盾构通过矿山法隧道段数值模拟研究

2011-05-08张庆贺

铁道建筑 2011年1期

周禾，张庆贺，徐飞

(1.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092;2.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092;3.上海第一市政工程有限公司，上海 200092)

针对单一地层而言，都有比较合适的相应施工工法。如坚硬岩体隧道，可以采用矿山法施工;均质较硬岩体的山岭隧道，可以采用TBM工法施工;软土地层的暗挖隧道，可以采用盾构法施工等。然而，对于复杂地层、软弱不均的地层，实际施工中仍有不少难处。如软硬互层段、有孤石地段和微风化高硬度岩石段或遇到建筑物桩基等障碍物，此时单纯依靠一种工法较难完成施工。

目前，国内在广州、深圳等地的地铁施工过程中碰到的复杂地层、软弱不均的地层时，一般都采用盾构通过矿山法隧道段的施工工法。刘建美［1］以广州地铁四号线大学城专线小新区间隧道为例，详细介绍了盾构通过矿山法施工隧道段时的回填、盾尾注浆和分阶段压注浆等工艺;杨书江［2］从解决空推无法对已拼装管片隧道施加足够轴向压力角度出发，提出了在盾构通过矿山法施工隧道段拼装管片时，采用焊接连接钢筋、支挡牛腿和复紧螺栓三步走的措施，保证隧道的防水效果。汪茂祥［3］结合广州地铁5号线区杨盾构区间盾构隧道，介绍了盾构通过矿山法施工隧道段的导台施工、盾构“磕头”、管片错台控制和增大盾构总推力压紧管片等施工关键技术。

但是，目前大部分研究工作主要围绕盾构通过矿山法隧道段的施工工艺研究，并未从理论上系统地分析盾构通过矿山法隧道段时管片的受力变化规律。为了探索盾构通过矿山法隧道段时管片的受力变化规律，本文结合现场实测数据，采用三维有限元软件ANSYS对盾构通过矿山法隧道段进行研究，分析管片受力情况在隧道纵轴线上的变化规律，为今后国内地铁盾构通过坚硬地层施工提供理论依据和技术支持。

1 工程简介

1.1 盾构通过矿山法隧道段工艺简介

盾构通过矿山法隧道段施工的通常做法是:①从地表打一竖井下至隧道设计岩层处，采用矿山法将较坚硬岩土层爆破挖除，施工断面稍大于盾构外径的初期衬砌;②在矿山法隧道内回填土或者细石子;③盾构在预先做好的矿山法隧道里空推并完成管片拼装(此阶段基本无同步注浆);④补压浆。见图1。

图1 盾构在矿山法隧道里空推通过工作竖井

1.2 依托工程简介

深圳地铁2号线东港路站—招商东路站区间隧道从东港路站出发，下穿新建澳城花园，地质条件复杂，隧道下部将遇到高强度微风化岩层。隧道断面内为最不利的第四系中更新统残积层、拱顶上部为具有高渗透性(渗透系数达到15 m/d)的③3砾砂(含淤泥)层。

区间隧道整体设计为土压平衡盾构施工。采用预先矿山法暗挖，然后盾构通过矿山法施工隧道段的施工方法通过其间的高强微风化岩层段。左右线矿山法段分别长147.5 m和287.0 m，埋深约10.0 m(见图2)。

图2 盾构通过矿山法隧道段平面图

矿山法隧道衬砌为 C25、S6喷射混凝土，内径6 600 mm，外径7 300 mm，厚 350 mm;盾构管片为C50、S10预制管片，内径5 400 mm，外径6 000 mm，厚300 mm。

1.3 盾构通过矿山法隧道段遇到的技术难题

与软土地区的普通盾构施工相比，在已经施工完毕的矿山法隧道内进行盾构空推施工，存在如下几大技术难题:

1)隧道上部缺少上覆土的作用，导致管片脱出盾尾后上浮较严重;

2)盾构纵向及四周失去土体挤压力，管片拼装难以达到横向真圆度，环间接缝难以压紧，差异沉降较大，易造成管片错台，对隧道正常使用和管片防水产生不利影响。

2 数值模拟

2.1 计算假定

为了探求盾构通过矿山法隧道段管片受力变化的基本规律，需要对实际工况作出一些假定。基本计算假定如下:

