DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.034

盾构隧道先隧后井施工中工作井支护结构优化

莫海鸿¹，杨春山^{1, 2}，陈俊生¹，陈凌伟¹

 (1. 华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州，510641；

2. 广州市市政工程设计研究总院，广东 广州，510060)

摘要：以广州西江引水工程盾构接收井为背景，借助大型有限元(FEM)软件，采用3因素3水平正交试验法进行多因素系统分析。探讨环梁层数、围护结构嵌固深度及环梁厚度对盾构管片张开量与工程造价的影响规律，对拟用支护方案进行优化，提出适用于盾构隧道先隧后井施工中工作井基坑的合理支护方案。基于双面弹性地基梁理论，提出先隧后井施工中管片张开量的理论计算方法，且验证正交试验模型的合理性。研究结果表明：以经验类比法确定的支护方案比传统的基坑设计方案更科学合理。

关键词：盾构隧道；工作井；支护结构优化；正交试验；先隧后井；管片张开量；双面弹性地基梁

中图分类号： U45             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)04-1346-07

Supporting optimization of working well in shield construction with tunnel followed by well excavation

MO Haihong¹, YANG Chunshan^{1, 2}, CHEN Junsheng¹, CHEN Lingwei¹

 (1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China;

2. Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute, Guangzhou 510060, China)

Abstract: Three-factor at three-level orthogonal array experimental method was used to conduct multifactor system analysis with finite element method (FEM) program based on the Xijiang River Water Diversion Project in Guangzhou. The influential laws of segment opening and material cost caused by the number of ring beam, the embedded depth of diaphragm wall and the thickness of ring beam were explored as well as the reasonable supporting system was proposed for shield construction when tunnels followed by well excavation. A theoretical calculation method for segment opening was raised based on double-sided elastic foundation beam, which proved the rationality of the orthogonal model. The results show that the reasonable supporting system is more scientific and reasonable than that determined by traditional experience analogy method.

Key words: shield tunnel; working well; supporting optimization; orthogonal experiment; tunnel followed by well excavation; segment opening; double-sided elastic foundation beam

在盾构隧道施工过程中，常遇到盾构通过工作井的情况，如采用先工作井开挖后隧道施工的常规方案，需做大量的辅助措施，尤其在输水或电力隧道中，因井间距小，上述问题更为凸显。为此，人们尝试采用先开挖隧道后施工工作井的工法。该工法隧道施工完，受后续基坑开挖上抬或下沉影响，易引起局部盾构管片环缝张开^[1]。管片环缝张开是隧道纵向变形的主要原因，而隧道纵向变形相对较脆弱^[2]，所以控制盾构隧道纵向环缝张开，进而控制隧道纵向变形是盾构隧道先隧后井施工中的技术难点。盾构管片环缝张开主要受工作井基坑支护方案的影响，故基坑支护体系的合理设计是控制隧道纵向变形关键所在。当前，已有不少学者针对建筑基坑与盾构隧道工作井基坑支护结构方案合理性问题开展了相关的研究^[3-6]，也取得了不少成果。但在已有研究中，不论是建筑基坑，还是盾构隧道工作井基坑，多数针对常规的基坑支护体系，而对于特定情况下支护体系合理性研究却较少，如盾构隧道先隧后井施工中工作井合理支护体系问题。事实上，近几年先隧后井施工法得到了越来越广泛的应用，该工法隧道、工作井及土层之间相互作用与常规先井后隧不同，所以工作井基坑对围护结构嵌固深度、支护结构形式及支护结构的施工工法等要求均存在较大差异。盾构隧道先隧后井施工中工作井基坑合理支护体系值得探讨。基于此，本文作者以广州西江引水盾构工程为依托，借助有限元软件，采用3因素3水平正交试验法进行多因素系统分析，计算分析永久环梁层数、连续墙嵌固深度及环梁厚度对管片张开量的影响规律，并对盾构工作井基坑支护拟用方案进行优化，以期获得更合理的支护体系，为类似工程先隧后井施工中工作井基坑支护设计提供参考。

1  工程概况

西江引水工程在穿越广州市城区重要交通枢纽时，采用了对环境扰动小的盾构开挖技术。盾构工程穿越工作井采用了先隧后井的施工工法。此次研究取其中一接收井及其周围局部范围土层进行计算分析。该工作井平面为长×宽为28 m×14 m的长方形，井深为22 m，分6步开挖。基坑支护拟采用1.2 m厚地下连续墙加4道钢筋混凝土内撑，其中钢筋混凝土墙深度约为32 m，墙底以下10 m范围为素墙，接收井剖面如图1所示。

