张志 彭沉彬 庞康
1.北京市首发高速公路建设管理有限责任公司 100166
2.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082
随着我国城市化进程的发展，隧道的修建也越来越多，对隧道安全的重视程度也在逐渐提高。双线隧道间的联络通道是具有极其重要的消防救援和逃生疏散的工程，在我国的隧道规范中也对其布置需求做出了规定［1］。目前双线隧道间横通道的修建常用手段为：先对地层进行加固，使其具有自立性和阻水性，而后采用人工开挖的方式构筑隧道。而冻结法加固地层由于其适用性强、稳定性好，在盾构隧道间联络通道的修建中应用最为广泛［2-4］。
本文依托北京某环路改造工程盾构隧道，采用ABAQUS有限元软件建立三维数值模型，探究超大直径盾构隧道冻结法施工联络通道主体结构的力学响应特征。
本文所依托工程为北京某环路改造工程盾构隧道外径达15.4m，设有6 条人行横通道，计划采用冻结加固＋人工矿山法开挖的方式修建。
以7＃联络通道为研究对象，主体隧道埋深29.7m，联络通道处土体主要为⑤细砂层，联络通道处主体结构开口形状为矩形，尺寸为2m（宽）×2.5m（高）冻结壁厚取3m，冻结加固范围取8m ×8.5m。加固后土体材料参数参考《城市轨道交通工程冻结法施工技术规范》（DB11／T 1972—2022）中的冻土参数，弹性模量取350MPa，泊松比0.42。
2.1 盾构隧道模型
本文主要探究联络通道的施工对主体盾构隧道的影响，因此需要重视对盾构隧道结构特点的还原。盾构隧道属于拼装式结构，管片之间通过螺栓连接，因此在模拟中需要对其拼装特征进行充分的模拟。
在本文中盾构隧道数值模型尺寸为按照实际选取，即外径15.4m，厚度0.65m，环宽2.0m，每环10 片。在联络通道开口部位的盾构管片为钢板-混凝土复合管片，其余盾构隧道管片为C60钢筋混凝土管片，管片单位为实体单元，各材料参数如表1 所示。
表1 管片参数Tab.1 Segment parameters
盾构隧道管片之间的接触为硬接触，摩擦系数取为0.4，螺栓采用弹簧Spring 单元模拟，拉伸刚度k1＝2.84×108N／m。环间接头的抗剪主要由分布式凹凸榫承担，环间接头的等效弹簧刚度为3.0 ×109N／m。接头按照实际位置布置，环内弹簧每环沿纵向布置3个，环间弹簧沿环向布置28个。
2.2 地层参数
根据实际工程，隧道埋深29.7m，土体范围取为100m×30m×63.7m（宽×纵×高）。地层参数选用ABAQUS内设的扩展DP模型，土体参数见表2。
表2 土体参数Tab.2 Soil parameters
2.3 施工工况模拟
实际工程中冻结法＋矿山法联络通道施工步骤为：①修建两条主线盾构隧道，待主线盾构机通过一定距离，主体盾构隧道结构稳定后，准备施工联络通道；
②钻设冻结孔，安装冻结设备；
③安装临时支撑结构，冻结加固地层；
④确定冻结体达到要求后，切割主体结构管片开洞，开挖地层构筑联络通道。
本研究力求对真实施工过程的模拟，也采取了一定的简化，模型的分析步骤如下：①地层初始地应力平衡；
②修建两条主体隧道；
③改变加固区域地层参数并在主体结构上施加冻胀荷载；
④破除联络通道开口处主体结构管片。
冻结体作用在主体结构上的冻胀力荷载取值和作用效果均不明确，本文参考已有工程监测到的冻胀力荷载［5］，对比冻胀力分别为0MPa、0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa 四种工况下，主体结构的应力及变形特征。数值模型如图1 所示。
图1 三维数值模型Fig.1 Three-dimensional numerical model
3.1 隧道结构变形分析
1.竖向位移
不同工况下主体结构在联络通道开口前后的竖向变形的云图比较相似，沿隧道纵向上的变形比较均匀，限于篇幅只列出冻胀力0.3MPa 情况下，加固完成破洞前及破洞后两个时刻的竖向变形云图，如图2 所示。提取并绘制各个工况下主体结构沿隧道纵向的竖向位移情况如图3 所示。
图2 0.3MPa 冻胀力下主隧道竖向位移云图（单位：
Pa）Fig.2 Vertical displacement contours of main tunnel under 0.3MPa frost heaving force（unit：Pa）
图3 盾构隧道竖向变形沿纵向变化情况Fig.3 Variation of vertical displacement of the shield tunnel along longitudinal direction
由图3a可知，在地层加固之前结构的竖向位移沿隧道纵向上较为均匀。在对联络通道附近地层进行加固后，盾构隧道在加固范围内的竖向位移明显降低，隧道竖向位移值随纵向距离的变化曲线呈“V”形。联络通道开口后结构的竖向位移有少量增大，如0.3MPa 情况下开口后结构的竖向位移相比于开口前增大了0.24mm（0.87%）。对比4 种不同冻胀力荷载对结构竖向位移的影响情况可知，冻胀力越大结构的竖向位移值越小。冻胀力为0.3MPa 情况下，联络通道开口后主体结构竖向变形相比于无冻胀力情况，减小了1.00mm（3.4%）。
