盾構通過礦山法隧道段數(shù)值模擬研究

周 禾，張慶賀，徐 飛

(1.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092;2.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092;3.上海第一市政工程有限公司，上海 200092)

針對單一地層而言，都有比較合適的相應施工工法。如堅硬巖體隧道，可以采用礦山法施工;均質較硬巖體的山嶺隧道，可以采用TBM工法施工;軟土地層的暗挖隧道，可以采用盾構法施工等。然而，對于復雜地層、軟弱不均的地層，實際施工中仍有不少難處。如軟硬互層段、有孤石地段和微風化高硬度巖石段或遇到建筑物樁基等障礙物，此時單純依靠一種工法較難完成施工。

目前，國內在廣州、深圳等地的地鐵施工過程中碰到的復雜地層、軟弱不均的地層時，一般都采用盾構通過礦山法隧道段的施工工法。劉建美［1］以廣州地鐵四號線大學城專線小新區(qū)間隧道為例，詳細介紹了盾構通過礦山法施工隧道段時的回填、盾尾注漿和分階段壓注漿等工藝;楊書江［2］從解決空推無法對已拼裝管片隧道施加足夠軸向壓力角度出發(fā)，提出了在盾構通過礦山法施工隧道段拼裝管片時，采用焊接連接鋼筋、支擋牛腿和復緊螺栓三步走的措施，保證隧道的防水效果。汪茂祥［3］結合廣州地鐵5號線區(qū)楊盾構區(qū)間盾構隧道，介紹了盾構通過礦山法施工隧道段的導臺施工、盾構“磕頭”、管片錯臺控制和增大盾構總推力壓緊管片等施工關鍵技術。

但是，目前大部分研究工作主要圍繞盾構通過礦山法隧道段的施工工藝研究，并未從理論上系統(tǒng)地分析盾構通過礦山法隧道段時管片的受力變化規(guī)律。為了探索盾構通過礦山法隧道段時管片的受力變化規(guī)律，本文結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用三維有限元軟件ANSYS對盾構通過礦山法隧道段進行研究，分析管片受力情況在隧道縱軸線上的變化規(guī)律，為今后國內地鐵盾構通過堅硬地層施工提供理論依據(jù)和技術支持。

1 工程簡介

1.1 盾構通過礦山法隧道段工藝簡介

盾構通過礦山法隧道段施工的通常做法是:①從地表打一豎井下至隧道設計巖層處，采用礦山法將較堅硬巖土層爆破挖除，施工斷面稍大于盾構外徑的初期襯砌;②在礦山法隧道內回填土或者細石子;③盾構在預先做好的礦山法隧道里空推并完成管片拼裝(此階段基本無同步注漿);④補壓漿。見圖1。

圖1 盾構在礦山法隧道里空推通過工作豎井

1.2 依托工程簡介

深圳地鐵2號線東港路站—招商東路站區(qū)間隧道從東港路站出發(fā)，下穿新建澳城花園，地質條件復雜，隧道下部將遇到高強度微風化巖層。隧道斷面內為最不利的第四系中更新統(tǒng)殘積層、拱頂上部為具有高滲透性(滲透系數(shù)達到15 m/d)的③3礫砂(含淤泥)層。

區(qū)間隧道整體設計為土壓平衡盾構施工。采用預先礦山法暗挖，然后盾構通過礦山法施工隧道段的施工方法通過其間的高強微風化巖層段。左右線礦山法段分別長147.5 m和287.0 m，埋深約10.0 m(見圖2)。

圖2 盾構通過礦山法隧道段平面圖

礦山法隧道襯砌為 C25、S6噴射混凝土，內徑6 600 mm，外徑7 300 mm，厚 350 mm;盾構管片為C50、S10預制管片，內徑5 400 mm，外徑6 000 mm，厚300 mm。

1.3 盾構通過礦山法隧道段遇到的技術難題

與軟土地區(qū)的普通盾構施工相比，在已經(jīng)施工完畢的礦山法隧道內進行盾構空推施工，存在如下幾大技術難題:

1)隧道上部缺少上覆土的作用，導致管片脫出盾尾后上浮較嚴重;

2)盾構縱向及四周失去土體擠壓力，管片拼裝難以達到橫向真圓度，環(huán)間接縫難以壓緊，差異沉降較大，易造成管片錯臺，對隧道正常使用和管片防水產生不利影響。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算假定