根据该项目地质勘查报告与结构设计方案，土层与结构的参数见表1~3，其中，基坑支护结构混凝土强度等级为C30。

图1  盾构接收井剖面图

Fig. 1  Section of shield receiving well

表1  土层物理力学参数

Table 1  Physico-mechanical parameters of soil

表2  工作井支护结构参数

Table 2  Supporting parameters of well

表3  管片设计参数

Table 3  Design parameters of segment

2  正交试验计算模型

2.1  计算模型

项目实际施工顺序依次为：第1部分工作井开挖、盾构隧道开挖、第2部分工作井开挖(10.4 m)。隧道纵向变形张开主要受盾构施工和第2阶段工作井开挖卸载效应的影响。基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3~5倍，影响深度为开挖深度的2~4倍，结合盾构施工的沉降槽宽度为15~20 m^[7]，计算模型长×宽×高为90 m×60 m×60 m。

计算采用三维实体单元模拟土层、衬砌环、螺栓、盾尾注浆及连续墙，用梁模拟内支撑梁，用壳单元模拟板撑和盾壳。土体用Mohr-Coulomb理想弹塑性模型，基坑与隧道结构则采用弹性模型；总体与支护结构模型如图2~3所示。计算区域含20环管片，相应编号为1~20号，靠近基坑连续墙为20号；考虑到1号管片与工作井间有一定距离，受基坑开挖影响较小，所以在模型边界设定时对该环管片进行水平与竖向位移约束。

根据盾构实践经验，管片等效直接头模量为54.0 MPa，施工过程衬砌环缝承受的千斤顶压力为 1.6 MN^[8-9]。将此压力转化为作用于环缝垫板上的压力荷载为5.4 MPa。目前，盾构施工基本使用同步注浆技术，压力应小于0.4~0.6 MPa^[10]，且横断面的注浆压力可近似认为随深度线性变化^[11-12]，故此处计算取注浆压力作用分布形式如图4所示，其中P_in1= 0.3 MPa，P_in2=0.4 MPa，中间呈线性分布。作用在隧道掘进面的支护压力根据实际土层情况取120 kPa。

图2  计算模型及基坑开挖步骤

Fig. 2  Calculation model and excavation steps of foundation pit

图3  支护结构模型

Fig. 3  Model of supporting structures

图4  盾尾注浆压力分布

Fig. 4  Distribution of grouting pressure acting on segments

2.2  模型计算工况

模型施工阶段定义思路依次为：初始应力计算、施工地下连续墙、第1阶段基坑开挖支护、盾构隧道施工、第2阶段基坑开挖支护、临时支护结构的拆除。第1阶段基坑施工是开挖基坑土体1和土体2(见图2)及施加相应的支护结构。通过稳定流计算得到孔压，以外荷载形式作用于模型以考虑应力-渗漏耦合作用。盾构隧道开挖步长为1.5 m，共开挖23次到达工作井内目标位置，第n(4＜n≤23)步隧道开挖具体施工模拟包括：盾构支护下第n步隧道开挖，施加第n个开挖面支护压力，钝化第n-4个盾壳，激活第n-3个管片，施加n-4个注浆压力以及施加第n-3个千斤顶压力。隧道施工完成后进行第2阶段基坑开挖支护，包括基坑土体3~6开挖及施加相应的支护结构。最后对临时支护结构进行拆除。

在基坑拟用支护方案中，支护结构与环梁均为临时结构，结构拆除时易引起邻近围护墙局部盾构管片的张开。同时，先隧后井施工对连续墙嵌固深度要求较常规设计方案低，只需考虑第2阶段基坑开挖深度影响，而拟用方案设计时围护墙嵌固深度按实际工作井坑深(22 m)确定。为此，结合先隧后井施工法特点，探索工作井基坑施工应设置的合理支护体系。

