明挖四线隧道异型结构施工力学特征

明挖四线隧道异型结构施工力学特征 Mechanical characteristics of special-shaped structure during construction process of cut-and-cover four-line tunnel 1 first-author 1 corresp 王斌，博士研究生，从事盾构隧道工程研究；E-mail: bin.wang@csu.edu.cn 王斌，博士研究生，从事盾构隧道工程研究；E-mail: bin.wang@csu.edu.cn bin.wang@csu.edu.cn 2 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075 School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉，430063 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉，430063 China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd., Wuhan 430063, China China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd., Wuhan 430063, China 陈灿华 明挖隧道异型结构常见于地铁车辆地面出入场线与主线的合建段，施工工序繁杂，结构力学行为复杂。以国内某地铁工程为例，采用现场测试方法研究明挖异型结构施工力学特征。研究结果表明：在三箱与四箱异型结构施工过程中，所有部位基本处于压弯状态，在上覆土回填施工完成后结构处于最不利的受力状态，隧道顶板内侧混凝土因承受过大施工荷载而出现开裂、渗水现象；四箱异型结构在转角加腋位置内力剧增，隧道右线底板承受最大轴力，出场线底板承受最大弯矩；三箱与四箱异型结构不同测试断面的受力变化特征类似，但内力存在差异；对于三箱异型结构，右线顶板与出场线接合部位内力沿隧道纵向变化较大，而出入场线顶板及出场线与右线接合部位受力沿隧道纵向变化不大；对于四箱异型结构，结构底板与顶板受力沿隧道纵向变化较大，而结构交接处受力变化不大；在施工过程中，出现的临时荷载对结构受力带来的短期波动影响需引起重视。 The special-shaped structure of cut-and-cover tunnels is commonly found in the joint construction section of the ground entry and exit line of the subway vehicles and the main line. The construction process is complex and the structural mechanics behavior is complex. Based on a subway tunnel project in the country, field test methods were used to study the construction mechanical properties of the special-shaped tunnel structure with cut-and-cover method. The results show that during the construction process of the three-box and four-box special-shaped structure, all the basic parts are in the state of pressure bending. After the construction of the overlying backfill soil, the structural is in the most unfavorable stress state, the concrete on the inner side of the tunnel top plate is cracked and seeped due to excessive construction load. The internal force is often increased sharply in the position of the corner of the four-box special-shaped structure. The bottom plate on the right side of the tunnel bears the maximum axial force, and the bottom plate of the exit line bears the maximum bending moment. The different test sections of three-box and four-box special-shaped structure are similar in internal force change, but there is a difference in internal force values. For the three-box special-shaped structure, the internal force at the joint of the right line top plate and the exit line varies greatly along the longitudinal direction of the tunnel, while the force