盾構管片開孔臨時支護措施研究

【摘" " 要】：為了優化盾構管片開孔臨時支撐系統，依托以色列特拉維夫綠線項目，對新型環形鋼支撐支護形式進行了數值模擬理論分析。驗證了此結構樣式具有良好的結構穩定性、經濟性、便捷施工性，可為類似管片破除臨時支護或者管片加固提供一種新的解決方案。

【關鍵詞】：盾構；管片開孔；環形鋼支撐；支護措施

Study on Temporary Support Measures for Tunnel Segment Opening

GAN Yicheng， LIN Yunjun， HE Aihua， ZHU Guangya

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308，China）

【Abstract】：To optimize the temporary support system for tunnel segment openings， a new type of circular steel support was analyzed by numerical simulation based on Tel Aviv Green Line project. It is proved that this structure style has good structural stability， economy and convenient construction， and can provide a new solution for similar temporary support or segment reinforcement.

【Key words】：tunnel shield； segments opening； circular steel support； support measures

盾構區間的附屬結構，例如聯絡通道、區間通風井、 雨水泵房等，通常采用傳統暗挖法施工[1]，施工前需要破除已拼裝好的盾構管片，再實施洞內開挖，施工相關結構。其中，破除原管片時，原隧道的安全性（包括土體穩定性以及相鄰管片的受力安全性）不僅是施工期間的安全保障，更是附屬結構施工完成后，整個結構系統安全穩定及耐久性的保障。

Chungsik Y等[2]對管片開孔處的受力進行了3D數值分析研究，并列舉了幾種臨時支護措施；劉軍等[4]對聯絡通道施工過程中管片開孔應用數值模擬進行力學分析，提出了管片破除前架設井字形臨時鋼支撐的重要性；劉震中等[4]對大直徑盾構隧道聯絡通道施工技術進行研究，通過對管片變形和地層沉降的監測，肯定了臨時支撐系統的關鍵作用。以上多是對管片開孔處受力問題的研究，對管片開孔臨時支撐形式的研究很少，本文提出一種新型環框形式的臨時鋼支撐，并依托以色列特拉維夫綠線工程聯絡通道設計施工為例，建立相應三維有限元模型，對環框形式的鋼支撐進行力學安全及穩定性分析。

1 傳統臨時支護

目前國內對管片臨時支護的做法有以下幾種：一是在開孔附近設計多環特制鋼管片[6]，此方法雖然拆卸方便，但成本高，加工難度也相對較大，同時在地下潮濕環境中鋼管片的耐腐蝕性較差，影響耐久性；二是在開孔附近管片環縫間設置相互切合的剪力銷[6]，管片局部破除時，殘余管片靠剪力銷將力傳遞到相鄰完整管片，不需要額外支護，但這種帶插裝剪力銷的管片需要特殊的管片制作模具，費用較高，管片拼裝時對施工精度要求較高，剪力銷位置容易出現裂縫；三是在開孔附近架設臨時井字形鋼支撐，此方案架設靈活，但當隧道底部有臨時出土和管片運輸軌道及其他排水管通風管時，易與井字形鋼支撐沖突，且井字形中間空間限制較多，不方便管片破除后的開挖施工。

2 工程概況

以色列綠線G3-2項目位于特拉維夫主城區，地下部分共有4站4區間，采用雙線盾構法施工，設置10個區間聯絡通道。由于工籌計劃安排及地面場地限制，部分聯絡通道施工時盾構機仍在掘進，即要求聯絡通道施工時不能耽誤或者阻斷盾構機的出土、管片運輸、洞內通風等工作。

選取埋深最大的一個聯絡通道作為研究對象。該處區間管片覆土厚度約為17.2 m，施工期間地下水深度約10.4 m，主要為黏土層（CL）、砂層（CH）、黏質砂層（SC）及Kurkar（凝砂塊）結構的K1、K2、K3地層。隧道洞身主要穿越Unit2地層。見表1。

該聯絡通道兩側主隧道管片外徑7 200 mm、內徑6 500 mm，混凝土等級為B60（fck=60 N/mm2、Ecm=3 170 060 N/mm2）。每環拼接形式為“5+1”，寬度為1 m，錯縫拼接，環縫與縱縫間均采用等級為8.8的M20螺栓連接。根據聯絡通道空間要求，主隧道管片需開孔尺寸為2.9 m×3.548 m。見圖1。

3 臨時支護措施

3.1 支護方案的選擇

在隧道管片開孔前需進行臨時支護，一直持續使用到聯絡通道二襯施工完成并達到設計強度后方可拆除，但此過程中盾構機出土車及管片運輸車等后配套仍需經過此處，所設計鋼架不能阻斷運輸通道，傳統做法有特制鋼管片和環縫剪力銷兩種方案。對造價、當地施工水平及管片廠家加工工藝水平的調研發現：由于整個區間聯絡通道處涉及多種管片寬度（800、1 000、1 500 mm），導致鋼管片造價較高；剪力銷對管片生產及現場安裝精度要求較高，本項目還涉及小半徑曲線，設置管片環縫剪力銷較為困難，精度無法保證。

經過與盾構廠家及施工單位探討，設計出一種新型支護方案：7個環形工字鋼（規格203×203×86 kg/m UC）+2個橫梁（規格457×279×128 kg/m UB）形式，鋼環間采用連系梁（203×203×86 kg/m UC）連接，每個鋼環由5段弧形工字鋼通過螺栓連接形成閉環，管片開孔處上下各設置2個橫梁，在洞口范圍內的上下橫梁與連系梁間采用十字撐連接。見圖2。

