城际铁路大直径盾构隧道管片开洞结构受力变形特征分析及结构设计
2022-09-21陈丹王婷
陈 丹 王 婷
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)
盾构法施工具有施工速度快、安全高效、保护环境等显著优点[1]，在发达国家已有200多年的历史，目前被广泛应用于多个工程领域，如城市轨道交通、铁路、公路、水利水电、输油气管道等。
随着我国基础设施建设的快速发展，盾构施工技术在我国公共交通领域应用较多。如广深港客运专线狮子洋隧道、南京、武汉、上海越江隧道及杭州过江隧道等的建设[2]，极大提升了我国大直径盾构隧道的修建技术。然而，盾构隧道之间存在联络通道、设备硐室等，需要从一侧盾构隧道破除管片并进行开挖施工，必然会对周围土层造成扰动，进而对盾构隧道结构本身及周边地表建(构)筑物、地下管线等带来不同程度的影响[3]。刘军等以北京某地铁盾构区间隧道联络通道施工为工程背景，分析联络通道施工对管片变形和受力状态的影响[4]；张志强等以广州地铁2号线盾构区间段为依托，研究盾构区间隧道与联络通道组成复杂形式空间结构的受力尺寸，重点研究盾构隧道开口尺寸、与联络通道连接方式[5]；曾丰姿以北京地铁5号线某盾构区间的联络通道为例，建立三维结构模型，重点分析拆除盾构管片后暗挖法施工联络通道对开洞范围盾构管片变形和内力影响[6]；王东元等以珠三角地区某地铁联络通道工程为背景，采用有限元法分析不同的加固方法对联络通道拱顶位移的影响[7]；王晖等研究水平冻结法施工南京地铁某区间联络通道对隧道内力和变形的影响，为以后联络通道冻结法施工提供依据[8]；李治国等以某市地铁区间盾构隧道在富水砂层中的联络通道施工为背景，通过对几种常用的地层加固方案进行技术经济对比，选取注浆和降水相结合的加固方案[9]；杨勇勇通过多种分析手段，研究联络通道暗挖法施工对地表沉降和隧道位移的影响[10]。
不难看出，以上研究主要针对地铁盾构区间联络通道的结构受力，而对大直径盾构隧道管片开洞力学影响的研究较少，以某城际铁路大直径盾构隧道工程为依托，针对该问题进行深入研究。
1 工程背景
1.1 工程概况
郑州—新郑机场城际铁路起于郑州东站，止于新郑机场站，全长约28 km，平均站间距7.1 km，开行列车21对/d，发车间隔30 min，采用铁路日常客运组织模式，设计时速200 km[11]。场地地貌属于平原区，场地地形平坦、开阔，局部略有起伏，东高西低，相对高差不大。主要工程包括隧道、路基、桥梁等，隧道局部下穿建筑物群，采用圆形断面，断面内径11.3 m，管片厚550 mm。
该盾构区间里程为DK41+750～DK45+550，全长3 800 m，DK42+800(管片环号525环)处线路右侧设置“直放站+箱变硐室”(以下称为直放站)，硐室长10 m，宽5 m，高3.96 m，采用矿山法施工，初支厚度300 mm，二次衬砌厚度500 mm。直放站硐室结构纵断面及横剖面见图1。
图1 直放站硐室结构纵断面及横剖面(单位：mm)
1.2 工程地质与水文地质概况
直放站处地层从上到下依次为①42粉砂9.86 m、②33粉土9.435 m、②22粉质黏土10.635 m、②44粉砂1.36 m，洞身基本处于粉质黏土层，洞室拱顶埋深31.295 m，水位埋深20.75 m，地下水类型属于第四系松散岩类孔隙水，对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。直放站硐室范围盾构隧道地质纵断面见图2。
