北京地铁8号线泥水盾构接收端洞门受力计算及支撑分析

孙 伟, 王兆民, 牛宇哲, 杨 星, 杨志勇, 江玉生

(1.中铁十四局集团有限公司, 济南 250101; 2.中国矿业大学(北京) 力学与土木工程学院, 北京 100083)

泥水平衡盾构由于其对周边土体扰动影响较小、地面沉降控制较好等优点在城市地下隧道工程中得到广泛应用。当盾构推进时,为平衡地层的水土压力盾构泥水舱内需要维持一定的工作舱压力,特别当盾构进入接收端附近一定范围内,由于端头效应的影响,其地层受力的分布形式有所不同,接收端洞门受到的压力也会相应增加,严重影响洞门的密封效果及稳定性。

目前在接收端土体稳定性保持方面的研究主要可归结为两点,一是对接收端周围土体加固的方法和措施,二是盾构推进过程中对接收端土体扰动的影响。在接收端土体加固方面:谢超和廖章章[1]通过三维有限元计算、监控量测的方法,研究了浅覆土强透水砂卵石地层条件下盾构接收端头加固的有效范围的确定依据和方法;刘孟波等[2]应用泡沫混凝土加固接收端周围土体的方法,通过分析实测数据,研究了盾构推进过程中接收端端墙和侧墙的压力变化、加固区深层位移变化规律及其相关性;孙佳琪等[3]结合盾构接收冻结法加固技术,研究了盾构接收端冻结技术的温度变化规律及温度场的发展特征;韩林等[4]分析了运用垂直冷冻法加固接收端的盾构接收关键技术,并结合现场监测研究了盾构接收期间地表沉降变化规律及加固效果;李振东等[5]针对城市核心区域的洞内解体方案的适用性进行了探讨,从工程施工技术组织层面提出了两套洞内解体优化方案。对于盾构过程中对接收端土体扰动的影响方面:杨果林等[6]建立了盾构接收过程中工作井的受力模型,并基于Mindlin解和Sagaseta公式提出了刀盘正面压力、盾壳周围摩擦等附加应力对工作井结构受力的影响;王凌[7]将Mindlin解结合Winlder弹性地基模型,得到了刀盘正面推力引起的临近桩基及周围土体的应力分布影响。

目前关于盾构接收的研究大部分集中于探讨接收端的施工方案优化等方面,过于保守的洞门加固和密封方法(如冻结法等)导致相关工程技术人员忽略了对接收端洞门受力的详细分析,因此在端头加固施工付出的工期和成本偏高;同时接收端的加固也属于一种半临时结构,盾构接收后会适当破坏,这就导致付出更多的加固成本造成了浪费。综上,以北京地铁8号线王府井-前门区间工程(简称王-前区间)盾构接收为背景,首先基于弹性力学Mindlin解推导出泥水盾构推挤引起的洞门处的附加应力,通过理论计算确定盾构在距接收端60环(每环1.2 m)范围内洞门的压力变化及受力发展规律,得到泥水平衡盾构接收全过程的洞门受力解析解,研究盾构推进附加应力对接收端洞门的影响以及钢斜撑轴心受压变形的规律。本文的研究可为盾构接收工程中洞门受力的发展及分布规律提供理论支撑,同时也为接收端加固及支撑提供了优化参考方案,节省了施工工期和成本,降低了工程资源的浪费。

1 工程概况

1.1 区间线路

北京地铁8号线王府井站-前门站区间盾构从前门站始发至王府井站接收,总长度为1 586.3 m。区间隧道为标准的单洞单线隧道,隧道外直径为6.0 m,管片衬砌厚度为0.3 m。线间距为11～19 m,覆土厚度为25～35 m。盾构完成区间掘进后到达东长安街与台基厂大街交汇处王府井站进行接收,最后在施工横通道内拆解后分体平移至施工竖井吊出。

1.2 接收端概况

1.2.1 地质情况

接收端附近地层从上到下依次为杂填土、黏土、细砂和砂质粉土,地层分布如图1所示。盾构接近接收端过程中穿越地层主要为细砂和砂质粉土,压缩性较低,渗透性较强,地质参数情况见表1。地下水位深度为25.8 m,由于区间沿线设置降水井进行降水,隧道开挖前接收端水位已下降至洞门以下,因此本文的计算研究将不考虑地下水渗流的影响。