3.2 計算模型

3.2.1 模型的建立

采用有限元軟件SAP2000對臨時支撐系統進行截面應力和自身變形驗算；采用巖土有限元軟件Plaxis-3D對整個施工過程模擬，計算地面變形及管片穩定性。

在SAP2000中，使用桁架單元模擬鋼環，通過迭代方法求解結構的位移和應力，從而判斷結構的安全性；環形鋼梁簡化為連續框架構件；管片與鋼環的接觸面采用gap單元模擬。為了增加安全余量，計算模型不考慮管片的支撐作用，荷載經管片傳導到每環鋼環上，模型中將荷載直接附加到每環鋼環上。見圖3。

在Plaxis中，土體模型大小為80 m×20 m×50 m，采用板單元模擬管片，框架單元模擬鋼環，管片與鋼環之間采用單壓線彈簧連接。對管片開孔外側，即聯絡通道區域進行土層參數修改，以表達土層加固。使用界面單元模擬管片結構與周圍土體的相互作用，界面單元的力學屬性可以使用對周圍土層力學參數值進行折減的方法計算（軟件默認方法），界面單元折減系數Rinter的取值范圍在0～1。施工全過程模擬：盾構管片安裝—聯絡通道區域地層加固—臨時鋼環安裝—管片開孔—聯絡通道開挖。見圖4。

3.2.2 荷載組合

聯絡通道處主隧道管片埋深17.2 m，地下水埋深10.4 m。在SAP2000計算中，根據地勘參數，土壓力采用太沙基理論判斷為淺埋隧道，全土柱計入土壓力；水壓力按水位高度計算；地面超載按15 kN/m2取值。

荷載組合分為極限承載力狀態下的基本組合和正常使用狀態下的標準組合，其中基本組合效應用來驗算支撐各構件的截面應力強度是否安全，標準組合效應用來驗證支撐整體變形穩定性。具體組合系數根據以色列規范取值，見表2。

3.3 計算結果

3.3.1 臨時支撐應力分布

鋼環內力分布與原管片類似，由于一側開孔，因此應力最大處位于開孔下端兩側鋼環處，最大應力值為105.7 MPa，遠小于鋼材應力設計值308 MPa。見圖5。

應力余量比較大，但適當調小截面計算時發現鋼架變形超出招標文件要求值。

3.3.2 臨時支撐變形

假定鋼環均布受力后，由于開洞影響，洞口上方的框架通過橫梁傳遞力到兩側，因此最大變形出現在洞口上方橫梁處，變形量為22.5 mm，滿足標書中對管片變形（＜25 mm）的設計要求。見圖6。

3.3.3 管片開孔后對周圍土體影響及管片變形

管片開孔后周圍土體位移達到最大值2.44 mm，位于開孔下方；地面沉降量為1.57 mm；均遠小于設計要求，證明此臨時鋼支撐在管片開孔后支撐效果顯著。見圖7。

管片自身變形量最大值為2.55 mm，位于開孔兩側，遠小于SAP2000中支撐變形計算結果。見圖8。

這是由于單獨計算支撐時采用的假定沒考慮管片本身承載力， Plaxis模型中有聯絡通道區域地層加固影響，減小了周圍地層的擾動，進而有效控制了管片因開洞導致的變形；同時說明，管片與環形鋼支撐緊貼共同受力狀態時，管片開孔對整體結構影響較小。

4 結論

1）環形鋼支撐在管片開孔時相比井字形鋼支撐更能全環貼合管片，有效限制管片變形，鋼支撐各部位受力合理。通過數值模擬分析，此形式支撐+外側地層加固的方案效果明顯，管片破除時對周圍的圍巖擾動極小。

2）環形鋼支撐截面小，占用隧道空間小，不影響隧道內其他施工工序，可在隧道洞通前施工聯絡通道，有效縮短整體施工工期。

3）施工前對聯絡通道區域進行地層加固，可有效改善管片破除時對周圍圍巖擾動的影響。

4）環形鋼支撐間距是結合本次實際工程中的1 m寬管片的破除設計，對于其他寬度管片未做分析，因此在其他具體工程中應適當調整鋼支撐間距，才能更好發揮支撐作用。

參考文獻：

[1]朱忠隆，聶炳紅，馬曉力．土體加固與暗挖法在地鐵聯絡通道施工中的應用[J]．地下空間，2001，21（1）：44-47．

[2]Chungsik Y， Cui S S， Wu K. Mechanical Mechanism of Main Tunnels and Cross Passage Construction - A 3D Numerical Investigation[J]．????????? ???， 2019， 18.

[3]劉軍， 賀美德， 宋旱云. 聯絡通道施工盾構管片力學行為研究[J]. 巖土工程學報， 2013，35（S2）：271-275.

[4]劉震中， 杜澤東， 李海濤.大直徑盾構瓦斯隧道聯絡通道施工技術探討[J].四川水力發電，2019，38（S2）：5-8+13.

[5]王軍，李海峰，李克金，等．盾構隧道聯絡通道鋼管片快速開口施工技術研究[J]．隧道建設，2021，41（S2）：551-557．

[6]吳樂斌，謝家化，王玉卿，等.采用剪力銷支護盾構隧道管片開口的支護結構及施工方法[P].河南：CN201710714416.3，2017-12-22.

收稿日期：2023-05-15

基金項目：中鐵第六勘察設計院集團有限公司科技研發項目（WX- 2020-02）

作者簡介：甘宜誠（1986 - ）， 男， 湖南長沙人， 工程師， 研究方向為城市軌道交通結構設計。