城市軌道交通TBM拆卸洞室設計及安全性研究

張泰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安　710043)

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城市軌道交通TBM拆卸洞室設計及安全性研究

張泰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

摘要:以重慶軌道交通六號線工程銅鑼山隧道為研究對象，針對大埋深隧道，提出復合式TBM在隧道洞內進行拆卸，并借助有限元軟件采用定量分析與監控量測相結合的方法，進行拆卸洞室結構安全性分析。研究結果表明:重慶地區類似工程采用復合式TBM在隧道內拆卸安全可行;采用“拆卸洞+運輸洞”的形式進行接收，實現了復合式TBM在洞內分解拆卸、車輛裝載運輸，避免了施作超深吊出豎井的高風險等問題，可為重慶及其它地區類似工程提供借鑒。

關鍵詞:復合式TBM洞內拆卸有限元分析結構計算

全斷面隧道掘進機施工技術以其快速、安全、優質、環保等諸多優點，在地鐵建設中得到廣泛應用。為了適應城市地質環境中軟硬不均、變化頻繁、復合交互且巖石強度差異較大的地層，復合式TBM施工技術應運而生。但由于實際工程中的應用實例較少，相關研究也比較滯后，可供參考文獻較少。基于重慶軌道交通工程，王俊［1］從管片結構、超深豎井支護及穿越建筑物方面，對復合式TBM區間結構設計進行了研究;譚軍民［2］對復合式TBM卡盾原因進行了分析，并制定應對措施;郭家慶等［3］對復合式TBM施工注意事項進行了分析;范九巳等［4］對復合式TBM掘進施工監理方法進行了探討。但現有文獻主要集中在對區間埋深較小、施工場地優越的隧道施工技術及設計方法等的研究。

本文將結合重慶地鐵6號線銅鑼山隧道工程實例，闡述復合式TBM在深埋隧道洞內拆卸的方案，并進行結構安全性分析，避免了深埋隧道施作超深豎井的問題，為后續類似工程的設計提供借鑒。

1　工程背景

1. 1工程概況

銅鑼山隧道位于重慶地鐵六號線劉家坪站—上新街站區間，下穿銅鑼山段，為左右線平行的兩條單洞單線隧道，線間距15 m，全長5 633 m。隧道屬于長隧道，為了提高施工進度，滿足工期要求，同時減少輔助坑道的施工，擬定采用復合式TBM +礦山法相結合的施工方法。銅鑼山隧道出口端2 733 m段以灰巖為主，局部段落存在煤系地層、石膏巖、白云巖、斷層破碎帶，可能存在巷道、采空、溶腔、巖溶、突涌水等不良地質情況，考慮施工工期及安全等問題，該段采用鉆爆法施工。考慮復合式TBM的適應性，擬在進口段2. 9 km的砂巖、泥巖段，采用2臺直徑6. 28 m的復合式TBM由隧道進口向上新街站方向掘進，通過在隧道內實現地下拆卸后，再沿斜井運輸至地面。復合式TBM主要部件尺寸及質量如表1所示。

表1復合式TBM主要部件尺寸及質量

1. 2地質概況(表2)

復合式TBM施工段沿線地層由地表向下主要為第四系人工填土、殘坡積及崩坡積土;侏羅系的自流井組、珍珠沖組地層的砂、泥巖;三迭系上統須家河組第六段石英砂巖。砂巖飽和單軸抗壓強度值為39. 9 MPa，泥巖飽和單軸抗壓強度值為6. 1 MPa。圍巖級別判定:泥巖段Ⅳ級、砂巖段Ⅲ級。地下水不甚發育，主要為松散層孔隙水以及基巖裂隙水，受大氣降水補給，涌水量較小，水文地質條件較好。

