盾构吊装对初期支护条件下矿山法隧道的变形影响分析.pdf

·隧道／地下工程· 收稿日期：２０１５ １２ １０ 盾构吊装对初期支护条件下矿山 法隧道的变形影响分析 周阳宗 （中铁十六局集团有限公司 北京 １０００１８） 摘 要 为研究盾构吊装对初期支护条件下矿山法隧道的变形影响，以实际工程为例，采用三维数值有限元分 析方法，分析了实际地层条件下及对隧道周边地层进行加固后，矿山法隧道在盾构吊装作业下的变形，得出盾构 吊装对初期支护条件下矿山法隧道的变形影响较大，在原有地层直接进行盾构吊装施工存在一定施工风险，宜 在对隧道周边地层进行加固后再盾构吊装施工。本文采用结构建模进行数值分析，所得结果为盾构整体施工安 全提供保障。 关键词 盾构吊装 三维数值有限元分析 初期支护 隧道变形 中图分类号 Ｕ４５１ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１６）０４ ００６１ ０３ Ｉｍｐａｃｔ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ Ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｕｎｎｅｌ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｍｉｎｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｉｍａｒｙ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｚｈｏｕ Ｙａｎｇｚｏｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １６ｔｈ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ．Ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ，ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｇｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｓｔｒａｔａ．Ｉｔ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈａｔ ｓｈｉｅｌｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｈａｓ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ．Ａｓ ｔｈｅｒｅ ｉｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｉｓｋ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｓｈｉｅｌｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｆｏｒ ｓｈｉｅｌｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒａｔａ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｆｏｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｆｏｒ ｗｈｏｌｅ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｅｃｕｒｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｈｉｅｌｄ ｈｏｉｓｔｉｎｇ；ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｎｉｔｉａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ；ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ １ 引言 随着国家城市化进程的加快，配套的地铁建设由 传统的主城区向新兴开发区拓展，在主城与新兴开发 区过渡地段，往往站间距较大。