盾構側向始發預埋鋼板受力特征及安全性研究

李海生

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100043）

1 引言

城市地下交通發展迅速，新線建設或既有線延伸工程的敏感建筑區盾構施工中不能進行正線始發的情況越來越多，如何創造條件使得盾構在掘進線路側向進行始發就變得尤為重要[1-2]。近年來，國內外學者開展了在非傳統環境下盾構始發與掘進等方面的研究[3-8]，然而相關研究普遍采用方法是既有線路正向始發，以及常規90°垂直側向始發，或人工開挖與盾構掘進2種方式相結合并采用圓柱形鋼套筒的始發方式，這些常規且成熟的始發方法研究成果較多且技術較為完善[9-11]，但對于敏感城區盾構異形鋼套筒側向始發方案技術的研究較少。本文依托北京地鐵昌平線南延線02段工程，對敏感城區的盾構側向始發技術進行相關研究，通過采用異形鋼套筒側向始發技術順利實現地面空間不足條件下的盾構側向始發，并重點對該方案的盾構側向始發過程中的預埋鋼板安全性進行分析。

2 工程概況

北京地鐵27號線二期（昌平線南延）工程學院橋站至西土城站區間以學院橋站大里程端為起點，以西土城站為終點，開挖區間位于學院路正下方，下穿既有西土城站，采用盾構法施工。施工場地在線路西側世寧大廈的停車場內，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條件，盾構施工采用側向始發，見圖1。

圖1 現場施工場地示意圖

異形鋼套筒方案是一種全新的始發方式，與平移轉體側向始發方案類似，盾構機下井后將在平移通道內進行平移和轉體操作，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生的多余楔形土體不再進行人工開挖，而是選擇在洞門位置直接安裝異形延伸鋼套筒，對異形缸套內部的空腔區域灌注新型填料，在盾構機進入鋼套筒內就位后，即可開始始發掘進，無需進行人工開挖洞室，為盾構機掘進創造了更加便利的條件，盾構延伸鋼環補償側始發平面示意見圖2。這種機械化施工方式大大提高了現場施工效率，最大程度地避免了相關施工風險，為安全施工以及綠色施工提供了有力支持。通過這種盾構始發方案，現場施工過程得到了更好的優化，為地鐵隧道工程的高效、安全、綠色施工提供保障。

圖2 盾構延伸鋼環補償側始發平面示意圖

異形鋼套筒整體始發結構體系由壁厚2 cm、內徑6.62 m的異形套筒和2個寬1.51 m的支座構成。異形套筒一端為正圓形，一端為橢圓形，橢圓形端與洞門預埋鋼環連接，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，3節由2對厚度4 cm、高度12 cm的法蘭對接而成，套筒外側布置有縱向和環向加勁肋，加勁肋寬度均為2 cm。底部支座由底板、面板及加勁板構成，厚度均為2 cm，見圖3。所有鋼材型號均為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個寬15 cm，厚12 mm的預埋鋼板中心，預埋鋼板結構見圖4，預埋鋼板埋入橫通道二襯結構內部。預埋鋼板的固定方式采用直徑18 mm帶肋鋼筋的一端與預埋鋼板進行塞焊連接，另一端與二襯結構鋼筋點焊連接，預埋鋼板連接見圖5。

圖4 預埋鋼板結構示意圖（單位：mm）

圖5 預埋鋼板連接示意圖（單位：mm）

3 數值模型建立

3.1 模型參數

根據實際情況，得出異形鋼套筒模型設計參數及材料參數，見表1、表2。

表1 異形鋼套筒設計參數 mm

表2 始發鋼套筒材料參數

建模分析時，異形鋼套筒的加勁肋與法蘭都直接與筒體共節點連接，底部支座由底板、面板及加勁板構成，與異形護筒加勁肋共節點連接，異形鋼套筒橢圓口處焊接在一個寬15 cm、厚12 mm的預埋鋼板上。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。套筒內部土體采用注漿加固后土體參數，盾構推力為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格劃分示意見圖6。

圖6 異形鋼套筒軸側圖

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埋件之間采用焊接方式，因此鋼套筒筒體與洞門設置固定連接，邊界條件設置見圖7。

