周萌
(中铁上海设计院集团有限公司,200070,上海)
摘要[目的]在9m级大直径盾构中,尚无采用盾构法进行联络通道施工的工程案例,受限界及疏散平台高度影响,联络通道与主隧道之间存在一定偏心距,主隧道结构面临着盾构偏心始发和接收的影响,需研究盾构法联络通道不同开洞位置对主隧道管片内力的影响。[方法]依托某市域铁路工程,采用数值模拟方法,分析不同偏心距下盾构法联络通道施工始发和接收阶段主隧道管片力学响应。[结果及结论]盾构法联络通道施工过程中,最不利阶段为作用在盾构反力架上的推力为0的工况;随着偏心距的增大,主隧道特殊管片收敛变形,以及钢管片、混凝土管片内力逐渐减小,但环缝剪力和纵缝剪力逐渐增大;在开洞侧与特殊管片相邻的普通混凝土管片的内力也会发生显著的增大,需要在结构设计中重点关注。
机械法联络通道技术是近年来兴起的一种联络通道施工技术,包括盾构和顶管两种工艺。与传统冻结法相比,机械法具有施工安全性高、工期短、环境影响小、无需大面积地层加固等特点[1],已在6m级直径的地铁盾构隧道中得到了一定的应用[2]。文献[3]分析了机械法联络通道施工过程中主隧道的受力情况,研究结果表明盾构切削主隧道后隧道刚度下降,需要采取针对性措施提高结构整体性。文献[4-6]针对顶管法和盾构法联络通道施工,开展了系列足尺试验和现场试验研究,明确了在内支撑等辅助设施协同下主隧道衬砌环的内力重分布特征。文献[7]采用模型试验方法研究了机械法联络通道中盾构接收对既有隧道的影响。文献[8]通过数值模拟,分析了高水压、破碎地层中采用机械法进行联络通道施工过程中的隧道结构力学响应。
目前已有的机械法联络通道均采用中心开洞的方式,但随着市域铁路的快速发展,9m级盾构隧道的应用越来越广泛。受隧道尺寸、限界、疏散平台的影响,联络通道无法实现中心开洞方式,需要采用偏心开洞的方式(见图1),这使得9 m级主隧道管片的受力体系与传统盾构法施工存在较大不同。
本文主要通过数值模拟方式研究盾构法联络通道不同开洞位置对主隧道管片内力的影响,并提出相应的设计建议,以期为盾构法联络通道技术在市域铁路工程中的应用提供技术支撑。
1工程背景
某市域铁路盾构隧道外径9.0m、厚度0.45m的钢筋混凝土管片,采用7分块,混凝土强度等级为C55。主隧道在联络通道位置处连续3环采用特殊管片结构形式,即4块混凝土管片(F、L1、L2、B1)+3块钢管片(B2、B3、B4),洞门处采用可切削的玻璃纤维混凝土。联络通道外径为3.65m,内径为3.10m,管片厚度为0.275m,混凝土强度为C50。
由于主隧道直径为9.0m,若采用传统内支撑体系则会极大占用隧道空间,因此提出采用无背靠的反拉式始发装置,如图2所示。盾构机的始发推力通过拉杆传递到始发钢套筒上,以实现盾构掘进。
2数值模拟
2.1计算模型及参数
采用Midas GTSNX软件建立主隧道+联络通道的三维荷载结构模型,其中主隧道、联络通道、钢套筒均采用壳单元进行模拟,如图3所示。隧道在3环特殊管片两侧各延伸10环普通钢筋混凝土管片,以减小边界条件影响。管片环间和块间考虑螺栓作用,采用壳界面单元连接,连接参数参考实际弹簧刚度。特殊衬砌环中的钢管片在施工前采用等强度焊接环纵缝,因此认为其为一个整体,不考虑接缝作用。洞门可切削混凝土材料参数同混凝土管片,钢管片采用等效抗弯刚度计算等效矩形截面壳单元弹性模量,结构材料参数如表1所示。地层参数考虑上海地区典型粉质黏土地层,其基本物理力学参数如表2所示。
2.2荷载及边界条件
数值计算模型中的各项荷载如图4所示。计算埋深30m,采用全覆土理论计算竖向土压力,通过在隧道全周设置地基弹簧模拟土与结构的相互作用得到地基反力,且地基弹簧仅受压力,地基弹簧刚度按表2中的“基床系数”换算取值。