為了探求盾構通過礦山法隧道段管片受力變化的基本規(guī)律，需要對實際工況作出一些假定。基本計算假定如下:

①地表面和各土層均呈勻質水平層狀分布;②計算中不考慮管片接頭影響以及錯縫拼裝方式對襯砌整體剛度的折減作用;③盾構每個推進步長為3 m(2環(huán)管片寬度);④土層采用理想彈塑性模型，噴射混凝土、管片及回填材料采用線彈性模型;⑤盾構在礦山法隧道里空推施工時無同步注漿。

2.2 計算模型

如圖3(a)所示的計算模型，Z軸為隧道軸線方向，Y軸為隧道深度方向，X軸為隧道寬度方向。模型X方向寬40.0 m，Y方向深33.0 m，Z方向長45.0 m。網(wǎng)格Z方向間距1.5 m(取一環(huán)管片的寬度)。隧道埋深為13.0 m。

模型邊界條件:模型前后兩面邊界施加Z方向的水平約束;模型的左右邊界施加X方向的水平約束;模型底面施加Y方向的豎向約束。

圖3 數(shù)值計算模型

考慮到管片的接頭影響，采用等效剛度(剛度折減系數(shù)取為0.9)的方法，將管片視為均質彈性殼結構(shell63單元)，如圖3(b);土體及回填層采用實體單元(solid45)，且服從D-P屈服準則。通過改變回填材料力學屬性的方法來實現(xiàn)補壓漿工藝。地下水的作用，以施加在管片單元的壓力荷載來代替。各層土體及支護體力學參數(shù)見表1。

表1 基本計算參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬計算流程

根據(jù)盾構通過礦山法隧道段的實際施工過程，數(shù)值模擬流程如下:

第一步，數(shù)值計算初始條件。包括3個計算步:第1計算步，自重應力;第2計算步，開挖土體，并考慮開挖時的應力釋放(釋放率取為50%);第3計算步，施作礦山法隧道襯砌噴射混凝土。

第二步，盾構在礦山法隧道內空推(無同步注漿)并完成管片拼裝。其空推工況為:回填層回填至隧道中心線深度處，地下水位位于隧道中心線處。每個空推步施工2環(huán)管片，同時施加掌子面壓力P1=1 MPa，分15個空推計算步;其中最后第15空推步到達模型的邊界，不施加掌子面壓力。

第三步，補壓漿。盾構空推完全完成以后，進行補壓漿施工。補壓漿施工工況為:施工到某一補壓漿步時，對該補壓漿步的2環(huán)管片施加補壓漿壓力［4］，考慮此前壓注的漿液已凝固并完全填充隧道建筑間隙，同時取消上一補壓漿步的壓力荷載。計算示意如圖4。

圖4 補壓漿施工數(shù)值模擬示意

3 空推計算結果及分析

盾構空推施工時管片縱、橫向受力變化規(guī)律具有明顯的三維特征，沿隧道軸向不同位置管片的縱、橫向受力不同。為研究管片縱、橫向受力變化規(guī)律，在計算過程中，沿隧道軸向每3 m(2環(huán))設一監(jiān)測斷面，在Z=3～42 m處，共設14個斷面，每個斷面監(jiān)測管片橫向彎矩、軸向應變及隧道管片徑向壓力的變化。通過對各個斷面的分析，可以得出盾構通過礦山法隧道段時管片的受力變化情況，綜合分析14個斷面，可以得到沿隧道軸線管片受力變化的規(guī)律。

3.1 管片橫向彎矩分析

圖5為盾構空推施工至第22環(huán)時管片橫向彎矩圖。為分析盾構空推施工過程中管片橫向彎矩在縱向上的分布規(guī)律，在模擬計算中布設了5個點(如圖6中的A，B，C，D和 E)來監(jiān)測管片橫向彎矩變化。各監(jiān)測點位置如圖6所示。

圖5 空推至第22環(huán)時管片橫向彎矩云圖(單位:N·m)

