林 志1 , 朱合华1 , 于 宁1 , 胡向东1 , 赵 欣1 , 陈如桂2 , 唐孟雄2 , 张厚美2(11 同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092 ; 21 广州市盾建地下工程有限公司,广州 510030)
摘 要:本文在分析、总结国内外相关文献和材料的基础上,结合广州地铁二号线首期工程,着重分析了盾构隧道掘进机的选型;盾构隧道衬砌接头刚度的确定和优化设计;盾构隧道衬砌结构的抗震设计分析;土压平衡(EPB) 盾构隧道工程信息化施工现场监测技术; EPB 盾构隧道动态施工全过程三维有限元模拟等急需解决的问题,所得到的结果与结论可用于指导盾构隧道的设计和施工。关键词: 广州地铁; EPB 盾构; 衬砌; 抗震设计; 信息化施工监测; 三维有限元
1 前言 在我国的软粘土地区大量使用盾构法开挖隧道,其中以土压平衡( EPB) 盾构为主。虽然随着盾构使用经验的积累,盾构掘进导致周围土体的变形以及因此而引起的地面沉降问题已经得到了一定的控制,但是在某些复杂和困难的情况下,盾构施工造成的环境问题还是很严重;盾构隧道工程信息化施工技术是保质保量完成工程施工、确保环境安全的重要手段,那么如何对工程信息进行集中管理;如何对地层以及相关建筑物和管线沉降进行预测、报警;如何根据监测数据对盾构施工参数进行控制等都是我们面临和急需解决的课题。2 工程概述 广州地铁二号线赤岗- 鹭江区间盾构工程有赤岗站- 客村站和客村站- 鹭江站两个区间盾构隧道、客村联络线岔口段隧道及左右线间的两个联络通道组成。隧道右线隧道总长2045. 8m ,左线隧道总长2296. 5m ,合计4342. 3m。区间隧道采用德国海伦公司(HERRENK.AG. ) 设计生产的土压平衡式盾构机施工,盾构机开挖直径6280mm ,隧道管片长6000mm ,管片宽度1500mm ,错缝拼装。 地质条件(见表1) 。地铁二号线与一号线有较大的区别。一号线总的来说地质比较均匀。而二号线地质变化比较大,有砂层(2 - 2) ,可塑粘土(5 - 1) 或硬塑粘土层(5 - 2) , (6) 、(7) 、(8) 、(9) 均为岩石风化地层,其中最高强度为6617MPa 。由于围岩软硬不均,且土、岩层分界线起伏较大,在实际施工中盾构机的推力和扭矩变化较大,需要在施工中根据实际地层频繁调整,盾构机推进中的轴线控制和推进操作有相当大的难度。3 研究目的和主要内容 本项目在广泛分析、总结国内外相关文献和材料的基础上,结合广州地铁二号线首期工程:赤岗至客村区间地铁工程,着重分析了盾构隧道以下几个方面: ①隧道掘进机的选型; ②盾构隧道衬砌接头刚度的确定和优化设计; ③盾构隧道衬砌结构的抗震设计分析; ④EPB 盾构隧道工程信息化施工现场监测技术; ⑤EPB 盾构隧道动态施工全过程三维有限元模拟。4 研究成果综述411 盾构机选型 在广泛对国内外有关掘进机使用的统计分析的基础上[1] [2] ,总结出了隧道建设中掘进机选型的一般规律,并针对广州地铁二号线的实际情况提出了相应的盾构机选择方案,具有一定的实用价值,可为今后隧洞建设提供相关的掘进机选型依据。
根据掘进机隧道施工统计分析资料,将掘进机选型依据按其重要性排列如下: ①土质条件、岩性(抗压、抗拉、粒径、成层等参数) ; ②开挖面稳定性(自立性) ; ③隧道埋深、地下水位; ④设计隧道的断面; ⑤环境条件、沿线场地(附近管线和建筑物及其结构特征) ; ⑥衬砌类型; ⑦工期; ⑧造价; ⑨辅助工法; ⑩设计路线、线形、坡度; lv电气等其他设备条件。隧道掘进机的选型的一般程序:首先要看该掘进机是否有利于开挖面的稳定,其次才考虑环境、工期、造价等性质因素,同时还必须将辅助工法也加以考虑。