清华园隧道大直径泥水盾构始发控制掘进分析

房新胜 叶来宾 朱牧原 杜贵新

(1.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211800； 2.西南交通大学，成都 610031)

1 概述

随着我国隧道建设的快速发展，盾构法在隧道建设中逐渐成为不可或缺的一环。目前，对泥水盾构而言，国内外已有较多研究。林存刚等探讨泥水盾构掘进参数对地面沉降的影响[1]；李承辉等通过总结兰州地铁1号线的经验，发现泥水盾构下穿黄河具有较好的适应性[2]；王乾屾等利用FLAC 3D等有限元软件建立流固耦合模型进行计算，对盾构施工期间不同阶段地层孔隙水压力的纵向和横向变化规律进行总结[3]；朱劲锋等研制出并联式双模式盾构及搭载冷冻刀盘式盾构[4]；汪辉武等总结了兰州地铁交通1号线的经验，对强透水砂卵石地层下的泥水平衡盾构带压与常压进仓技术进行了有益尝试[5]；陈中天等以兰州地铁1号线为研究对象，通过ANSYS有限元软件分析离掌子面若干环距离受力影响的规律[6]；吴昌胜等基于工程数据的Mindlin解，获得大直径泥水平衡盾构施工引起地层变形的计算公式[7]；王昊以南宁地铁1号线为背景，介绍暗挖隧道防治突涌灾害的各种方法[8]；李达以广州地铁4号线的工程数据为背景，介绍盾构法在上软下硬地层中的施工技术[9]；张忠苗等验证Peck公式在杭州地区软土地层中的适用性[10]；闵凡路等设计泥浆有压渗透装置，探讨了泥膜的作用机理[11]；刘方等采用数值模拟对3种预加固方案(水平旋喷桩、管幕和小导管注浆)下既有地铁车站结构的变形和受力进行分析[12]；周庆合依据清华园隧道盾构区间的隧道参数和工程地质条件，分析盾构机刀盘和刀具对卵石土、砂、粉质黏土互层的适应性[13-14]；陈仁朋等通过三维有限元模型研究了建筑物-地层变形相互作用规律，对比分析了墙体主拉应变云图与实测裂缝分布规律，发现当隧道下穿引起的主拉应变超过0.05%的墙体区域会产生裂缝，且墙体裂缝的发展角度与该处的主拉应变方向垂直[15]。

综上所述，盾构法相较于其他隧道工法，所处的工程环境更为复杂，事故影响也更大。依托清华园隧道某区间工程，对泥水盾构在粉质黏土及砂卵石地层的掘进参数控制以及反力架等工程构件布置进行研究。

2 工程概况

2.1 工程地质及水文条件

清华园隧道3-2区间起点位于清华同方大厦西侧的3号盾构始发井，线路出3号始发井后向南依次穿越成府路、北四环后，到达位于原清华园火车站内的2号盾构接收井，全长1741 m。

3-2区间为单洞双线隧道，隧道直径为12.64 m，管片外径12.2 m、内径11.1 m，环宽2 m，混凝土强度C50、抗渗等级P12。管片之间通过M36、8.8级直螺栓连接，环间块之间连接2根螺栓，径向两环之间连接25根。

始发段分为2个区段，分别为0～17 m(三重旋喷桩加固段)，17～200 m(原状土地段)。始发段从0～200 m的地层分布较均匀，盾构掘进断面基本均处在粉质黏土地层中。

始发段上覆第四系全新统冲积层，从上向下依次为0杂填土、2粉质黏土、3-1淤泥质粉质黏土、3-2粉砂、3-3淤泥质粉质黏土和4-2粉土。始发段地质剖面见图1。

图1 始发段地质剖面

2.2 工程特点与难点

(1)建设难点

清华园隧道是国铁单洞双线大直径盾构工程，穿越3处特级风险源以及80处一级风险源，穿越地层繁杂多样，且可能对邻近重要建筑物造成不良影响。

(2)施工技术

工程中采用了全预制拼装技术，可一边掘进一边铺设轨下结构，大幅提升了工程效率，实现了工厂化生产、机械化拼装、流程化组织，对于清华园隧道而言，在使用此技术后，总工期可减少4个月左右。