表2地層物理力學參數

2復合式TBM洞內拆卸方案設計

2. 1洞內拆卸工序

復合式TBM調頭工序為:調頭前準備工作(確定姿態、安裝調頭段鋼軌、安裝接收基座、安裝洞門密封環、拆卸設備安裝調試等)→右線貫通、渣土清理→主機和后配套分離→主機被牽引至拆卸洞內→主機拆卸運輸出洞→后配套被牽引至拆卸洞內→后配套拆卸運輸出洞→完成右洞拆卸工作→拆卸設備轉移安裝至左線。

2. 2拆卸洞及運輸洞平面布置

復合式TBM施工終點位于銅鑼山山體中部，埋深160 m，施作吊出豎井難度大，且復合式TBM拆卸后提升風險高，故通過施作拆卸洞室及斜井，將復合式TBM洞內拆卸并通過斜井運輸至地面。

同時考慮到拆卸洞的結構尺寸大，將拆卸洞選址設置在圍巖條件較好的Ⅲ級砂巖地段內，確保施工及結構安全。

擬定拆卸段采用“拆卸洞+運輸洞”的形式，如圖1所示。拆卸洞主要用于復合式TBM接收及主機、設備橋架和后配套拆卸、裝車，運輸洞主要用于將拆卸后的設備通過車輛運輸至地面。

圖1復合式TBM洞內拆卸平面布置

2. 3拆卸洞斷面擬定

復合式TBM調頭斷面的凈空尺寸應滿足地鐵建筑限界，以及各種設備使用功能與拆卸工藝的要求，并結合施工誤差、結構變形和位移等因素給出必要的富裕量，再從經濟性和實用性方面綜合考慮。最終確定:

拆卸洞室的有效長度L = 35 m;

拆卸洞室的有效高度H = D + h1+ h2+ h3= 12 m;

拆卸洞室的有效寬度B = D + d = 8. 28 m;

拆卸洞走行吊機安裝寬度B1= B + 2b = 8. 5 m。

拆卸洞限界斷面如圖2所示。

圖2復合式TBM拆卸洞限界斷面

3　結構計算分析

3. 1基本假定與荷載

3. 1. 1基本假定

1)假定各地層均為理想彈性體，且屬連續、均質的各向同性體;

2)假定襯砌為小變形彈性梁，并離散為足夠多個等厚度直桿梁單元;

3)假定初期支護與四周圍巖密貼，且回填材料的力學參數不小于周圍巖體的力學參數;初期支護與二次襯砌密貼，且回填材料的力學參數不小于初期支護的力學參數;

4)用布置于各節點上的彈簧單元來模擬圍巖與初期支護、襯砌的相互約束;假定彈簧不承受拉力，即不計圍巖與支護結構的黏結力;彈簧受壓時的反力即為圍巖對襯砌的彈性抗力。

3. 1. 2計算荷載

根據結構形式、受力條件、地質條件等因素，考慮施工和使用年限內發生的變化，其主要荷載包括:結構自重、地層壓力、水壓力及浮力等永久荷載;洞內橋吊工作荷載等施工荷載。并根據現行國家標準及相關規范規定的可能出現的最不利組合進行計算。

3. 2計算模式

為盡可能掌握隧道襯砌的實際受力狀態，按地層—結構模式(平面)進行了計算。計算軟件為Ansys。為了建立真實的物理模型，圍巖采用等參平面四邊形單元進行離散，而二次襯砌采用梁單元( beam)模擬。

3. 2. 1有限元模型

1)計算模型

根據斷面區間隧道位置關系圖建立模型，上表面取距拱頂30 m，左邊界、右邊界及下表面取至離隧道周邊4D處。約束條件:左右邊界受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為荷載約束。計算模型如圖3所示。

