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                                      盾構隧道疊加段施工力學分析與施工技術研究

                                      何劍光
                                      (中交一公局廈門工程有限公司)
                                      1 引言
                                          近幾年我國地鐵工程迅速發展,各大城市均規劃并建設密度極大的地鐵網,受限于城市交通規劃的影響,地鐵盾構區間經常存在上下疊加的隧道設計形式,從而造成了許多隧道疊加段施工的出現,不僅設計上需要全方位的考慮,施工過程中也帶來了許多困難。近幾年來,部分學者對疊加段盾構掘進及不同工況下的力學特性進行了分析及研究,主要內容有:盾構隧道施工三維數值模擬分析、盾構法下穿地下建(構)筑物三維數值模擬、疊加段數值。以往的研究主要針對施工過程中盾構機參數變化對隧道的影響,分析的參數主要為盾構推力、同步注漿量、開挖掌子面壓力、刀盤扭矩、盾構機自重等,忽略了設計線型對隧道的影響。國內外多有盾構穿越既有建筑物的受力分析及施工技術研究,但對于疊加段盾構隧道的力學分析及施工技術研究并未有系統性的研究。本文依托廈門地鐵2號線馬鑾西站馬鑾中心站盾構區間疊加段盾構隧道工程,綜合考慮隧道疊加施工過程中的影響因素,采用三維數值模擬方式對隧道疊加段施工主要影響因素及施工技術進行了研究,對完善盾構隧道理論分析及保證疊加段盾構隧道的施工安全有極其重要的意義
                                      2 近接隧道盾構掘進施工三維數值模擬方法
                                          在盾構施工過程中,土體的受力由推進油缸施加的荷載和驅動設備產生的扭矩組成。推進油缸施加的荷載由盾構機與周邊地層的摩阻力F1及盾構機掌子面地層對推力的反作用力F2組成,F1及F2占整個推進油缸荷載的90%以上;驅動設備產生的扭矩荷載由三種荷載組成,分別為:刀盤邊緣的土體摩阻扭矩T1、刀盤掌子面的摩阻扭矩T2、開挖過程中刀盤切削作用產生的地層反力扭矩T3計算過程中考慮盾構自重及切削后的地層自重。各荷載的計算公式如下所示:
                                          根據廈門地鐵實際情況及公式計算結果,本次三維數值模擬各施工荷載取值如表1所示:
                                          利用midas-gtsnx模擬盾構施工的開挖階段、注漿階段、盾尾脫離管片階段、地層固結沉降階段的受力特點將盾構施工模擬為一環管片寬度的長度掘進施工,土體采用實體單元、管片為殼體單元,進行盾構疊加段數值模擬通過對三種盾構隧道設計類型進行模擬,包括盾構隧道左右線橫斷面位置不同、縱斷面掘進參數不同及疊加段臨時支護類型的不同進行比較,分析近接盾構隧道的施工力學特性,提出合適的施工技術。
                                      3 疊加段盾構隧道施工力學特性
                                      3.1橫斷面力學特性
                                          取左線隧道頂部覆土為1.5倍洞徑,右線隧道相對左線處于不同角度和距離進行考慮,分別模擬水平平行、豎向疊加、斜向施工等三種工況不同距離條件下左右線盾構隧道施工的相互影響,盾構機直徑為6.5m,每次開挖進尺為1.2m,簡化盾構機荷載作用于此開挖進尺范圍內。以左右線先上后先及先下后上兩種施工順序,本文模擬26種工況對盾構隧道的疊加段進行力學特性分析。三維數值模型的物理力學參數如表所示,計算工況如表所示。
                                          土體及混凝土的屈服破壞特性適用于摩爾-庫倫屈服準則,故此次研究采用摩爾庫倫屈服準則作為劃分依據其屈服面方程表示為:
                                          三維模擬過程中,將開挖前的地層主應力帶入式中,隧道施工完畢后,根據摩爾-庫倫屈服準則對受力特性進行劃分,當時,表示周圍地層已經發生屈服,故盾構隧道左右線疊加段力學影響分區可劃分為:①的區域認其為左右線相互無影響;②的區域,左右線施工影響較弱;③的區域,施工影響強,各工況的橫斷面力學特性劃分如表所示。
                                          以此表繪制盾構隧道疊加段隧道強影響范圍,如圖所示。
                                      3.2縱向力學特性
