廣州地鐵二號線EPB 盾構(gòu)隧道研究綜述

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林　志1 , 朱合華1 , 于　寧1 , 胡向東1 , 趙　欣1 , 陳如桂2 , 唐孟雄2 , 張厚美2
(11 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系, 上?！?00092 ; 21 廣州市盾建地下工程有限公司,廣州　510030)

摘　要:本文在分析、總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和材料的基礎(chǔ)上,結(jié)合廣州地鐵二號線首期工程,著重分析了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)的選型;盾構(gòu)隧道襯砌接頭剛度的確定和優(yōu)化設(shè)計(jì);盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分析;土壓平衡(EPB) 盾構(gòu)隧道工程信息化施工現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù); EPB 盾構(gòu)隧道動態(tài)施工全過程三維有限元模擬等急需解決的問題,所得到的結(jié)果與結(jié)論可用于指導(dǎo)盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)和施工。
關(guān)鍵詞: 廣州地鐵; EPB 盾構(gòu); 襯砌; 抗震設(shè)計(jì); 信息化施工監(jiān)測; 三維有限元

1 　前言

在我國的軟粘土地區(qū)大量使用盾構(gòu)法開挖隧道,其中以土壓平衡( EPB) 盾構(gòu)為主。雖然隨著盾構(gòu)使用經(jīng)驗(yàn)的積累,盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)致周圍土體的變形以及因此而引起的地面沉降問題已經(jīng)得到了一定的控制,但是在某些復(fù)雜和困難的情況下,盾構(gòu)施工造成的環(huán)境問題還是很嚴(yán)重;盾構(gòu)隧道工程信息化施工技術(shù)是保質(zhì)保量完成工程施工、確保環(huán)境安全的重要手段,那么如何對工程信息進(jìn)行集中管理;如何對地層以及相關(guān)建筑物和管線沉降進(jìn)行預(yù)測、報(bào)警;如何根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行控制等都是我們面臨和急需解決的課題。

2 　工程概述

廣州地鐵二號線赤崗- 鷺江區(qū)間盾構(gòu)工程有赤崗站- 客村站和客村站- 鷺江站兩個(gè)區(qū)間盾構(gòu)隧道、客村聯(lián)絡(luò)線岔口段隧道及左右線間的兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道組成。隧道右線隧道總長2045. 8m ,左線隧道總長2296. 5m ,合計(jì)4342. 3m。區(qū)間隧道采用德國海倫公司(HERRENK.AG. ) 設(shè)計(jì)生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工,盾構(gòu)機(jī)開挖直徑6280mm ,隧道管片長6000mm ,管片寬度1500mm ,錯(cuò)縫拼裝。

地質(zhì)條件(見表1) 。地鐵二號線與一號線有較大的區(qū)別。一號線總的來說地質(zhì)比較均勻。而二號線地質(zhì)變化比較大,有砂層(2 - 2) ,可塑粘土(5 - 1) 或硬塑粘土層(5 - 2) , (6) 、(7) 、(8) 、(9) 均為巖石風(fēng)化地層,其中最高強(qiáng)度為6617MPa 。由于圍巖軟硬不均,且土、巖層分界線起伏較大,在實(shí)際施工中盾構(gòu)機(jī)的推力和扭矩變化較大,需要在施工中根據(jù)實(shí)際地層頻繁調(diào)整,盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)中的軸線控制和推進(jìn)操作有相當(dāng)大的難度。

3 　研究目的和主要內(nèi)容

本項(xiàng)目在廣泛分析、總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和材料的基礎(chǔ)上,結(jié)合廣州地鐵二號線首期工程:赤崗至客村區(qū)間地鐵工程,著重分析了盾構(gòu)隧道以下幾個(gè)方面: ①隧道掘進(jìn)機(jī)的選型; ②盾構(gòu)隧道襯砌接頭剛度的確定和優(yōu)化設(shè)計(jì); ③盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分析; ④EPB 盾構(gòu)隧道工程信息化施工現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù); ⑤EPB 盾構(gòu)隧道動態(tài)施工全過程三維有限元模擬。

