盾構(gòu)側(cè)向始發(fā)預(yù)埋鋼板受力特征及安全性研究

李海生

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100043）

1 引言

城市地下交通發(fā)展迅速，新線建設(shè)或既有線延伸工程的敏感建筑區(qū)盾構(gòu)施工中不能進(jìn)行正線始發(fā)的情況越來越多，如何創(chuàng)造條件使得盾構(gòu)在掘進(jìn)線路側(cè)向進(jìn)行始發(fā)就變得尤為重要[1-2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開展了在非傳統(tǒng)環(huán)境下盾構(gòu)始發(fā)與掘進(jìn)等方面的研究[3-8]，然而相關(guān)研究普遍采用方法是既有線路正向始發(fā)，以及常規(guī)90°垂直側(cè)向始發(fā)，或人工開挖與盾構(gòu)掘進(jìn)2種方式相結(jié)合并采用圓柱形鋼套筒的始發(fā)方式，這些常規(guī)且成熟的始發(fā)方法研究成果較多且技術(shù)較為完善[9-11]，但對于敏感城區(qū)盾構(gòu)異形鋼套筒側(cè)向始發(fā)方案技術(shù)的研究較少。本文依托北京地鐵昌平線南延線02段工程，對敏感城區(qū)的盾構(gòu)側(cè)向始發(fā)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究，通過采用異形鋼套筒側(cè)向始發(fā)技術(shù)順利實(shí)現(xiàn)地面空間不足條件下的盾構(gòu)側(cè)向始發(fā)，并重點(diǎn)對該方案的盾構(gòu)側(cè)向始發(fā)過程中的預(yù)埋鋼板安全性進(jìn)行分析。

2 工程概況

北京地鐵27號(hào)線二期（昌平線南延）工程學(xué)院橋站至西土城站區(qū)間以學(xué)院橋站大里程端為起點(diǎn)，以西土城站為終點(diǎn)，開挖區(qū)間位于學(xué)院路正下方，下穿既有西土城站，采用盾構(gòu)法施工。施工場地在線路西側(cè)世寧大廈的停車場內(nèi)，為“L”型，寬度23 m，邊長73 m，占地面積2 950 m2。由于不具備正線始發(fā)條件，盾構(gòu)施工采用側(cè)向始發(fā)，見圖1。

圖1 現(xiàn)場施工場地示意圖

異形鋼套筒方案是一種全新的始發(fā)方式，與平移轉(zhuǎn)體側(cè)向始發(fā)方案類似，盾構(gòu)機(jī)下井后將在平移通道內(nèi)進(jìn)行平移和轉(zhuǎn)體操作，不同于上述方案的是對于平移橫通道與正線隧道斜交所產(chǎn)生的多余楔形土體不再進(jìn)行人工開挖，而是選擇在洞門位置直接安裝異形延伸鋼套筒，對異形缸套內(nèi)部的空腔區(qū)域灌注新型填料，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鋼套筒內(nèi)就位后，即可開始始發(fā)掘進(jìn)，無需進(jìn)行人工開挖洞室，為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)創(chuàng)造了更加便利的條件，盾構(gòu)延伸鋼環(huán)補(bǔ)償側(cè)始發(fā)平面示意見圖2。這種機(jī)械化施工方式大大提高了現(xiàn)場施工效率，最大程度地避免了相關(guān)施工風(fēng)險(xiǎn)，為安全施工以及綠色施工提供了有力支持。通過這種盾構(gòu)始發(fā)方案，現(xiàn)場施工過程得到了更好的優(yōu)化，為地鐵隧道工程的高效、安全、綠色施工提供保障。

圖2 盾構(gòu)延伸鋼環(huán)補(bǔ)償側(cè)始發(fā)平面示意圖

異形鋼套筒整體始發(fā)結(jié)構(gòu)體系由壁厚2 cm、內(nèi)徑6.62 m的異形套筒和2個(gè)寬1.51 m的支座構(gòu)成。異形套筒一端為正圓形，一端為橢圓形，橢圓形端與洞門預(yù)埋鋼環(huán)連接，異形套筒短邊長度為0.8 m，長邊長度為7.9 m，長邊分為2.6 m、2.6 m、2.7 m 3節(jié)，3節(jié)由2對厚度4 cm、高度12 cm的法蘭對接而成，套筒外側(cè)布置有縱向和環(huán)向加勁肋，加勁肋寬度均為2 cm。底部支座由底板、面板及加勁板構(gòu)成，厚度均為2 cm，見圖3。所有鋼材型號(hào)均為Q235B型。

