“先盾后擴”隧道穿越地裂縫帶管片拼裝方式及影響

高強 姚毅 楊喜

1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司， 廣州 510010； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院， 西安 710064

穿越地裂縫帶是西安地鐵隧道建設(shè)中一個典型的工程難題，為確保運營安全，常采用擴大斷面、分段設(shè)置變形縫的方案進行結(jié)構(gòu)設(shè)防，其工法一般為增設(shè)豎井后采用交叉中隔壁法暗挖和盾構(gòu)空推穿越。來弘鵬等［1］梳理了西安地鐵穿越地裂縫帶的建造技術(shù)，指出既有工法較復(fù)雜、成本高，在城區(qū)內(nèi)施作豎井結(jié)構(gòu)會阻礙交通，因此提出了“先盾后擴”的新型建造技術(shù)，即通過合理變換管片拼裝方式來實現(xiàn)盾構(gòu)隧道洞內(nèi)擴挖的方案。

盾構(gòu)隧道管片拼裝方式分為通縫拼裝、錯縫拼裝，兩種拼裝方式均有其特點及適用性。通縫拼裝的管片縱向不傳遞彎矩和剪力，滿足柔性襯砌的設(shè)計理念，能充分發(fā)揮圍巖自身承載特性，施工便捷，歐洲部分國家的地鐵隧道采用該拼裝方式［2］。錯縫拼裝相鄰管片環(huán)旋轉(zhuǎn)錯開一定角度，縱縫與管片呈T形交叉，環(huán)間傳遞壓力、彎矩和剪力。村上博智等［3］指出錯縫拼裝對隧道縱向剛度有加強作用，會一定程度增加接頭剛度，進而提高整環(huán)剛度，對隧道受力有利。

國內(nèi)外學(xué)者對兩種拼裝方式的地層適應(yīng)性和受力、變形特征開展了大量研究。王如路等［4］指出上海軟土地層盾構(gòu)隧道多采用通縫拼裝，由于接縫部位剛度較小，運營期易發(fā)生滲漏等工程病害，是整個隧道的薄弱環(huán)節(jié)。王譚等［5］通過數(shù)值模擬得出拼裝方式和地層參數(shù)都會對管片橫向剛度有效率有影響。李曉軍等［6］研究了隧道埋深對橫向剛度有效率的影響，指出深埋隧道錯縫拼裝的橫向剛度有效率比通縫拼裝高約20%。王士民等［7］基于模型試驗得出封頂塊位置對管片橫向抗彎剛度有影響，封頂塊位于拱腰時剛度大于位于拱頂和拱肩兩種工況。黃大維等［8］分析了管片橫向剛度有效率的影響因素，得出拼裝方式、接縫位置、分塊數(shù)量、地層參數(shù)、埋深等都會對橫向剛度有效率產(chǎn)生影響。盧院等［9］基于模型試驗和數(shù)值模擬研究了盾構(gòu)隧道截面收斂變形，得出錯縫拼裝的收斂值明顯小于通縫拼裝，封頂塊位置對收斂值有影響。

錯縫拼裝在管片橫向抗彎剛度、承載能力和斷面變形控制方面比通縫拼裝有優(yōu)勢。上述文獻主要研究了管片橫向抗彎剛度的影響因素和橫向剛度有效率的取值，而未研究拼裝方式對斷面橢圓度及地表沉降的影響。

本文依托西安地鐵15號線穿越地裂縫帶工程，研究“先盾后擴”隧道的管片拼裝方式，分析土層參數(shù)、斷面橢圓度及地表最大沉降間的對應(yīng)關(guān)系。

1 工程概況

西安地鐵15 號線府君廟村站—祝村站區(qū)間隧道總長1 318 m，先后穿越f9、f '9兩條地裂縫帶，位錯量均為200 mm。設(shè)防段左右線長分別為211.314、219.037 m，見圖1。DBJ 61/ T 182—2021《西安地裂縫場地勘查與工程設(shè)計規(guī)程》規(guī)定：鐵路、公路、地鐵和市政基礎(chǔ)設(shè)施穿越或跨越活動地裂縫時，應(yīng)采取相應(yīng)的避讓或能適應(yīng)地裂縫變形的設(shè)防措施。常規(guī)設(shè)防方案為擴大隧道斷面并分段設(shè)置變形縫。

圖1 西安地鐵15號線府君廟村站—祝村站區(qū)間設(shè)防段平面

設(shè)防段原設(shè)計方案為增設(shè)豎井后采用交叉中隔壁法暗挖和盾構(gòu)空推穿越，該工法復(fù)雜、造價高、對地面交通影響大，而且現(xiàn)場拆遷進度緩慢，無豎井作業(yè)條件，因此采用“先盾后擴”法穿越地裂縫帶。

根據(jù)詳勘報告隧址區(qū)各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。設(shè)防段隧道平均覆土厚16 m。