①地表面和各土层均呈匀质水平层状分布;②计算中不考虑管片接头影响以及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的折减作用;③盾构每个推进步长为3 m(2环管片宽度);④土层采用理想弹塑性模型，喷射混凝土、管片及回填材料采用线弹性模型;⑤盾构在矿山法隧道里空推施工时无同步注浆。

2.2 计算模型

如图3(a)所示的计算模型，Z轴为隧道轴线方向，Y轴为隧道深度方向，X轴为隧道宽度方向。模型X方向宽40.0 m，Y方向深33.0 m，Z方向长45.0 m。网格Z方向间距1.5 m(取一环管片的宽度)。隧道埋深为13.0 m。

模型边界条件:模型前后两面边界施加Z方向的水平约束;模型的左右边界施加X方向的水平约束;模型底面施加Y方向的竖向约束。

图3 数值计算模型

考虑到管片的接头影响，采用等效刚度(刚度折减系数取为0.9)的方法，将管片视为均质弹性壳结构(shell63单元)，如图3(b);土体及回填层采用实体单元(solid45)，且服从D-P屈服准则。通过改变回填材料力学属性的方法来实现补压浆工艺。地下水的作用，以施加在管片单元的压力荷载来代替。各层土体及支护体力学参数见表1。

表1 基本计算参数

2.3 数值模拟计算流程

根据盾构通过矿山法隧道段的实际施工过程，数值模拟流程如下:

第一步，数值计算初始条件。包括3个计算步:第1计算步，自重应力;第2计算步，开挖土体，并考虑开挖时的应力释放(释放率取为50%);第3计算步，施作矿山法隧道衬砌喷射混凝土。

第二步，盾构在矿山法隧道内空推(无同步注浆)并完成管片拼装。其空推工况为:回填层回填至隧道中心线深度处，地下水位位于隧道中心线处。每个空推步施工2环管片，同时施加掌子面压力P1=1 MPa，分15个空推计算步;其中最后第15空推步到达模型的边界，不施加掌子面压力。

第三步，补压浆。盾构空推完全完成以后，进行补压浆施工。补压浆施工工况为:施工到某一补压浆步时，对该补压浆步的2环管片施加补压浆压力［4］，考虑此前压注的浆液已凝固并完全填充隧道建筑间隙，同时取消上一补压浆步的压力荷载。计算示意如图4。

图4 补压浆施工数值模拟示意

3 空推计算结果及分析

盾构空推施工时管片纵、横向受力变化规律具有明显的三维特征，沿隧道轴向不同位置管片的纵、横向受力不同。为研究管片纵、横向受力变化规律，在计算过程中，沿隧道轴向每3 m(2环)设一监测断面，在Z=3～42 m处，共设14个断面，每个断面监测管片横向弯矩、轴向应变及隧道管片径向压力的变化。通过对各个断面的分析，可以得出盾构通过矿山法隧道段时管片的受力变化情况，综合分析14个断面，可以得到沿隧道轴线管片受力变化的规律。

3.1 管片横向弯矩分析

图5为盾构空推施工至第22环时管片横向弯矩图。为分析盾构空推施工过程中管片横向弯矩在纵向上的分布规律，在模拟计算中布设了5个点(如图6中的A，B，C，D和 E)来监测管片横向弯矩变化。各监测点位置如图6所示。

图5 空推至第22环时管片横向弯矩云图(单位:N·m)

由于盾构空推过程中，管片上下部分回填层充填密实程度不同，所以管片不同位置处受力情况不同。盾构空推施工过程管片不同位置内力纵向变化规律如下(见图7)。

图6 模型监测点布置示意

图7 盾构空推至第26环时管片横向弯矩

1)空推施工中，管片上半部分无回填层，上半部分受力情况在纵向上理应传递比较远。在脱离盾尾16环管片(24 m)的范围内，管片拱顶位置、最大负弯矩位置横向受力随着脱离盾尾距离的增大而增大;在脱离盾尾16环以后，这两个位置受力完全稳定，弯矩稳定值分别为10.0 kN·m和-9.7 kN·m。

2)拱底位置存在回填层，纵向传力相比拱顶衰减快。在脱离盾尾12环管片(18 m)的范围内，管片拱底横向受力随着脱离盾尾距离的增加而增大;在脱离盾尾12环以后，拱底位置受力完全稳定，弯矩稳定值为 5.0 kN·m。

