機械法聯絡通道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同創新中心，浙江 寧波 315211)

0 引言

隨著中國經濟的高速發展，城市人口持續增長，城市土地資源日益匱乏，開發地下空間、實現城市功能需求已成為城市發展的新方向[1]。大力發展地鐵建設，為城市空間規劃設計、區域結構優化提供了良好的解決途徑。在城市軌道建設中，對于2條單線區間隧道，當隧道連貫長度>600m時，應設聯絡通道[2]。聯絡通道具有火災救援、消防疏散等作用。目前，聯絡通道修建方法主要包括明挖法、淺埋暗挖法、凍結法和機械法。明挖法對地面環境的影響大，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定地層，受工程地質和水文地質條件影響較大。凍結法在富水軟土、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，發生應力重分布，降低隧道管片膠結強度。

機械法是聯絡通道施工的發展方向，相比傳統施工方法，機械法具有機械化程度高、工期短、成型結構質量好、作業環境安全可控等優點[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、南京地鐵頂管法聯絡通道、國內首條盾構法聯絡通道(寧波軌道交通3號線鄞州區政府站至南部商務區站)[8]和無錫頂管法聯絡通道[9]中得到應用。朱瑤宏等[10]、丁修恒[11]對聯絡通道盾構法修建技術進行了系統闡述。朱瑤宏等[12]、柳獻等[13]通過足尺試驗及現場監測數據，研究了盾構主隧道在機械切削過程中的結構響應。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、穩定的結構措施。Spyridis等[16]通過對隧道側壁開口過程進行數值模擬，分析了隧道開口過程中的變形和內力變化及影響范圍。Wang等[17]采用有限元軟件分析了機械法聯絡通道施工前、后長期荷載作用下T接洞門內力與變形。萬敏等[18]采用有限元軟件分析了機械法聯絡通道施工時主隧道結構內力、變形重分布特性及其對各不利工況的敏感性。

目前，對于機械法聯絡通道的研究主要集中于開展足尺試驗研究與數值模擬，縮尺模型試驗研究較少。由于現場足尺試驗中盾構機體積較大，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，自主設計研發機械法聯絡通道試驗平臺，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，試驗結果可為機械法聯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的機械法聯絡通道試驗平臺上開展，試驗平臺主要包括模型箱、模型盾構試驗機和數據采集系統(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構，方便動態觀察試驗現象，如圖2所示。模型箱四周開孔，以放置主隧道管片，并方便盾構機掘進，模型箱內填充細砂，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 模型盾構試驗機

本試驗采用的模型盾構試驗機按照真實盾構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。模型盾構試驗機由刀盤掘進系統及儀器控制系統構成，如圖5所示。

圖5 模型盾構試驗機

1)刀盤掘進系統

機械法聯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無盲區切削。根據盾構隧道模型實際切削需求，可采用新型全斷面切削刀盤實現盾構全斷面切削，通過錯位刀盤組合形式達到無盲區切削的效果。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

模型盾構試驗機掘進全過程的參數控制由控制臺完成，如圖8所示?？刂婆_操作方式可分為手動操作與自動操作，整個控制系統可實時控制模型盾構試驗機頂推、后撤、刀盤轉動、液壓動力、目標掘進距離。

圖8 模型盾構試驗機控制臺

模型盾構試驗機推進液壓系統最大可提供6.3MPa頂推力，通過液壓推進控制閥實時調整盾構機掘進切削全過程的頂推力。整體推進刀盤轉速由推進系統控制，可實現0～50r/min轉速實時調控。

1.3 數據采集系統

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

2 試驗方案

2.1 試驗用土及填筑

采用當地級配良好的細砂，通過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進行測試，測得土體內摩擦角為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壁對應位置沿切削洞口徑向和環向粘貼應變片，內、外壁各布置13個電阻應變片(見圖9)，測量管片結構內外壁應變值，進而得到管片結構彎矩、軸力。為方便區分，外壁應變片編號為T1～T13，內壁應變片編號為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型靜態應力應變測試分析系統，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絡通道模型試驗T接部位接收端盾構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 主隧道破洞后盾構機繼續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 試驗結果與分析

整個切削試驗過程進行平穩，切削速度較快，切削關鍵過程如圖10所示。模型盾構機破洞過程持續時間較短，期間有少量砂土涌出；盾構機刀頭進一步掘進，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，整體結構安全穩定。

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向應變變化較明顯，同側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，環向應變分析以T6應變片為例，隧道內壁沿切削洞口徑向應變分析以F7應變片為例，環向應變分析以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，隧道內壁和外壁沿切削洞口徑向應變和環向應變在工況Ⅱ，Ⅲ下呈現出相反的變化趨勢，分析知在隧道外壁沿切削洞口徑向主要發生了拉伸變形，沿切削洞口環向主要發生了壓縮變形；在隧道內壁沿切削洞口徑向主要發生了壓縮變形，沿切削洞口環向主要發生了拉伸變形。主隧道同一測點位置內壁和外壁應變變化較明顯，以T6，F6測點為例，在工況Ⅱ，Ⅲ下，主隧道內、外壁應變變化趨勢相反。在工況Ⅰ下，由于盾構機刀頭未接觸隧道壁，未產生明顯應變；隨著盾構機刀頭向前推進，在工況Ⅱ下接觸隧道壁后，隧道應變明顯增大，增大趨勢延續至工況Ⅲ初期，盾構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，內力重分布；隨著盾構機刀頭持續掘進，隧道壁應變持續增加，增加趨勢延續至工況Ⅳ結束。整個試驗過程出現2個明顯峰值，第1個峰值出現在工況Ⅱ結束、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為65.66με，環向應變為-40.04με，隧道內壁沿切削洞口徑向應變為-99.49με，環向應變為115.15με；第2個峰值出現在工況Ⅳ結束，即主隧道切削完成時刻，隧道外壁沿切削洞口徑向應變為132.57με，環向應變為103.35με，隧道內壁沿切削洞口徑向應變為80.12με，環向應變為130.02με。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，主隧道環向、軸向軸力基本表現為正相關增大趨勢。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，主隧道環向彎矩呈負相關變化，主隧道存在向內變形的趨勢；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。最大彎矩發生在工況Ⅱ結束、盾構機將要破洞時，主隧道環向最大負彎矩為-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 結語

機械法修建聯絡通道的優越性在實際工程中得到了體現，但作為新興技術，仍在實際應用過程中存在不足，需通過試驗及數值模擬等進行進一步研究。通過開展機械法聯絡通道施工縮尺模型試驗，還原盾構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、彎矩等變化規律，得出以下結論。

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

2)在切削破洞過程中，主隧道環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，主隧道環向、軸向軸力基本表現為正相關增大趨勢。實際施工過程中，考慮主隧道整體安全性，應在主隧道內部設置支撐。

3)在切削破洞過程中，主隧道環向彎矩呈負相關變化，主隧道存在向內變形的趨勢；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部設置支撐。

4)整個切削過程中，主隧道發生的變形較小，總體來說影響范圍較小，隧道結構安全。

5)縮尺模型試驗還原了機械法施工過程中盾構機刀頭切削隧道壁的全過程，彌補了現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。