表1 設(shè)防段地層物理力學(xué)參數(shù)

2 管片拼裝方式

管片的拼裝方式不僅要考慮設(shè)防段管片拆除和斷面擴挖施工的便利性，還要考慮正常段管片結(jié)構(gòu)在運營階段的受力和變形穩(wěn)定。因此，管片拼裝方式有如下三種方案：全區(qū)間錯縫拼裝、全區(qū)間通縫拼裝和設(shè)防段通縫拼裝，正常段錯縫拼裝。

西安地鐵盾構(gòu)隧道主要采用錯縫拼裝，封頂塊位于拱頂左、右各偏角22.5°范圍。設(shè)防段管片若采用錯縫拼裝，上半環(huán)拆除后斷面會呈齒形交錯狀，不便于施工；若采用通縫拼裝，將封頂塊置于拱頂正中央，擴挖前先拆除封頂塊及鄰接塊，則斷面切割整齊，見圖2。因此，設(shè)防段管片拼裝方式推薦采用通縫拼裝，封頂塊位于拱頂正中央；正常段采用錯縫拼裝。

圖2 設(shè)防段通縫拼裝及管片拆除方式

3 管片力學(xué)參數(shù)和地表沉降理論分析

3.1 橫向抗彎剛度

管片環(huán)橫向抗彎剛度通常采用修正慣用法求解［10］，計算式為：

式中：η為橫向剛度有效率；ΔD1、ΔD2分別為實際管片環(huán)、勻質(zhì)環(huán)水平直徑處的變形量；（EI）eq、EI分別為實際管片環(huán)、勻質(zhì)環(huán)橫向抗彎剛度。

文獻［11-13］，統(tǒng)計了不同地區(qū)盾構(gòu)隧道通縫拼裝、錯縫拼裝時橫向剛度有效率，見表2?？芍?，錯縫拼裝的橫向剛度有效率比通縫拼裝高約15%。

表2 不同地區(qū)盾構(gòu)隧道管片拼裝方式和橫向剛度有效率

除地層參數(shù)外，橫向剛度有效率還與斷面橢圓化水平有關(guān)，如圖3 所示。其中：G、D、ΔD分別為管片自重、外徑和外徑的變形量；p1～p4均為土壓力。

圖3 管片環(huán)受力及變形示意

ΔD的計算式為

式中：Rs為管片環(huán)的計算半徑；kr為地基抗力系數(shù)；El為土層彈性模量；μ為泊松比。

土壓力計算方法：當(dāng)覆土厚度不大于2 倍隧道外徑時，參照TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》按全覆土壓力考慮；當(dāng)覆土厚度大于2倍隧道外徑時，參照文獻［13］按太沙基松弛土壓力理論計算。

水平土壓力按靜止土壓力計算，側(cè)壓力系數(shù)（K0）、洞頂松動范圍半寬（B1）、松動高度（h0）分別為

式中：φ'、φ分別為土體有效內(nèi)摩擦角、內(nèi)摩擦角；c、γ分別為土體黏聚力、重度；R為管片外半徑；H為覆土厚度；p0為地面超載，取20 kPa。

根據(jù)實測錯縫拼裝時變形，聯(lián)立式（2）至式（6）求解錯縫拼裝時管片橫向剛度有效率。通過折減15%可得通縫拼裝時管片橫向剛度有效率，進而得到通縫拼裝時管片橫向抗彎剛度。

3.2 地表沉降

Peck 等［14］將隧道施工引起的地表沉降歸結(jié)為地層損失，提出了地表沉降的經(jīng)驗公式，即

式中：S（x）為x位置的地表沉降；Smax為地表最大沉降；i為沉降槽寬度；Vl為地層損失率。

在土壓力作用下，假設(shè)隧道斷面變成橢圓形后周長不變（圖4），則

圖4 斷面橢圓化變形示意

長軸（a）為

短軸（b）為

橢圓面積（St）為

將式（10）和式（11）代入式（12），得

根據(jù)能力提升規(guī)律，首先通過隨堂案例，進行單元知識的學(xué)習(xí)，每一/幾個模塊學(xué)習(xí)完成后，通過單元項目/階段實訓(xùn)，進行知識的鞏固和提升，課程學(xué)完之后，通過課程綜合實訓(xùn)，完成知識的靈活運用。

式（13）為ΔD的遞減函數(shù)，即St隨著橢圓化程度增大而減小。當(dāng)土層和施工參數(shù)一致時，通縫拼裝導(dǎo)致的管片橫向抗彎剛度減小會引起地層損失率增大，進而造成地表沉降增大。

