超大直徑盾構出井吊裝對工作井影響研究

魏向陽

（中國鐵建股份有限公司 北京 100855）

1 引 言

隨著城市建設及地下施工技術的發展，我國城市地鐵隧道建設日益廣泛，盾構法施工技術也日漸成熟。在盾構隧道設計及施工中，盾構機始發及接收是其關鍵環節，但由于隧道施工地形的復雜性、盾構機的大重量及其他特殊情況等不利因素，盾構機入井與出井設計及施工往往存在較大的困難，在吊裝過程可能導致嚴重的基坑塌陷和人員傷亡及大量經濟損失等事故的發生，可見盾構機出井吊裝尤為重要［1－4］。

國內諸多研究學者對盾構機吊裝施工中設計和施工方法進行了大量研究。張揚等［5］根據履帶吊接地比壓的概念計算了履帶板底部三種受力情況，為履帶吊底板設計提供計算依據。石嵐等［6］計算了1 250 t和450 t吊車的站位對軟弱地基的作用，并采用不同地基處理方法進行分析，確定了較為安全經濟的地基處理方法。李晉［7］對履帶吊在吊裝過程中對基坑土體產生的地基附加應力值進行了計算分析，并提出適合現場吊裝的地基處理方案。李琰等［8］采用朗肯理論分析了基坑土體的受力情況，通過計算結果制定出保證吊裝安全的措施，實現了300 t起重機的近坑吊裝作業。孔慶梅等［9］在盾構機吊出過程中對工作井結構的受力與變形進行實時監測，通過有限元軟件對吊裝施工過程進行模擬，并與監測數據對比分析，數據能較好吻合。周陽宗等［10］通過對加固前后吊裝過程進行數值模擬分析，研究發現盾構吊裝位置沉降較明顯，向外漸弱，且因土質較軟，在反力作用下使部分土體發生一定程度的隆起。宋林等［11］通過對結構樓板約束等效、冠梁剛度折減和土體參數等的合理確定，得出一種較為準確的二維模型檢算方法。

本文以濟南黃河隧道南岸接收工作井盾構機出井吊裝為研究背景，借助MIDAS GTS/NX有限元分析軟件，對濟南穿黃隧道東線隧道貫通及盾構荷載吊裝對黃河隧道南岸工作井的變形及受力影響展開研究，確保盾構工作井及吊裝工作的安全，以期為類似工程施工提供參考依據。

2 工程概況與地質條件

濟南黃河隧道全長4 760 m，盾構隧道直徑15.2 m，為超大斷面盾構隧道。南岸接收工作井主體結構為地下五層矩形框架結構，基坑結構深32.2 m、寬47 m、長27.8 m，為 C40鋼筋混凝土結構，底板厚1.5 m，側墻厚1.4 m，中隔墻厚1.2 m，頂板厚1.2 m，中板厚3.5～0.8 m，層凈高3.05～6.8 m。

南岸接收井地貌形態為沖積平原，地面高程23.76～24.6 m，地形平坦，地貌單一，主層較為連續，夾層較多，地層結構較復雜，多為黏質粉土和粉質黏土，見圖1。

圖1 南岸工作井地質剖面

3 吊裝方案

本次東線盾構機吊裝選用一臺750 t履帶吊作為主吊（用于盾構機各主要部件從接收井內吊出）及一臺260 t履帶吊作為輔吊。履帶吊吊裝站位見圖2。為滿足吊裝需要，在工作井東、北兩側履帶吊工作區域地面施工600 mm厚的鋼筋混凝土路基板。

4 數值分析

為了分析吊裝方案的可行性，保證盾構工作井及吊裝工作的安全，借助Midas GTS/NX有限元軟件，對濟南黃河隧道南岸接收工作井貫通及盾構機荷載吊裝施工過程進行三維數值計算。