施工荷载包括掌子面推力和千斤顶反力,根据施工装备的设计参数,确定盾构机推力为400~700t,据此可计算得到作用在掌子面的推力和钢套筒上的反力。
2.3施工过程模拟
根据机械法联络通道的实际施工过程,将模拟工况分为始发和接收两个阶段,其中始发阶段分为5个工况,接收阶段分为2个工况,各工况简介如表3所示。
考虑主隧道和联络通道限界及疏散平台高度要求,二者偏心距最大可达1.2m,因此在数值模拟中共考虑主隧道与联络通道存在5种相对位置关系,即偏心距e分别为0m、0.3m、0.6m、0.9m、1.2m。每种工况中盾构机推力分别取最大值700t和最小值400t进行计算。
通过计算发现,不同偏心距条件下各工况隧道变形趋势类似,因此以e=300mm、推力400t为例分析管片的变形特征。为重点研究机械法联络通道施工产生的影响,计算中的位移均忽略了主隧道施工产生的初始位移。
不同工况下主隧道各环的最大水平位移、竖向位移如图5所示。由图5可见,在始发过程中,主隧道最大位移出现在盾构反力撤除工况。这是因为在始发阶段,盾构反力对主隧道来说是有利荷载,而随着洞门破除,盾构机进入土体中,掌子面的推力将逐步由联络通道管片与土体间的摩擦力替代,导致盾构反力逐渐降低。因此,当盾构反力为0时,主隧道处于最不利施工状态。而当盾构接收时,隧道位移为负值,表明隧道的椭圆化程度降低,对隧道变形有利。
从对不同衬砌环的位移分析可以看出,联络通道施工对主隧道竖向和水平向位移的影响不同。在水平方向上,最大水平位移随环号的增大呈现非线性减小的趋势,主要原因是水平方向上,管片的刚度存在一定差异。除特殊管片第3环外,两侧仍有3环管片受到联络通道施工的影响,水平位移超过1mm,总影响环数达到9环。在竖向上,竖向位移的收敛随着环号的增大呈线性减小的趋势,因为在拱顶处,管片刚度均保持一致性;另一方面,竖向位移的影响范围要小于水平方向的,除3环特殊管片外,两侧各有2环管片受到联络通道施工的影响,竖向位移超过1mm。
图6为盾构反力撤除工况时的竖向位移和水平向位移云图。由图6可知,水平位移最大出现在半开洞环(第2环)的B3块钢管片的最大开挖直径处,因为此处管片宽度最窄,导致隧道局部刚度最小。竖向最大位移出现在全开洞环(第1环)的L2块和B4块的接缝处。这主要是因为特殊管片3环采用的是通缝拼装,而L2块和B4块的接缝距离拱顶最近,导致此处竖向位移最大。因此,在结构设计时,建议提高特殊管片L2和B4块的纵缝接头螺栓等级。
以最大水平位移作为隧道收敛变形指标,统计不同偏心距条件下主隧道特殊管片的最大附加收敛变形,如图7所示。由图7可见,随着偏心距的增大,机械法联络通道施工引起的主隧道特殊管片附加变形表现出逐渐减小的趋势,且减小的速度随偏心距的增大而增大。当偏心距为0mm时,最大水平向收敛变形为4.10mm,竖向收敛变形为3.04 mm;当偏心距为1200mm时,最大水平向收敛变形为3.76mm,竖向收敛变形为2.78mm,分别减小了9.0%和9.2%。主要原因是拱腰处是隧道最大弯矩位置,因此中心开洞对拱腰处的削弱最为明显;而随着偏心距的增大,开洞对拱腰处的影响逐渐减弱,因而变形也逐渐减小。
3.2管片内力
