【摘" " 要】：為了優(yōu)化盾構(gòu)管片開(kāi)孔臨時(shí)支撐系統(tǒng)，依托以色列特拉維夫綠線項(xiàng)目，對(duì)新型環(huán)形鋼支撐支護(hù)形式進(jìn)行了數(shù)值模擬理論分析。驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)樣式具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、便捷施工性，可為類似管片破除臨時(shí)支護(hù)或者管片加固提供一種新的解決方案。

【關(guān)鍵詞】：盾構(gòu)；管片開(kāi)孔；環(huán)形鋼支撐；支護(hù)措施

Study on Temporary Support Measures for Tunnel Segment Opening

GAN Yicheng， LIN Yunjun， HE Aihua， ZHU Guangya

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308，China）

【Abstract】：To optimize the temporary support system for tunnel segment openings， a new type of circular steel support was analyzed by numerical simulation based on Tel Aviv Green Line project. It is proved that this structure style has good structural stability， economy and convenient construction， and can provide a new solution for similar temporary support or segment reinforcement.

【Key words】：tunnel shield； segments opening； circular steel support； support measures

盾構(gòu)區(qū)間的附屬結(jié)構(gòu)，例如聯(lián)絡(luò)通道、區(qū)間通風(fēng)井、 雨水泵房等，通常采用傳統(tǒng)暗挖法施工[1]，施工前需要破除已拼裝好的盾構(gòu)管片，再實(shí)施洞內(nèi)開(kāi)挖，施工相關(guān)結(jié)構(gòu)。其中，破除原管片時(shí)，原隧道的安全性（包括土體穩(wěn)定性以及相鄰管片的受力安全性）不僅是施工期間的安全保障，更是附屬結(jié)構(gòu)施工完成后，整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全穩(wěn)定及耐久性的保障。

Chungsik Y等[2]對(duì)管片開(kāi)孔處的受力進(jìn)行了3D數(shù)值分析研究，并列舉了幾種臨時(shí)支護(hù)措施；劉軍等[4]對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工過(guò)程中管片開(kāi)孔應(yīng)用數(shù)值模擬進(jìn)行力學(xué)分析，提出了管片破除前架設(shè)井字形臨時(shí)鋼支撐的重要性；劉震中等[4]對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)管片變形和地層沉降的監(jiān)測(cè)，肯定了臨時(shí)支撐系統(tǒng)的關(guān)鍵作用。以上多是對(duì)管片開(kāi)孔處受力問(wèn)題的研究，對(duì)管片開(kāi)孔臨時(shí)支撐形式的研究很少，本文提出一種新型環(huán)框形式的臨時(shí)鋼支撐，并依托以色列特拉維夫綠線工程聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)施工為例，建立相應(yīng)三維有限元模型，對(duì)環(huán)框形式的鋼支撐進(jìn)行力學(xué)安全及穩(wěn)定性分析。

1 傳統(tǒng)臨時(shí)支護(hù)

目前國(guó)內(nèi)對(duì)管片臨時(shí)支護(hù)的做法有以下幾種：一是在開(kāi)孔附近設(shè)計(jì)多環(huán)特制鋼管片[6]，此方法雖然拆卸方便，但成本高，加工難度也相對(duì)較大，同時(shí)在地下潮濕環(huán)境中鋼管片的耐腐蝕性較差，影響耐久性；二是在開(kāi)孔附近管片環(huán)縫間設(shè)置相互切合的剪力銷[6]，管片局部破除時(shí)，殘余管片靠剪力銷將力傳遞到相鄰?fù)暾芷?，不需要額外支護(hù)，但這種帶插裝剪力銷的管片需要特殊的管片制作模具，費(fèi)用較高，管片拼裝時(shí)對(duì)施工精度要求較高，剪力銷位置容易出現(xiàn)裂縫；三是在開(kāi)孔附近架設(shè)臨時(shí)井字形鋼支撐，此方案架設(shè)靈活，但當(dāng)隧道底部有臨時(shí)出土和管片運(yùn)輸軌道及其他排水管通風(fēng)管時(shí)，易與井字形鋼支撐沖突，且井字形中間空間限制較多，不方便管片破除后的開(kāi)挖施工。

2 工程概況

以色列綠線G3-2項(xiàng)目位于特拉維夫主城區(qū)，地下部分共有4站4區(qū)間，采用雙線盾構(gòu)法施工，設(shè)置10個(gè)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道。由于工籌計(jì)劃安排及地面場(chǎng)地限制，部分聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)仍在掘進(jìn)，即要求聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)不能耽誤或者阻斷盾構(gòu)機(jī)的出土、管片運(yùn)輸、洞內(nèi)通風(fēng)等工作。