4 　研究成果綜述

411 　盾構(gòu)機(jī)選型

在廣泛對國內(nèi)外有關(guān)掘進(jìn)機(jī)使用的統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上[1] [2] ,總結(jié)出了隧道建設(shè)中掘進(jìn)機(jī)選型的一般規(guī)律,并針對廣州地鐵二號線的實(shí)際情況提出了相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)選擇方案,具有一定的實(shí)用價(jià)值,可為今后隧洞建設(shè)提供相關(guān)的掘進(jìn)機(jī)選型依據(jù)。
 

根據(jù)掘進(jìn)機(jī)隧道施工統(tǒng)計(jì)分析資料,將掘進(jìn)機(jī)選型依據(jù)按其重要性排列如下: ①土質(zhì)條件、巖性(抗壓、抗拉、粒徑、成層等參數(shù)) ; ②開挖面穩(wěn)定性(自立性) ; ③隧道埋深、地下水位; ④設(shè)計(jì)隧道的斷面; ⑤環(huán)境條件、沿線場地(附近管線和建筑物及其
結(jié)構(gòu)特征) ; ⑥襯砌類型; ⑦工期; ⑧造價(jià); ⑨輔助工法; ⑩設(shè)計(jì)路線、線形、坡度; lv電氣等其他設(shè)備條件。隧道掘進(jìn)機(jī)的選型的一般程序:首先要看該掘進(jìn)機(jī)是否有利于開挖面的穩(wěn)定,其次才考慮環(huán)境、工期、造價(jià)等性質(zhì)因素,同時(shí)還必須將輔助工法也加以考慮。只有這樣才能選擇出一種較為適合的隧道掘進(jìn)機(jī)。
根據(jù)日本隧道技術(shù)協(xié)會(JTA) 研究開發(fā)委員會一千余條盾構(gòu)法施工隧道所做的一系列盾構(gòu)機(jī)的統(tǒng)計(jì)資料,給出了依據(jù)土質(zhì)與選定盾構(gòu)形式的關(guān)系圖1 ,盾構(gòu)形式與地下水壓的關(guān)系圖2 ,礫徑與盾構(gòu)形式的關(guān)系圖3。
由所述的地質(zhì)條件可以看出該地區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜,從淤泥質(zhì)土至軟巖并存,選用單一的掘進(jìn)機(jī)顯然是不合適的。從地質(zhì)條件出發(fā),首先考慮采用混合式盾構(gòu)機(jī)(Mix2shield) ,即以盾構(gòu)施工工藝為主,增加全斷面巖石開挖特征的機(jī)械。再從經(jīng)濟(jì)的角度來看,廣州地鐵一號線采用的兩類盾構(gòu)機(jī),一類為混合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī),另一為混合式的土壓平衡盾構(gòu)機(jī),如對其經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑旌托菡部捎糜诖藚^(qū)段的隧道開挖。

圖1 　土質(zhì)與選定盾構(gòu)形式的關(guān)系


圖2 　盾構(gòu)形式與地下水壓的關(guān)系

圖3 　礫徑與盾構(gòu)形式的關(guān)系

此外,由于地層中的土含有一定的粘性,所以應(yīng)該事先弄清粘土的粘度、硬度、細(xì)粒土在掘削面中所占的比例,必要時(shí)應(yīng)填加抑制粘性的材料,以防止粘附。

4. 2 　管片接頭與接頭參數(shù)優(yōu)化

首先從目前各國所用的設(shè)計(jì)模型入手,比較分析了現(xiàn)今使用的各種盾構(gòu)隧道管片的設(shè)計(jì)模型[3 ] [4 ] ,并注意到管片的接頭問題是制約管片性能的發(fā)展、管片設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要問題之一。該研究課題以管片厚度的變化和連接螺栓位置的變化為出發(fā)點(diǎn),研究了管片的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題,具有一定的前瞻性,把握了今后管片研究的發(fā)展方向。