3)隧道中心线位置回填层回填程度处于过渡状态，其受力稳定距离为14环(21 m)，稳定值为 -6.8 kN·m。

3.2 管片轴向应变分析

图8为管片拱顶、隧道中心线位置、拱底3个监测点的纵向应变在隧道轴向上的变化规律。总的来看，管片纵向应变变化可以分两个阶段，第一阶段是随着管片脱离盾尾的距离增大，管片纵向应变减小;第二阶段是当管片脱离盾尾距离达到稳定距离后，管片纵向应变保持稳定不变。从图8中可以看出，盾构空推施工过程中管片不同位置纵向应变在隧道轴向上的变化规律有所不同:管片拱顶纵向应变的稳定距离是20环(30 m)，而管片中心线位置的稳定距离是16环(24 m)。管片横断面不同位置压应变不同，应对压应变小的部位及时紧固纵向螺栓，保证隧道纵向稳定。

3.3 隧道管片径向压力分析

图8 盾构空推至第26环时管片轴向应变分布

为分析盾构在矿山法隧道内空推过程中回填层土压力在纵向上的分布规律，在模拟计算中布设了4个点(如图 9 中的 A′、B′、C′和 D′)来监测回填层土压力的变化。各监测点位置如图9所示。

图9 回填层土压力监测点布置示意

从图10盾构空推至第22环时4个监测位置隧道管片径向压力分布情况可以看出，第一阶段，在脱离盾尾一定的距离内，回填层土压力随着脱离盾尾距离的增大而增大;第二阶段，当管片脱离盾尾距离达到一定程度时，回填层土压力基本稳定不变，即管片、回填层受力基本稳定。

图10 盾构空推至第22环时4个监测位置隧道管片径向压力分布情况

对比分析不同监测位置回填层土压力的变化曲线，又可以看出盾构空推施工过程不同位置回填层土压力在纵向上的变化规律又稍有不同:监测点A′处回填层土压力的稳定距离是16环(24 m)，监测点 C′处的稳定距离是12环(18 m)。同一横断面回填层压力分布呈由隧道中心线位置到拱底减小分布规律。

4 补压浆计算结果及分析

盾构空推完成以后，进行补压浆施工。补压浆施工数值模拟的主要目的是分析补压浆施工对管片受力的影响范围。考虑对称补压浆与单侧补压浆两种工况(见图11)。

图11 补压浆示意

4.1 管片横向弯矩分析

图12和图13分别给出了对称补压浆与右侧单侧补压浆工况下隧道拱顶和补压浆位置管片横向弯矩对比图。从图12和图13中可以看出:

1)最大正弯矩(管片内侧受拉为正)均发生在补压浆位置。对称补压浆和单侧补压浆工况下的横向最大正弯矩分别为 21.8 kN·m，37.4 kN·m。

2)补压浆施工会引起注浆环及邻近管片受力的显著变化。其中单侧补压浆的影响范围为-9 m至9 m(前后6环);对称补压浆的影响范围为-6 m至6 m(前后4环)。

图12 拱顶横向弯矩对比

图13 补压浆位置横向弯矩对比

4.2 隧道管片径向压力分析

图14和图15分别给出了对称补压浆与右侧单侧补压浆工况下隧道中轴线位置和拱底位置管片径向压力对比图。从图15中可以看出，对称补压浆时，拱底位置管片径向压力最大值约为0.8 kPa，较单侧补压浆时的0.2 kPa大，说明对称补压浆对控制管片上浮效果更佳。综合图14和图15可以看出，对称补压浆与单侧补压浆对管片径向压力的影响范围基本一致，为补压浆位置前后4环。

图14 隧道中轴线位置管片径向压力对比

图15 拱底位置管片径向压力对比

5 数值模拟与监测结果对比

图16给出了监测点A′隧道管片径向压力数值解与监测值的对比。从对比结果看，数值模拟反映了隧道管片径向压力变化的基本趋势，但数值模拟值比实际监测值大。主要原因有三:一是因为回填层压力过小，监测仪器的灵敏度不够;二是数值模拟中回填层的本构选取的为弹性本构关系;三是数值模拟无法完全模拟实际施工过程，有很多细节数值模拟没有考虑。

图16 监测点A′隧道管片径向压力数值解与监测值的对比

图17给出了拱顶位置纵向应变数值解与监测值的对比。从对比结果看，数值模拟反映了管片纵向应变变化的基本趋势，但数值模拟值比实际监测值大。主要原因是数值模拟无法完全模拟实际施工过程，有很多施工细节数值模拟没有考虑。如数值模拟没有考虑实际施工过程中不同位置的千斤顶顶进力的不同，也没有考虑导台的摩擦阻力等。