選取埋深最大的一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道作為研究對(duì)象。該處區(qū)間管片覆土厚度約為17.2 m，施工期間地下水深度約10.4 m，主要為黏土層（CL）、砂層（CH）、黏質(zhì)砂層（SC）及Kurkar（凝砂塊）結(jié)構(gòu)的K1、K2、K3地層。隧道洞身主要穿越Unit2地層。見(jiàn)表1。

該聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)主隧道管片外徑7 200 mm、內(nèi)徑6 500 mm，混凝土等級(jí)為B60（fck=60 N/mm2、Ecm=3 170 060 N/mm2）。每環(huán)拼接形式為“5+1”，寬度為1 m，錯(cuò)縫拼接，環(huán)縫與縱縫間均采用等級(jí)為8.8的M20螺栓連接。根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道空間要求，主隧道管片需開(kāi)孔尺寸為2.9 m×3.548 m。見(jiàn)圖1。

3 臨時(shí)支護(hù)措施

3.1 支護(hù)方案的選擇

在隧道管片開(kāi)孔前需進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，一直持續(xù)使用到聯(lián)絡(luò)通道二襯施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可拆除，但此過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)出土車及管片運(yùn)輸車等后配套仍需經(jīng)過(guò)此處，所設(shè)計(jì)鋼架不能阻斷運(yùn)輸通道，傳統(tǒng)做法有特制鋼管片和環(huán)縫剪力銷兩種方案。對(duì)造價(jià)、當(dāng)?shù)厥┕に郊肮芷瑥S家加工工藝水平的調(diào)研發(fā)現(xiàn)：由于整個(gè)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道處涉及多種管片寬度（800、1 000、1 500 mm），導(dǎo)致鋼管片造價(jià)較高；剪力銷對(duì)管片生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝精度要求較高，本項(xiàng)目還涉及小半徑曲線，設(shè)置管片環(huán)縫剪力銷較為困難，精度無(wú)法保證。

經(jīng)過(guò)與盾構(gòu)廠家及施工單位探討，設(shè)計(jì)出一種新型支護(hù)方案：7個(gè)環(huán)形工字鋼（規(guī)格203×203×86 kg/m UC）+2個(gè)橫梁（規(guī)格457×279×128 kg/m UB）形式，鋼環(huán)間采用連系梁（203×203×86 kg/m UC）連接，每個(gè)鋼環(huán)由5段弧形工字鋼通過(guò)螺栓連接形成閉環(huán)，管片開(kāi)孔處上下各設(shè)置2個(gè)橫梁，在洞口范圍內(nèi)的上下橫梁與連系梁間采用十字撐連接。見(jiàn)圖2。

3.2 計(jì)算模型

3.2.1 模型的建立

采用有限元軟件SAP2000對(duì)臨時(shí)支撐系統(tǒng)進(jìn)行截面應(yīng)力和自身變形驗(yàn)算；采用巖土有限元軟件Plaxis-3D對(duì)整個(gè)施工過(guò)程模擬，計(jì)算地面變形及管片穩(wěn)定性。

在SAP2000中，使用桁架單元模擬鋼環(huán)，通過(guò)迭代方法求解結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力，從而判斷結(jié)構(gòu)的安全性；環(huán)形鋼梁簡(jiǎn)化為連續(xù)框架構(gòu)件；管片與鋼環(huán)的接觸面采用gap單元模擬。為了增加安全余量，計(jì)算模型不考慮管片的支撐作用，荷載經(jīng)管片傳導(dǎo)到每環(huán)鋼環(huán)上，模型中將荷載直接附加到每環(huán)鋼環(huán)上。見(jiàn)圖3。

在Plaxis中，土體模型大小為80 m×20 m×50 m，采用板單元模擬管片，框架單元模擬鋼環(huán)，管片與鋼環(huán)之間采用單壓線彈簧連接。對(duì)管片開(kāi)孔外側(cè)，即聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域進(jìn)行土層參數(shù)修改，以表達(dá)土層加固。使用界面單元模擬管片結(jié)構(gòu)與周圍土體的相互作用，界面單元的力學(xué)屬性可以使用對(duì)周圍土層力學(xué)參數(shù)值進(jìn)行折減的方法計(jì)算（軟件默認(rèn)方法），界面單元折減系數(shù)Rinter的取值范圍在0～1。施工全過(guò)程模擬：盾構(gòu)管片安裝—聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域地層加固—臨時(shí)鋼環(huán)安裝—管片開(kāi)孔—聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖。見(jiàn)圖4。