4. 2. 1 　接頭力學(xué)模型

考慮結(jié)構(gòu)的對稱性,將襯墊中線的任一側(cè)簡化成如圖4 所示的模型。

圖4 　接頭力學(xué)模型圖

　　在此模型中將混凝土結(jié)構(gòu)看作為剛性板,襯墊中心處為固定端,用彈簧K1 、K2 分別代表彈性密封墊及受力襯墊,K1 、K2 的特性決定于襯墊,它們只能受壓不能受拉,其抗壓剛度隨受力大小而呈現(xiàn)非線形變化規(guī)律。以上模型由于是上下襯墊及螺栓參與受力,將其稱為C1 - C2 - Bolt 模型,C1 代表彈性密封墊,C2 代表受力襯墊,Bolt 代表聯(lián)結(jié)螺栓。C1 - C2 - Bolt 模型所反映的也只是接頭受力的一種特殊情形[5] 。

4. 2. 2 　模型計(jì)算參數(shù)的確定

一般情況下,對于彈性密封墊及受力襯墊來說,其應(yīng)力應(yīng)變曲線E～ε是呈非線性的變化關(guān)系。根據(jù)以前所做實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,本文假定彈性密封墊的本構(gòu)關(guān)系為σ= a1εb1 ,而受力襯墊的本構(gòu)關(guān)系為σ= a2εb2 ,由此也可推得彈性模量與應(yīng)力水平的關(guān)系E =f (σ) ,因此計(jì)算得到的抗壓剛度是與襯墊所承受的應(yīng)力水平有關(guān)[5] 。
 

圖5 　接頭力學(xué)模型演化圖、

4. 2. 3 　管片接頭的受力模式演變

在實(shí)際工程中,管片接頭的受力過程是先承受軸向作用力,其次是人為地在聯(lián)結(jié)螺栓上施加預(yù)應(yīng)力,最后是彎矩作用,而彎矩則有正彎矩和負(fù)彎矩之分。設(shè)以C0 表示外緣混凝土端面的接觸。管片接頭的總的受力過程可由五種模型來描述,即C1- C2 - Bolt 、C1 - C2 - C0 - Bolf 、C1 - C0 - Bolt 、C1- Bolt 和C2 - Bolt[5] 。而模型之間的演變有三條線路(如圖5) ,因此在不同的M、N 及fy0 組合下,接頭的變化情況就可由這三條線路中的某一條來完整而連續(xù)地描述之。

4. 2. 4 　隧道管片設(shè)計(jì)的優(yōu)化

采用上面的模型,進(jìn)行計(jì)算分析知道,通過減小管片的厚度,接頭的轉(zhuǎn)動剛度有所降低,接縫的相對張開值有所增加,正、負(fù)彎矩轉(zhuǎn)動剛度之間的差值會逐漸增大,因此,單純減小管片的厚度對于負(fù)彎矩作用下的接頭來說是不利的。而通過改變連接螺栓的位置,則可以使接縫的相對張開值逐漸下降,負(fù)彎矩轉(zhuǎn)動剛度增大,縮小正、負(fù)彎矩轉(zhuǎn)動剛度的差值,有利于接頭性能的改善。因此,我們可將管片厚度的減小與連接螺栓位置的改變結(jié)合起來,對管片接頭進(jìn)行改進(jìn),以達(dá)到優(yōu)化管片設(shè)計(jì)的目的。

4. 3 　管片設(shè)計(jì)計(jì)算方法

總結(jié)分析了隧道襯砌的設(shè)計(jì)方法和今后的發(fā)展方向,并以同濟(jì)曙光軟件為工具,結(jié)合盾構(gòu)隧道的施工特點(diǎn),利用位移釋放系數(shù)等概念,就廣州地鐵二號線某區(qū)段的襯砌管片進(jìn)行了力學(xué)分析,并和傳統(tǒng)方法所得計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。研究成果可直接用于隧道管片的設(shè)計(jì)及相應(yīng)的施工模擬。計(jì)算見下圖6、7。
 

4. 4 　抗震設(shè)計(jì)分析

在總結(jié)前人的地震作用計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,采用同濟(jì)大學(xué)建議的關(guān)于上海地區(qū)地鐵抗震設(shè)計(jì)方法[6] [7] ,分析了所用方法的基本原理,并建立了廣州地鐵二號線典型斷面區(qū)間隧道的地震作用動力計(jì)算模型。研究內(nèi)容及結(jié)果可以為今后廣州地鐵建設(shè)提供有關(guān)地鐵抗震設(shè)計(jì)的技術(shù)資料。

