超大直径盾构出井吊装对工作井影响研究

2021-04-27魏向阳

铁道建筑技术 2021年2期

魏向阳

（中国铁建股份有限公司北京 100855）

1 引言

随着城市建设及地下施工技术的发展，我国城市地铁隧道建设日益广泛，盾构法施工技术也日渐成熟。在盾构隧道设计及施工中，盾构机始发及接收是其关键环节，但由于隧道施工地形的复杂性、盾构机的大重量及其他特殊情况等不利因素，盾构机入井与出井设计及施工往往存在较大的困难，在吊装过程可能导致严重的基坑塌陷和人员伤亡及大量经济损失等事故的发生，可见盾构机出井吊装尤为重要［1－4］。

国内诸多研究学者对盾构机吊装施工中设计和施工方法进行了大量研究。张扬等［5］根据履带吊接地比压的概念计算了履带板底部三种受力情况，为履带吊底板设计提供计算依据。石岚等［6］计算了1 250 t和450 t吊车的站位对软弱地基的作用，并采用不同地基处理方法进行分析，确定了较为安全经济的地基处理方法。李晋［7］对履带吊在吊装过程中对基坑土体产生的地基附加应力值进行了计算分析，并提出适合现场吊装的地基处理方案。李琰等［8］采用朗肯理论分析了基坑土体的受力情况，通过计算结果制定出保证吊装安全的措施，实现了300 t起重机的近坑吊装作业。孔庆梅等［9］在盾构机吊出过程中对工作井结构的受力与变形进行实时监测，通过有限元软件对吊装施工过程进行模拟，并与监测数据对比分析，数据能较好吻合。周阳宗等［10］通过对加固前后吊装过程进行数值模拟分析，研究发现盾构吊装位置沉降较明显，向外渐弱，且因土质较软，在反力作用下使部分土体发生一定程度的隆起。宋林等［11］通过对结构楼板约束等效、冠梁刚度折减和土体参数等的合理确定，得出一种较为准确的二维模型检算方法。

本文以济南黄河隧道南岸接收工作井盾构机出井吊装为研究背景，借助MIDAS GTS/NX有限元分析软件，对济南穿黄隧道东线隧道贯通及盾构荷载吊装对黄河隧道南岸工作井的变形及受力影响展开研究，确保盾构工作井及吊装工作的安全，以期为类似工程施工提供参考依据。

2 工程概况与地质条件

济南黄河隧道全长4 760 m，盾构隧道直径15.2 m，为超大断面盾构隧道。南岸接收工作井主体结构为地下五层矩形框架结构，基坑结构深32.2 m、宽47 m、长27.8 m，为 C40钢筋混凝土结构，底板厚1.5 m，侧墙厚1.4 m，中隔墙厚1.2 m，顶板厚1.2 m，中板厚3.5～0.8 m，层净高3.05～6.8 m。

南岸接收井地貌形态为冲积平原，地面高程23.76～24.6 m，地形平坦，地貌单一，主层较为连续，夹层较多，地层结构较复杂，多为黏质粉土和粉质黏土，见图1。

图1 南岸工作井地质剖面

3 吊装方案

本次东线盾构机吊装选用一台750 t履带吊作为主吊（用于盾构机各主要部件从接收井内吊出）及一台260 t履带吊作为辅吊。履带吊吊装站位见图2。为满足吊装需要，在工作井东、北两侧履带吊工作区域地面施工600 mm厚的钢筋混凝土路基板。

4 数值分析

为了分析吊装方案的可行性，保证盾构工作井及吊装工作的安全，借助Midas GTS/NX有限元软件，对济南黄河隧道南岸接收工作井贯通及盾构机荷载吊装施工过程进行三维数值计算。

4.1 吊装施工影响预测

4.1.1 计算模型及基本假定

根据施工平面位置关系，建立三维有限元计算模型。为消除边界条件的影响，模型范围取3～5倍隧道洞径，模型尺寸为：X×Y×Z＝长×宽×高＝175 m×180 m×120 m。吊车荷载等效为均布荷载施加在钢制路基箱上。模型顶面为地表面，取为自由面，下边界施加固定约束，左右边界施加法向约束（见图3～图4）。

图3 三维数值计算模型

图4 三维数值计算模型透视图

（1）土体、地连墙采用实体单元模拟，环框梁、板梁采用梁单元模拟，管片衬砌、墙、底板、腋板均采用板单元模拟。岩土体采用修正摩尔－库伦弹塑性模型，假定其为均质、各向同性的连续介质。（2）考虑到管片之间接头对结构刚度的影响，将结构刚度折减85%。（3）初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响。

根据盾构机各部件重量，选取吊装最大件主驱动（包含吊装工装吊耳415 t）时的工况进行分析。荷载按以下考虑：750 t履带吊机身自重量（包含臂杆）240 t，车身配重 220 t，超起平衡重400 t；750 t吊钩＋索具重量13 t，专用路基箱长6 m、宽3 m，重量23 t，考虑起吊物在吊装过程中的动载力，取动载系数为1.2，荷载组合后地面吊装荷载为128.48 kPa。

4.1.2 模型计算参数

岩土体采用的计算本构模型为修正摩尔－库伦模型，围岩地层及主要结构构件的物理力学参数见表1～表2。

表1 岩土力学参数

表2 主要结构构件计算参数

利用“单元生死”功能对济南黄河隧道南岸接收工作井盾构吊装施工进行全过程的仿真模拟。考虑隧道施工过程中应力释放，土体开挖未施作管片之前应力释放20%，在管片施作后释放80%，不考虑主体结构施工过程。具体施工工况为：初始应力平衡→东线隧道贯通→吊装施工。

4.1.3 有限元模拟结果与分析

由图5、图6可以看出，东线隧道贯通、吊车吊装施工会对地连墙和主体结构产生影响，但产生的影响较小。受墙体开洞的影响，东线隧道贯通时，地连墙最大水平位移为－1.13 mm，主体结构最大水平位移为－0.92 mm；吊装施工时，地连墙最大水平位移为－1.06 mm，主体结构最大水平位移为－0.86 mm，受吊装荷载的影响，地连墙顶部出现向坑外的位移，最大位移量为0.49 mm。东线隧道贯通与吊装施工时地连墙与主体结构X方向水平位移峰值见表3（注：各位移云图中负值表示位移方向为垂直墙体向内，位移正值表示位移方向为垂直墙体向外）。

图5 东线隧道贯通时地连墙及主体结构变形位移云图

图6 吊装施工时地连墙变形位移云图（TY）

表3 隧道贯通及吊装施工时地连墙与主体结构水平X向位移峰值

根据东线隧道贯通、吊装施工内力计算结果可以看出，环框梁的最大计算弯矩值较大，出现在第二道环框梁中部位置处。受履带吊吊装施工超载的影响，主体结构最大计算弯矩值为3 915 kN·m，出现在东墙（竖向）支座处。弯矩出现峰值位置及内力计算云图见图7～图8。第一、三道环框梁峰值弯矩与北墙、东墙横向弯矩峰值见表4。