3.2.2 荷載組合

聯(lián)絡(luò)通道處主隧道管片埋深17.2 m，地下水埋深10.4 m。在SAP2000計(jì)算中，根據(jù)地勘參數(shù)，土壓力采用太沙基理論判斷為淺埋隧道，全土柱計(jì)入土壓力；水壓力按水位高度計(jì)算；地面超載按15 kN/m2取值。

荷載組合分為極限承載力狀態(tài)下的基本組合和正常使用狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)組合，其中基本組合效應(yīng)用來(lái)驗(yàn)算支撐各構(gòu)件的截面應(yīng)力強(qiáng)度是否安全，標(biāo)準(zhǔn)組合效應(yīng)用來(lái)驗(yàn)證支撐整體變形穩(wěn)定性。具體組合系數(shù)根據(jù)以色列規(guī)范取值，見(jiàn)表2。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 臨時(shí)支撐應(yīng)力分布

鋼環(huán)內(nèi)力分布與原管片類似，由于一側(cè)開(kāi)孔，因此應(yīng)力最大處位于開(kāi)孔下端兩側(cè)鋼環(huán)處，最大應(yīng)力值為105.7 MPa，遠(yuǎn)小于鋼材應(yīng)力設(shè)計(jì)值308 MPa。見(jiàn)圖5。

應(yīng)力余量比較大，但適當(dāng)調(diào)小截面計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼架變形超出招標(biāo)文件要求值。

3.3.2 臨時(shí)支撐變形

假定鋼環(huán)均布受力后，由于開(kāi)洞影響，洞口上方的框架通過(guò)橫梁傳遞力到兩側(cè)，因此最大變形出現(xiàn)在洞口上方橫梁處，變形量為22.5 mm，滿足標(biāo)書(shū)中對(duì)管片變形（＜25 mm）的設(shè)計(jì)要求。見(jiàn)圖6。

3.3.3 管片開(kāi)孔后對(duì)周圍土體影響及管片變形

管片開(kāi)孔后周圍土體位移達(dá)到最大值2.44 mm，位于開(kāi)孔下方；地面沉降量為1.57 mm；均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求，證明此臨時(shí)鋼支撐在管片開(kāi)孔后支撐效果顯著。見(jiàn)圖7。

管片自身變形量最大值為2.55 mm，位于開(kāi)孔兩側(cè)，遠(yuǎn)小于SAP2000中支撐變形計(jì)算結(jié)果。見(jiàn)圖8。

這是由于單獨(dú)計(jì)算支撐時(shí)采用的假定沒(méi)考慮管片本身承載力， Plaxis模型中有聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域地層加固影響，減小了周圍地層的擾動(dòng)，進(jìn)而有效控制了管片因開(kāi)洞導(dǎo)致的變形；同時(shí)說(shuō)明，管片與環(huán)形鋼支撐緊貼共同受力狀態(tài)時(shí)，管片開(kāi)孔對(duì)整體結(jié)構(gòu)影響較小。

4 結(jié)論

1）環(huán)形鋼支撐在管片開(kāi)孔時(shí)相比井字形鋼支撐更能全環(huán)貼合管片，有效限制管片變形，鋼支撐各部位受力合理。通過(guò)數(shù)值模擬分析，此形式支撐+外側(cè)地層加固的方案效果明顯，管片破除時(shí)對(duì)周圍的圍巖擾動(dòng)極小。

2）環(huán)形鋼支撐截面小，占用隧道空間小，不影響隧道內(nèi)其他施工工序，可在隧道洞通前施工聯(lián)絡(luò)通道，有效縮短整體施工工期。

3）施工前對(duì)聯(lián)絡(luò)通道區(qū)域進(jìn)行地層加固，可有效改善管片破除時(shí)對(duì)周圍圍巖擾動(dòng)的影響。

4）環(huán)形鋼支撐間距是結(jié)合本次實(shí)際工程中的1 m寬管片的破除設(shè)計(jì)，對(duì)于其他寬度管片未做分析，因此在其他具體工程中應(yīng)適當(dāng)調(diào)整鋼支撐間距，才能更好發(fā)揮支撐作用。

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收稿日期：2023-05-15

基金項(xiàng)目：中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技研發(fā)項(xiàng)目（WX- 2020-02）

作者簡(jiǎn)介：甘宜誠(chéng)（1986 - ）， 男， 湖南長(zhǎng)沙人， 工程師， 研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ńY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。