研究采用快速拉格朗日差分法求解結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)問題,而且在以前將其用于典型地鐵車站結(jié)構(gòu)和區(qū)間隧道振動臺模型試驗(yàn)中主觀測斷面的數(shù)據(jù)擬合分析中,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)能較好符合。由此可見本抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法可供工程設(shè)計(jì)實(shí)踐參考。

圖8 　區(qū)間隧道動力計(jì)算網(wǎng)格圖

　　計(jì)算網(wǎng)格如圖8。對地層土體采用四邊形單元離散;襯砌結(jié)構(gòu)采用的單元為梁單元;在結(jié)構(gòu)與土體的接觸面上則設(shè)置了接觸面單元。鑒于地震輸入為水平向振動,且左右邊界處的地層已遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu),故設(shè)兩側(cè)邊界在水平方向可自由變形,豎直方向設(shè)連桿支座;底部邊界在水平方向可自由變形,豎直方向設(shè)連桿支座;上部邊界為自由邊界。

土體材料采用Daridonkor 模型。根據(jù)試驗(yàn),結(jié)構(gòu)構(gòu)件動彈模比靜彈模約高出30 % - 50 %。本項(xiàng)研究擬取其平均值,即將混凝土材料的動彈模Ed令為Ed = Es ×l40 %。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的材料動彈模取為將靜彈模提高40 %后的值(Ed = 30GPa ×l40 %= 42GPa) ,徑向厚度取為管片厚度設(shè)計(jì)值0. 20 m。接觸面單元特性參數(shù)擬根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值。
計(jì)算結(jié)果。給出10 %概率水準(zhǔn)下,自重和地震動荷載聯(lián)合作用下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,表2 為與其相應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)的最大合彎矩、最大合剪力和最大合軸力值。
 

4. 5 　施工管理信息化
在本課題研究中采用了自行開發(fā)的《盾構(gòu)隧道工程信息管理系統(tǒng)》軟件,并建立了廣州地下鐵路二號線赤崗至客村立交段右線的工程信息數(shù)據(jù)庫。本研究成果可對地層及相關(guān)構(gòu)筑物和管線沉降的預(yù)測、報(bào)警,并可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行控制,為盾構(gòu)隧道工程信息化施工提供了技術(shù)支持。
“盾構(gòu)隧道工程信息管理系統(tǒng)”主要由工程信息數(shù)據(jù)庫和圖形可視化動態(tài)鏈接查詢、地面沉降預(yù)測、盾構(gòu)施工參數(shù)模糊邏輯控制和地面沉隆曲面三維動態(tài)顯示等子系統(tǒng)組成(圖9) 。
 

圖9 　系統(tǒng)功能框圖

　　系統(tǒng)主要功能是:集中管理工程信息數(shù)據(jù);提供便捷的數(shù)據(jù)維護(hù)界面;提供方便、快捷、全面的圖形可視化動態(tài)鏈接數(shù)據(jù)查詢,充分揭示各種參數(shù)之間的聯(lián)系,以便決策者及時(shí)控制盾構(gòu)施工參數(shù);對重要參數(shù)作出超限報(bào)警,保障隧道施工和環(huán)境的安全;地面沉降智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、控制土層沉降主要施工參數(shù)(盾構(gòu)土艙設(shè)定壓力與同步注漿量) 的智能模糊控制;地面沉隆曲面三維動態(tài)顯示。

工程信息數(shù)據(jù)庫包含了盾構(gòu)隧道施工有關(guān)的大部分參數(shù),主要由以下數(shù)據(jù)組成(圖10) ;
 