2.横向位移
不同冻胀力条件下，主体结构在联络通道开口前及开口后水平位移云图如图4 所示。由图可知，在联络通道开口侧，主体结构的水平位移存在较为明显的不均匀分布。统计主体结构的横向变形，绘制随隧道纵向变化的曲线，如图5所示。
图4 不同冻胀力条件下主隧道横向位移云图（单位：
m）Fig.4 Horizontal displacement contours of main tunnel under different frost heaving forces（unit：m）
图5 盾构隧道横向变形沿纵向变化情况Fig.5 Variation of horizontal displacement of the shield tunnel along longitudinal direction
联络通道开口将引起结构的横向变形增大，0.3MPa冻胀力条件下，开口后的横向变形相比于开口前增大了1.51mm（7.8%）。随冻胀力的增大，主体结构的横向变形量减小，相对而言不均匀变形也越明显。冻胀力为0.3MPa 情况下，联络通道开口后主体结构横向变形相比于无冻胀力情况，减小了1.27mm（6.1%）。可知冻胀力对结构横向变形的影响大于对结构纵向收敛的影响，这是由于冻胀力是直接作用在结构侧面，合力为水平方向。
3.2 最大主应力分析
联络通道开口部位的管片为四块钢板复合管片，其在不同冻胀力条件下，破洞前和破洞后的应力云图如图6 所示。由图6a 可知，在地层加固之前，由于开口外部为钢板复合材料，刚度更大，存在一定的压应力集中，最大压应力达22.05MPa。
图6 不同冻胀力作用下结构最大主应力云图（单位：
Pa）Fig.6 Maximum principal stress contours of main tunnel under different frost heaving forces（unit：Pa）
对于未开口工况，如图6b ～图6e 所示，不同冻胀力条件下，衬砌结构都是内弧面受压，外弧面受拉，并且随着冻胀力的增大，结构的拉压应力均增大。冻胀力为0.3MPa 条件下结构的拉应力相比于无冻胀力条件下的拉应力增大了1.04MPa，压应力增大了0.35MPa，但也均在钢板复合管片的承载极限范围内。并且由于冻胀力引起的结构应力的变化远小于由于地层加固带来的结构应力的变化。
对破洞工况，如图6f ～图6i所示，由于开口引起了结构型式的变化，开口部位的上下边框产生了拉应力，左右腰部出现了压应力的集中。并且随着冻胀力的增大，开口部位腰部的压应力逐渐增大。冻胀力为0.3MPa 条件下结构的压应力相比于无冻胀力条件下的压应力增大了2.25MPa（11.3%），但相比于0.3MPa 未开口情况增大了34.5%。说明由于开口导致的结构型式的变化对于结构应力的影响相比于冻胀力的影响更大。
本文建立了三维数值模型，探究了超大直径盾构隧道采用冻结-矿山法修建联络通道，不同冻胀力荷载条件下，主体结构的变形和应力情况，主要结论如下：
1.随着冻胀力的增大，主体结构的竖向变形和横向变形均减小，即冻胀荷载降低了盾构管片“卧式”衬砌变形的趋势。并且由于冻胀力作用直接作用在衬砌的侧面，且合力为水平力，所以对横向变形的影响更大。
2.由于开口部位管片为钢板复合管片，刚度较大，结构的应力集中主要发生在联络通道开口部位。衬砌开口后，由于结构型式的改变，其应力分布情况也发生显著改变，开口部位顶部和底部受拉，两侧腰部受压，开口前后的衬砌最大压应力增大30%以上。
3.冻胀力越大衬砌的应力集中现象越明显，
冻胀力为0.3MPa条件下结构的压应力相比于无冻胀力条件下的压应力增大了2.25MPa（11.3%），说明冻胀力将加剧结构的应力集中现象，对结构的受力安全会带来一定的不利影响，在实际工程中应对冻胀力保持监测，并布置合适的泄压管，避免由于冻胀力过大影响结构的安全。
猜你喜欢 管片联络开口 福州地铁滨海快线区间通用环管片选型研究福建建筑(2021年4期)2021-05-24大直径盾构管片在盾壳内的力学行为实测分析铁道学报(2021年4期)2021-05-13让人大代表联络站不止于“联络”人大建设(2019年7期)2019-10-08三门核电检修工单开口项管理科技视界(2019年10期)2019-09-02只回应 1/3爱你(2018年4期)2018-11-14只回应1/3爱你·心灵读本(2018年2期)2018-08-04不易滑落的毛巾科技创新导报(2016年9期)2016-05-14如果读者·校园版(2015年3期)2015-05-14盾构管片接头连接方式研究现状人间(2015年21期)2015-03-11浅谈管片碎裂原因及治理消费导刊(2014年12期)2015-02-13