向，相比傳統(tǒng)施工方法，機械法具有機械化程度高、工期短、成型結(jié)構(gòu)質(zhì)量好、作業(yè)環(huán)境安全可控等優(yōu)點[7]，已在德國漢堡第四易北河救援通道、墨西哥EmisorOriente 隧道旁出支線、南京地鐵頂管法聯(lián)絡通道、國內(nèi)首條盾構(gòu)法聯(lián)絡通道(寧波軌道交通3號線鄞州區(qū)政府站至南部商務區(qū)站)[8]和無錫頂管法聯(lián)絡通道[9]中得到應用。朱瑤宏等[10]、丁修恒[11]對聯(lián)絡通道盾構(gòu)法修建技術(shù)進行了系統(tǒng)闡述。朱瑤宏等[12]、柳獻等[13]通過足尺試驗及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了盾構(gòu)主隧道在機械切削過程中的結(jié)構(gòu)響應。劉干斌等[14-15]對T接部分及接頭注漿開展了進一步研究，提出了保障T接部位防水、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)措施。Spyridis等[16]通過對隧道側(cè)壁開口過程進行數(shù)值模擬，分析了隧道開口過程中的變形和內(nèi)力變化及影響范圍。Wang等[17]采用有限元軟件分析了機械法聯(lián)絡通道施工前、后長期荷載作用下T接洞門內(nèi)力與變形。萬敏等[18]采用有限元軟件分析了機械法聯(lián)絡通道施工時主隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形重分布特性及其對各不利工況的敏感性。

目前，對于機械法聯(lián)絡通道的研究主要集中于開展足尺試驗研究與數(shù)值模擬，縮尺模型試驗研究較少。由于現(xiàn)場足尺試驗中盾構(gòu)機體積較大，對試驗場地要求高，試驗成本較高，開展縮尺模型試驗是有效的研究手段。為此，自主設計研發(fā)機械法聯(lián)絡通道試驗平臺，以較好地模擬、還原實際施工過程中T接部位接收端盾構(gòu)機刀盤切削隧道管片的全過程，測試切削過程中切削洞口附近應力及主隧道周圍土壓力變化，試驗結(jié)果可為機械法聯(lián)絡通道工程施工與試驗研究提供參考。

1 試驗裝置

本試驗在自主設計研發(fā)的機械法聯(lián)絡通道試驗平臺上開展，試驗平臺主要包括模型箱、模型盾構(gòu)試驗機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(見圖1)。

圖1 試驗平臺示意

1.1 模型箱與隧道模型

1)模型箱

模型箱整體設計尺寸為3m×1.5m×1.5m(長×寬×高)，外部采用鋼框架固定，四周采用有機玻璃圍護結(jié)構(gòu)，方便動態(tài)觀察試驗現(xiàn)象，如圖2所示。模型箱四周開孔，以放置主隧道管片，并方便盾構(gòu)機掘進，模型箱內(nèi)填充細砂，以模擬地下土層。

圖2 模型箱

2)隧道模型

隧道模型內(nèi)徑56cm，外徑60cm，壁厚4cm。使用木模具澆筑模型隧道管片，利用鋼絲及模板加固模具(見圖3)。為使試驗管片能夠完成正常切削，主隧道管片采用砌筑水泥及標準細砂制作(見圖4)。2塊半圓隧道管片之間采用鐵絲捆扎，形成主隧道模型，將其置于模型箱中。

圖3 木模具

圖4 主隧道管片

1.2 模型盾構(gòu)試驗機

本試驗采用的模型盾構(gòu)試驗機按照真實盾構(gòu)機切削特征進行縮尺還原，等比例縮小刀盤尺寸，保證不影響其切削能力。模型盾構(gòu)試驗機由刀盤掘進系統(tǒng)及儀器控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 模型盾構(gòu)試驗機

1)刀盤掘進系統(tǒng)

機械法聯(lián)絡通道模型切削刀盤如圖6所示，整個刀盤刀具由多個小刀片錯位組成，刀盤整體呈圓臺狀，通過多段小刀片組合實現(xiàn)無盲區(qū)切削。根據(jù)盾構(gòu)隧道模型實際切削需求，可采用新型全斷面切削刀盤實現(xiàn)盾構(gòu)全斷面切削，通過錯位刀盤組合形式達到無盲區(qū)切削的效果。整個刀盤前端部位水平，刀盤中心端設置3片錯位刀片，按60°向外均勻延伸6排刀片，每排小刀片間隔約2cm，共同組成切削內(nèi)齒圈。次外齒圈刀盤高度分布呈弧形，同樣在最外齒圈設置錯位刀片，最終共同完成隧道管片切削工況模擬，全斷面切削軌跡如圖7所示。

圖6 切削刀盤

圖7 全斷面切削軌跡

2)儀器控制系統(tǒng)

模型盾構(gòu)試驗機掘進全過程的參數(shù)控制由控制臺完成，如圖8所示。控制臺操作方式可分為手動操作與自動操作，整個控制系統(tǒng)可實時控制模型盾構(gòu)試驗機頂推、后撤、刀盤轉(zhuǎn)動、液壓動力、目標掘進距離。