4.1 吊裝施工影響預測

4.1.1 計算模型及基本假定

根據施工平面位置關系，建立三維有限元計算模型。為消除邊界條件的影響，模型范圍取3～5倍隧道洞徑，模型尺寸為：X×Y×Z＝長×寬×高＝175 m×180 m×120 m。吊車荷載等效為均布荷載施加在鋼制路基箱上。模型頂面為地表面，取為自由面，下邊界施加固定約束，左右邊界施加法向約束（見圖3～圖4）。

圖3 三維數值計算模型

圖4 三維數值計算模型透視圖

（1）土體、地連墻采用實體單元模擬，環框梁、板梁采用梁單元模擬，管片襯砌、墻、底板、腋板均采用板單元模擬。巖土體采用修正摩爾－庫倫彈塑性模型，假定其為均質、各向同性的連續介質。（2）考慮到管片之間接頭對結構剛度的影響，將結構剛度折減85%。（3）初始應力場模擬時不考慮構造應力，僅考慮自重應力的影響。

根據盾構機各部件重量，選取吊裝最大件主驅動（包含吊裝工裝吊耳415 t）時的工況進行分析。荷載按以下考慮：750 t履帶吊機身自重量（包含臂桿）240 t，車身配重 220 t，超起平衡重400 t；750 t吊鉤＋索具重量13 t，專用路基箱長6 m、寬3 m，重量23 t，考慮起吊物在吊裝過程中的動載力，取動載系數為1.2，荷載組合后地面吊裝荷載為128.48 kPa。

4.1.2 模型計算參數

巖土體采用的計算本構模型為修正摩爾－庫倫模型，圍巖地層及主要結構構件的物理力學參數見表1～表2。

表1 巖土力學參數

表2 主要結構構件計算參數

利用“單元生死”功能對濟南黃河隧道南岸接收工作井盾構吊裝施工進行全過程的仿真模擬。考慮隧道施工過程中應力釋放，土體開挖未施作管片之前應力釋放20%，在管片施作后釋放80%，不考慮主體結構施工過程。具體施工工況為：初始應力平衡→東線隧道貫通→吊裝施工。

4.1.3 有限元模擬結果與分析

由圖5、圖6可以看出，東線隧道貫通、吊車吊裝施工會對地連墻和主體結構產生影響，但產生的影響較小。受墻體開洞的影響，東線隧道貫通時，地連墻最大水平位移為－1.13 mm，主體結構最大水平位移為－0.92 mm；吊裝施工時，地連墻最大水平位移為－1.06 mm，主體結構最大水平位移為－0.86 mm，受吊裝荷載的影響，地連墻頂部出現向坑外的位移，最大位移量為0.49 mm。東線隧道貫通與吊裝施工時地連墻與主體結構X方向水平位移峰值見表3（注：各位移云圖中負值表示位移方向為垂直墻體向內，位移正值表示位移方向為垂直墻體向外）。

圖5 東線隧道貫通時地連墻及主體結構變形位移云圖

圖6 吊裝施工時地連墻變形位移云圖（TY）

表3 隧道貫通及吊裝施工時地連墻與主體結構水平X向位移峰值

根據東線隧道貫通、吊裝施工內力計算結果可以看出，環框梁的最大計算彎矩值較大，出現在第二道環框梁中部位置處。受履帶吊吊裝施工超載的影響，主體結構最大計算彎矩值為3 915 kN·m，出現在東墻（豎向）支座處。彎矩出現峰值位置及內力計算云圖見圖7～圖8。第一、三道環框梁峰值彎矩與北墻、東墻橫向彎矩峰值見表4。

圖7 東線隧道貫通時主體結構彎矩云圖

表4 隧道貫通及吊裝施工時地連墻與主體結構支撐與側墻彎矩峰值

圖8 吊裝施工時主體結構彎矩云圖

4.2 吊裝施工影響預測（荷載-結構法）

（1）計算荷載組合

結構設計應根據不同結構類型，按結構整體和單個構件可能出現的最不利組合，依相應的規范［12］要求進行計算，并考慮施工過程中荷載變化情況分階段計算。荷載組合及組合系數：1.1×（1.35×恒載＋1.4×0.7×活載）＝1.485×恒載＋1.078×活載。其中恒載為水土壓力、結構自重；活載為吊車荷載。

