大直径盾构隧道新型扩挖结构关键构件力学特征分析

李爱民 郭 旺

(1. 天津市市政工程设计研究院，300392，天津；2. 同济大学土木工程学院,200092,上海//第一作者，高级工程师)

目前，我国针对以盾构隧道为基础扩挖形成地铁车站的研究，主要集中在中小直径盾构双线隧道间的扩挖方案[1-2]。国外如日本、德国、俄罗斯等国家已有部分双线盾构隧道扩挖修建车站的建设实例，但国内暂缺少实施案例。

北京地铁14号线工程酒仙桥区段环境条件苛刻，穿越区域道路狭长，两侧建(构)筑物密集，难以布置双线盾构隧道，只能布置单洞双线区间；站位受到地面交通和管线的制约，实施困难；沿线风险工程众多，工期制约因素较多。根据环境条件，常规明挖、暗挖方案或双线隧道间扩挖方案难以实施或风险过大。因此，探索一种以连续推进的单洞盾构隧道为基础，采用全地下扩挖形成车站的地铁建造技术，不但可以解决狭窄环境下线路路由的选择问题，也可发挥盾构法安全高效的优势，减少地铁建设对环境的影响[3]。

本文以北京地铁14号线φ10 m盾构遂道扩挖车站试验段为工程背景，通过数值模拟分析，研究采用中洞-边桩法扩挖修建地铁车站施工过程中结构的受力、变形及力的转换特征，可为工程设计和施工提供技术依据。

1 大直径盾构隧道新型扩挖结构三维结构分析模型

运用岩土有限元分析软件MIDAS GTS NX 建立三维地层结构分析模型，重点研究和分析施工过程中盾构管片、边桩导洞、中导洞扣拱初衬及中柱等构件的受力行为和变化特征。

1. 1 模型基本假定

1) 模型尺寸为77 m(y方向)×10.8 m(x方向)×50 m(z方向)；除模型顶面外，其余面均施加约束；土体材料为各向同性连续材料。

2) 计算中采用修正摩尔-摩仑屈服准则，假设所有混凝土和钢结构材料均为弹性体。

3) 土体、盾构隧道内纵梁-中柱结构、二衬结构、边桩灌注桩及冠梁均采用实体单元模拟；盾构管片、边桩导洞及中导洞扣拱初衬结构均采用板单元模拟；盾构内临时支撑均采用梁单元模拟。

4) 盾构管片按照考虑接头刚度折减时的匀质圆环模型进行建立[4-7]。综合考虑扩挖施工需求,盾构衬砌采用9块均分方式[8]进行分块。模拟实际施工进尺时，按照纵向3环管片为1循环进行拆除管片和施作二衬。计算模型如图1所示。

图1 三维有限元计算模型

1. 2 物理力学参数

土层均采用修正摩尔-库仑本构模型，各土层物理力学指标见表1。

1. 3 施工步序模型

车站施工采用浅埋暗挖PBA(洞桩法)法，在已形成的大直径盾构隧道基础上进行扩挖。主要施工步骤如下： 自车站端部或在车站中部拓展开挖面；

表1 土层物理力学参数表

当纵向开挖面形成后再暗挖形成车站初衬扣拱；在扣拱初衬保护下拆除盾构管片，实施二衬结构，封闭形成永久二衬结构体系。具体施工步骤示意见表2。

表2 扩挖结构的主要施工步骤

2 扩控结构关键构件力学特征分析

2. 1 盾构管片力学特征分析

盾构隧道管片形成至拆除主要经历如表3中所示的10个施工步骤。因扩挖施工在中柱形成后进行，所以管片的应力及内力变化较大阶段自步骤3开始。表3汇总了步骤3～10的盾构管片衬砌应力云图，表4梳理出各步骤盾构管片衬砌出现最大应力的位置。

由表4可知,管片衬砌应力集中位置十分明显，主要集中在底部管片处。这主要是由于K管片所承受的结构重力传递至纵梁-中柱结构，再累加纵梁-中柱的重力传至底部管片所致。从表4管片衬砌应力数值的变化特征得出：底部管片的应力集中呈缓慢减小趋势，而在步骤8后又缓慢回升。

表3 各施工阶段盾构管片衬砌应力云图

表4 各施工阶段盾构管片衬砌应力最大值统计表

施工步管片衬砌应力最大值/MPa318.97418.50517.36617.33716.30816.01916.241016.28注:盾构衬砌管片最大应力均发生在A4管片上

与此同时，扣拱初衬形成后，顶部荷载均通过K管片向下传递至纵梁和中柱，K管片应作为扩挖结构受力体系的关键支撑构件，其应力大小仅次于底部管片，应力数值见表5。

表5 各施工阶段K管片衬砌应力最大值统计表

K管片与底部A4管片应力变化曲线见图2。由图2可知：K管片上应力的变化特征与底部管片相反;K管片所承担的应力随施工步不断增大，帮助底部管片“分担”应力，从而减少底部管片应力集中，两者相互关联。