圖3 異形鋼套筒施工照片

異形鋼套筒橢圓口處焊接在1個(gè)寬15 cm，厚12 mm的預(yù)埋鋼板中心，預(yù)埋鋼板結(jié)構(gòu)見圖4，預(yù)埋鋼板埋入橫通道二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)部。預(yù)埋鋼板的固定方式采用直徑18 mm帶肋鋼筋的一端與預(yù)埋鋼板進(jìn)行塞焊連接，另一端與二襯結(jié)構(gòu)鋼筋點(diǎn)焊連接，預(yù)埋鋼板連接見圖5。

圖4 預(yù)埋鋼板結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

圖5 預(yù)埋鋼板連接示意圖（單位：mm）

3 數(shù)值模型建立

3.1 模型參數(shù)

根據(jù)實(shí)際情況，得出異形鋼套筒模型設(shè)計(jì)參數(shù)及材料參數(shù)，見表1、表2。

表1 異形鋼套筒設(shè)計(jì)參數(shù) mm

表2 始發(fā)鋼套筒材料參數(shù)

建模分析時(shí)，異形鋼套筒的加勁肋與法蘭都直接與筒體共節(jié)點(diǎn)連接，底部支座由底板、面板及加勁板構(gòu)成，與異形護(hù)筒加勁肋共節(jié)點(diǎn)連接，異形鋼套筒橢圓口處焊接在一個(gè)寬15 cm、厚12 mm的預(yù)埋鋼板上。鋼板與門洞連接處以全約束模擬，支座底部也采用全約束模擬。套筒內(nèi)部土體采用注漿加固后土體參數(shù)，盾構(gòu)推力為1 000 t，方向垂直于土體自由面，均勻分布在土體之上。最終方案模型示意及網(wǎng)格劃分示意見圖6。

圖6 異形鋼套筒軸側(cè)圖

3.2 邊界條件

異形鋼套筒的底座與地面固定連接，異形鋼套筒筒體與洞門連接處的洞門預(yù)埋件之間采用焊接方式，因此鋼套筒筒體與洞門設(shè)置固定連接，邊界條件設(shè)置見圖7。

圖7 異形鋼套筒邊界條件

4 計(jì)算結(jié)果分析

預(yù)埋鋼板受力云圖見圖8。由計(jì)算結(jié)果可知，預(yù)埋鋼環(huán)所受拉力最大分布在長邊端中線以上區(qū)域，當(dāng)推力1 000 t時(shí)，預(yù)埋鋼環(huán)所受最大應(yīng)力約為4.3 MPa，橢圓端周圈平均所受應(yīng)力均在2～2.5 MPa附近。從圖8計(jì)算可以得出，預(yù)埋鋼板所受拉力最大約1 200 kN，位于異形鋼環(huán)短邊連接處，異型鋼環(huán)橢圓接口端大部分區(qū)域受力約150～200 kN，整個(gè)鋼環(huán)受拉力總和約為9 000 kN。

圖8 異型鋼環(huán)預(yù)埋鋼板受力云圖（單位：kPa）

4.1 鋼筋總拉力

HRB400鋼筋的拉力計(jì)算為截面面積× 抗拉強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用中，取鋼筋抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，得到鋼筋允許設(shè)計(jì)拉力。根據(jù)GB/T 1499.2-2018 《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》可知，HRB400鋼筋抗拉強(qiáng)度為540 MPa。因此，φ18 mm的鋼筋容許拉力為137 kN。由設(shè)計(jì)圖紙可知，φ18 mm鋼筋以300 mm的間距沿著預(yù)埋鋼板均勻布置，分內(nèi)外兩層，則預(yù)埋鋼板總共連接鋼筋約180根。所以預(yù)埋鋼板容許承受最大拉力約24 660 kN（大于設(shè)計(jì)拉力9 000 kN），安全系數(shù)K= 2.74，即鋼板容許拉力大于推力1 000 t時(shí)預(yù)埋鋼板所受總拉力。

4.2 鋼筋局部壓強(qiáng)

根據(jù)邊界條件設(shè)置可知，預(yù)埋鋼板局部所受最大拉力強(qiáng)度為2.8 MPa，由設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算可得，預(yù)埋鋼板容許拉力強(qiáng)度約6 MPa。安全系數(shù)K= 2.14。鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合安全要求。