图2 直放站硐室范围盾构隧道地质纵断面(单位：m)
1.3 直放站硐室施工方案
直放站硐室采用矿山法施工，从盾构隧道混凝土管片一侧开挖。由于硐室施工，使得管片开洞洞周产生应力集中现象[12]，改变盾构管片原有的受力形式，会导致管片环变形，在施工过程中容易出现土体不稳的情况[13]。
直放站硐室结构采用台阶法施工，其施工流程见图3。
图3 直放站硐室结构施工流程
1.4 盾构管片拼装形式及参数
(1)衬砌环构造
衬砌环外径：12 400 mm；内径：11 300 mm；管片幅宽：2 000 mm；管片厚度：550 mm。每环衬砌环由1块封顶块(F)、2块邻接块(L)、6块标准块(B)共9块管片组成。每环楔形环管片采用楔形量40 mm的双面楔形形式[14]。
(2)管片混凝土等级
混凝土强度等级：C50；抗渗等级：P12。
(3)管片连接
管片环向、纵向采用斜螺栓连接，管片螺栓机械性能为8.8级。
(4)拼装方式
盾构管片纵向采用错缝式拼装，管片衬砌圆环立面和平面见图4。
图4 管片衬砌圆环立面和平面 (单位：mm)
2 盾构硐室开洞力学效应研究
2.1 计算假定和参数选取
采用有限元分析软件MIDAS GTS NX进行数值计算，采用如下假定和计算模型。
(1)各层土体水平方向分布且具有各向同性。
(2)不考虑构造应力场，考虑自重应力场作用的初始应力场。
(3)钢筋混凝土盾构管片、直放站硐室结构的初支和二衬结构。
(4)考虑到管片错缝拼装和接头的影响，盾构管片整体结构按刚度折减系数0.8考虑。
土体材料采用弹塑性本构关系，满足Mohr-Coulomb屈服准则；隧道结构在弹性范围内工作，采用线弹性本构关系。
数值模拟计算中地层、钢筋混凝土盾构管片、直放站初期支护和二次衬砌结构的力学计算参数见表1。
表1 地层和结构计算参数
2.2 计算模型和边界条件
按实际施工顺序模拟盾构隧道施工及硐室开挖施工。模型以水平面内沿垂直盾构隧道轴线方向为X轴，与平行盾构隧道轴线方向为Y轴，竖直方向为Z轴。为保证模型的计算精度，在管片开洞部位网格密度较高，离管片开洞部位较远处的网格密度较小，模型横向长50 m，纵向长50 m，高45 m。地层单元和二次衬砌均采用实体单元，管片结构和初期支护采用板单元。
计算模型采用位移边界条件，在模型底部施加竖向位移约束，模型四周施加法向位移约束，地表为自由面。
2.3 不同直径对管片受力变形特征的影响
取盾构管片开洞尺寸宽4 m，高4.1 m，分别选取盾构隧道内径D1=5.4 m、管片厚0.3 m，D2=7.7 m、管片厚0.4 m，D3=11.3 m、管片厚0.55 m三种情况进行研究，主要研究盾构隧道直径增加对管片和环框梁受力变形的影响。数值模拟计算所建三维模型见图5～图7。
图5 D1=5.4 m模型示意
图6 D2=7.7 m模型示意
图7 D3=11.3 m模型示意
(1)管片变形分析
按照破除管片、施做硐室初支、施作硐室二衬等施工步序进行。开洞尺寸不变，随着盾构隧道直径增大，X、Y、Z三个方向的变形随之增加；且随着硐室开挖步序进展，变形也逐渐增加。各施工步序下，管片X、Y、Z方向变形值见表2。
表2 不同盾构直径下管片变形值 mm
(2)管片内力分析
从模拟计算可以看出，开洞尺寸不变，管片弯矩绝对值随着盾构直径的增大逐渐增加，并且管片弯矩主要在纵向洞周2 m范围受到影响；不同隧道直径下，开口处上下边缘的管片轴力绝对值均远小于管片其他位置。盾构管片拆除时，开口处管片上下受拉，左右受压。在开口处左右边缘出现最大压应力，管片轴力主要在纵向洞周约4 m范围受到影响。施作完二衬后，不同直径的盾构管片内力值见表3。