图2 各施工阶段管片衬砌应力变化曲线

各施工步盾构管片衬砌内力最大值及出现部位汇总于表6。

表6 各施工阶段管片衬砌内力最大值统计表

由表6可知:在边桩导洞开挖、中导洞开挖和拆除管片过程中，盾构管片的弯矩最大值集中于K管片处，并在拆除K管片两侧衬砌小块、二衬扣拱前明显增大；二衬扣拱后，管片弯矩值减小，而在之后的施工步中基本保持不变，故可明显看到K管片承受顶部弯曲的过程；同时盾构管片在隧道成环阶段轴力较大，拆除K管片两侧小块后，轴力大幅减少;顶部荷载通过中导洞扣拱初衬向剩余K管片、纵梁-中柱结构和边桩传递，与预测工况吻合。

2. 2 边桩导洞初衬、中导洞扣拱初衬及临时仰拱受力分析

取1个施工步分析边桩导洞初衬、中导洞扣拱初衬及临时仰拱在扩挖过程中的内力变化特征。各主要施工步下各导洞初衬应力云图见表7，各施工步下初衬应力最大值统计见表8，最大应力变化特征见图3。

表7 各施工阶段初支应力图

由表8、图3可知:初衬应力在二衬扣拱施作前出现最大值，主要集中出现在扣拱初衬与边桩导洞交汇处；二衬扣拱施作完成后应力明显下降，在盾构管片依次拆除时，应力集中出现在中导洞扣拱初衬，即扣拱靠近K管片处，且数值较为稳定。

表8 各施工步下初衬应力最大值统计表

图3 各施工步下初衬应力最大值变化图

各施工步下初支内力最大值统计见表9。

表9 各施工步下初支内力最大值统计表

由表9可知，初支、临时仰拱内力最大值变化特征与应力最大值变化规律相同。边桩导洞初衬、中导洞扣拱初衬以及临时仰拱的轴力、弯矩和剪力变化规律基本相同；三者均是在步骤5,即拆除K管片周边小块后存在显著上升，而在二衬扣拱施作完成后显著下降；初衬结构受力转换主要发生在步骤4～6，最不利受力点出现在车站二衬扣拱施作前。由此说明,随着初衬形成以及拆除管片的受力转换，初衬结构、剩余K块、纵梁-中柱和边桩组合整体承担上部荷载，并在二衬扣拱施作后趋于稳定。

2. 3 纵梁-中柱应力分析

取1个施工步来分析盾构隧道内梁-中柱结构在扩挖过程中的应力变化规律。各主要施工步下梁-中柱应力最大值统计见表10。

由表10可知，盾构隧道内纵梁与中柱应力值基本呈现逐步上升规律，而整个纵梁-中柱结构的应力最大值始终出现在中柱结构上，最大值变化规律见图4。随着车站二衬扣拱的形成，盾构K管片上承受荷载并通过中柱向下传递；中柱结构截面尺寸相对顶梁和底梁均较小，因此应力最大值体现在中柱上；随着车站底部土体开挖与底板二衬结构施作，部分应力会发生转移，应力最大值在步骤8后出现下降。

表10 各施工步下梁-中柱应力最大值统计表

图4 各施工步下梁-中柱应力最大值变化图

3 结论

本文对大直径盾构隧道采用浅埋暗挖PBA法施工形成车站结构的施工过程进行受力模拟和计算分析，研究不同施工扩挖结构关键构件的内力和应力变化特征，得出以下结论：

1) 通过分析扩挖结构的受力转换可知，盾构管片、边桩导洞初衬、扣拱初衬及盾构内纵梁-中柱结构等结构构件的内力和应力变化特征和结果证明,大直径盾构隧道采用浅埋暗挖PBA法施工形成扩挖结构是可行性的。

2) 盾构管片、边桩导洞初衬、扣拱初衬、盾构内纵梁-中柱等构件内力与应力值均在拆除K管片两侧楔形块后显著增加，并在车站二衬扣拱施作结束后显著降低，由此说明拆除K管片两侧楔形块至二衬扣拱施作阶段是扩挖结构受力转换的关键阶段。

3) 盾构K管片外侧与扣拱初衬相连，内侧与纵梁-中柱相连，在结构体系转换过程中， K管片及相邻扣拱初衬应力集中明显。边桩导洞初衬、中导洞扣拱初衬等暗挖初支的内力和应力最大值变化特征相同，其应力主要集中出现在K管片附近，这说明K管片是扩挖结构受力转换的关键构件。实施阶段应选取合理节点方案，保证K管片与扣拱初衬、K管片与纵梁-中柱的连接强度和稳定性。

4) 盾构隧道内纵梁-中柱体系的最大应力主要集中在中柱结构上，且数值随施工步逐渐增大。中柱需在扩挖结构受力转换前施做，并在扩挖施工过程中作为扩挖结构竖向承载的重要构件。