（2）荷載計算

場地地質條件和地層參數及主要工程材料同上，各項荷載經計算取值如下：

結構所在土層取加權平均重度：19.3 kN/m3；

結構所在土層取加權平均壓力系數：0.37；

地面施工荷載：71.38 kN/m2；

超載側壓力：26.41 kN/m2；

側墻頂水土壓力：25.7 kN/m2；

側墻底水土壓力：246.1 kN/m2；

側墻頂荷載組合結果：66.63 kN/m2；

側墻底荷載組合結果：393.93 kN/m2。

因施工期采取降水措施，不考慮結構上的水壓力，模型見圖9。

圖9 數值計算模型

（3）模擬結果與分析

通過計算可知，受隧道開洞及施工超載影響，主體結構最大計算彎矩值為2 837 kN·m，出現在北墻（豎向）支座處；受結構埋深的影響，環框梁最大計算彎矩值為9 634 kN·m，出現在第三道環框梁端部位置處。

5 安全施工

（1）考慮現場施工的不確定性及計算時選用的模型、巖土體參數等與實際存在差異，現場施工時要引起重視，加大監測頻率和強度，采取相應的措施，及時進行上報和反饋監測信息，確保施工安全。

（2）當盾構刀盤到達接收洞門圍護結構時，為了確保盾構接收端土體具有良好的自穩性和密實性，避免在洞門破除期間接收洞口出現地下水及砂土涌出情況，必須提前對接收端頭土層進行加固、降水。地層加固后，需驗證加固效果，保證盾構安全接收。

（3）盾構隧道貫通前，需按照《盾構法隧道施工與驗收規范》（GB 50446—2017）的相關要求，對接收洞門位置進行復核測量，繼而確定盾構機的貫通姿態及掘進糾偏計劃，另外還需利用井下控制點對盾構姿態進行人工復測，以確保掘進過程中盾構姿態正確。

（4）盾構接收段周邊建筑物密集且距離較近，必須嚴格按照方案施工，以確保周邊建筑安全。

6 結論

本文以濟南黃河隧道南岸接收工作井盾構機出井吊裝為工程背景，借助MIDAS GTS/NX有限元軟件，分析了東線隧道貫通及吊裝施工對黃河隧道南岸工作井的變形及受力影響，得到結論如下：

（1）東線隧道貫通、吊車吊裝施工會對地連墻和主體結構產生影響，但產生的影響較小。東線隧道貫通時，地連墻最大水平位移為－1.13 mm，主體結構最大水平位移為－0.92 mm；吊裝施工時，地連墻最大水平位移為－1.06 mm，主體結構最大水平位移為－0.86 mm。

（2）東線隧道貫通、吊裝施工內力計算表明，環框梁的最大計算彎矩值為16 325 kN·m，出現在第二道環框梁中部位置處。受履帶吊吊裝施工超載的影響，主體結構最大計算彎矩值為3 915 kN·m，出現在東墻（豎向）支座處。

（3）受隧道開洞及施工超載的影響，主體結構最大計算彎矩值為2 837 kN·m，出現在北墻（豎向）支座處；受結構埋深的影響，環框梁最大計算彎矩值為9 634 kN·m，出現在第三道環框梁端部位置處。

（4）通過對比分析及計算結果均表明吊裝方案的可行性，能夠保證盾構工作井及吊裝工作的安全。考慮現場施工的不確定性，在滿足吊裝要求的同時，履帶吊應盡量遠離接收井以減小對主體結構的影響，現場施工時要引起重視，加大監測頻率和強度，及時上報和反饋監測信息，確保吊裝施工安全。