李少華

(中鐵十五局集團有限公司, 上海 200070)

受場地條件等因素制約,地鐵線路將不可避免地出現(xiàn)曲線,甚至還可能出現(xiàn)小半徑曲線.雖然目前尚無“小曲率半徑隧道”的確切定義,但已有規(guī)范[1]指出,當?shù)罔F隧道平面曲線半徑(Q)小于等于350 m、其他隧道小于等于40D(D為盾構外徑)時,盾構宜配備鉸接系統(tǒng)和超挖刀(仿形刀)系統(tǒng).潘泓等[2]通過現(xiàn)場監(jiān)測分析,指出曲線隧道區(qū)間內(nèi)側地層沉降較直線隧道區(qū)間大；受盾構機轉(zhuǎn)彎的影響,易使曲線隧道內(nèi)、外側地層產(chǎn)生非對稱變形.以濟南地鐵曲率半徑為300 m的曲線盾構隧道工程為背景,王國富等[3-4]考慮了曲線盾構隧道開挖面支護力的非對稱分布,推導了開挖面主動破壞極限支護力理論公式,同時建立了考慮曲線隧道內(nèi)、外側不同超挖量的三維實體模型；路林海等[5]對該工程進行了多斷面地表沉降監(jiān)測,指出盾構施工對曲線隧道內(nèi)側地層擾動較大.傅鶴林等[6]進行了關于隧道曲率半徑、埋深的參數(shù)敏感性分析,并結合數(shù)值模擬對理論解析進行了可靠性驗證.馮浩和閆格[7]給出了曲線隧道外側與內(nèi)側的千斤頂推力之比,指出各監(jiān)測斷面沉降峰值有朝曲線內(nèi)側偏移的趨勢,且隨隧道曲率半徑的減小而增大.Zhang等[8]分析了曲線盾構隧道施工期偏航掘進荷載對地層變形的影響.Li等[9]探究了曲線盾構隧道掘進引起周圍地層附加應力沿盾構掘進方向及環(huán)隧道斷面方向的分布規(guī)律,指出曲線隧道周圍的土體較直線隧道更容易屈服,應引起重視.

對于交通運輸系統(tǒng)不斷快速發(fā)展的特大城市,已經(jīng)在擁擠有限的空間里規(guī)劃、設計或建造了許多新隧道,因此并行(雙線)盾構隧道近接施工問題[10]在所難免；在此期間,重要的是要采取有效控制措施,確保擬建隧道周圍土體的穩(wěn)定性及先行隧道結構的安全性[11].受結構參數(shù)、地層條件、施工荷載等因素影響,相鄰隧道之間的相互作用問題非常復雜[12-13]，特別是當凈距小于3倍隧道直徑時,并行盾構隧道近接施工對周圍地層及隧道結構的影響不容忽視[14].雖然目前學者們對曲線盾構隧道有了初步探究,但關于曲線并行盾構隧道施工控制方面的研究較少[15].

鑒于此,本文通過建立考慮楔形管片環(huán)縫接頭特性的曲線并行隧道掘進精細化模型,從控制地層豎向及水平位移、管片內(nèi)力及安全系數(shù)等角度,探討并驗證能有效控制曲線盾構隧道施工的措施及效果.

1 曲線盾構施工控制技術

據(jù)報道,日本東京都下水道勝島泵站進水管渠工程采用直徑為10.3 m的盾構機實現(xiàn)了曲率半徑為30 m的急曲線隧道施工.此類Q/D<3的難點工程得以順利實施,主要歸因于三方面應對措施：① 采用配有大行程超挖刀和高性能鉸接裝置的“短”盾構機(與外徑之比接近1,如圖1a)；② 采用較小寬度的鋼管片(如圖1b),以應對千斤頂?shù)牟痪鶆蛲屏?；?采用塑流性凝膠化材料對過度超挖空隙進行及時填充(如圖1c).

圖1 曲線盾構施工控制技術Fig.1 Control technology for curved shield tunneling

根據(jù)已有研究,過度超挖將加劇土體變形的結論已得到證實[16](對應措施③)；且在設計規(guī)范范圍內(nèi),混凝土管片結構施工期的受力也是較為安全的[17](對應措施②).因此,本文重點分析采取縮短盾構機長度的措施(對應措施①)對曲線并行盾構隧道施工的控制效果.

2 精細化有限元模擬

2.1 工程背景

珠海地區(qū)地質(zhì)特征為典型的上軟下硬復合地層,為了便于分析,將其概化為上下兩層土,各層土的平均特征見表1.以新建鐵路珠海市區(qū)至珠海機場城際軌道交通工程為背景,實際工程為凈距約為一倍隧道直徑的曲線并行盾構隧道,施工順序為先掘進曲線內(nèi)側隧道、再掘進曲線外側隧道(見圖2).

圖2 曲線盾構隧道內(nèi)部圖Fig.2 Interior view of curved shield tunnels

表1 上軟下硬復合地層參數(shù)

2.2 有限元模型的建立

運用ABAQUS建立曲率半徑為300 m的曲線并行盾構隧道掘進有限元模型,如圖3所示.模型中土體、盾殼、管片、注漿體、超挖層采用實體單元(C3D8R)模擬,數(shù)量共計394 620個,具體參數(shù)見表2,其中土體采用Mohr-Coulomb本構模型；管片結構為楔形量為46 mm的雙面楔形通用管片,表2中參數(shù)為其平均值.螺栓采用線性梁單元(B31)模擬,數(shù)量共計4 560個,具體參數(shù)見表3.

