海底隧道聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

張恒忠 舒衛(wèi)建 孟綏寶 俞然剛 駱超鋒 張連震 周耀升 王瀾濤 石寶星 王永輝

(1.上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，200032，上海；2.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，266580，青島；3.中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，214104，無錫∥第一作者，高級(jí)工程師)

0 引言

地鐵聯(lián)絡(luò)通道是設(shè)置在兩條主隧道之間，起到聯(lián)通、排水及防火等作用的通道[1]。聯(lián)絡(luò)通道的施工主要采用礦山法，同時(shí)輔以凍結(jié)或注漿來加固。這種傳統(tǒng)施工方法具有不占用地面交通、適用面廣、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)[2]，但是存在施工速度慢、造價(jià)高、工后沉降大、對(duì)周邊環(huán)境影響大、施工過程中安全隱患較多等缺點(diǎn)[3]。機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工是使用頂管機(jī)或盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開挖，將鋼管片和預(yù)制混凝土管片形成的拼裝式結(jié)構(gòu)作為聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)主體。該方法施工速度快、機(jī)械化程度高、工后沉降小、安全性高[4]，其應(yīng)用范圍越來越廣。例如，世界首條盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道——寧波軌道交通聯(lián)絡(luò)通道已變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[5]。

聯(lián)絡(luò)通道的開挖往往會(huì)引起主隧道的沉降和收斂，在二者的連接部位，還會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，隧道結(jié)構(gòu)可能會(huì)因此發(fā)生破壞[6]。文獻(xiàn)[7]開展足尺試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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，內(nèi)支撐在切削過程中承擔(dān)主要的荷載變化。文獻(xiàn)[8]采用有限元分析方法，探究了不均勻變形對(duì)主隧道和聯(lián)絡(luò)通道的影響程度。文獻(xiàn)[9]使用FLAC 3D軟件研究了主洞和聯(lián)絡(luò)通道在不同施工方法以及不同開挖進(jìn)尺下主洞與聯(lián)絡(luò)通道交叉段的沉降及應(yīng)力演化過程。文獻(xiàn)[10]進(jìn)行了隧道開洞的三維分析，討論了開洞過程的應(yīng)力影響范圍和可能損壞的位置。

目前，機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道多應(yīng)用于軟土地層，埋深也比較淺，而在埋深深的海底隧道中的應(yīng)用還非常少。因此，有必要對(duì)此進(jìn)行探究。本文依托青島地鐵8號(hào)線(以下簡為“8號(hào)線”)海域段盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道工程，針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道埋深深、水壓高、穿越地層破碎等特點(diǎn)，使用FLAC 3D軟件對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，探究不同工況下，主隧道、聯(lián)絡(luò)通道以及管片和支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，為今后聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

8號(hào)線大洋站—青島北站站東側(cè)過海段區(qū)間共有6條聯(lián)絡(luò)通道(見圖1)，其中9#、10#、11#聯(lián)絡(luò)通道采用頂管法開挖。9#聯(lián)絡(luò)通道(里程為左線DK44+641.672，右線DK44+635.000)埋深最深為41.4 m，長度為25 m，開挖直徑為3 290 mm，管片厚度為0.25 m。聯(lián)絡(luò)通道縱斷面圖如圖2所示。

聯(lián)絡(luò)通道穿越巖層為較破碎的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化火山角礫巖(見圖3)，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)；過海段為膠州灣北部區(qū)域，最高潮位水深3～11 m。地下水受海水潮汐影響較大，無穩(wěn)定水位。近海地下基巖裂隙水受潮汐影響，與海水連通性較好，涌水量較大。