4.3 鋼筋、二襯粘結(jié)強(qiáng)度

鋼筋和混凝土之間的握裹力計(jì)算公式為：

式（1）中，r為握裹強(qiáng)度，φ18 mm鋼筋經(jīng)驗(yàn)握裹強(qiáng)度為0.35 kN/cm2；D為鋼筋直徑；L為鋼筋埋入長度。計(jì)算可得預(yù)埋鋼板連接鋼筋和混凝土之間最大握裹力P≈128.5 kN。預(yù)埋鋼板根據(jù)握裹力臨界值所能承受的最大拉力約23 130 kN，安全系數(shù)K= 2.57，即預(yù)埋鋼板握裹力臨界值大于推力1 000 t時(shí)預(yù)埋鋼板所受總力。

上述分析均基于施工中最不利條件進(jìn)行考慮分析，實(shí)際施工中異形鋼套筒兩側(cè)施作輔助支撐結(jié)構(gòu)，對預(yù)埋鋼板的受力有巨大的弱化作用。且預(yù)埋鋼板的連接鋼筋一端塞焊在鋼板上，另一端點(diǎn)焊在結(jié)構(gòu)鋼筋上，因此鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的強(qiáng)度也足夠，即鋼筋不會(huì)存在拉斷或者拔出風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際施工中，盾構(gòu)始發(fā)推力小于模擬計(jì)算1 000 t推力，因此計(jì)算所得的受力比實(shí)際受力會(huì)偏大。綜上，預(yù)埋鋼板鋼筋設(shè)計(jì)滿足規(guī)范安全要求。

5 洞門與筒身連接處應(yīng)力監(jiān)測

作為連接異形鋼環(huán)與圍巖入口的核心部件，洞門預(yù)埋鋼環(huán)在異形鋼套筒始發(fā)結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，其受力狀況將直接影響到洞門連接處結(jié)構(gòu)的承載能力以及整體始發(fā)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為全面、系統(tǒng)地掌握連接處在始發(fā)過程中的力學(xué)特性，以及異形鋼套筒焊縫連接處的承載能力，實(shí)現(xiàn)對筒身與洞門連接處受力狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在洞門與異形鋼套筒筒身之間設(shè)置了應(yīng)力傳感器，洞門連接處一周共均勻布設(shè)4個(gè)測點(diǎn)，見圖9、圖10。

圖9 筒身與洞門連接處應(yīng)力測點(diǎn)布置

圖10 洞門與筒身連接處測點(diǎn)示意圖

筒身與連接處的測點(diǎn)B、測點(diǎn)D為異形鋼套筒長邊與洞門的連接位置，測點(diǎn)A、測點(diǎn)C為異形鋼套筒短邊與洞門連接的位置，根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)過程中測點(diǎn)A、B、C、D的應(yīng)力狀態(tài)，繪制各測點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間變化曲線，見圖11。由圖11可知，洞門連接處測點(diǎn)B的應(yīng)力峰值為91 MPa，測點(diǎn)B的位置位于異形鋼套筒長邊腹部斜下45°位置與洞門連接處，與筒身應(yīng)力以及變形分析中最不利位置相吻合。根據(jù)監(jiān)測得到筒身與洞門連接處最大應(yīng)力為91 MPa，以及鋼套筒材料鋼材為Q235，屈服強(qiáng)度為293 MPa，則計(jì)算得安全系數(shù)K= 2.93＞1.5（設(shè)計(jì)值），符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，即筒身與洞門連接處設(shè)計(jì)安全。

圖11 預(yù)制底板A塊端部內(nèi)外應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

6 結(jié)論與展望

（1）通過對工程設(shè)計(jì)方案中異形鋼套筒與洞門連接處在始發(fā)過程中受力薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析，筒身應(yīng)力以及變形最不利位置位于異形鋼套筒長邊腹部斜下45°點(diǎn)與洞門連接處。

（2）異形鋼套筒與洞門連接結(jié)構(gòu)在始發(fā)過程中的鋼筋受拉強(qiáng)度、局部壓強(qiáng)以及螺栓與二襯之間連接的3個(gè)部分的安全系數(shù)分別為2.74、2.14和2.57，均符合設(shè)計(jì)要求。

（3）工程所設(shè)計(jì)使用的異形鋼套筒安全系數(shù)高，預(yù)埋鋼板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適用于城區(qū)狹小空間下的盾構(gòu)始發(fā)，對于始發(fā)過程中預(yù)埋鋼板的受力危險(xiǎn)位置需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)，施工過程中需要重點(diǎn)監(jiān)控。