圖7 異形鋼套筒邊界條件

4 計算結果分析

預埋鋼板受力云圖見圖8。由計算結果可知，預埋鋼環所受拉力最大分布在長邊端中線以上區域，當推力1 000 t時，預埋鋼環所受最大應力約為4.3 MPa，橢圓端周圈平均所受應力均在2～2.5 MPa附近。從圖8計算可以得出，預埋鋼板所受拉力最大約1 200 kN，位于異形鋼環短邊連接處，異型鋼環橢圓接口端大部分區域受力約150～200 kN，整個鋼環受拉力總和約為9 000 kN。

圖8 異型鋼環預埋鋼板受力云圖（單位：kPa）

4.1 鋼筋總拉力

HRB400鋼筋的拉力計算為截面面積× 抗拉強度。實際應用中，取鋼筋抗拉強度、抗彎強度設計值，得到鋼筋允許設計拉力。根據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鋼筋抗拉強度為540 MPa。因此，φ18 mm的鋼筋容許拉力為137 kN。由設計圖紙可知，φ18 mm鋼筋以300 mm的間距沿著預埋鋼板均勻布置，分內外兩層，則預埋鋼板總共連接鋼筋約180根。所以預埋鋼板容許承受最大拉力約24 660 kN（大于設計拉力9 000 kN），安全系數K= 2.74，即鋼板容許拉力大于推力1 000 t時預埋鋼板所受總拉力。

4.2 鋼筋局部壓強

根據邊界條件設置可知，預埋鋼板局部所受最大拉力強度為2.8 MPa，由設計圖紙計算可得，預埋鋼板容許拉力強度約6 MPa。安全系數K= 2.14。鋼筋強度設計符合安全要求。

4.3 鋼筋、二襯粘結強度

鋼筋和混凝土之間的握裹力計算公式為：

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

上述分析均基于施工中最不利條件進行考慮分析，實際施工中異形鋼套筒兩側施作輔助支撐結構，對預埋鋼板的受力有巨大的弱化作用。且預埋鋼板的連接鋼筋一端塞焊在鋼板上，另一端點焊在結構鋼筋上，因此鋼筋與混凝土之間粘結力的強度也足夠，即鋼筋不會存在拉斷或者拔出風險。在實際施工中，盾構始發推力小于模擬計算1 000 t推力，因此計算所得的受力比實際受力會偏大。綜上，預埋鋼板鋼筋設計滿足規范安全要求。

5 洞門與筒身連接處應力監測

作為連接異形鋼環與圍巖入口的核心部件，洞門預埋鋼環在異形鋼套筒始發結構中起著至關重要的作用，其受力狀況將直接影響到洞門連接處結構的承載能力以及整體始發結構的穩定性。為全面、系統地掌握連接處在始發過程中的力學特性，以及異形鋼套筒焊縫連接處的承載能力，實現對筒身與洞門連接處受力狀態的實時監測，在洞門與異形鋼套筒筒身之間設置了應力傳感器，洞門連接處一周共均勻布設4個測點，見圖9、圖10。

圖9 筒身與洞門連接處應力測點布置

圖10 洞門與筒身連接處測點示意圖

筒身與連接處的測點B、測點D為異形鋼套筒長邊與洞門的連接位置，測點A、測點C為異形鋼套筒短邊與洞門連接的位置，根據盾構始發過程中測點A、B、C、D的應力狀態，繪制各測點應力-時間變化曲線，見圖11。由圖11可知，洞門連接處測點B的應力峰值為91 MPa，測點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，與筒身應力以及變形分析中最不利位置相吻合。根據監測得到筒身與洞門連接處最大應力為91 MPa，以及鋼套筒材料鋼材為Q235，屈服強度為293 MPa，則計算得安全系數K= 2.93＞1.5（設計值），符合設計要求。綜上所述，即筒身與洞門連接處設計安全。

圖11 預制底板A塊端部內外應力監測數據圖

6 結論與展望

（1）通過對工程設計方案中異形鋼套筒與洞門連接處在始發過程中受力薄弱點進行分析，筒身應力以及變形最不利位置位于異形鋼套筒長邊腹部斜下45°點與洞門連接處。

（2）異形鋼套筒與洞門連接結構在始發過程中的鋼筋受拉強度、局部壓強以及螺栓與二襯之間連接的3個部分的安全系數分別為2.74、2.14和2.57，均符合設計要求。

（3）工程所設計使用的異形鋼套筒安全系數高，預埋鋼板結構穩定性好，適用于城區狹小空間下的盾構始發，對于始發過程中預埋鋼板的受力危險位置需要加強設計，施工過程中需要重點監控。