圖10 　數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成

　　針對上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)開發(fā)了多種專用數(shù)據(jù)庫維護(hù)程序模塊,主要有:地質(zhì)資料維護(hù)器、地質(zhì)鉆孔參數(shù)及柱狀圖數(shù)據(jù)維護(hù)器、隧道縱剖面地層數(shù)據(jù)維護(hù)器、隧道參數(shù)維護(hù)器、管片環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)維護(hù)器、地面及相關(guān)構(gòu)筑物位移數(shù)據(jù)維護(hù)器。這些數(shù)據(jù)維護(hù)器也可兼作數(shù)據(jù)瀏覽器。

數(shù)據(jù)庫的查詢由各種專用查詢器完成。根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)采用3 種查詢方式:靜態(tài)查詢、靜態(tài)鏈接查詢和動態(tài)查詢。

地面沉降智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測是一個(gè)通用的單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成的預(yù)測軟件,采用多步滾動學(xué)習(xí)方法進(jìn)行預(yù)測。對南京以及上海軟土地區(qū)盾構(gòu)施工過程地表沉降預(yù)測己積累了較多的訓(xùn)練樣本,預(yù)測效果較好。

盾構(gòu)施工參數(shù)模糊邏輯控制在一定程度上模仿了人的控制,它是在工程技術(shù)人員控制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制,控制的機(jī)理符合人們對過程控制作用的直觀描述和思維邏輯。模糊邏輯控制為解決具有大量的模糊性問題,如盾構(gòu)施工的變形控制問題提供了很好的解決方案。

4. 6 　施工全過程的三維模擬分析

結(jié)合廣州地鐵二號線的工程地質(zhì)特點(diǎn),利用大型商業(yè)有限元分析軟件MARC 對赤崗至客村立交段典型軟弱地層進(jìn)行了剖面三維有限元分析。計(jì)算結(jié)果較好地與盾構(gòu)隧道施工所造成的土體變形規(guī)律相吻合,具有一定的適用性。

　　MARC 程序提拱了對計(jì)算單元進(jìn)行“生”與“死”的處理功能,因此,可以用該功能來模擬隧道的分步開挖過程。對于土體與盾構(gòu)機(jī)和管片之間的接觸作用應(yīng)該用接觸理論來模擬,對于盾尾注漿的模擬,采用提高土體擾動帶剛度的方法來模擬。

所以,根據(jù)上面的闡述,對于盾構(gòu)施工過程的動態(tài)模擬可以用剛度遷移法[8 ] 來完成。剛度遷移法是將盾構(gòu)向前推進(jìn)看成剛度和載荷的遷移過程。

盾構(gòu)隧道施工過程的應(yīng)力和變形除與施工工序、開挖速度、施工組織有很大關(guān)系外, 還要抓住主要因素對實(shí)際的施工過程進(jìn)行一定的簡化,使之能夠適于計(jì)算又能反映大家所關(guān)心的問題。因此,根據(jù)實(shí)際施工過程,本分析分18 個(gè)開挖步。而且為了減小邊界對計(jì)算的影響,主要研究位置放在整個(gè)3D 模型的中部12 個(gè)開挖步上,每個(gè)長度是一個(gè)管片長度。

選取廣州地鐵二號線赤崗至客村立交典型軟弱地層剖面,其三維有限元網(wǎng)格見圖11 。地面隆沉情況等色圖見圖12 。

通過對廣州地鐵二號線赤崗至客村立交段典型軟弱地層剖面三維有限元分析結(jié)果可以得出,計(jì)算結(jié)果很好的吻合了盾構(gòu)隧道施工所造成的土體變形規(guī)律,也給出了地面土體變形的隆沉最大值,說明本分析所采用的三維有限元模型能夠很好地模擬盾構(gòu)推進(jìn)對土體變形的影響。

分發(fā)揮其自穩(wěn)定能力,然后再施加支護(hù)措施,增加穩(wěn)定系數(shù)作為安全儲備,也就是將地下隧道開挖支護(hù)中的“新奧法”原理應(yīng)用于邊坡的開挖、支護(hù)過程中,既要千方百計(jì)地讓邊坡發(fā)揮自承能力,減少支護(hù)受力,又要確保工程的安全,不造成由于施工方法不當(dāng)而引起邊坡在施工中失穩(wěn),這方面尚需要作進(jìn)一步的研究[7] 。

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