表3 不同盾构直径的管片内力值
2.4 不同开洞尺寸对管片受力变形的影响
随着管片开洞尺寸增大，会使拆除管片面积和临空面增大，盾构隧道结构受力更为不利。盾构隧道内径为11.3 m，管片厚度0.55 m。分别选取硐室尺寸宽2 m、高2.6 m，宽4 m、高4.1 m，宽6 m、高5.6 m三种工况进行研究。其三维模型见图8～图10。
图8 硐室2 m×2.6 m模型示意
图9 硐室4.1 m×4.1 m模型示意
图10 硐室6 m×5 m模型示意
(1)管片变形分析
按照隧道管片破除、硐室初支施作、硐室二衬施作等施工步序进行，随着盾构开洞尺寸增大，盾构管片变形增加；且随着开挖步序进行，变形也逐渐增加。各施工步序下管片X、Y、Z三个方向变形值见表4。
表4 不同盾构开洞尺寸管片变形值 mm
(2)管片内力分析
由表4可以看出，随着盾构开洞尺寸增大，管片环所受弯矩绝对值逐渐增加，管片弯矩变化主要在纵向洞周2 m范围内。不同开洞尺寸下开口处上下边缘的管片轴力绝对值均远小于管片其他位置。盾构管片拆除时，开口处管片上下受拉，左右受压。在开口处的左右边缘出现最大压应力，管片轴力变化主要在纵向洞周约4 m范围。不同开洞尺寸的管片内力值见表5。
表5 不同开洞尺寸管片内力值
3 盾构开洞结构设计及施工优化
通过以上计算分析，在盾构开洞尺寸相同的条件下，随着盾构直径增大，盾构管片受力及变形越大；在盾构内径保持不变的情况下，随着盾构管片开洞尺寸增大，管片受力及变形越大。因此，大直径盾构的开洞尺寸应尽可能小，才能减少开洞对洞周管片的影响。
(1)如果本工程盾构管片开洞尺寸与硐室接近(6 m×5.6 m)，根据模拟计算，相较于4 m×4.1 m的开洞尺寸，最大弯矩增加约17%，最大弯矩出现在洞顶、洞底部位；最大轴力增加约13%，不同开洞尺寸下开口处上下边缘的管片轴力绝对值均远小于管片其他位置；最大变形增加约79%。因此，在满足硐室功能及建筑限界等要求下，应尽可能减小大直径盾构隧道的开洞尺寸。
(2)原设计盾构开洞宽度为4.2 m，需破除524环、525环、526环(共3环6块管片)，见图11、图12。
图11 原设计破除管片区域示意
图12 原设计破除管片立面示意
根据管片实际拼装位置，将纵向开洞范围由4.2 m调整为4 m，并于第524、525环两侧环缝处开洞；按原设计开洞高度，第525环开洞下部边缘需切割封顶块的2/3，为方便施工，可以将该环封顶块整体拆除，植筋后与加强环框梁底梁浇筑成一体。优化后，只需切割两环完整的盾构管片，并且开洞尺寸减少，更利于结构受力。
(3)改变硐室与盾构的连接形式和开口尺寸，盾构的受力发生改变。由数值模拟计算可知，减小盾构隧道开口尺寸，盾构管片最大弯矩和最大轴力值都有所减小，且弯矩值的减小较多，这样使得盾构管片整体结构的受力更合理。常规盾构开洞梁是按照二维计算，或参照类似工程配筋，截面尺寸及配筋较保守。通过三维数值模拟，可以更好模拟实际受力情况，初步估算，环框梁主筋钢筋较原设计钢筋重量减少约23%。
(4)通过数值模拟计算，开洞处管片及洞周4 m范围内需要配筋加强。
原盾构区间设计根据太沙基公式[15]计算，分界覆土厚度为26.2 m，按2倍洞径以上作为最大荷载分界配筋[16-17]，分别对覆土厚度H≤1D、1D