当盾构机进入密封环、接触掌子面前，盾构机前部的悬空距离的最大值为2.7 m，为尽量阻止盾构机出现“栽头”现象，在地连墙内浇筑1 000 mm宽的C15混凝土基座，用于支撑盾构机。混凝土基座为弧形结构，施工范围为盾构机掘进轴线左右各22.5°。

3 盾构始发施工

3.1 盾构机初始选型参数

清华园隧道3-2区间采用1台φ12.64 m泥水平衡盾构机，主机长14.5 m，刀盘-前盾-中盾-盾尾直径由12.64 m过渡至12.57 m。

3.2 盾构机始发设备检查和物资准备

(1)设备检查

检查盾构机验收报告及整机调试报告；检查盾构前进方向是否有障碍物，如土建施工杂物、管片间焊接钢板等；检查泥水处理设备的验收报告及整机调试报告；检查其他附属设备包括冷却水塔、搅拌站及龙门吊，在始发前盾构机应完成设备的组装调试；确保洞内运输及地面运输的各种车辆就位。

(2)物资准备

提前使用制浆设备并配置好始发需要的初始泥浆，使用ZDJ-80设备，制浆能力为80 m3/h。制浆材料采用NSHS1型盾构制浆剂拌制，并加入一定量的NSHS2型制浆剂，储存到新浆池待用。NSHS1型盾构制浆剂一般占泥水总量的5‰～10‰(质量体积比)，漏斗黏度为18～18.5 s，比重为1.08～1.12，其流变性和护壁性应满足要求。

3.3 始发基座及反力架结构施工

方钢作为盾构机壳滑行的轨道。施工始发井底板时预埋插筋，将始发基座和底板连接成一个整体，使基座在始发时抗剪力更大(见图2)。始发基座、弧形槽设计见图3。

图2 始发基座和底板

图3 始发基座与弧形槽设计(单位：m)

盾尾基座长13.5 m，宽5 m，4条盾构机滑行轨道设置在基座周围，与盾构机中心线夹角分别为34.86°，86.82°。

盾构前体、中体基座长13.1 m，宽8.9 m，4条盾构机滑行轨道设置在基座周围，与盾构机中心线夹角分别为34.86°，88.30°。当盾构机掘进时，由于刀盘对土体有一个旋转切削的过程，在土体对盾构机的反作用力下，盾体可能发生扭转，故将钢构件的一头焊接在盾体上，另一头放置在工字钢上，以保证盾体稳定。

4 盾构反力架受力有限元分析

4.1 反力架力学模型及相关条件

立柱计算高度为5 600 mm，横梁跨度为5 800 mm，荷载传递路径为：盾构机推力→负环管片→反力架→钢管支撑→支座。两个横梁和两个立柱对应的杆件与负环管片相接触。