2 聯(lián)絡(luò)通道施工模擬

聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工流程如下：洞門加固→安裝始發(fā)和接收套筒→掘進(jìn)機(jī)就位→套筒中填充介質(zhì)→切削主隧道管片→設(shè)備頂進(jìn)，拼接管片→切削另一條主隧道管片→進(jìn)入接收套筒→封堵洞門，拆除套筒→完成施工。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用FLAC 3D軟件建立有限元計(jì)算模型。模型尺寸為105 m(長，y向)×105 m(寬，x向)×80 m(高，z向)，如圖4所示。為了保證計(jì)算精度，將靠近盾構(gòu)隧道和聯(lián)絡(luò)通道開挖部分的網(wǎng)格劃分較密，遠(yuǎn)離開挖部分的網(wǎng)格劃分較疏。數(shù)值模型本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫倫彈塑性模型，土體采用實(shí)體單元，隧道管片采用殼單元，如圖5所示。水位設(shè)置在地層頂面以上4 m處。各土層及結(jié)構(gòu)的參數(shù)見表1和表2。

圖4 三維計(jì)算模型Fig.4 3D computational model

2.2 邊界條件及初始應(yīng)力場

計(jì)算模型采用位移邊界條件，在模型底部施加豎向約束，兩側(cè)面施加水平約束，上表面為自由面。

圖5 聯(lián)絡(luò)通道及主隧道模型Fig.5 Model of link passage and main tunnel

表1 地層參數(shù)Tab.1 Formation parameters

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structure parameters

初始應(yīng)力場由自重產(chǎn)生。為保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，在隧道開挖支護(hù)前賦予隧道與實(shí)際相符的初始應(yīng)力場，隧道開挖前，圍巖初始應(yīng)力產(chǎn)生的位移場和速度場予以清零。

數(shù)值模擬采用更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解法。即先將黏聚力和抗拉強(qiáng)度設(shè)大值，平衡后再將黏聚力和抗拉強(qiáng)度更改為實(shí)際值，最終計(jì)算平衡。

2.3 模擬工況

為了模擬盾構(gòu)施工，土體挖除后，立即施加殼單元進(jìn)行平衡求解。根據(jù)盾構(gòu)法聯(lián)絡(luò)通道的施工特點(diǎn)，將施工過程劃分為3個(gè)工況(具體見表3)。工況1中，臺(tái)車對(duì)主隧道管片施加支撐力，從而對(duì)洞門進(jìn)行加固。臺(tái)車支撐體系按表4進(jìn)行分級(jí)加載。數(shù)值計(jì)算過程中，通過對(duì)主隧道相應(yīng)區(qū)域的管片施加法向力來實(shí)現(xiàn)對(duì)此工況的模擬。

表3 開挖工況Tab.3 Excavation conditions

表4 臺(tái)車支撐體系分級(jí)加載步驟Tab.4 Trolley support system grading loading steps

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 工況1(洞門破除)

1) 位移分析。左線主隧道的洞門打開之后，其整體剛度明顯降低，致使靠近聯(lián)絡(luò)通道一側(cè)的管片變形明顯大于另一側(cè)管片，左線主隧道的橫向橢圓長軸有所增加。豎向位移主要集中在洞口的頂部和底部，頂部向下沉降最大值為2.86 mm，底部向上隆起最大值為2.55 mm，如圖6所示；在水平方向上，洞口腰部向隧道外側(cè)擴(kuò)張，最大位移為1.93 mm，如圖7所示。影響范圍主要集中在洞口兩側(cè)大約3 m范圍內(nèi)，整體上看，左線主隧道有變扁的趨勢(shì)。

圖6 洞口管片豎向位移云圖Fig.6 Vertical displacement nephogram of the opening segment

圖7 洞口管片水平位移云圖Fig.7 Horizontal displacement nephogram of the opening segment

2) 應(yīng)力分析。破洞后，左線主隧道管片由原來的對(duì)稱受力變?yōu)榉菍?duì)稱受力，開洞側(cè)管片洞口頂部和底部壓應(yīng)力明顯增加，如圖8所示。同時(shí)，洞口腰部的拉應(yīng)力也明顯增大，如圖9所示。由于左線主隧道玻璃纖維筋管片的打開，開口處邊界處于自由狀態(tài)。根據(jù)殼體的開口理論，自由邊界開口周圍的應(yīng)力集中狀態(tài)要高于孔口有約束的情況[11]。因此，在聯(lián)絡(luò)通道拼接管片之前，隧道的受力狀態(tài)最為不利，穩(wěn)定性最差。在土體加固效果較差或者主隧道內(nèi)部支撐不力的情況下，主隧道破壞的危險(xiǎn)很大。因此，主隧道在破洞之前，要提前對(duì)洞口附近主隧道管片結(jié)構(gòu)以及聯(lián)絡(luò)通道開挖方向洞口巖土體進(jìn)行加固，以防止結(jié)構(gòu)在破洞后發(fā)生破壞。

