地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道機械法施工對主隧道受力影響分析

萬 敏，宿文德，邵耳東（上海隧道工程有限公司市政公用工程設(shè)計研究院，上海 200032）

地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工方法主要有凍結(jié)法、機械法及明挖法等。由于地鐵大多處于城市主干道或中心城區(qū)，環(huán)境保護要求高，故較少采用明挖法施工。目前大部分地鐵聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法施工，其工藝成熟，可有效地隔絕地下水，安全性及適用性較高。機械法是一種較新的施工方法，采用頂管機或盾構(gòu)機切削主線隧道預(yù)制可切削混凝土管片，逐節(jié)頂進施工，直至聯(lián)絡(luò)通道貫通。

朱瑤宏、丁修恒等[1-2]對聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)法修建技術(shù)進行了系統(tǒng)全面的闡述。朱瑤宏、柳獻等[3-5]通過足尺試驗及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了盾構(gòu)主隧道在機械切削過程中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)果表明，機械法聯(lián)絡(luò)通道破洞過程是管片和內(nèi)支撐共同受力的過程，結(jié)構(gòu)響應(yīng)為環(huán)、縱向兩個方向的內(nèi)力重分布。丁修恒、何邦亮等[6-7]通過有限元方法研究剛性接頭和半剛性接頭情況下，地震荷載和列車荷載對主隧道和聯(lián)絡(luò)通道的受力、位移和加速度響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，在地震荷載作用下剛性接頭受力遠大于半剛性接頭，半剛性連接形式下，隧道加速度及位移的響應(yīng)均大于剛性連接工況。

目前隧道聯(lián)絡(luò)通道施工數(shù)值研究大多集中于凍結(jié)法研究，對機械法聯(lián)絡(luò)通道施工數(shù)值研究較少。為了研究機械法聯(lián)絡(luò)通道施工時主隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變形重分布特性及其對各不利工況的敏感性，本文基于 Midas FEA 有限元分析軟件，建立機械法聯(lián)絡(luò)通道施工三維有限元模型，研究主隧道在頂進及開洞工況下，其內(nèi)力變形對各不利工況敏感性響應(yīng)。

1 工程概況

基于某市域鐵路工程—4 號聯(lián)絡(luò)通道，右線里程 DK 26 + 180.00 m、左線里程 DK 26 + 195.30 m，聯(lián)絡(luò)通道頂埋深 25.00 m，主線隧道埋深 23.45 m，主線隧道及聯(lián)絡(luò)通道所處土層主要為 ④1細粉砂層，地下水位埋深 12.00 ～ 15.00 m。聯(lián)絡(luò)通道采用頂管法施工，開洞環(huán)為 3 環(huán)特殊環(huán)管片，采用鋼-混復(fù)合管片，通縫拼裝，其中可切削部分為 C 40 混凝土，鋼管片部分采用 Q 345 鋼材。其余管片為 C 50 普通混凝土管片，錯縫拼裝，管片寬度 1.50 m，厚度 350 mm，管片環(huán)內(nèi)徑 5.50 m，外徑 6.20 m。頂管機頂推力通過后靠系統(tǒng)傳力給管片，每塊管片傳力面高度 3.20 m。

頂管管節(jié)外徑為 3.10 m，管節(jié)壁厚 250 mm。聯(lián)絡(luò)通道中心高程與主隧道中心高程平齊，縱向中心線位于開洞三環(huán)管片正中間，如圖 1 所示。

圖1 管片、管節(jié)示意圖

管片的臨時支撐系統(tǒng)采用自動車架頂升伺服系統(tǒng)，采用Q 345 鋼材。包括 250 mm×500 mm × 40 mm × 40 mm上鋼縱梁、400 mm×400 mm×40 mm×40 mm 上鋼弧梁及鋼柱，如圖 2 所示。

圖2 自動車架頂升伺服系統(tǒng)示意圖

2 機械法聯(lián)絡(luò)通道三維有限元模型

2.1 模型簡介

結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算按自由變形的彈性體勻質(zhì)圓環(huán)進行。特殊管片環(huán)為通縫拼裝，相鄰管片為錯縫拼裝，采用修正慣用法進行計算，隧道管片及聯(lián)絡(luò)通道頂管管節(jié)采用板單元模擬?？紤]管片間接頭對既有隧道變形產(chǎn)生的影響，定義隧道斷面抗彎剛度折減系數(shù)為 0.8，軸向剛度不變。忽略環(huán)縫接觸構(gòu)造的影響，環(huán)與環(huán)間僅考慮螺栓連接作用，采用剪切彈簧單元模擬。采用僅受壓彈簧單元模擬隧道外部土體與管片相互作用。臨時支撐伺服系統(tǒng)采用梁單元模擬，與管片接觸用無限剛度的僅受壓彈簧進行模擬。聯(lián)絡(luò)通道管節(jié)與主隧道連接采用連接單元模擬。

2.2 模型參數(shù)

混凝土管片及管節(jié) C 50 混凝土采用彈性本構(gòu)模型，彈性模量取為 34.5 GPa，泊松比取為 0.2。鋼管片及臨時支撐伺服系統(tǒng)鋼材采用彈性本構(gòu)模型，彈性模量取為 206 GPa，泊松比取為 0.3。管片剪力銷榫頭以 200 mm 間距的彈簧模擬，剛度取 4 600 kN/m；盾構(gòu)管片以及管節(jié)主要穿越土層為 ④1黏質(zhì)粉土夾砂質(zhì)粉土，土彈簧基床系數(shù)取值為 33 000 kN/m2。

