清華園隧道大直徑泥水盾構(gòu)始發(fā)控制掘進分析

房新勝 葉來賓 朱牧原 杜貴新

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

1 概述

隨著我國隧道建設的快速發(fā)展，盾構(gòu)法在隧道建設中逐漸成為不可或缺的一環(huán)。目前，對泥水盾構(gòu)而言，國內(nèi)外已有較多研究。林存剛等探討泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)對地面沉降的影響[1]；李承輝等通過總結(jié)蘭州地鐵1號線的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)泥水盾構(gòu)下穿黃河具有較好的適應性[2]；王乾屾等利用FLAC 3D等有限元軟件建立流固耦合模型進行計算，對盾構(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號線的經(jīng)驗，對強透水砂卵石地層下的泥水平衡盾構(gòu)帶壓與常壓進倉技術(shù)進行了有益嘗試[5]；陳中天等以蘭州地鐵1號線為研究對象，通過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算公式[7]；王昊以南寧地鐵1號線為背景，介紹暗挖隧道防治突涌災害的各種方法[8]；李達以廣州地鐵4號線的工程數(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]；閔凡路等設計泥漿有壓滲透裝置，探討了泥膜的作用機理[11]；劉方等采用數(shù)值模擬對3種預加固方案(水平旋噴樁、管幕和小導管注漿)下既有地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形和受力進行分析[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)機刀盤和刀具對卵石土、砂、粉質(zhì)黏土互層的適應性[13-14]；陳仁朋等通過三維有限元模型研究了建筑物-地層變形相互作用規(guī)律，對比分析了墻體主拉應變云圖與實測裂縫分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當隧道下穿引起的主拉應變超過0.05%的墻體區(qū)域會產(chǎn)生裂縫，且墻體裂縫的發(fā)展角度與該處的主拉應變方向垂直[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)境更為復雜，事故影響也更大。依托清華園隧道某區(qū)間工程，對泥水盾構(gòu)在粉質(zhì)黏土及砂卵石地層的掘進參數(shù)控制以及反力架等工程構(gòu)件布置進行研究。

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)間起點位于清華同方大廈西側(cè)的3號盾構(gòu)始發(fā)井，線路出3號始發(fā)井后向南依次穿越成府路、北四環(huán)后，到達位于原清華園火車站內(nèi)的2號盾構(gòu)接收井，全長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，混凝土強度C50、抗?jié)B等級P12。管片之間通過M36、8.8級直螺栓連接，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 工程特點與難點

(1)建設難點

清華園隧道是國鐵單洞雙線大直徑盾構(gòu)工程，穿越3處特級風險源以及80處一級風險源，穿越地層繁雜多樣，且可能對鄰近重要建筑物造成不良影響。

(2)施工技術(shù)

工程中采用了全預制拼裝技術(shù)，可一邊掘進一邊鋪設軌下結(jié)構(gòu)，大幅提升了工程效率，實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)、機械化拼裝、流程化組織，對于清華園隧道而言，在使用此技術(shù)后，總工期可減少4個月左右。

當盾構(gòu)機進入密封環(huán)、接觸掌子面前，盾構(gòu)機前部的懸空距離的最大值為2.7 m，為盡量阻止盾構(gòu)機出現(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。混凝土基座為弧形結(jié)構(gòu)，施工范圍為盾構(gòu)機掘進軸線左右各22.5°。

3 盾構(gòu)始發(fā)施工

3.1 盾構(gòu)機初始選型參數(shù)

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

3.2 盾構(gòu)機始發(fā)設備檢查和物資準備

(1)設備檢查

檢查盾構(gòu)機驗收報告及整機調(diào)試報告；檢查盾構(gòu)前進方向是否有障礙物，如土建施工雜物、管片間焊接鋼板等；檢查泥水處理設備的驗收報告及整機調(diào)試報告；檢查其他附屬設備包括冷卻水塔、攪拌站及龍門吊，在始發(fā)前盾構(gòu)機應完成設備的組裝調(diào)試；確保洞內(nèi)運輸及地面運輸?shù)母鞣N車輛就位。

(2)物資準備

提前使用制漿設備并配置好始發(fā)需要的初始泥漿，使用ZDJ-80設備，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，其流變性和護壁性應滿足要求。