只有这样才能选择出一种较为适合的隧道掘进机。 根据日本隧道技术协会(JTA) 研究开发委员会一千余条盾构法施工隧道所做的一系列盾构机的统计资料,给出了依据土质与选定盾构形式的关系图1 ,盾构形式与地下水压的关系图2 ,砾径与盾构形式的关系图3。 由所述的地质条件可以看出该地区的地质条件复杂,从淤泥质土至软岩并存,选用单一的掘进机显然是不合适的。从地质条件出发,首先考虑采用混合式盾构机(Mix2shield) ,即以盾构施工工艺为主,增加全断面岩石开挖特征的机械。再从经济的角度来看,广州地铁一号线采用的两类盾构机,一类为混合式泥水平衡盾构机,另一为混合式的土压平衡盾构机,如对其经过适当的改造和休整也可用于此区段的隧道开挖。
图1 土质与选定盾构形式的关系图2 盾构形式与地下水压的关系
图3 砾径与盾构形式的关系
此外,由于地层中的土含有一定的粘性,所以应该事先弄清粘土的粘度、硬度、细粒土在掘削面中所占的比例,必要时应填加抑制粘性的材料,以防止粘附。4. 2 管片接头与接头参数优化 首先从目前各国所用的设计模型入手,比较分析了现今使用的各种盾构隧道管片的设计模型[3 ] [4 ] ,并注意到管片的接头问题是制约管片性能的发展、管片设计优化的主要问题之一。该研究课题以管片厚度的变化和连接螺栓位置的变化为出发点,研究了管片的设计优化问题,具有一定的前瞻性,把握了今后管片研究的发展方向。4. 2. 1 接头力学模型 考虑结构的对称性,将衬垫中线的任一侧简化成如图4 所示的模型。
图4 接头力学模型图
在此模型中将混凝土结构看作为刚性板,衬垫中心处为固定端,用弹簧K1 、K2 分别代表弹性密封垫及受力衬垫,K1 、K2 的特性决定于衬垫,它们只能受压不能受拉,其抗压刚度随受力大小而呈现非线形变化规律。以上模型由于是上下衬垫及螺栓参与受力,将其称为C1 - C2 - Bolt 模型,C1 代表弹性密封垫,C2 代表受力衬垫,Bolt 代表联结螺栓。C1 - C2 - Bolt 模型所反映的也只是接头受力的一种特殊情形[5] 。4. 2. 2 模型计算参数的确定 一般情况下,对于弹性密封垫及受力衬垫来说,其应力应变曲线E～ε是呈非线性的变化关系。根据以前所做实验的结果,本文假定弹性密封垫的本构关系为σ= a1εb1 ,而受力衬垫的本构关系为σ= a2εb2 ,由此也可推得弹性模量与应力水平的关系E =f (σ) ,因此计算得到的抗压刚度是与衬垫所承受的应力水平有关[5] 。
图5 接头力学模型演化图、
4. 2. 3 管片接头的受力模式演变 在实际工程中,管片接头的受力过程是先承受轴向作用力,其次是人为地在联结螺栓上施加预应力,最后是弯矩作用,而弯矩则有正弯矩和负弯矩之分。设以C0 表示外缘混凝土端面的接触。管片接头的总的受力过程可由五种模型来描述,即C1- C2 - Bolt 、C1 - C2 - C0 - Bolf 、C1 - C0 - Bolt 、C1- Bolt 和C2 - Bolt[5] 。而模型之间的演变有三条线路(如图5) ,因此在不同的M、N 及fy0 组合下,接头的变化情况就可由这三条线路中的某一条来完整而连续地描述之。4. 2. 4 隧道管片设计的优化 采用上面的模型,进行计算分析知道,通过减小管片的厚度,接头的转动刚度有所降低,接缝的相对张开值有所增加,正、负弯矩转动刚度之间的差值会逐渐增大,因此,单纯减小管片的厚度对于负弯矩作用下的接头来说是不利的。而通过改变连接螺栓的位置,则可以使接缝的相对张开值逐渐下降,负弯矩转动刚度增大,缩小正、负弯矩转动刚度的差值,有利于接头性能的改善。因此,我们可将管片厚度的减小与连接螺栓位置的改变结合起来,对管片接头进行改进,以达到优化管片设计的目的。4. 3 管片设计计算方法 总结分析了隧道衬砌的设计方法和今后的发展方向,并以同济曙光软件为工具,结合盾构隧道的施工特点,利用位移释放系数等概念,就广州地铁二号线某区段的衬砌管片进行了力学分析,并和传统方法所得计算结果进行了比较。研究成果可直接用于隧道管片的设计及相应的施工模拟。计算见下图6、7。