圖3 曲線并行盾構隧道數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of twin curved shield tunnels

表2 實體單元參數(shù)

表3 M30螺栓參數(shù)

管片環(huán)縫接頭的模擬如圖4所示,即建立三維面面接觸以模擬管片環(huán)間的相互作用(切向設置庫侖摩擦接觸,法向設置硬接觸)；建立縱向螺栓與管片間的特定約束以模擬每環(huán)間19個斜螺栓的安裝,由此實現(xiàn)可考慮管片環(huán)縫接頭特性的曲線并行盾構隧道掘進精細化模擬.

圖4 管片環(huán)縫接頭的模擬Fig.4 Simulation of circumferential joint of the segment

2.3 分析工況

如圖3所示,每步開挖一環(huán)管片寬度的土體,即將盾構向前推進一環(huán)管片寬度作為一個分析步.曲線隧道在偏航掘進過程中,曲線內(nèi)、外側荷載比取為1∶4、偏航角設為1.8°[8],并將該偏航掘進工況定義為工況1.

以工況1為基準,將盾構機長度縮短為8 m(與外徑之比為0.91),由于盾殼長度的縮短,盾殼與土體間摩擦力有所減小(約6.4 kN),作用在楔形管片上的千斤頂推力(曲線內(nèi)、外側的管片環(huán)面均布力)也相應減小.將盾構機長度縮短后的數(shù)值模型定義為工況2,如圖5所示.以下為對比分析工況1和工況2,后行盾構隧道管片拼裝至監(jiān)測斷面時,周圍地層變形及先行隧道管片結構內(nèi)力的計算結果.

圖5 盾構機長度縮短后模型Fig.5 Model with reduced shield length

3 計算結果對比與分析

3.1 土體豎向位移

3.1.1現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結果對比

圖6給出了現(xiàn)場掘進工況(工況1)下后行隧道(曲線外側隧道)盾尾到達監(jiān)測斷面時的土體豎向位移場云圖,模型中負值表示豎直向下的移動.圖7給出了工況1下監(jiān)測斷面位置處的地表橫向(垂直于隧道軸線)沉降槽曲線,為了對比分析,同時加入現(xiàn)場監(jiān)測結果.圖中有限元模擬同現(xiàn)場監(jiān)測結果吻合較好,地層變形規(guī)律與已有研究相似,驗證了本文精細化數(shù)值模擬方法的準確性.

圖6 土體豎向位移云圖

圖7 監(jiān)測與數(shù)值結果對比Fig.7 Comparison of measured and numerical results

3.1.2施工控制結果對比

圖8給出了工況1和工況2的土體豎向位移結果,由圖可知,采取縮短盾構機長度的措施可有效減小土體豎向位移(減幅約8.8%),縮小沉降槽寬度.

圖8 施工控制結果對比Fig.8 Comparison of construction control results

3.2 土體水平位移

圖9給出了兩種工況曲線并行隧道兩側及夾土層的橫向水平位移.由圖可知,兩種工況夾土層的水平位移相當,但工況2曲線隧道內(nèi)、外側土體的水平

圖9 深層土體水平位移

位移均小于工況1,減幅分別為7.2%、15.5%.

3.3 管片結構內(nèi)力

日本土木工程師協(xié)會提出的盾構隧道標準規(guī)范規(guī)定,若兩隧道之間的距離小于新建(先行)隧道的外徑,則需要充分證明施工安全性[18].圖10和圖11分別給出了兩種工況下先行隧道監(jiān)測斷面管片的軸力圖和彎矩圖.由圖可知,工況1和工況2的內(nèi)力分布規(guī)律相似,其中軸力的最值相差不大；彎矩的最值均出現(xiàn)在靠近后行隧道一側(α= 0°),但工況2的值較工況1減小約92.5kN·m/m(減幅約42.8%).

圖10 管片軸力Fig.10 Axial force in the segment

圖11 管片彎矩Fig.11 Bending moment in the segment

在獲得管片軸力(N)及彎矩(M)分布的基礎上,依據(jù)相關規(guī)范及文獻[13,17,19],分析襯砌管片的安全性.圖12給出了兩種工況下,先行隧道監(jiān)測斷面位置處管片的安全系數(shù).由圖可知,工況2的安全系數(shù)分布較為均勻,且最小安全系數(shù)較工況1大幅提高(約2.8倍).

圖12 管片安全系數(shù)

4 結論

本文通過總結日本一急曲線隧道施工順利實施的應對措施,分析了采取縮短盾構機長度的措施對曲線并行盾構隧道施工的控制效果.數(shù)值結果表明：

1) 本文所建立的數(shù)值模型充分考慮管片環(huán)縫接頭特性,計算結果與現(xiàn)場監(jiān)測結果吻合較好,驗證了本文精細化數(shù)值模擬方法的可靠性.

2) 采取縮短盾構機長度的措施不僅能有效減小土體豎向位移、曲線隧道內(nèi)側和外側土體水平位移,還能使地表沉降槽寬度變窄.

3) 盾構機長度改變與否,管片結構內(nèi)力分布規(guī)律及軸力最值不發(fā)生顯著變化.采取縮短盾構機長度的措施可明顯減小管片結構的彎矩最值，提高其安全系數(shù).

為了有效控制地層的變形和確保管片結構的受力安全,縮短盾構機長度不失為一種可靠的措施,但同時也帶來了實際施工操作空間狹小的問題.因此,今后從盾構機制造,到施工推進,乃至管片拼裝,都應注重智能化、信息化、自動化等方面的革新.