                                          對于橫斷面的力學特性,由于其在三維模擬時為靜止狀態,采用周圍地層的土體是否屈服作為判斷準則?v向上模擬時為運動施工狀態,故采用位移變化速率作為判斷準則,位移也是施工中最關心的因素之一。根據監控量測標準,位移變化速率為1~3mm/d時,監控頻率取1次/d;位移變化速率為0.5~1mm/d時,監控頻率取1次/2d;位移變化速率為0.1~0.5mm/d時,監控頻率取1次/5d?v向的影響判斷標準如表所示。
                                          模擬過程為:先施工單線,單線洞通后清零施工位移,再分析另一線施工過程中對前一線的位移影響,盾構施工速度為14.4m/d(12環/d),3種工況下的位移變化速率如圖所示,疊加段力學特性如表所示。
                                      4 疊加段盾構隧道施工技術
                                          盾構疊加段施工最大問題在于,后施工隧道對地層擾動大,容易造成先施工隧道的管片變形及隧道偏移等問題。故需要有一種兼顧安全及施工方便的技術對先施工隧道進行防護。常規盾構隧道疊加段施工防護方法有地層加固及臨時型鋼支護,前者施工成本高,后者不利于隧道的同步施工。近幾年提出新的的臨時臺車支護技術,采用臺車代替臨時型鋼進行支護,臺車隨盾構機同步運行,不僅節約成本,且便于施工。
                                      4.1方案比選
                                          與傳統施工工藝相比,采用臨時洞內支撐臺車作為洞內防護結構,該結構可保證隧道內運行電瓶車,且用鋼量少、不占用施工進度關鍵線路,在成本及工期上有極大優勢。兩種技術如圖6所示。施工方法對比分析見表6。
                                      4.2技術方案
                                          利用洞內加固對上下疊行段之間的地層進行加固,削弱施工荷載對下部隧道的影響,輔以二次注漿對成型隧道進行二次防護,最后在后施工隧道掘進前,利用洞內支撐臺車對影響范圍內的先成型隧道管片進行防護,臺車隨后施工隧道掘進距離一起行走,保證先成型隧道的安全。施工流程為:區間左線始發、掘進→左線隧道洞內徑向注漿→洞內臺車支撐頂伸→區間右線掘進通過。
                                      4.3三維數值模擬
                                          利用midas-gts對洞內注漿加固工況進行數值模擬計算,由圖可見加固后,地表位移、管片豎向位移及管片最大主應力均有效減小,數值模擬結果表明采用工程樁隔離有效。
                                      5 應用實例
                                          廈門地鐵2號線馬鑾西站~馬鑾中心站區間長1051.808m。左線先行施工,施工100m后右線同步始發施工。隧道的埋深范圍為5.82~19.41m。其中左AK3+587.924~左AK3+803.706及左AK4+515.706~左AK4+633.706為區間6號線小間距段,左AK3+803.706~左AK3+972.276為區間6號線交叉疊行段。采用橫斷面及縱向的力學特性分析結果進行區間進行分段,結果如圖11所示。由圖知,廈門地鐵2號線馬鑾中心站~馬鑾西站區間隧道疊加段處于強影響范圍內,必須采用一定措施對隧道進行防護,保證隧道的安全,該段盾構疊加段隧道施工采用以下幾點:
                                          洞內后注漿加固,采用洞內徑向注漿對地層進行加固,對先成型隧道進行防護;采用洞內支撐臺車支撐防護先施工隧道,保證了管片的應力變形控制與可控范圍內;兩洞采取同步施工,至少保證兩洞開挖面局里在10D范圍之外。施工過程隧道位移及地面位移處于可控范圍,施工安全可靠。
                                      5 結語
                                          (1)盾構疊加段隧道力學特性研究中,橫斷面以開挖范圍周邊地層是否屈服作為判斷準則、縱向以盾構位移變化速率作為判斷準則,更有利于施工判斷。
                                          (2)廈門地質條件下盾構疊加段施工中,橫斷面的影響范圍在3D范圍內,縱向影響范圍在5D范圍內。
                                          (3)采用地層徑向加固+臨時臺車支護對先成型隧道進行防護,保證了兩洞同時施工時的便利及隧道結構的安全,將力學特性分析與施工技術應用于廈門地鐵2號線馬鑾中心站~馬鑾西站中,保證了施工的安全及經濟性。
                                          參考文獻:中國知網
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