盾构机拆卸对地表变形的影响

齐保栋 王权 刘高岗 王二力

[摘  要]：深圳12号线地铁盾构隧道与既有1号线桃园车站接驳，盾构机刀盘等结构只能在原位进行破除拆解后由车站运出，盾壳留在隧道内充当衬砌结构。文章采用有限元软件Midas GTS模拟了12号线左右隧道盾构机拆除过程中对地表变形的影响。模拟结果表明：盾壳满足支护要求，盾构拆解后对地表变形影响小;右线隧道盾构机拆除影响地表变形值为1.1 mm，左线隧道盾构机拆除影响地表变形值为1.2 mm;满足规范要求，该盾构机拆卸方法满足施工安全要求， 对类似工程有借鉴意义。

[关键词]：盾构机拆卸; 单侧接驳; 盾壳衬砌结构; 暗挖矿山法

U455.43B

在盾构隧道的施工过程中，隧道施工结束后盾构机的拆解会对区间隧道和周围土体产生一定的力学影响。尤其是在工程情况复杂的条件下，需要事先进行模拟计算来验证整个拆除过程的影响，用以指导施工，从而保证拆除过程的安全进行。本文以深圳市12号线市域地铁盾构区间隧道为工程背景，研究在新建地铁盾构隧道与既有车站接驳位置附近进行盾构机拆除对地表变形的影响，得到了盾构机拆解过程中地表的变形规律。

1 工程概况

本文以深圳市12号线桃园站至南头古城站区间隧道为依托工程，主要包括新建12号线桃园车站、既有1号线桃园车站和12号线桃南区间隧道，三者间的相互关系详见图1。依据图1位置，盾构隧道由右至左进行施工，在距离既有1号线桃园站2 m处停止作业，改由从既有车站内向右进行暗挖矿山法施工。施工完成后，盾构机进行原位拆解，盾壳留在原位置处充当衬砌使用，盾构机其余构件拆除后运出。12号线区间隧道最大纵坡为13.254‰，覆土厚度14.3～16.7 m。盾构隧道主要穿越砾质黏土层，局部为全风化花岗岩。沿线场地隶属珠江三角洲海口水系，区间施工范围内无地表水，隧道位于水位线以下。

2 盾构机拆解数值模型

2.1 有限元模型

本文采用 Midas GTS 软件分析复杂环境下区间隧道内盾构机拆除解体对地層的影响。模型X方向为深圳市城市轨道交通12号线桃园站—南头古城站区间隧道方向，Y方向为既有1号线桃园站方向，模型Z方向为竖直方向，详见图2～图4。

模型尺寸为 60 m×50 m×30 m（长×宽×总高），12号线区间隧道埋深16.76 m，左线和右线的中心间距为17.2 m。由于盾构机在隧道内拆卸，本模型中以矿山法A型衬砌、盾构法管片以及两种隧道之间的盾壳形成隧道支护。其中，矿山法A型衬砌采用现浇方式，隧道长2 m，隧道内径5.5 m，衬砌厚度0.48 m;盾构机盾壳长6.6 m，厚度0.07 m;盾构法管片总长24 m，管片外径6.2 m，内径5.5 m，管片幅宽1.5 m，共16环。盾构机拆卸周围的地层采用注浆加固，加固区域的长、宽、高分别为12 m、12.2 m、12 m。模型中包括1号线既有桃园站以及12号线新建桃园站，车站边墙和底板采用壳单元模拟，车站内的梁、柱采用杆单元模拟。

盾构机的拆卸围绕刀盘、主驱动、人舱、H架、螺旋输送机以及管片拼装机等6大主体部分进行模拟，主体构件的重量和尺寸根据施工过程中实际数据进行设置。为方便模拟盾构机的拆卸，提高模型的收敛度，将盾构机进行适当简化，模型如图2～图5所示。盾构自重对隧道的作用通过定义盾构质量，以自重作用在隧道结构上的形式施加。

2.2 模型边界条件与计算参数

假设模型处于弹性半无限空间中，因此模型边界变形约束为零。模型顶面为自由面，无约束;模型底面每个方向均约束;模型4个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

根据地质勘查资料，结合设计资料及相关规范，选取结构物理力学参数详见表1，岩土体力学参数详见表2。

2.3 盾构机拆卸过程

根据施工设计，12号线区间隧道右线掘先进完成，后左线掘进结束。因此，模型盾构机拆除遵循先右线再左线的顺序。有限元模型主要分析步骤设置：

第1步：既有车站、新车站施工完成，位移清零。第2步：隧道施工完成。第3步：拆卸右隧道中的管片拼装机。第4步：拆卸右隧道中的螺旋输送机。第5步：拆卸右隧道中的H架。第6步：拆卸右隧道中的人舱。第7步：拆卸右隧道中的主驱动。第8步：拆卸右隧道中的刀盘。第9步：拆卸左隧道中的管片拼装机。第10步：拆卸左隧道中的螺旋输送机。第11步：拆卸左隧道中的H架。第12步：拆卸左隧道中的人舱。第13步：拆卸左隧道中的主驱动。第14步：拆卸左隧道中的刀盘。

3 盾构机拆卸对地表变形的影响分析

3.1 右线隧道盾构机拆卸对地表影响

图 6为右隧道盾构机拆卸过程中地表Z向的位移变化云图。从图中可以看出，整体上地表Z向的变形主要集中在两隧道之间，呈拱形分布越靠近拱形中间区域位移值越大;且距离隧道始发端越近，地表Z向的变形越大，其原因是盾构隧道施工的累计沉降;在盾构机拆卸的过程中，地表最大竖向位移由1.028 mm变为1.097 mm。表明盾构机拆卸对地表竖向位移虽然会产生一定影响，但位移值不大。

3.2 左线隧道盾构机拆卸对地表影响

图7为左隧道盾构机拆卸过程中地表Z向的位移变化云图。其位移分布规律与右隧道中盾构机拆卸相似;在盾构机拆卸的过程中，地表最大竖向位移从1.111 mm变为1.168 mm，相比与右线隧道盾构机拆解而言，左线隧道盾构机拆解对地表位移影响更大一些，但位移值小符合规范要求。

4 结论

针对复杂环境下区间隧道内盾构机解体问题，本文通过有限元软件建立了三维数值模型进行了拆卸过程的模拟。研究了盾构机拆卸对地表位移的影响，主要得到结论：

（1）右线隧道和左线隧道盾构机拆解过程产生的地表位移影响规律一致，地表Z向的变形主要集中在两隧道之间呈拱形分布;且距离隧道始发端越近，越靠近拱形中间区域地表Z向位移值越大。

（2）右线隧道盾构机拆解后地表位移由1.028 mm增加至1.097 mm，左线隧道盾构机拆解后地表位移由1.111 mm增加至1.168 mm。相比与右线隧道盾构机拆解，左线隧道盾构机拆解对地表位移影响更大。

（3）左、右两线盾构机拆解对地表位移的影响主要集中在两隧道之间，且位移值较小满足施工安全要求。证实该盾构机拆解方法满足施工要求，可为类似工程提供借鉴意义。

参考文献

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