工作井支护体系需考虑后续风机等放置对工作井基坑支护尺寸的要求，故不能设置永久内支撑梁以免挡住风机施，仅考虑设置永久环梁。工作井基坑支护结构主要影响因素包括永久环梁层数、连续墙嵌入深度及环梁厚度3个因素。采用3因素3水平(3个因素，每个因素有3个水平)正交试验设计方法，进行合理永久支护体系探索。根据概率统计知识可知：3因素3水平含有3³=27种组合试验，用正交试验设计仅需要进行9次，主要影响因素及其水平见表4。

表4  主要影响因素及其水平

Table 4  Main influencing factors and their levels

3  正交试验计算结果分析

3.1  不同方案计算结果与分析

模型20环管片范围内含19个环缝接头，编号依次为1~19；由环间接头的水平向变形，计算管片环缝张开量。定义张开量在相对张开时为正，相对压缩时为负。

图5  管片位移云图

Fig. 5  Displacement of segment

图5所示为拟用支护体系对应的先隧后井施工位移图，云图为变形后，虚线为变形前。根据管片相对位移，计算得到图6所示的不同方案管片张开量分布规律。由图5和图6可见：不同方案张开量由19号至1号接头呈减小的趋势，最大值均出现在19号接头处，最大值如表5所示。考虑永久环梁与否，最大张开量最大相差14%。按照拟用常规设计方案，16号接头螺栓变形为1.27 mm，已超过螺栓弹性极限变形1.11 mm^[13]，管片接头螺栓开始产生塑性变形；而考虑永久支护结构方案1~3在18号接头处开始进入塑性变形阶段，方案4~9在17号接头处开始进入塑性变形阶段。因此，工作井基坑开挖完成后留永久环梁与否对隧道纵向是否变形有显著影响。

图6  不同方案下管片张开量

Fig. 6  Segment opening under different schemes

表5所示为管片环缝张开量正交试验结果，拟用方案管片最大张开量为2.57 mm，进入塑性变形的接头号为16。其中，k_i(i=1~3)为各因素水平i下的指标平均值，极差代表相同因素不同水平的指标平均值中最大值与最小值之差，其反映了因素对指标影响的程度。由表5可知：各因素对管片张开量的贡献次序从大到小依次为连续墙嵌固深度、永久环梁层数、环梁厚度，其中环梁厚度对张开量几乎没有影响。在传统概念中，连续墙嵌入深度越大、永久环梁层数越多及环梁厚度越大，盾构管片环向张开量越小。但本文研究成果表明：随着围护墙嵌入深度减小、环梁层数减少及环梁厚度的减小，管片张开量减小。这是因为采用一般的先井后隧施工法时，盾构施工完出洞时结构主要承受洞内外的水土压力差作用，主要作用方向为水平向，且基坑全深连续开挖，因此，管片张开量随着围护墙嵌入深度增大及支护体系刚度的增大而减小。当采用先隧后井施工时，结构主要承受后一阶段(坑深为10.4 m)基坑施工引起的整体上抬或者下沉影响，受到的主要作用是竖向的，对嵌固深度要求相对更低，土层与结构的相互作用也不同于先井后隧施工法；此外，本文实例中只有第4道环梁直接作用于隧道(见图3)，管片张开量主要受第4道环梁作用，因此，环梁层数对管片张开量影响也较小。事实上，基坑支护本身是一个复杂的系统，各支护结构之间及支护结构与土层之间相互影响，相互约束；针对特定的基坑及施工工法，支护有相对合理的形式，不宜用仅增大支撑数量或者尺寸来控制隧道结构变形。

表5  管片张开量最大值与平均值正交试验结果

Table 5  Orthogonal experimental results of maximal and average of segment opening

表6所示为材料成本正交试验设计结果。由表6可知：各因素对材料成本的贡献从大到小依次为连续墙嵌固深度、环梁厚度、环梁层数。连续墙嵌固深度对材料成本影响最显著，而基坑施工完未拆除的永久环梁层数不影响支护方案环梁工程量，故不影响总工程造价。因此，在满足支护结构整体刚度的前提下，宜尽量减小连续墙尺寸，控制工程成本。

表6  材料成本正交试验结果

Table 6  Orthogonal experimental results of material cost

结合上述分析结果，当连续墙嵌固深度为26 m (1.2倍坑深)，永久支撑设置环梁层数为1，环梁厚度为0.8 m时，管片张开量与工程造价均比其他方案的造价小，故此为该项目基坑合理支护体系。