由于盾構空推過程中，管片上下部分回填層充填密實程度不同，所以管片不同位置處受力情況不同。盾構空推施工過程管片不同位置內力縱向變化規(guī)律如下(見圖7)。

圖6 模型監(jiān)測點布置示意

圖7 盾構空推至第26環(huán)時管片橫向彎矩

1)空推施工中，管片上半部分無回填層，上半部分受力情況在縱向上理應傳遞比較遠。在脫離盾尾16環(huán)管片(24 m)的范圍內，管片拱頂位置、最大負彎矩位置橫向受力隨著脫離盾尾距離的增大而增大;在脫離盾尾16環(huán)以后，這兩個位置受力完全穩(wěn)定，彎矩穩(wěn)定值分別為10.0 kN·m和-9.7 kN·m。

2)拱底位置存在回填層，縱向傳力相比拱頂衰減快。在脫離盾尾12環(huán)管片(18 m)的范圍內，管片拱底橫向受力隨著脫離盾尾距離的增加而增大;在脫離盾尾12環(huán)以后，拱底位置受力完全穩(wěn)定，彎矩穩(wěn)定值為 5.0 kN·m。

3)隧道中心線位置回填層回填程度處于過渡狀態(tài)，其受力穩(wěn)定距離為14環(huán)(21 m)，穩(wěn)定值為 -6.8 kN·m。

3.2 管片軸向應變分析

圖8為管片拱頂、隧道中心線位置、拱底3個監(jiān)測點的縱向應變在隧道軸向上的變化規(guī)律。總的來看，管片縱向應變變化可以分兩個階段，第一階段是隨著管片脫離盾尾的距離增大，管片縱向應變減小;第二階段是當管片脫離盾尾距離達到穩(wěn)定距離后，管片縱向應變保持穩(wěn)定不變。從圖8中可以看出，盾構空推施工過程中管片不同位置縱向應變在隧道軸向上的變化規(guī)律有所不同:管片拱頂縱向應變的穩(wěn)定距離是20環(huán)(30 m)，而管片中心線位置的穩(wěn)定距離是16環(huán)(24 m)。管片橫斷面不同位置壓應變不同，應對壓應變小的部位及時緊固縱向螺栓，保證隧道縱向穩(wěn)定。

3.3 隧道管片徑向壓力分析

圖8 盾構空推至第26環(huán)時管片軸向應變分布

為分析盾構在礦山法隧道內空推過程中回填層土壓力在縱向上的分布規(guī)律，在模擬計算中布設了4個點(如圖 9 中的 A′、B′、C′和 D′)來監(jiān)測回填層土壓力的變化。各監(jiān)測點位置如圖9所示。

圖9 回填層土壓力監(jiān)測點布置示意

從圖10盾構空推至第22環(huán)時4個監(jiān)測位置隧道管片徑向壓力分布情況可以看出，第一階段，在脫離盾尾一定的距離內，回填層土壓力隨著脫離盾尾距離的增大而增大;第二階段，當管片脫離盾尾距離達到一定程度時，回填層土壓力基本穩(wěn)定不變，即管片、回填層受力基本穩(wěn)定。

圖10 盾構空推至第22環(huán)時4個監(jiān)測位置隧道管片徑向壓力分布情況

對比分析不同監(jiān)測位置回填層土壓力的變化曲線，又可以看出盾構空推施工過程不同位置回填層土壓力在縱向上的變化規(guī)律又稍有不同:監(jiān)測點A′處回填層土壓力的穩(wěn)定距離是16環(huán)(24 m)，監(jiān)測點 C′處的穩(wěn)定距離是12環(huán)(18 m)。同一橫斷面回填層壓力分布呈由隧道中心線位置到拱底減小分布規(guī)律。

4 補壓漿計算結果及分析

盾構空推完成以后，進行補壓漿施工。補壓漿施工數(shù)值模擬的主要目的是分析補壓漿施工對管片受力的影響范圍。考慮對稱補壓漿與單側補壓漿兩種工況(見圖11)。

圖11 補壓漿示意

4.1 管片橫向彎矩分析

圖12和圖13分別給出了對稱補壓漿與右側單側補壓漿工況下隧道拱頂和補壓漿位置管片橫向彎矩對比圖。從圖12和圖13中可以看出:

1)最大正彎矩(管片內側受拉為正)均發(fā)生在補壓漿位置。對稱補壓漿和單側補壓漿工況下的橫向最大正彎矩分別為 21.8 kN·m，37.4 kN·m。

2)補壓漿施工會引起注漿環(huán)及鄰近管片受力的顯著變化。其中單側補壓漿的影響范圍為-9 m至9 m(前后6環(huán));對稱補壓漿的影響范圍為-6 m至6 m(前后4環(huán))。