表1 地层地质参数

图1 地质剖面图

1.2.2 施工加固措施

接收端端头采用深孔注浆工艺进行加固,注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆、改性水玻璃。接收端头加固深度为12 m,加固断面为12 m×12 m的正方形断面。在接收端头安装钢环作为洞门,外侧安装钢板封堵并使用工20A工字钢加固。加固方式为先在钢板外侧竖向焊接5根工20A工字钢,竖向工字钢外侧焊接3根水平方向的同型号工字钢。在通道内设置相同型号工字钢作为斜撑进行支撑。每道支撑设置3根斜撑,用于盾构机出洞前支撑钢板,如图2所示。洞门密封完成后在洞门钢环内回填C15素混凝土,防止盾构机到达前出现塌方的情况[8]。

图2 洞门封端钢板安装及支撑示意图

1.2.3 钢撑变形

左线盾构在接近接收端30环时,接收端洞门工字钢斜撑受压超过极限承载力,之后失去整体稳定性并开始发生明显变形,如图3所示,最上层左侧斜撑、中间斜撑向左侧弯曲,第二层左侧斜撑向左下侧弯曲,最上层右侧斜撑向右侧弯曲;洞门中心位置发生轻微的鼓起,洞门压板中间略微突出;在洞门钢环与接收端连接处部分发生轻微的渗水。为确保洞门不受进一步破坏,施工单位立即停机,降低泥水舱压力,增加多处焊接钢支撑[9-12],并采用更密集的深孔注浆方式加固洞门,同时,还靠注浆的劈裂渗入地层,以达到封堵止水的目的[10]。

图3 左线接收端工字钢斜撑变形情况及洞门漏水情况

2 接收端洞门受力分析

将洞门和布置在其表面的横撑和竖撑视为整体[7,10],则洞门所承受的压力Pn为

Pn=β(P1+P2)

(1)

式中:P1为洞门后水土压力;P2为盾构推力引起的附加应力;β为洞门压力折减系数。由于距接收端洞门12 m内土体加固,故折减系数β的取值范围为0.7～1.0,取值越大,代表加固措施越弱,建议取值如下:冻结加固取0.7、旋喷桩加固取0.8、注浆加固取0.9、加固措施不完善或不加固取1.0。而本文中为深孔注浆加固,故取β=0.9。

2.1 水土压力P1

根据土力学原理及已有文献[13-18]对加固后接收端洞门处水土压力的研究,洞门后土体稳定且处于弹性平衡状态,故选取静止土压力作为洞门后水土压力P1。根据朗肯土压力理论,静止土压力σ0的计算公式为

σ0=γzK0

(2)

式中:K0为静止土压力系数,根据经验性取值,可按K0=1-sinφ计算;z为地层深度,m。经计算洞门后水土压力P1=0.2 MPa。

2.2 附加应力P2

盾构推进过程中,洞门后土体的应力场受到正面推力作用而产生附加应力[19],由于在接收阶段,该工程中盾构是在正常固结土中沿直线顶进,故不考虑盾构偏斜和注浆压力。基于弹性力学的Mindlin应力解公式[14]推导出正面推力引起的附加应力公式并进行计算。

2.2.1 基于弹性力学的Mindlin应力解

水平集中力作用下,半无限地基中土体附加应力σx的Mindlin解公式为

(3)

图4 Mindlin 应力解示意图

2.2.2 正面推力引起附加应力的计算

在正面推力作用的开挖面(圆截面)内取微分面积rdrdθ(r为距盾构中心的距离,θ为环向积分角度),荷载为P0rdrdθ(P0为正面荷载集度),由于盾构机通过土体传递的推力通过开挖面传递,故可用泥水盾构机工作舱压力来表示P0,实际施工中的工作舱压力变化如图5所示。

图5 盾构工作舱压力变化

由于盾构机即将接收与洞门处于同一轴线上,所以x为盾构机距洞门的距离。c=z=29 m,y=0。根据地质条件,泊松比μ取0.28。将以上参数代入式(3),利用弹性力学中的Mindlin解,通过积分得到正面附加推力引起的附加应力公式为