圖8 模型盾構(gòu)試驗機控制臺

模型盾構(gòu)試驗機推進液壓系統(tǒng)最大可提供6.3MPa頂推力，通過液壓推進控制閥實時調(diào)整盾構(gòu)機掘進切削全過程的頂推力。整體推進刀盤轉(zhuǎn)速由推進系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)0～50r/min轉(zhuǎn)速實時調(diào)控。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括DH3816N型靜態(tài)應力應變測試分析系統(tǒng)、應變片、土壓力盒(量程0～200kPa)，應變片、土壓力盒與DH3816N型靜態(tài)應力應變測試分析系統(tǒng)相連，測量過程中可通過液晶屏或電腦軟件進行控制，實現(xiàn)實時控制采集分析及事后數(shù)據(jù)回收分析等功能。

2 試驗方案

2.1 試驗用土及填筑

采用當?shù)丶壟淞己玫募毶埃ㄟ^人工填埋的方式進行分層填筑壓實，以保證密實度，共填筑6層，底層土填筑30cm至與主隧道模型下底面平齊，壓實后放入隧道模型。完成隧道模型放置與固定后，按每層20cm厚填筑其余土層，填筑完成后靜置7d，然后采用鉆孔取樣的方式對土體力學性質(zhì)進行測試，測得土體內(nèi)摩擦角為35°，黏聚力為0kPa，相對密實度為65%，天然孔隙比為0.726，干密度為1.457g/cm3，飽和密度為1.913g/cm3。

2.2 測點布置

為測試切削洞口附近應力、應變變化，在隧道切削洞口附近外壁和內(nèi)壁對應位置沿切削洞口徑向和環(huán)向粘貼應變片，內(nèi)、外壁各布置13個電阻應變片(見圖9)，測量管片結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁應變值，進而得到管片結(jié)構(gòu)彎矩、軸力。為方便區(qū)分，外壁應變片編號為T1～T13，內(nèi)壁應變片編號為F1～F13。由公共補償通道進行溫度補償。應變片引線后接紅黑排線，延長至DH3816N型靜態(tài)應力應變測試分析系統(tǒng)，采用1/4橋接法進行連接。在粘貼應變片過程中，首先利用砂紙對主隧道表面進行打磨，使貼合面平整，應變片與主隧道管片通過AB膠牢固粘貼，粘貼后在外層均勻涂抹704硅橡膠進行防水隔絕，連同應變片及外接排線通過布基膠帶固定在隧道壁上。

2.3 試驗工況

本試驗主要模擬機械法聯(lián)絡通道模型試驗T接部位接收端盾構(gòu)機刀盤切削隧道管片全過程，分析切削過程中隧道管片應變、內(nèi)力變化。整個切削試驗工況可細分為以下階段：①第1階段 盾構(gòu)機前進至剛好接觸隧道管片的階段，此為工況Ⅰ；②第2階段 盾構(gòu)機接觸管片后切削管片的階段，此為工況Ⅱ；③第3階段 盾構(gòu)機刀頭露頭、主隧道破洞的階段，此為工況Ⅲ；④第4階段 主隧道破洞后盾構(gòu)機繼續(xù)向前推進至主隧道完全切通，即切削完成的階段，此為工況Ⅳ。

3 試驗結(jié)果與分析

整個切削試驗過程進行平穩(wěn)，切削速度較快，切削關鍵過程如圖10所示。模型盾構(gòu)機破洞過程持續(xù)時間較短，期間有少量砂土涌出；盾構(gòu)機刀頭進一步掘進，隧道壁進一步被破壞，期間伴隨著砂土流出，此為試驗正常現(xiàn)象；完成整個切削過程時，主隧道管片除切削部位外，未見其他部位受損，整體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