设横梁方向为x方向，竖柱与横梁组成截面的垂直方向为y方向，竖直方向为z方向。在立柱的上下表面和斜支撑地面施加固定约束。

4.2 三号井反力架静强度分析计算

(1)概述

采用门架结构，总厚度为1 200 mm。反力架顶横梁及两侧竖梁后面设23根钢管支撑。所用材料主要采用Q345B高强钢，结构模型见图4。

图4 反力架三维结构模型

(2)计算载荷工况

①载荷工况

a.工况一

工作工况：钢环表面承受盾构产生的6×104kN均布推力。

b.工况二

偏载工况：顺着盾构机掘进方向，钢环右端面承受5×104kN均布推力，钢环左端不加力。

②材料的许用应力

材料的许用应力见表1。

表1 材料许用应力

(3)有限元建模

反力架钢结构有限元模型见图5。采用全实体单元进行网格划分，共划分为45 368个单元，65 474个节点。

图5 反力架钢结构有限元模型

(4)小结

①工况一

反力架最大应力为174 MPa见图6、最大静挠度为6.43 mm见图6；在载荷工况下，最大应力小于材料的许用应力，最大强度和刚度满足使用要求。

图6 反力架工况一应力云图

②工况二

反力架最大应力为263 MPa、最大静挠度为8.73 mm(见图7)；在载荷工况下，最大应力小于材料的许用应力，最大强度和刚度均满足使用要求。

图7 反力架工况二应力云图

4.3 二号井反力架静强度分析计算

(1)概述

采用门架结构，其总厚度为1 200 mm。反力架顶横梁及两侧竖梁后面设若干根钢管支撑。所用材料主要采用Q345B高强钢，结构模型见图8。

图8 反力架三维结构模型

(2)计算载荷工况：

①载荷工况：

a.工况一

工作工况：钢环表面承受盾构产生的6×104kN均布推力。

b.工况二

偏载工况：顺着盾构机掘进方向，钢环右端面承受5×104kN均布推力，钢环左端不加力。

②材料的许用应力

材料的许用应力同表1。

(3)有限元建模：反力架钢结构有限元模型见图9。采用全实体单元进行网格的自动划分。该模型共划分了45 832个单元，66 272个节点。

图9 反力架钢结构有限元模型

(4)结论

a.工况一

反力架最大应力为172 MPa，最大静挠度为5.3 mm(见图10)；在载荷工况下，最大应力小于材料的许用应力，最大强度和刚度满足使用要求。

图10 反力架工况一应力云图

b.工况二

反力架最大应力为270 MPa，最大静挠度为7.77 mm(见图11)；在载荷工况下，最大应力小于材料的许用应力，最大强度和刚度满足使用要求。

图11 反力架工况二应力云图

4.4 一号井反力架静强度分析计算

反力架钢支撑能承受压力6 000 kN，反力架钢支撑共分3种长度，即7 800 mm×7根，8 800 mm×10根，300 mm×6根，共23根，每根平均提供2 610 kN反力。外径采用800 mm，内径760 mm，采用Q235钢，弹性模量取210 GPa，钢支撑皆为两端固定，μ取0.5，σp取460 MPa，nst取5。

(1)7 800 mm的钢支撑强度分析

临界力计算过程为

(1)

(2)

(3)

(4)

临界应力为

σcr=a-bλ=291.5 MPa

(5)

则临界力为

Fcr=σcrA=1.43×104kN

(6)

稳定性系数为

(7)

满足稳定性需求。

(2)8 800 mm的钢支撑强度分析

临界力计算过程与7 800 mm钢支撑类似，稳定性系数为

(8)

满足稳定性需求。

(3)300 mm的钢支撑强度分析

临界力计算过程与7 800 mm钢支撑类似，稳定性系数为

(9)

满足稳定性需求。

(4)混凝土门洞

采用C40混凝土，钢支撑直径均为800 mm，故每根钢支撑与混凝土门洞的接触面积为

(10)

每根钢支撑平均分摊2 610 kN的力，故钢支撑对混凝土面产生的压强为

(11)

故混凝土不会产生破坏。

5 盾构掘进参数控制

5.1 试掘进参数

盾构始发试掘进参数见表2。

表2 试掘进段掘进参数

5.2 最优盾构掘进参数确定控制

主要采用工程类比、试掘进、现场监测等方法，研究确定不同地层掘进参数。盾构试掘进过程中，根据不同地质条件、覆土厚度、地面情况以及以往的工程经验初步设定盾构掘进参数，根据掘进时得到的信息不断反馈修改参数，最终研究得到适合北京砂卵石地层的最优盾构掘进参数。

(1) 掘削量的判断方法

在盾构机掘进50～100环后，对盾构切口上方地面沉降量较小的掘进循环对应的掘削量统计，并将其数值输入计算机中进行比较。

如发现掘削量过大时，应立即检查泥水密度、黏度和切口水压等数值。此外，也可以利用先进的探测装置，在掘削的位置前后一定范围内实地调查土体坍塌情况，在发现问题后，应在第一时间调整工程参数。

(2) 溢水量检查

泥水质量的好坏会直接影响泥膜形成时间以及开挖面稳定。在测定泥水浆液质量时，常常通过检查测水量的数值判断质量。

当掘削停止时，中央控制室观测单位时间内的累计值，如泥水溢水量过大，则应检查泥水质量和管路系统泥浆情况。

6 结论

(1)盾构在粉质黏土及砂卵石地层中掘进时，其始发部分的反力架受力需考虑包括但不限于全截面均布受力和单侧受均布受力，反力架最大应力为270 MPa，最大静挠度为7.77 mm。

(2)为控制掘进参数，盾构始发时的掘削量和溢水量是体现掘进情况的重要参数。

(3)掘削量大小与泥水密度、黏度和切口水压等数值相关。

(4)反力架上的应力分布在钢管支撑处最高，竖梁次之，横梁最小。