在地质条件允许下， 为有效控制投资及建设进度，同一区间隧道的施工工 法可采用矿山法及盾构法进行，对应的一般在矿山法 与盾构法分界里程处设置中间工作井，以此为界一侧 为盾构法，另一侧为矿山法，工作井则作为盾构吊装 井。在这种情况下，受制于场地和隧道施工筹划，较 易出现单线或双线盾构隧道贯通时，工作井另一侧矿 山法隧道正在施工，由此导致盾构机的吊装作业范围 邻近矿山法隧道，甚至位于矿山法隧道正上方，该工 况下分析盾构吊装作业对矿山法隧道的影响成为工 程顺利实施不可忽视的问题。 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０４） ６１ ·隧道／地下工程· ２ 工程概况 区间主要穿越七里河冲积漫滩和阶地及阶地 前缘两个地貌单元，工作井及相邻隧道场地地形 平坦，场地自上而下分别为素填土、可塑～硬塑粉 质黏土、硬塑粉质黏土、强风化灰岩及中风化灰 岩，矿山法隧道掌子面主要穿越可塑～硬塑粉质 黏土层，围岩级别为Ⅴ ～Ⅵ［１］。地下水主要为孔 隙潜水及基岩裂隙水，岩土层物理力学特性指标 见表１。 表１ 岩土层物理力学特性指标 土层 层厚／ ｍ 重度／ （ｋＮ·ｍ －３ ） φ／ （°） Ｃ／ ｋＰａ 弹性模量／ （×１０３ ＭＰａ） 泊松 比 静止侧 压力系数 素填土１．５ １８．５ １０ １２ ０．０７ ０．４４ ０．４５ 粉质 黏土２２．１ １９．３ ２４ ４０ ０．２３ ０．３８ ０．４５ 强风化 灰岩３．１ ２１．０ ３３ ４６ １．１２ ０．２９ ０．３５ 中风化 灰岩１１．２ ２５．５ ４０ ６７０ ８．０４ ０．２１ ０．３３ 区间隧道为南北走向，盾构工作井中心里程 ＤＫ４２ ＋０５１．３３３。工作井为明挖结构，底板埋深 １６．９ ｍ，平面尺寸为２４ ｍ ×１５．６ ｍ。工作井以北隧 道采用矿山法施工，以南隧道采用盾构法施工，按 工程筹划，工作井为南端盾构区间的接收井，北端 矿山法区间的到达井。单圆盾构隧道洞径为 ６．７ ｍ，在近工作井段埋深１１．７ ｍ；矿山法断面形式 为多心圆，在近工作井段埋深９．８ ｍ。隧道断面竖向 最大直径为７．０９６ ｍ，左右最大直径为６．６８ ｍ，其形式 如图１ 所示，超前支护及初期支护参数见表２［２ －３］。 图１ 衬砌标准断面图 表２ 支护参数 项目 超前支护初期支护二衬 参数 φ１０８ 管棚，环向间 距０．４ ｍ，Ｌ ＝４０ ｍ， ｔ ＝５ ｍｍ φ４２ 超前小导管，环 向间距０．４ ｍ，Ｌ ＝ ３．５ ｍ，ｔ ＝３．５ ｍｍ Ｃ２５ 喷射混凝土 φ２５ 中空注浆锚杆 φ４２ 锁脚锚管 φ８＠１５０ ×１５０ 双层钢筋网 格栅钢架，间距０．７５ ｍ Ｃ４０，Ｐ８ 模 筑混凝土 ０．３５ ｍ 厚 根据现场施工情况，南端盾构掘进到达工作井 时，北端矿山法隧道已完成初支，二衬施作工作面 距离工作井约４４０ ｍ，盾构机需由工作井吊出并转 场至其余区间，现场围挡范围较小，故盾构吊装作 业范围只能位于矿山法隧道上方，如图２ 所示。盾 构机吊装由１ 台４５０ ｔ 吊车作为主吊，１ 台１３０ ｔ 吊 车作为辅吊进行吊装作业，其中４５０ ｔ 吊车共４ 个支 腿，支腿间距为９ ｍ ×９ ｍ，支腿下方为３ ｍ ×４ ｍ 的 路基箱；１３０ ｔ 吊车共有４ 个支腿，支腿间距为７ ｍ × ７ ｍ，支腿下方为２ ｍ ×２ ｍ 的路基箱。４５０ ｔ 吊机车 自重为９２ ｔ，配重为１２０ ｔ，吊物最大重量为９７ ｔ； １３０ ｔ吊机自重为７０ ｔ，配重为３０ ｔ［４］。 图２ 工作井盾构吊装平面图 ３ 结构建模及本构模型 ３．１ 计算方法及建模 为合理反映盾构吊装对矿山法隧道的附加变 形影响，采用大型岩土有限元分析软件ＭＩＤＡＳ ／ＧＴＳ ＮＸ 进行三维弹塑性有限元分析方法［５］，以分析隧 道周边地层非线性变形下的地层应力场和位移场， 根据吊装吊机平面布置，结合工作井及矿山法隧道 的支护信息，建立三维分析模型，如图３ 所示。 ６２ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０４） ·隧道／地下工程· 图３ 分析模型 模型三维范围５４ ｍ ×６０ ｍ ×３２．５ ｍ。盾构接 收井围护结构灌注桩简化为１ ｍ 宽的支护体系。支 护圈梁截面设为１ ｍ ×１ ｍ。位置和深度按照施工 图纸布置。地表上覆盖２５ ｃｍ 的素混凝土。锚杆长 度为３ ｍ，布置间距２ ｍ。初支网喷混凝土厚度取为 ３０ ｃｍ。隧洞简化为６．２ ｍ 直径的圆形隧洞。 ３．２ 本构模型及参数 工作井结构梁、柱采用梁单元，墙板及简化的 围护结构采用弹性ＰＬＡＴＥ 单元来模拟［６］，ＰＬＡＴＥ 单元为五节点平面单元，土体采用十五节点平面单 元及小应变硬化土（ＨＳ-ＳＭＡＬＬ）材料模式来模拟。 ＨＳ-ＳＭＡＬＬ 材料模式是在土体硬化模型（ＨＳ）基础 上考虑土体小应变阶段刚度增强效应的本构模型， 可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体 行为的先进模型，具有模拟塑性、徐变、膨胀、应力 强化、大变形和大应变的能力。 矿山法隧道初期支护结构采用结构单元ｓｈｅｌｌ 单元模拟，拱顶超前支护的加固效果通过适当提高 被加固区域的围岩参数来实现［７］，加固体的弹性模 量参考国内相关研究结果并由下式计算［８］： Ｅ ＝（６０ ～１６０）ｑｕ 式中，Ｅ 为加固体弹性模量（ＭＰａ）；ｑｕ 为加固体无侧 限抗压强度（ＭＰａ），由施工图提供。 初期支护中格栅钢架的作用根据等效方法予 以考虑，即按钢筋混凝土结构的等效弹性模量计算 方法对带格栅钢架的喷射混凝土模量进行等效［９］。 各单元结构模型的材料力学参数见表３。 表３ 材料力学参数 项目容重／（ｋＮ·ｍ －３ ） 弹性模量／ＧＰａ 泊松比 工作井钢筋混凝土２５ ４０．２４ ０．２ 超前支护加固体２２ ９０ ０．２ 初支喷射混凝土２４ ３１．４１ ０．２ 锚杆７８．５ ２００ ０．３ ４ 边界条件设置及荷载 根据工程的实际情况，结合模型的简化及分析 要求，左右Ｘ 方向边界全部约束，前后为限制Ｙ 方 向的位移。吊机位置按图２ 布置。分析中考虑现场 采用的盾构吊装机规格参数，考虑最危险的工况， 将荷载分别等效至路基箱上，得到邻近左线隧道上 方１ 号路基箱的荷载为１２５ ＭＰａ，３ 号路基箱的荷载 为１１９ ＭＰａ，其他路基箱的荷载都为４３．７５ ＭＰａ。 ５ 分析结果及对策 将已经开挖完的隧道作为初始状态，并对其位移 清零，分析施加吊装机荷载后对于隧道和地表的影 响。针对盾构吊装对隧道的影响，事前评估拟定两种 施工处理方案，首先是在实际地层条件下，不对隧道 周边土体进行盾构吊装所需的加固处理，根据分析结 果进行洞内支撑加固；其次是对隧道周边地层进行加 固后再进行盾构吊装，根据地铁工程土层加固所能达 到的常见效果，加固后地层按Ⅳ级围岩考虑［１０］。 ５．１ 实际地层条件下计算结果分析 通过岩土有限元分析软件ＭＩＤＡＳ ／ＧＴＳ ＮＸ 进 行三维岩土计算分析［１０］，结果如图４ 所示［１１］，盾构 吊装位置沉降较明显，向外渐弱，且因土质较软，在 反力作用下使左洞部分土体发生一定程度的隆起。 根据计算结果可知拱顶在地表吊机影响下，左 洞最大沉降３９．１１ ｍｍ，右洞拱顶产生最大沉降 １２３．８ ｍｍ，不满足相关要求［１２］。 ５．２ Ⅳ级围岩条件下（加固后）计算结果分析 考虑对隧道周边土体进行注浆加固，加固后地 层围岩等级按Ⅳ级考虑，结果如图５ 所示。 图４ 实际地层条件下计算结果 （下转第１１４ 页） 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０４） ６３ ·设备／仪器· ［５］ 李钦彬，鄂宇，张喜．浅谈掘锚一体化技术［Ｊ］．煤矿机 械，２０１０（９）：２５ －２７． ［６］ 邵智，李刚，付忠文．掘锚一体化技术研究与分析［Ｊ］． 科技博览，２０１１（９）：３０６ －３０７． ［７］ 约翰·查德维克．掘锚机开创快速掘进局面［Ｊ］．中国 煤炭，２０１０（１０）：１３７ －１３９． ［８］ 毋凡．锚机在煤矿快速掘进中的应用［Ｊ］．山东工业技 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