4. 4 抗震设计分析 在总结前人的地震作用计算方法的基础上,采用同济大学建议的关于上海地区地铁抗震设计方法[6] [7] ,分析了所用方法的基本原理,并建立了广州地铁二号线典型断面区间隧道的地震作用动力计算模型。研究内容及结果可以为今后广州地铁建设提供有关地铁抗震设计的技术资料。 研究采用快速拉格朗日差分法求解结构的动力响应问题,而且在以前将其用于典型地铁车站结构和区间隧道振动台模型试验中主观测断面的数据拟合分析中,理论计算结果与实测数据能较好符合。由此可见本抗震设计计算方法可供工程设计实践参考。
图8 区间隧道动力计算网格图
计算网格如图8。对地层土体采用四边形单元离散;衬砌结构采用的单元为梁单元;在结构与土体的接触面上则设置了接触面单元。鉴于地震输入为水平向振动,且左右边界处的地层已远离结构,故设两侧边界在水平方向可自由变形,竖直方向设连杆支座;底部边界在水平方向可自由变形,竖直方向设连杆支座;上部边界为自由边界。 土体材料采用Daridonkor 模型。根据试验,结构构件动弹模比静弹模约高出30 % - 50 %。本项研究拟取其平均值,即将混凝土材料的动弹模Ed令为Ed = Es ×l40 %。隧道衬砌结构的材料动弹模取为将静弹模提高40 %后的值(Ed = 30GPa ×l40 %= 42GPa) ,径向厚度取为管片厚度设计值0. 20 m。接触面单元特性参数拟根据经验取值。 计算结果。给出10 %概率水准下,自重和地震动荷载联合作用下隧道衬砌结构的内力,表2 为与其相应的衬砌结构的最大合弯矩、最大合剪力和最大合轴力值。
4. 5 施工管理信息化 在本课题研究中采用了自行开发的《盾构隧道工程信息管理系统》软件,并建立了广州地下铁路二号线赤岗至客村立交段右线的工程信息数据库。本研究成果可对地层及相关构筑物和管线沉降的预测、报警,并可根据监测数据对盾构施工参数进行控制,为盾构隧道工程信息化施工提供了技术支持。 “盾构隧道工程信息管理系统”主要由工程信息数据库和图形可视化动态链接查询、地面沉降预测、盾构施工参数模糊逻辑控制和地面沉隆曲面三维动态显示等子系统组成(图9) 。
图9 系统功能框图
系统主要功能是:集中管理工程信息数据;提供便捷的数据维护界面;提供方便、快捷、全面的图形可视化动态链接数据查询,充分揭示各种参数之间的联系,以便决策者及时控制盾构施工参数;对重要参数作出超限报警,保障隧道施工和环境的安全;地面沉降智能神经网络预测、控制土层沉降主要施工参数(盾构土舱设定压力与同步注浆量) 的智能模糊控制;地面沉隆曲面三维动态显示。 工程信息数据库包含了盾构隧道施工有关的大部分参数,主要由以下数据组成(图10) ;
图10 数据库的构成
针对上述数据结构开发了多种专用数据库维护程序模块,主要有:地质资料维护器、地质钻孔参数及柱状图数据维护器、隧道纵剖面地层数据维护器、隧道参数维护器、管片环相关数据维护器、地面及相关构筑物位移数据维护器。这些数据维护器也可兼作数据浏览器。 数据库的查询由各种专用查询器完成。根据数据的性质采用3 种查询方式:静态查询、静态链接查询和动态查询。 地面沉降智能神经网络预测是一个通用的单隐层神经网络组成的预测软件,采用多步滚动学习方法进行预测。对南京以及上海软土地区盾构施工过程地表沉降预测己积累了较多的训练样本,预测效果较好。 盾构施工参数模糊逻辑控制在一定程度上模仿了人的控制,它是在工程技术人员控制经验基础上实现对系统的控制,控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑。模糊逻辑控制为解决具有大量的模糊性问题,如盾构施工的变形控制问题提供了很好的解决方案。4. 6 施工全过程的三维模拟分析 结合广州地铁二号线的工程地质特点,利用大型商业有限元分析软件MARC 对赤岗至客村立交段典型软弱地层进行了剖面三维有限元分析。计算结果较好地与盾构隧道施工所造成的土体变形规律相吻合,具有一定的适用性。