圖10 切削關鍵過程

3.1 應變

切削過程中沿主隧道切削洞口徑向和環(huán)向應變變化較明顯，同側(cè)相同方向測點位置應變變化趨勢較類似，隧道外壁沿切削洞口徑向應變分析以T7應變片為例，環(huán)向應變分析以T6應變片為例，隧道內(nèi)壁沿切削洞口徑向應變分析以F7應變片為例，環(huán)向應變分析以F6應變片為例。整個切削過程主隧道應變變化趨勢如圖11所示。由圖11可知，隧道內(nèi)壁和外壁沿切削洞口徑向應變和環(huán)向應變在工況Ⅱ，Ⅲ下呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，分析知在隧道外壁沿切削洞口徑向主要發(fā)生了拉伸變形，沿切削洞口環(huán)向主要發(fā)生了壓縮變形；在隧道內(nèi)壁沿切削洞口徑向主要發(fā)生了壓縮變形，沿切削洞口環(huán)向主要發(fā)生了拉伸變形。主隧道同一測點位置內(nèi)壁和外壁應變變化較明顯，以T6，F(xiàn)6測點為例，在工況Ⅱ，Ⅲ下，主隧道內(nèi)、外壁應變變化趨勢相反。在工況Ⅰ下，由于盾構(gòu)機刀頭未接觸隧道壁，未產(chǎn)生明顯應變；隨著盾構(gòu)機刀頭向前推進，在工況Ⅱ下接觸隧道壁后，隧道應變明顯增大，增大趨勢延續(xù)至工況Ⅲ初期，盾構(gòu)機刀頭完成破洞露頭后，隧道壁應變迅速下降，隧道壁應力釋放，內(nèi)力重分布；隨著盾構(gòu)機刀頭持續(xù)掘進，隧道壁應變持續(xù)增加，增加趨勢延續(xù)至工況Ⅳ結(jié)束。整個試驗過程出現(xiàn)2個明顯峰值，第1個峰值出現(xiàn)在工況Ⅱ結(jié)束、工況Ⅲ開始，即將要破洞時刻，隧道外壁沿切削洞口徑向應變?yōu)?5.66με，環(huán)向應變?yōu)?40.04με，隧道內(nèi)壁沿切削洞口徑向應變?yōu)?99.49με，環(huán)向應變?yōu)?15.15με；第2個峰值出現(xiàn)在工況Ⅳ結(jié)束，即主隧道切削完成時刻，隧道外壁沿切削洞口徑向應變?yōu)?32.57με，環(huán)向應變?yōu)?03.35με，隧道內(nèi)壁沿切削洞口徑向應變?yōu)?0.12με，環(huán)向應變?yōu)?30.02με。整個切削過程應變變化較小，對主隧道總體的影響較小。

圖11 主隧道應變變化曲線

3.2 軸力與彎矩

切削過程中主隧道軸力和彎矩發(fā)生了較明顯變化，如圖12，13所示。由圖12可知，在工況Ⅱ，Ⅲ破洞過程中，主隧道環(huán)向軸力呈負相關變化，隧道存在收縮變形；主隧道軸向軸力呈正相關變化，隧道存在拉伸變形。破洞完成后，主隧道環(huán)向、軸向軸力基本表現(xiàn)為正相關增大趨勢。離切削洞口越遠，軸力變化幅度越小。破洞時環(huán)向壓力達最大值，為-266.68N；破洞過程中軸向拉力達最大值，為647.47N。整個破洞過程中軸力變化較小，對主隧道總體的影響較小。整個施工過程中，最大軸力出現(xiàn)在完成切削時，為2.31kN。

圖12 主隧道軸力變化曲線

由圖13可知，在工況Ⅱ，Ⅲ破洞過程中，主隧道環(huán)向彎矩呈負相關變化，主隧道存在向內(nèi)變形的趨勢；主隧道軸向彎矩呈正相關變化，主隧道存在向外變形的趨勢。主隧道彎矩變化主要發(fā)生在工況Ⅱ，Ⅲ下，且距切削洞口越遠，彎矩變化越小。最大彎矩發(fā)生在工況Ⅱ結(jié)束、盾構(gòu)機將要破洞時，主隧道環(huán)向最大負彎矩為-32.09N·m、軸向最大正彎矩為38.96N·m。

圖13 主隧道彎矩變化曲線

4 結(jié)語

機械法修建聯(lián)絡通道的優(yōu)越性在實際工程中得到了體現(xiàn)，但作為新興技術(shù)，仍在實際應用過程中存在不足，需通過試驗及數(shù)值模擬等進行進一步研究。通過開展機械法聯(lián)絡通道施工縮尺模型試驗，還原盾構(gòu)機切削主隧道管片全過程，分析了切削過程中切削洞口附近及主隧道變形、軸力、彎矩等變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

1)主隧道應力、應變在切削破洞過程中迅速增大，在盾構(gòu)機刀頭破洞露頭后迅速減小，內(nèi)力重分布現(xiàn)象明顯。

2)在切削破洞過程中，主隧道環(huán)向軸力呈負相關變化，隧道存在收縮變形；主隧道軸向軸力呈正相關變化，隧道存在拉伸變形。破洞完成后，主隧道環(huán)向、軸向軸力基本表現(xiàn)為正相關增大趨勢。實際施工過程中，考慮主隧道整體安全性，應在主隧道內(nèi)部設置支撐。

3)在切削破洞過程中，主隧道環(huán)向彎矩呈負相關變化，主隧道存在向內(nèi)變形的趨勢；主隧道軸向彎矩呈正相關變化，主隧道存在向外變形的趨勢。為減小施工過程中彎矩對主隧道的影響，同樣建議在主隧道內(nèi)部設置支撐。

4)整個切削過程中，主隧道發(fā)生的變形較小，總體來說影響范圍較小，隧道結(jié)構(gòu)安全。

5)縮尺模型試驗還原了機械法施工過程中盾構(gòu)機刀頭切削隧道壁的全過程，彌補了現(xiàn)場試驗和足尺試驗成本高等不足，為研究切削過程中主隧道管片變形、受力等提供了簡單易于實施的方法。