盾構隧道區間風井內管片局部拆除方案及管片穩定性研究

張麗平

摘要：文章主要盾構隧道區間中間風井內管片局部拆除方案及拆除后隧道的問題性進行研究，通過SAP84軟件對隧道結構進行受力計算，初步得出受力結果，并根據受力結果調整配筋及提出其他相應措施，確保隧道結構安全可靠。

關鍵詞：隧道、管片、拆除、穩定

1 概述

某地鐵盾構隧道區間因設計需要，須設置一個車站脫離風井，而此風井在正線區間內，須在已盾構好的隧道內進行管片局部拆除。

對風井內上部管片進行局部切割拆除，形成可供通風的風口，然后將管片四周和風井內側墻和中隔墻通過梁板進行密閉連接，保證下部土體和地下水無法涌入板上部空間和隧道內部，以起到減小風井內土體開挖、管片拆除和施工后澆環梁的風險。

該方案需保證管片和增加梁板連接的可靠性，同時需防止盾構隧道沉降、上浮和左右移動的變形造成管片結構的失穩破壞，保證管片的整體性。根據以上要求，初步設計方案如下：

（1）挖除風井內土體前進行盾構隧道內部支撐;

（2）挖除上部土體，切割管片;

（3）進行增加梁板的施工;

（4）風井內部和管片內部增設注漿孔注漿。

2 方案詳述

2.1 管片拆除前施工準備

管片拆除前施工單位需采取針對性措施，保證風井內部水位穩定在開挖面以下。如通過管片內部注漿孔和增設注漿孔對滲水空隙進行封堵，增加風道內部抽排水等。同時對風井內部管片采取臨時支撐措施。具體如下圖所示：

2.2 管片拆除后增加板梁方案

內部支撐和內襯施工好以后進行風井內土體挖除和管片切割，同時對洞門進行不間斷封堵和風井內抽水，該項工作應合理安排工序，細化施工方案，盡量壓縮工期，減少施工風險。

選取中間三環整環管片進行局部切割拆除，然后進行增加板梁和外凸環梁施工。增加板梁與風井側墻和中間隔墻的連接需可靠，鑿毛風井內側墻，在側墻植筋與增加水平板連接，鑿透中隔墻，使增加水平板與兩隧道中間腔體內增加的水平板形成一個整體;增加水平板與既有管片可靠連接，在混凝土管片內植筋。風井端墻處弧形混凝土管片采用外凸環梁的形式與風井端墻連接，將外凸的所有管片全部包住，在端墻和混凝土管片內植筋，外凸環梁的環向鋼筋錨入增加的水平板，外凸環梁與水平板一次性澆筑。如圖2所示。

3 管片與板連接結點處受力分析

3.1 計算模型

選取風井內管片開孔后在運營期的工況為計算斷面。

根據隧道所在地層主要計算參數取值如下：

（1）地下水位深度（m）：歷年最高潛水位標高2.63m（水土分算）。

（2）土層重度γ（kN/m3）：19

管片計算比較成熟的計算方法為η-ζ法（即慣用法）：首先將單環以勻質圓環計算，但考慮環向接頭存在，圓環整體的彎曲剛度降低，取圓環抗彎剛度為ηEI（η為<1的彎曲剛度有效率，本次計算η取0.8計算），算出圓環水平直徑處變位y后，計入兩側抗力PP=k·y。然后考慮錯縫拼裝后整體補強效果，進行彎矩的重分配。由于本計算需考慮對管片開孔，無法使用慣用法進行計算分析。

本計算采用SAP84軟件對管片進行有限元分析，將管片視為均質圓弧，采用全周徑向只能受壓彈簧和切向的拉壓彈簧對地層進行約束，不考慮管片接頭的影響，對管片剛度進行折減，乘以0.8折減系數。

采用sap模型對管片受力進行平面分析，取寬度1m單元進行計算，考慮到管片開孔處約束介于簡支和固支之間，對開孔處約束分別按簡支和固支進行計算，按照保守計算，端部支座軸力和剪力值取兩個計算結果的包絡值。結算結果沒有計算荷載分項系數。計算模型如圖3所示。

3.2 計算結果

通過SAP84軟件對管片進行有限元分析，管片開頭端部的剪力圖、軸力圖和彎矩圖如下所示：

通過計算得到管片開頭端部的剪力、軸力和彎矩最大值分別為：164.8kN、960.4 kN、148.6 kN.m。

3.3 最不利情況受力分析

對此三個受力指標分別考慮最不利情況進行受力分析。

（1）剪力

根據“與管片連接節點構造圖”，此處剪力作用面可簡化為寬度1m，高度550mm的板結構受力進行計算，根據砼規6.3.3-1條，在不考慮箍筋和彎起鋼筋的條件下，V=0.7×1.57×1000×300=329.7 kN>164.8×1.1=181.3 kN，可滿足要求。

另外考慮該處管片的徑向和環向均進行植筋連接，該節點處抗剪完全可滿足要求。

（2）軸力

該處軸力作用于后施工板上，采取最為保守情況，考慮該軸力均勻施加于一根350寬、750高的梁上（連接點沿管片中線至板邊的距離約為780mm），如考慮該梁為兩端固支，跨度2.8m梁，則梁端部的最大彎矩為627.5 kN.m。通過計算知：

單筋矩形截面或翼緣位于受拉邊的T形截面受彎構件受壓區高度 x 按下式計算：

配筋面積為3185 mm2，采用6φ28配筋方可滿足要求，故對該節點進行加強配筋。

由于該計算僅考慮最不利情況，故采用該節點的構造方式可滿足要求。

（3）彎矩

該處彎矩為148.6 kN.m，板厚550mm，板寬1000mm，通過計算最小配筋率即可滿足抗彎要求，實際該處配筋為φ20@150，完全可滿足該處抗彎要求。

4 結論

通過計算分析，采取以上的節點構造和配筋形式，完全可以滿足管片的受力要求。但由于管片受力情況復雜，且該處管片受力存在剛性節點，與管片塊與塊之間的柔性連接相沖突，需盡量采取措施避免管片的沉降或變形。

需對增加水平板下方及管片下方土體進行注漿充填，保證管片周邊土體密實，防止管片移位變形或沉降導致管片結構失穩。

參考文獻：

[1]張冬梅，宗翔，黃宏偉.盾構隧道掘進引起上方已建隧道的縱向變形研究[J].巖土力學. 2014（09）

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