盾构开洞处隧道覆土厚度约27 m，根据模拟计算，采用16根φ25 mm可满足要求，相较于原设计，可以减少约39%的钢筋量。
(5)盾构隧道开洞后，管片受力发生改变，管片容易损坏，施工前应在这些位置进行加强处理。
直放站硐室范围，前期已经采用φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩完成土体加固，开孔的主要风险在于盾构施工时，管片外弧面与加固体之间的空隙没有通过同步注浆填筑饱满，水可能从中流入隧道。为保证硐室开挖安全，采取如下措施。
①临时支撑
直放站硐室接口处6环管片采用型钢内支撑加强，保证管环间有足够的刚度；待硐室二衬混凝土达到设计强度后拆除。临时型钢支撑断面见图13。
图13 临时支撑断面(单位：mm)
为增加型钢与管片间受力面积，将与管片接触的型钢加工成斜面，在型钢与盾构管片的接触面加设300 mm×200 mm×20 mm的钢板，钢板与管片间设10 mm橡胶垫，然后把型钢顶在混凝土管片上，用钢楔子塞入连接处，以确保与混凝土管片密贴。型钢与盾构管片接触示意见图14。
图14 型钢与盾构管片接触示意(单位：mm)
②纵向管环支护
纵向管环变形控制主要有两方面，一方面是螺栓复紧工作，一方面是焊接型材，拉接管环，使管环与管环之间紧密相连。
采用快速扳手，将洞室大里程和小里程方向管环螺栓各复紧20环。
采用25b工字钢，将硐室大里程和小里程方向管环各3环进行连接。连接方法为焊接，工字钢与螺栓焊接处加设钢板预制件，以增强拉接力并控制管环纵向变形。纵向管环连接示意见图15。
图15 纵向管环连接示意
③施作止浆环
止浆环主要作用是防止水从管片外弧面与加固体之间的空隙进入隧道内。因地基加固先行施工，管片外弧面与加固体之间的空隙很难通过盾构同步注浆达到饱满，存在渗水或流水的安全隐患。因此，决定采取如下措施。
在直放站硐室大里程和小里程方向地基加固区域内做两道止浆环(523环与526环)，阻隔地下水进入洞室开挖面。盾构隧道止浆环区域示意见图16。
图16 止浆环区域示意(单位：m)
在硐室开挖影响范围内全部进行注浆，采用双液浆。
4 监测分析
从施工现场监测数据看，地面沉降最大值为沉降6.02 mm，开洞周边管片拱顶、拱底沉降最大为2.19 mm，最大水平位移为3.1 mm，均在规范规定范围内，安全可控。此区间隧道已于2020年12月建成通车，运营良好。
5 结论
依托新建新郑机场至郑州南站城际铁路大直径盾构隧道工程，利用三维数值模拟、现场监测等手段，分析不同盾构直径、相同开洞尺寸和相同盾构直径、不同开洞尺寸下硐室施工对盾构隧道受力、变形等影响，揭示大直径盾构硐室施工时盾构隧道变形规律，得出结论如下。
(1)盾构管片破除、硐室开挖后，盾构管片变形向硐室一侧发展，由对称变形变为不对称变形，靠近硐室一侧变形明显大于另一侧。
(2)随着盾构隧道直径增大及开洞尺寸加大，盾构管片受力及变形加大，应尽可能减小大直径盾构隧道的开洞尺寸，硐室两侧4 m范围为管片的主要受影响区。
(3)由于管片的开洞施工，使管片受力发生改变，开洞洞周产生了应力集中现象，开口处表现为上下管片受拉，左右管片受压的状态，施工时需注意对开洞管片及其周边4 m范围管片进行加强处理。
(4)对于大直径盾构隧道，改变硐室与盾构的连接形式和开口尺寸，盾构受力也随之发生改变。减小盾构隧道与硐室相接开口尺寸，盾构管片最大弯矩和最大轴力值都减小，且弯矩值的减小较多。通过设计及施工的优化，可以使得盾构管片整体结构的受力更合理，确保大直径盾构开洞施工的结构安全。