圖12 拱頂橫向彎矩對比

圖13 補壓漿位置橫向彎矩對比

4.2 隧道管片徑向壓力分析

圖14和圖15分別給出了對稱補壓漿與右側單側補壓漿工況下隧道中軸線位置和拱底位置管片徑向壓力對比圖。從圖15中可以看出，對稱補壓漿時，拱底位置管片徑向壓力最大值約為0.8 kPa，較單側補壓漿時的0.2 kPa大，說明對稱補壓漿對控制管片上浮效果更佳。綜合圖14和圖15可以看出，對稱補壓漿與單側補壓漿對管片徑向壓力的影響范圍基本一致，為補壓漿位置前后4環(huán)。

圖14 隧道中軸線位置管片徑向壓力對比

圖15 拱底位置管片徑向壓力對比

5 數(shù)值模擬與監(jiān)測結果對比

圖16給出了監(jiān)測點A′隧道管片徑向壓力數(shù)值解與監(jiān)測值的對比。從對比結果看，數(shù)值模擬反映了隧道管片徑向壓力變化的基本趨勢，但數(shù)值模擬值比實際監(jiān)測值大。主要原因有三:一是因為回填層壓力過小，監(jiān)測儀器的靈敏度不夠;二是數(shù)值模擬中回填層的本構選取的為彈性本構關系;三是數(shù)值模擬無法完全模擬實際施工過程，有很多細節(jié)數(shù)值模擬沒有考慮。

圖16 監(jiān)測點A′隧道管片徑向壓力數(shù)值解與監(jiān)測值的對比

圖17給出了拱頂位置縱向應變數(shù)值解與監(jiān)測值的對比。從對比結果看，數(shù)值模擬反映了管片縱向應變變化的基本趨勢，但數(shù)值模擬值比實際監(jiān)測值大。主要原因是數(shù)值模擬無法完全模擬實際施工過程，有很多施工細節(jié)數(shù)值模擬沒有考慮。如數(shù)值模擬沒有考慮實際施工過程中不同位置的千斤頂頂進力的不同，也沒有考慮導臺的摩擦阻力等。

圖17 拱頂位置縱向應變數(shù)值解與監(jiān)測值的對比

6 結論

通過對深圳地鐵2號線東港路站—招商東路站區(qū)間盾構通過礦山法隧道段施工的數(shù)值模擬，可以得出如下結論:

1)空推階段管片受力(包括管片橫向彎矩、縱向應變和隧道管片徑向壓力)變化規(guī)律表現(xiàn)為兩個階段，第一階段是隨著管片脫離盾尾的距離增大，管片橫向彎矩和徑向壓力增大，而縱向應變反之。第二階段是當管片脫離盾尾距離達到穩(wěn)定距離(不同位置穩(wěn)定距離不同)后，管片受力保持穩(wěn)定不變。

2)補壓漿階段補壓漿施工會引起注漿環(huán)及鄰近管片受力的顯著變化。對稱補壓漿的影響范圍大約為-6 m至6 m(前后4環(huán));單側補壓漿的影響范圍大約為-9 m至9 m(前后6環(huán))。與對稱補壓漿相比，單側補壓漿影響范圍擴大，由前后4環(huán)擴大至前后6環(huán)。

3)從管片受力與控制管片上浮角度考慮，對稱補壓漿較單側補壓漿效果理想。

4)增加盾構前堆土高度，對稱壓漿，及時緊固連接螺栓、及時排放盾尾間隙地下水等是保證該工法成功的關鍵。

［1］劉健美.“盾構法+礦山法”施工在廣州地鐵四號線大學城專線段的應用［J］.廣東土木與建筑，2005(6):14-15，25.

［2］楊書江.盾構在硬巖及軟硬不均地層施工技術研究［D］.上海:上海交通大學，2006.

［3］汪茂祥.盾構通過礦山法施工隧道段關鍵技術［J］.現(xiàn)代隧道技術，2008，45(1):67-70.

［4］葉飛，朱合華，何川，等.盾構隧道壁后注漿擴散模式及對管片的壓力分析［J］.巖土力學，2009，30(5):1307-1312.

［5］魏綱，劉加灣.盾構法隧道統(tǒng)一土體移動模型參數(shù)取值研究［J］.鐵道建筑，2009(2):48-51.