对钢管片来说,其最大轴力和弯矩均出现在半开洞环的B4块处,统计不同偏心距条件下钢管片的最大内力如表4所示。由表4可见:随着偏心距的增大,管片的最大轴力呈现逐渐减小的趋势,但是减小的幅值较小;管片的最大正弯矩是逐渐增大的,从e=0mm的703KNm增大到e=1200mm的767KNm,和初始值相比较,分别增大了10.4%和20.4%;管片的最大负弯矩是逐渐减小的,从e=0mm的1098KNm减小到e=1200mm的996KNm,和初始值相比,分别增大了129.2%和107.9%。从钢管片受力来看,偏心距越大,对整体受力越为有利。从管片受力的角度来看,对于圆形隧道来说,拱腰处弯矩最大,因此当偏心距为0时,拱腰处开洞范围最大,导致其弯矩需要由相邻管片承担;随着偏心距增大,开洞范围内的弯矩逐渐减小,因此需要相邻管片承担的弯矩也逐渐减小。
混凝土管片初始状态和不同偏心距下的最大弯矩云图如图8所示。由图8可见:初始状态下,混凝土管片的最大正弯矩出现在拱底,最大负弯矩出现在拱腰处,开洞侧和非开洞侧弯矩基本呈现对称分布;而联络通道施工时,混凝土管片最大负弯矩出现在和特殊环钢管片相邻的混凝土标准环处,且显著大于初始工况,需要在结构设计时重点关注。
最大弯矩值随偏心距的变化曲线如图9所示。由图9可见:最大负弯矩随着偏心距的增大而逐渐减小,当e=0mm时,最大负弯矩达522KNm,相较初始工况增大了51.7%;当e=1200mm时,最大负弯矩为465KNm,相较初始工况仅增大了35.2%。最大正弯矩相较于初始工况略有增大,且随着偏心距的增大而逐渐增大,增大幅值从e=0mm的9.8%增长到e=1200mm的12.7%。由于负弯矩表示管片迎土面受拉,其裂缝对管片整体耐久性的影响更为显著,而且负弯矩相较于初始工况弯矩增大幅度要大于正弯矩,因此可以认为随着偏心距的增大,对混凝土管片的受力也是更为有利的。
3.3接头分析
管片的环纵缝剪力主要通过螺栓传递,因此其大小对管片接头螺栓的设计十分关键。图10为不同工况下管片接缝最大剪力随偏心距变化曲线。由图10可见,在初始剪力基本保持不变的情况下,各工况下管片接缝的剪力均随着偏心距的增大而增大。其中盾构反力撤除阶段增大的最为显著,当偏心距为1200mm时,接缝最大剪力相较初始工况增大了97.4%。
盾构反力撤除工况下管片接缝剪力的分布云图如图11所示。由图11可见,接缝剪力最大位置出现在特殊管片第3环与相邻普通混凝土管片的环缝处,集中在B2、B3块钢管片。根据对圆形隧道的受力分析可知,正常受力状态下管片剪力最大值就位于水平轴±45。区域,恰好是B2、B3块管片位置。而当偏心距逐渐增大时,开洞位置更加接近—45。位置,导致该处的剪力进一步转移到相邻块的管片接缝处。这也就解释了为什么偏心距越大,管片接缝剪力越大。
在盾构接收阶段,不同接收推力下接缝最大剪力随偏心距变化曲线如图12所示。由图12可见,管片接缝最大剪力随着推力的增大而增大,但随着偏心距的增大而逐渐减小。综合始发和接收阶段,在小偏心条件下,盾构接收时的接缝剪力要大于始发阶段的;而在大偏心条件下,盾构接收时的接缝最大剪力要小于始发阶段的。
4结语
本文通过数值模拟分析了9.0m级盾构隧道采用反拉式盾构法进行联络通道施工时,不同的开洞位置对主隧道管片结构内力的影响,主要研究结论如下:
1)采用反拉式盾构法进行联络通道施工时,最不利工况发生在联络通道掘进一定距离后,即盾构反力为0的工况。
2)随着联络通道偏心距的逐渐增大,就特殊管片本身而言,无论从收敛变形,还是从钢管片、混凝土管片结构内力来说都是更为有利的;但对于管片接缝剪力来说,随着偏心距增大,环缝螺栓所需承担的剪力是逐渐增大的,因此在设计过程中需要对二者受力进行平衡。
3)在施工过程中,除了特殊管片第3环外,在开洞侧与特殊管片相邻的普通混凝土管片负弯矩也会显著增大,建议加强与特殊管片相邻的普通混凝土管片的配筋及接头螺栓等级。
转载文献来源：中国知网-城市轨道交通研究
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