3.3 始發(fā)基座及反力架結(jié)構(gòu)施工

方鋼作為盾構(gòu)機殼滑行的軌道。施工始發(fā)井底板時預埋插筋，將始發(fā)基座和底板連接成一個整體，使基座在始發(fā)時抗剪力更大(見圖2)。始發(fā)基座、弧形槽設計見圖3。

圖2 始發(fā)基座和底板

圖3 始發(fā)基座與弧形槽設計(單位：m)

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

盾構(gòu)前體、中體基座長13.1 m，寬8.9 m，4條盾構(gòu)機滑行軌道設置在基座周圍，與盾構(gòu)機中心線夾角分別為34.86°，88.30°。當盾構(gòu)機掘進時，由于刀盤對土體有一個旋轉(zhuǎn)切削的過程，在土體對盾構(gòu)機的反作用力下，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 反力架力學模型及相關(guān)條件

立柱計算高度為5 600 mm，橫梁跨度為5 800 mm，荷載傳遞路徑為：盾構(gòu)機推力→負環(huán)管片→反力架→鋼管支撐→支座。兩個橫梁和兩個立柱對應的桿件與負環(huán)管片相接觸。

設橫梁方向為x方向，豎柱與橫梁組成截面的垂直方向為y方向，豎直方向為z方向。在立柱的上下表面和斜支撐地面施加固定約束。

4.2 三號井反力架靜強度分析計算

(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23根鋼管支撐。所用材料主要采用Q345B高強鋼，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)機掘進方向，鋼環(huán)右端面承受5×104kN均布推力，鋼環(huán)左端不加力。

②材料的許用應力

材料的許用應力見表1。

表1 材料許用應力

(3)有限元建模

反力架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型見圖5。采用全實體單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分為45 368個單元，65 474個節(jié)點。

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，最大應力小于材料的許用應力，最大強度和剛度滿足使用要求。

圖6 反力架工況一應力云圖

②工況二

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

圖7 反力架工況二應力云圖

4.3 二號井反力架靜強度分析計算

(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)豎梁后面設若干根鋼管支撐。所用材料主要采用Q345B高強鋼，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)機掘進方向，鋼環(huán)右端面承受5×104kN均布推力，鋼環(huán)左端不加力。

②材料的許用應力

材料的許用應力同表1。

(3)有限元建模：反力架鋼結(jié)構(gòu)有限元模型見圖9。采用全實體單元進行網(wǎng)格的自動劃分。該模型共劃分了45 832個單元，66 272個節(jié)點。

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，最大應力小于材料的許用應力，最大強度和剛度滿足使用要求。

圖10 反力架工況一應力云圖

b.工況二

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

圖11 反力架工況二應力云圖

4.4 一號井反力架靜強度分析計算

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的鋼支撐強度分析

臨界力計算過程為

(1)

(2)

(3)

(4)

臨界應力為

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的鋼支撐強度分析

臨界力計算過程與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的鋼支撐強度分析

臨界力計算過程與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)

每根鋼支撐平均分攤2 610 kN的力，故鋼支撐對混凝土面產(chǎn)生的壓強為

(11)

故混凝土不會產(chǎn)生破壞。

5 盾構(gòu)掘進參數(shù)控制

5.1 試掘進參數(shù)

盾構(gòu)始發(fā)試掘進參數(shù)見表2。

表2 試掘進段掘進參數(shù)

5.2 最優(yōu)盾構(gòu)掘進參數(shù)確定控制

主要采用工程類比、試掘進、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，研究確定不同地層掘進參數(shù)。盾構(gòu)試掘進過程中，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)驗初步設定盾構(gòu)掘進參數(shù)，根據(jù)掘進時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)掘進參數(shù)。

(1) 掘削量的判斷方法

在盾構(gòu)機掘進50～100環(huán)后，對盾構(gòu)切口上方地面沉降量較小的掘進循環(huán)對應的掘削量統(tǒng)計，并將其數(shù)值輸入計算機中進行比較。

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

(2) 溢水量檢查

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

當掘削停止時，中央控制室觀測單位時間內(nèi)的累計值，如泥水溢水量過大，則應檢查泥水質(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時，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，反力架最大應力為270 MPa，最大靜撓度為7.77 mm。

(2)為控制掘進參數(shù)，盾構(gòu)始發(fā)時的掘削量和溢水量是體現(xiàn)掘進情況的重要參數(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)反力架上的應力分布在鋼管支撐處最高，豎梁次之，橫梁最小。