D、ΔD與盾構(gòu)管片拼裝后的斷面橢圓度（δ）相關(guān)，關(guān)系式為

將式（10）和式（11）代入式（14），可得

聯(lián)立式（2）和式（15），可得

通過土層參數(shù)和實測δ可計算出η。

管片變形后的輪廓與原輪廓的間隙（ε）與Vl相關(guān)，參見圖4（b），其關(guān)系式［15］為

將式（11）和式（15）代入式（17），可得

由式（18）可知，隨著δ增大，Vl增大。通過實測δ可計算出Vl。

通過錯縫拼裝時地層損失率（Vlc）和間隙參數(shù)（D-2bc），可得通縫拼裝時地層損失率（Vlt）。計算式為

聯(lián)立式（8）和式（19）可得通縫拼裝時Smaxt是錯縫拼裝時的（D-2bt）/（D-2bc）倍。

4 算例分析和工程建議

根據(jù)表1 的土層物理力學(xué)參數(shù)，加權(quán)平均后的土體內(nèi)摩擦角、黏聚力、重度分別為22.0°、25.0 kPa、19.5 kN/m3。地下水位在隧頂以上4 m。管片重度、彈性模量、外半徑、厚度分別為25.0 kN/m3、34.5 GPa、3.1 m和35.0 cm。

4.1 δ與η的關(guān)系分析

基于式（16）得到δ-η曲線，見圖5?？芍弘S著δ增大，η減?。划?dāng)δ分別為2‰和5‰時，η分別為0.94和0.19。

圖5 δ與η的關(guān)系

依據(jù)GB 50446—2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》盾構(gòu)管片斷面橢圓度應(yīng)不超過5‰。錯縫拼裝時δ實測值范圍為2.1‰ ～ 4.3‰，滿足規(guī)范要求。通過計算可得錯縫拼裝時η在0.27 ～ 0.88，通縫拼裝時η在0.23 ～ 0.75。

4.2 δ與Vl和Smax的關(guān)系分析

基于式（8）、式（18）得到Vl和Smax與δ的關(guān)系，見圖6?？芍弘S著δ增大，Vl和Smax均增大；當(dāng)δ為2.1‰時，Vl為0.27%，Smax為3.9 mm，實測值為4.1 mm；當(dāng)δ為4.3‰時，Vl為0.55%，Smax為7.9 mm，實測值為7.1 mm。

圖6 Vl和Smax與δ的關(guān)系

4.3 地表沉降對比

依托工程通縫拼裝、錯縫拼裝時地表沉降理論值與實測值對比見圖7?？芍旱乇沓两道碚撝蹬c實測值接近，曲線形態(tài)一致；通縫拼裝、錯縫拼裝時實測地表最大沉降分別為5.30、4.38 mm，前者約為后者的1.2 倍。按照本文推導(dǎo)的理論公式，相同施工參數(shù)下通縫拼裝時地表最大沉降約為錯縫拼裝時的1.12倍，可見本文推導(dǎo)的理論公式是較為可靠的。

圖7 通縫拼裝、錯縫拼裝時地表沉降理論值與實測值對比

4.4 工程建議

“先盾后擴”法地表沉降是盾構(gòu)開挖、管片拆除、洞內(nèi)擴挖三個環(huán)節(jié)的疊加，為保證施工安全應(yīng)嚴(yán)格控制各施工階段的沉降。盾構(gòu)施工階段的控制措施主要包括：調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，減小管片錯臺，確保拼裝精度；及時進行螺栓復(fù)緊，使接頭位置有足夠的預(yù)緊力，進而減小斷面橢圓度；雖然設(shè)防段通縫拼裝的管片屬于臨時結(jié)構(gòu)，建議參照規(guī)范要求將斷面橢圓度控制在5‰以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文以西安地鐵15 號線區(qū)間隧道穿越地裂縫帶工程為依托，分析了“先盾后擴”法施工管片拼裝方式及工程影響?；诶碚摲治鐾茖?dǎo)了土層參數(shù)、斷面橢圓度和地表最大沉降的關(guān)系式，并將理論值與實測值進行了比較，驗證了公式的可靠性。主要結(jié)論如下：

1）考慮設(shè)防段擴挖施工便利性和正常段結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性，設(shè)防段管片宜采用通縫拼裝并將封頂塊置于拱頂正中央，正常段管片采用錯縫拼裝。

2）由于缺少縱向加強效應(yīng)，通縫拼裝時管片橫向抗彎剛度較錯縫拼裝時?。诲e縫拼裝、通縫拼裝時橫向剛度有效率取值范圍分別為0.27 ～ 0.88、0.23 ～0.75；橫向剛度有效率隨著斷面橢圓度增大而減小。

3）通縫拼裝引起的地層損失率和地表最大沉降比錯縫拼裝大，且隨著斷面橢圓度增大而增大。

4）管片拼裝引起的地表沉降會累積在“先盾后擴”總沉降中，因此應(yīng)加強拼裝質(zhì)量管理，建議參照規(guī)范要求將通縫拼裝時斷面橢圓度控制在5‰以內(nèi)。