圖8 洞口管片最大拉應(yīng)力云圖

圖9 洞口管片最大壓應(yīng)力云圖

2.4.2 工況2(聯(lián)絡(luò)通道開挖至接收洞門破除)

1) 位移分析。在開挖過程中，聯(lián)絡(luò)通道的豎向沉降主要集中在拱頂，隆起集中在拱底，如圖10所示，水平收斂集中在腰部，如圖11所示。聯(lián)絡(luò)通道的豎向沉降遠(yuǎn)大于水平收斂，而且其中間部位變形最大，如圖12所示。總體上看，左線隧道有整體向右側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，而右線隧道有向左側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)，而且左線主隧道管片的變形明顯要大于右線(如圖13所示)，因此聯(lián)絡(luò)通道的開挖對(duì)于左線主隧道的影響要明顯大于右線。

圖10 聯(lián)絡(luò)通道豎向位移云圖Fig.10 Vertical displacement nephogram of link passage

圖11 聯(lián)絡(luò)通道水平位移云圖Fig.11 Horizontal displacement nephogram of link passage

圖12 聯(lián)絡(luò)通道豎向位移變化曲線Fig.12 Vertical displacement change curve of link passage

圖13 管片水平位移云圖Fig.13 Nephogram of segment horizontal displacement

2) 應(yīng)力分析。聯(lián)絡(luò)通道的開挖，導(dǎo)致主隧道原有的受力方式發(fā)生了應(yīng)力重分布，在主隧道與聯(lián)絡(luò)通道的交叉處，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在交叉結(jié)構(gòu)的拱腰處，為28 MPa，如圖14所示；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在洞口頂部，為19 MPa，如圖15所示。因此，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)，要高度重視交叉部分的結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)還要做好防水處理。

圖14 管片最大壓應(yīng)力云圖Fig.14 Nephogram of segment maximum compressive stress

圖15 管片最大拉應(yīng)力云圖Fig.15 Nephogram of segment maximum tensile stress

聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中，開挖面的水平壓應(yīng)力在不斷發(fā)生改變，尤其是在聯(lián)絡(luò)通道中部，壓應(yīng)力發(fā)生了突增，致使水平位移突增如圖16所示。因此，在聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中，要合理調(diào)整掘進(jìn)機(jī)土倉壓力，以防止開挖面涌水涌砂，從而保證開挖面的穩(wěn)定。對(duì)比圖12和圖16，發(fā)現(xiàn)在聯(lián)絡(luò)通道的中間部位，變形和開挖面壓應(yīng)力都達(dá)到了最大值。這是由于聯(lián)絡(luò)通道土體開挖后，開挖區(qū)附近的土體受到持續(xù)的擾動(dòng)，而且土層會(huì)進(jìn)一步損失，土體應(yīng)力得到釋放，原先土體承受的荷載更多地施加在聯(lián)絡(luò)通道管片上。

圖16 聯(lián)絡(luò)通道開挖面最大水平位移圖

2.4.3 工況3(拆除兩端平臺(tái)支撐)

臺(tái)車支撐拆除，主要對(duì)主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉部分影響較大，而對(duì)聯(lián)絡(luò)通道影響較小。

1) 位移分析。拆除兩端隧道臺(tái)車支撐后，交叉結(jié)構(gòu)位移發(fā)生了明顯變化，如圖17、圖18所示。左線主隧道頂部最大沉降由4.2 mm增加為5 mm，腰部收斂由2.2 mm增加為4.6 mm，而且影響范圍也明顯擴(kuò)大。