MARC 程序提拱了对计算单元进行“生”与“死”的处理功能,因此,可以用该功能来模拟隧道的分步开挖过程。对于土体与盾构机和管片之间的接触作用应该用接触理论来模拟,对于盾尾注浆的模拟,采用提高土体扰动带刚度的方法来模拟。 所以,根据上面的阐述,对于盾构施工过程的动态模拟可以用刚度迁移法[8 ] 来完成。刚度迁移法是将盾构向前推进看成刚度和载荷的迁移过程。 盾构隧道施工过程的应力和变形除与施工工序、开挖速度、施工组织有很大关系外, 还要抓住主要因素对实际的施工过程进行一定的简化,使之能够适于计算又能反映大家所关心的问题。因此,根据实际施工过程,本分析分18 个开挖步。而且为了减小边界对计算的影响,主要研究位置放在整个3D 模型的中部12 个开挖步上,每个长度是一个管片长度。 选取广州地铁二号线赤岗至客村立交典型软弱地层剖面,其三维有限元网格见图11 。地面隆沉情况等色图见图12 。 通过对广州地铁二号线赤岗至客村立交段典型软弱地层剖面三维有限元分析结果可以得出,计算结果很好的吻合了盾构隧道施工所造成的土体变形规律,也给出了地面土体变形的隆沉最大值,说明本分析所采用的三维有限元模型能够很好地模拟盾构推进对土体变形的影响。 分发挥其自稳定能力,然后再施加支护措施,增加稳定系数作为安全储备,也就是将地下隧道开挖支护中的“新奥法”原理应用于边坡的开挖、支护过程中,既要千方百计地让边坡发挥自承能力,减少支护受力,又要确保工程的安全,不造成由于施工方法不当而引起边坡在施工中失稳,这方面尚需要作进一步的研究[7] 。参考文献:[1 ] 美国ANSYS 公司1ANSYS 非线性分析指南119981[2 ] 郑颖人,赵尚毅,张鲁玉,等1 有限元强度折减法在岩坡和土坡中的应用[A]1 中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C]1200219 :39 - 411[3 ] 赵尚毅,郑颖人,等1 用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[J ]1 岩石力学与工程学报,2003 年第2 期1[4 ] 赵尚毅,郑颖人,时卫民,等1 用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J ] . 岩土工程学报,2002 ,24(3) :343 - 3461[5 ] D. V. Griffiths and P. A. lane. Slope stability analysis by finite elements[J ] . Geotechnique , 1999 49(3) :387 - 403.[6 ] 郑颖人,赵尚毅,等1 边坡稳定分析的一些进展[J ] . 地下空间,2001141[7 ] 朱维申,李术才1 时空效应和变载分析原理及其工程应用———岩体施工过程力学的进一步发展[A]1 中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C]1200219 :39 - 411（中国混凝土与水泥制品网 转载请注明出处）
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