圖3“地層—荷載”計算模型與網格劃分

2)地層及結構物理力學參數

計算時圍巖和襯砌結構的物理力學指標根據《重慶地鐵六號線二期銅鑼山隧道工程勘察報告(詳勘)》加以選取。

3)屈服準則

計算采用彈塑性平面應變模型。巖土材料的非線性按DP材料處理，塑性準則使用Drucker-Prager屈服準則。

4)計算步驟模擬

計算步驟為初始平衡→隧道開挖→隧道襯砌施作→洞內橋吊工作荷載施加。

3. 2. 2計算結果

1)隧道周圍的圍巖應力

由各個方向的應力云圖可看出，隧道周圍大部分區域是受壓的。應力極值分布見表3。本段圍巖處于T3xj砂巖中，地基承載力為3 MPa，滿足要求。

表3拆卸洞周邊圍巖應力

2)二次襯砌結構內力

選取隧道結構拱頂、拱腰、支座、邊墻、仰拱進行受力分析檢算。

二次襯砌結構采用“破損階段”法設計，以可靠指標度量結構構件的可靠度;并根據承載力極限狀態及正常使用極限狀態的要求進行裂縫驗算。隧道襯砌各控制點內力及安全系數及裂縫檢算結果見表4、表5。

表4安全系數檢算結果

表5裂縫寬度檢算結果

經過驗算，結構安全系數及裂縫寬度符合相關規范要求［5-6］。

通過上述結構計算與綜合分析，并結合重慶地鐵的經驗，拆卸洞擬采用復合式襯砌，其支護參數見表6。

表6拆卸洞支護參數

4　監控量測

在隧道開挖后，立即進行拱頂沉降、水平收斂、底部隆起以及圍巖壓力等監測。

目前已完成區間結構施工，隧道拱頂下沉、水平收斂監測數據如圖4所示。監測數據表明:最不利位置拱頂累計沉降14. 4 mm，水平收斂6. 8 mm，底部隆起0. 2 mm;各監測數據均滿足變形控制標準的要求，且與施工階段的數值模擬計算結果基本吻合，建(構)筑物、隧道結構均處于基本穩定狀態。

圖4施工過程監控量測

5　結論

1)采用復合式TBM在洞內拆卸并通過斜井運出是安全可行的，避免了施作超深吊出井的高風險等問題;

2)采用隧道內拆卸復合式TBM，實現了城市軌道交通長大穿山區間施工工法的多樣性，拓展了復合式TBM的適用范圍;

3)利用有限元軟件，結合“地層—結構”模型定量分析受力情況，按破損階段法進行強度驗算，以可靠指標度量結構構件的可靠度，方法適當。

參考文獻

［1］王俊．復合式TBM在重慶地鐵實踐中的關鍵技術研究［J］．現代隧道技術，2011( 6) : 88-93．

［2］譚軍民．復合地層中TBM卡盾原因分析及脫困案例［J］．山西建筑，2012( 12) : 201-203．

［3］郭家慶，李磊．淺談復合式TBM施工注意事項［J］．建筑機械化，2012( 1) : 89-91．

［4］范九巳，張鵬．關于重慶地鐵復合式TBM掘進施工監理方法的探討［J］．科技信息，2012( 28) : 393-394．

［5］中華人民共和國鐵道部．TB 10003—2005鐵路隧道設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［6］中華人民共和國建設部．GB 50517—2003地鐵設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2003．

(責任審編孟慶伶)

Design and its safety study on shield disassemble cavern for construction of urban transit project

ZHANG Tai

( China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Abstract:T he T ongluoshang T unnel in Chongqing urban rail transit line 6 was studied in this paper．As for the large section and deep-buried tunnels，disassembling in cavern using combined T BM was proposed．Quantitative analysis for cavern structural safety was performed by using finite element software，together with monitoring．T he results show that it is safe and feasible to disassemble with the combined T BM inside the tunnel in Chongqing area．T his method taked the mode of“disassemble cavern plus transport cavern”，facilitating the disassembling，truck loading and transporting of the combined T BM inside the cavern and avoiding the high risk of making super depth hanging out shaft．It may provide guidelines for similar projects in Chongqing or other places．

Key words:Combined T BM ; Disassemble cavern; Finite element analysis; Structural calculation

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0062-04

作者簡介:張泰( 1985—)，男，工程師。

收稿日期:2015-07-09;修回日期: 2015-10-20

中圖分類號:U452．2+5

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．15