2) 應(yīng)力分析。拆除支撐后，交叉結(jié)構(gòu)的腰部壓應(yīng)力迅速增大，最大由23 MPa增加至28 MPa，而拉應(yīng)力的變化較小，由17 MPa增加至19 MPa。因此，支撐拆除時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)交叉結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，一旦超過預(yù)警值，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固處理。此外，在卸載時(shí)，最好采用分級(jí)卸載的方式，使荷載能夠在管片之間有效傳遞。

圖17 拆撐前、后管片豎向位移云圖

圖18 拆撐前、后水平位移云圖

2.4.4 主隧道有無臺(tái)車支撐結(jié)果對(duì)比

為了探究在聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)法施工過程中臺(tái)車支撐的作用，分別對(duì)兩種條件下(有、無支撐)的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)臺(tái)車支撐可有效減少主隧道結(jié)構(gòu)的變形和受力，現(xiàn)以始發(fā)破除洞門施工工況為例，結(jié)果見表5。

2.5 實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

聯(lián)絡(luò)通道施工過程中對(duì)隧道沉降和收斂變形進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，主隧道拱頂沉降采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量，計(jì)算本次變量和累計(jì)變量；主隧道收斂變形監(jiān)測(cè)用手持測(cè)距儀測(cè)量拱腰兩收斂點(diǎn)之間的距離，通過不同時(shí)段收斂點(diǎn)間的距離變化情況反映隧道結(jié)構(gòu)收斂情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)主隧道管片內(nèi)，靠近聯(lián)絡(luò)通道中心線位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)適當(dāng)加密。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖19所示。

表5 主隧道有無臺(tái)車支撐的管片變形和受力結(jié)果對(duì)比

圖19 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.19 Layout of monitoring points

圖20和圖21分別給出了主隧道沉降和收斂的現(xiàn)場監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，可以看到，總體上實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的曲線規(guī)律相似，主隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉部位管片變形最大，因此，沉降與收斂曲線近似呈“U”型。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在測(cè)量誤差以及數(shù)值模擬存在模型建立、材料參數(shù)選取、邊界條件等方面的近似處理，致使實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)難以完全吻合。總的來說，數(shù)值模擬的結(jié)果基本可反映實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖20 主隧道拱頂沉降值Fig.20 Main tunnel vault settlement value

3 結(jié)論

利用有限元軟件對(duì)聯(lián)絡(luò)通道頂管法施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

圖21 主隧道收斂變形值Fig.21 Main tunnel convergence deformation value

1) 聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，最危險(xiǎn)的兩個(gè)工況是洞門破除和臺(tái)車支撐拆除，尤其是對(duì)于埋深深的海底隧道，極易發(fā)生涌水涌砂事故，因此要采取一定的加固措施，并加強(qiáng)對(duì)交叉部分結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)。

2) 主隧道與聯(lián)絡(luò)通道連接處發(fā)生了明顯的應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)與施工時(shí)，要高度重視交叉部分的結(jié)構(gòu)安全，適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)還要做好防水處理，增加抗?jié)B性能。

3) 整體看，聯(lián)絡(luò)通道的開挖對(duì)左側(cè)始發(fā)隧道的影響要大于右側(cè)接收隧道。聯(lián)絡(luò)通道施工前，可根據(jù)兩側(cè)主隧道的地質(zhì)狀況選擇合適的開挖順序。

4) 開挖過程中，開挖面的壓力會(huì)不斷發(fā)生變化，開挖至聯(lián)絡(luò)通道中部時(shí)，壓力發(fā)生了突變。要及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)機(jī)土倉壓力，保證開挖面的穩(wěn)定。同時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道的沉降和收斂變形曲線近似呈“U”型，中部變形最大，施工過程中應(yīng)重視變形監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取加固措施以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5) 主隧道內(nèi)設(shè)置臺(tái)車支撐，可有效減小主隧道結(jié)構(gòu)及交叉部位的變形。此外，在卸載時(shí)，最好采用分級(jí)卸載的方式，使荷載能夠在管片之間有效傳遞。