(4)

式中:r为距盾构中心的距离;θ为环向积分角度;R为盾壳外径;R0为洞门圆周半径,且R0=R=3 m。

2.3 计算结果分析

盾构机推力在洞门处产生的附加应力P2计算结果如图6所示,随着盾构机向接收端推进至20环过程中,工作舱压力由230 kPa波动降低至180 kPa,此时洞门处附加应力随着盾构机距离缩短快速提高。当盾构机推进到距洞门20环处时,附加应力达到最大值,为8.6 kPa,此时洞门压力Pn也达到最大值,为208 kPa。当盾构从距接收端20环位置继续推进时,由于即将进入接收端加固区进行接收,为充分切削土体,盾构机工作舱压力迅速减少,推力降低,附加应力同时下降。当盾构机抵达洞门时,工作舱压力下降为0,此时附加应力为0。

图6 附加应力变化

3 接收端支撑变形分析

3.1 计算假定

由于洞门变形轻微,且布设有竖撑和横撑对斜撑受力影响很小,为简化计算,洞门钢板及钢板上竖撑和横撑均视为完全刚性体,不考虑其变形[13]。9道工字钢斜撑对称布置于洞门横撑和竖撑上,均匀承受洞门压力,故斜撑所受压力只考虑轴心压力,不考虑偏心力。每道斜撑与洞门均呈45°夹角。

3.2 变形计算

根据钢结构设计规范[20],当工20A轴心受压时,有

(5)

(6)

式中:N为轴心压力;A为工20A工字钢截面面积;f为工20A工字钢的强度设计值,为215 kN/mm2;Ø为工20A的整体稳定系数,根据钢结构设计标准取Ø=0.988。

计算可知,当工字钢达到其承载力极限时,轴心压力为N0=884 kN;当工字钢失去整体稳定性时,轴心压力为N1=893 kN。

盾构机推进过程中,每道钢斜撑的轴心压力为

(7)

3.3 变形过程分析

由式(7)计算得出工字钢斜撑轴心压力变化如图7所示。当盾构机推进至距洞门30环时,工字钢斜撑所受轴心压力N0达到其极限承载力884 kN,开始发生塑性变形,并发生微小弯曲,变形幅度随盾构推进逐渐增加。当盾构机推进到距洞门20环时,工字钢斜撑所受轴心压力N0超过893 kN,失去整体稳定性,支撑变形突然加剧,弯曲明显并产生弯扭变形。

图7 轴心压力变化

4 结论与建议

1)基于弹性力学的Mindlin应力解公式得出盾构推进过程中对洞门压力的公式,计算并分析计算结果得出,工作舱压力不变的情况下距离越短作用到洞门上的压力越大,距离不变的情况下工作舱压力越小作用到洞门上的压力越小。由于该工程泥水盾构在推进过程中为保持土体稳定速度会逐步减小,相应的工作舱压力也会逐步减小,而距离也不断减小,故对洞门压力先增加后降低,在20环时对洞门压力达到最大,为208 kPa。此时洞门最不稳定,工字钢斜撑所受压力达到最大。

2)根据盾构推进过程中,工字钢斜撑所受压力变化,分析结果可得盾构推进至30环时工字钢支撑轴心压力达到极限承载力884 kN开始发生塑性变形。当推进到20环时,工字钢支撑轴心压力达到893 kN,工字钢失去整体稳定性,变形突然加剧并出现弯扭变形。因此建议选用截面积更大或钢材强度更高的工字钢作为支撑,确保洞门最大压力下每道支撑轴心压力低于极限承载力,保证洞门的安全性。同时在每排斜撑之间中部添加横撑以防止斜撑侧向变形。

3)在泥水盾构接收工程中需要时刻监测洞门压力变化防止压力过高而支撑不足导致洞门失去稳定性发生变形、渗漏等不良现象。洞门斜撑也要保证在洞门压力最大情况下,每道斜撑轴心压力小于极限承载力,同时设置位置尽量关于洞门中心对称,防止偏心力过高影响支撑能力,必要时斜撑之间添加横撑。