2.3 數(shù)值模擬工況

數(shù)值模型中聯(lián)絡(luò)通道施工工況與實際工況對應(yīng)，共分為4 個。

（1）第 1 工況：主線盾構(gòu)隧道拼裝完成。

（2）第 2 工況：內(nèi)部支撐完成，特殊管片開洞頂進，該工況考慮偏載不利情況。

（3）第 3 工況：頂進施工結(jié)束，管節(jié)拼裝完成。

（4）第 4 工況：管節(jié)與主隧道永久接頭制作完畢后，內(nèi)支撐拆除。

2.4 荷載及邊界條件

管片主要受到自身重力、頂部水土壓力、側(cè)向水土壓力、底部反力和拱肩土壓力作用。不同施工工況下主隧道所受荷載如圖 3 所示。其中：q1為頂部水土壓力，q2為底部水土壓力，q3為頂部側(cè)向土壓力，q4為底部側(cè)向土壓力，q5等效為拱肩土壓力，q頂為頂管機后靠力。荷載取值如表1 所示。

圖3 典型工況下荷載示意圖

表1 土體荷載取值

千斤頂通過后靠系統(tǒng)傳力給管片，每塊管片傳力面高度3.20 m。將千斤頂對豎梁的力近似等效為均布力，考慮糾偏時最不利頂推力工況，頂力荷載各管片分布如表 2 所示。

表2 頂推力取值

邊界條件為土體僅受壓彈簧端頭鉸接約束以及主隧道管片和頂管管節(jié)防扭轉(zhuǎn)約束。

3 計算結(jié)果分析

3.1 位移分析

各工況下主隧道各環(huán)管片頂?shù)棕Q向位移及側(cè)部水平位移變化趨勢如圖 4、圖 5 所示。

圖4 各工況下管片位移圖

圖5 各工況下管片收斂位移圖

由圖 4、圖 5 可知，工況 2 中第 7 環(huán)管片頂部豎向變形最大，約 ﹣8.3 mm，相比工況 1 增大 3.7 mm。工況 4中，開洞側(cè)水平變形最大，約 8.4 mm。同時，工況 4 中，第 5 ～ 9 環(huán)最大頂?shù)资諗繛?11.5 mm，最大水平收斂 10.8 mm，管片收斂變形開洞環(huán)最大，由開洞環(huán)向兩側(cè)逐漸減小，機械法聯(lián)絡(luò)通道施工對管片收斂變形影響集中在以第 7環(huán)為中心的 5 環(huán)管片內(nèi)，第 1 ～ 4 環(huán)及第 10 ～ 13 環(huán)管片收斂各工況變化較小，管片收斂變化幅度 ＜ 7%。

3.2 內(nèi)力分析

各工況下主隧道各環(huán)管片軸力（壓力）及彎矩變化趨勢如圖 6、圖 7 所示，彎矩正值表示管片內(nèi)側(cè)受拉。

圖6 各工況下管片軸力圖

圖7 各工況下管片彎矩圖

由圖 6 所示，各工況下，開洞環(huán)第 6 和 8 環(huán)變化最大。工況 2 頂推工況時，第 6 和 8 環(huán)頂部軸力由 1 380 kN 減少至 800 kN，頂推力作用下軸力最大減小約 580 kN；側(cè)部開洞側(cè)由 1 900 kN 減少至 1 550 kN。工況 4 拆撐工況時，第6 和 8 環(huán)頂部軸力增加到 1 200 kN。各工況對主隧道第 1 ～4 環(huán)及第 10 ～ 13 環(huán)管片軸力影響較小，軸力變化幅度 ＜5%。由圖 7 可知，工況 4 中，第 6 和 8 環(huán)管片頂部彎矩由175 kN·m 增加至 282 kN·m，增加彎矩 107 kN·m，開洞側(cè)負彎矩由 150 kN·m 增加至 238 kN·m，增加負彎矩 88 kN·m。管片彎矩開洞環(huán)最大，由開洞環(huán)向兩側(cè)逐漸減小。機械法聯(lián)絡(luò)通道施工對管片內(nèi)力影響集中在以第 7 環(huán)為中心的 5 環(huán)管片內(nèi)，對主隧道 1 ～ 4 環(huán)及 10 ～ 13 環(huán)管片軸力影響較小，彎矩變化幅度 ＜ 10 %。

4 結(jié) 語

（1）機械法聯(lián)絡(luò)通道施工過程中控制工況為頂進始發(fā)工況及拆撐工況。頂進始發(fā)工況下第 7 環(huán)管片頂部豎向變形最大，約 ﹣8.3 mm。拆撐工況下，第 5 ～ 9 環(huán)最大頂?shù)资諗繛?11.50 mm，最大水平收斂 10.80 mm，第 6 環(huán)管片頂部及開洞側(cè)彎矩最大，分別為 282 kN·m、238 kN·m。

（2）機械法聯(lián)絡(luò)通道施工影響管片范圍集中在開洞處中間 5環(huán)管片，各不利工況下第 1 ～ 4 環(huán)、第 10 ～ 13 環(huán)管片收斂變化幅度 ＜ 7 %，軸力變化幅度＜ 5 %，彎矩變化幅度 ＜ 10 %。

（3）主隧道 5 ～ 9 環(huán)管片變形內(nèi)力對機械法聯(lián)絡(luò)通道施工不利作用響應(yīng)表現(xiàn)為，拆撐工況對管片收斂變形影響最大，最大水平收斂增大約 5.52 mm，最大頂?shù)资諗吭龃蠹s5.27 mm。頂推力作用下軸力最大減小約 580 kN；拆撐工況管片頂部最大彎矩增大約 107 kN·m，開洞側(cè)部管片彎矩最大增加 88 kN·m。