3.2  正交试验模型合理性验证

以等效连续化理论与双面弹性地基梁理论为基础求解管片环缝张开量，与数值计算结果对比分析，以证明正交试验计算模型的合理性。取衬砌环结合面为中心环宽长变形来考虑，当这个管片环单元受到弯矩M时，在环缝相邻管片的两平面间有相对转角θ，θ/l_s相当于梁弯曲的曲率。根据变形协调及力的平衡条件可得中性轴位置的φ满足下列方程^[12-13]：

          (1)

根据力学知识可推求接缝张开量^{[12, 14]}为

           (2)

式中：k_j1为接头弹性刚度；E_c为管段弹性模量，kPa；A_c为管段横截面积；l_s为环宽，m；I_c为管段截面惯性矩，m⁴；r为隧道管片中心半径，m；φ与x分别为管片受弯中性轴的位置和角度，其中x=rsinφ。

利用纵向曲率与弯矩间的物理关系式K=M/EI与EI=η_mE_cI_c，代入式(2)得到管片张开量计算公式为

          (3)

其中：η_m为刚度折减系数^[15]，可通过下式求解：

          (4)

式中：n为纵向螺栓总数；k_m为纵向接头处等效抗弯弹簧刚度。

以弹性地基梁理论^[16]为基础，提出用双面弹性地基梁模型求解隧道纵向曲率。与常规的先井后隧施工法相比，先隧后井施工法隧道施工完会受到后续基坑开挖影响，引起纵向上抬，相当于位移Δ或者集中力F作用于隧道靠近基坑一侧端部，如图7所示。

图7  先隧后井施工基坑开挖对隧道影响计算模型

Fig. 7  Calculation model between foundation and shield tunnel when tunnels followed by well excavation

采用双面弹性地基梁理论，推导图7中隧道纵向变形曲线。

当后续基坑开挖影响为位移时，

               (5)

假定后续基坑开挖影响为集中荷载时，

       (6)

                (7)

式中：α为特征系数；k₁和k₂分别为隧道上覆与下卧土层地基反力系数，k₁=k₂=20 MPa/m。

由纵向变形曲线，可得到隧道的纵向曲率公式为

              (8)

由式(7)可得特征系数α=0.2；由施工阶段实测数据可知：后续基坑开挖阶段围护墙最大竖向位移值约为28 mm，故取竖向位移Δ为28 mm。由前分析可知：管片最大张开量出现在x=1.5 m处，即19号接头处；由式(5)和式(8)计算得该接头处曲率K=1/1 984。由表3中的参数及管片环数代入式(4)计算得η_m=0.01。根据表3及公式k_j1=nE_jA/l，计算单个螺栓的弹性刚度k_j1=192.284 7 MN/m，代入式(1)得中性轴位置的角度φ=1.18。将以上计算参数代入式(3)可算出管片张开量为2.3 mm，与数值计算的值2.57 mm吻合，说明本文正交试验所采用的模型具备合理性。

4  结论

1) 当盾构隧道工作井采用先隧后井施工法时，工作井基坑支护结构设计采用常规方案时，隧道张开主要影响范围在后4个接头处；而当用正交试验法得到当基坑支护方案时，主要影响范围在后2个接头处，且最大张开量减小了14%。工作井基坑设置永久环梁与否对隧道变形产生了显著影响。

2) 在先隧后井施工工作井支护体系主要影响因素中，对管片张开量的贡献次序从大到小依次为连续墙嵌固深度、环梁层数、环梁厚度；对工程造价的贡献次序从大到小依次为连续墙嵌固深度、环梁厚度、环梁层数。

3) 基坑支护本身是一个复杂的系统，各支护结构之间、支护结构与土层之间相互影响，相互约束。针对特定基坑与施工工法，支护有相对合理的体系，不宜单纯增大支撑数量或尺寸来控制隧道结构的变形。

4) 较通过经验类比确定的支护方案，本文给出的最优支护方案更科学合理。与理论计算结果对比分析表明，本文采用的正交试验计算模型具备有效性。

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(编辑  刘锦伟)

收稿日期：2015-02-23；修回日期：2015-04-28

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51108190)；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主研究课题资助项目(2012ZC27)(Project (51108190) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2012ZC27) of the State Key Laboratory of Subtropical Building Science of South China University of Technology)

通信作者：莫海鸿，博士，教授，博士生导师，从事岩土工程方面的研究；E-mail：soildoctor@163.com