on the top plate of the entry and exit line and the joint between the exit line and the right line changes little. For the four-box special-shaped structure, the stress of the bottom plate and the top plate varies greatly along the longitudinal direction of the tunnel, while the force of the structural junction changes little. It is necessary to pay attention to the short-term fluctuation of the structure caused by temporary loads during construction. 明挖法 异型结构 施工力学特征 cut-and-cover method special-shaped structure construction mechanics chara steristics 当前城市地下空间越来越向集约化发展。一方面，由于存在众多已建地下或地面建(构)筑物，迫使新建建(构)筑物如小间距下穿、侧穿既有结构的工程 [ 1 1 - 5 5 1-5 ] 只能在剩余地下空间资源条件下修建；另一方面，考虑到将来地下空间开发，地下工程的设计施工越来越强调高效利用空间 [ 6 6 - 7 7 6-7 ] ，因此，需广泛地利用复杂异型地下结构 [ 8 8 - 10 10 8-10 ] 。受限于当前暗挖隧道施工技术水平，除顶管法矩形隧道近年来获得较快发展以外 [ 11 11 - 13 13 11-13 ] ，明挖法多跨矩形隧道仍普遍存在 [ 14 14 - 16 16 14-16 ] 。目前，国内外明挖暗埋隧道结构大多采用矩形断面，也存在一些隧道采用折拱断面形式，如佛山海八路隧道、郑州北三环隧道等 [ 17 17 ] ，大多数复杂地下结构采用多孔大断面箱型结构。SONG等 [ 18 18 ] 分析了明挖隧道结构在保证安全基础上的极限荷载对缓冲层厚度的影响。HAWKES等 [ 19 19 ] 采用有限元方法模拟了明挖隧道分阶段施工。LEE等 [ 20 20 ] 针对韩国地铁的单、双及三箱明挖法隧道结构，开展了地震作用下的结构损伤分析。POURAN等 [ 21 21 ] 开展了火灾环境条件下的明挖隧道结构二维非线性分析。欧孝夺等 [ 22 22 ] 基于现场测试进行了超大断面四孔箱型明挖隧道受力变形特征分析。王树英等 [ 23 23 ] 利用现场实测方法进行了单层三跨框架式湖底隧道结构受力分析。杨秀仁 [ 24 24 ] 对我国城市轨道交通明挖装配式地下结构的设计技术及方法进行了总结。综上可知，在已有研究中，大多关注明挖矩形隧道结构施工过程及其在地震及火灾等条件作用下受力特征，而对明挖异型结构施工力学特征研究较少。为此，本文作者依托国内某地铁明挖隧道四线合建段工程，选取典型断面进行混凝土应变测试，分析明挖四线异型结构内力随施工工序变化特征，探究异型结构受力沿隧道纵向变化规律，以期为类似明挖隧道设计施工提供借鉴。 1 工程概况 1 1.1 　工程背景 2 国内某地铁车站一侧设置地铁列车停车场，停车场出入场线与地铁区间正线(左右双线)合建，区间正线自小里程至大里程隧道底板标高不断增大，而出入场线隧道底板标高不断降低，由此形成明挖四线合建段。 明挖四线合建段主体结构横断面与纵断面同时变化使得主体结构断面形式多样，如 图1 图1 所示。主体结构横断面沿纵向可分为5段：S1段为常规矩形结构，地铁区间左、右线与出入场线处于完全分离状态，长度为105.3 m；S2段为三箱异型结构，地铁区间右线与出入场线处于接合状态，长度为44.5 m；S3段为四箱异型结构，地铁区间左、右线与出入场线均处于接合状态，长度为90.1 m；S4段为四箱矩形结构，长度为38.3 m；S5段为三箱拱形结构，地铁左、右线与出入场线处于接合状态，长度为44.0 m。 三箱测试断面：T1、T2；四箱测试断面：T3、T4。 (a) 平面图；(b) 纵断面图 数据单位：m。 通过地质钻探发现，明挖四线合建段土层厚度为11.7~18.0 m，自上而下地层情况如 图1 图1 (b)所示。场地地下水类型主要为第四系孔隙潜水、上层滞水和基岩裂隙水。潜水主要赋存于第①层、第④层、第⑨层及第12层，受大气降水与侧向渗流补给影响，以侧向渗流与土层开挖方式排泄。上层滞水主要赋存于人工填土层，分布不均匀，水位高差变化大，主要由大气降水、地表水补给。基岩裂隙水主要赋存于强风化带及其节理密集带，径流方向复杂。 1.2 　基坑开挖与主体结构设计及施工工序 2 明挖四线合建段基坑最大深度达24 m，基坑宽度为20~30 m，纵向总长度达320 m，围护结构采用钻孔灌注桩、混凝土与钢管内支撑相组合的形式，岩面较高处采用吊脚桩+预应力锚索或锚杆形式，在含水砂层地层范围外侧设置三重管高压旋喷桩作为基坑防水帷幕，基坑内采用降水井降水。 主体结构为单层多跨异型框架结构，采用C45和P10防水混凝土，底板下垫层采用C20混凝土。主体结构施工过程中严格遵循“纵向分段、横向分层、由下至上”的原则，沿纵向分成10段，由基坑两端向中间施工。主体结构施作完毕后进行上覆土回填施工，纵向分段回填长度为25 m，横断面分层回填高度为0.5 m。三箱异型结构施工工序见 图2 图2 ，先自下而上对隧道左线结构(3-1底板、3-2侧墙、3-3顶板，其中，“3-1”第一个数字“3”代表三箱异型结构，第二个数字代表施工部位，其余依此类推)进行施工，随后对隧道右线底板(3-4)、右线侧墙(3-5)、出入线底板(3-6)、右线顶板(3-7)进行施工，然后对出入线侧墙(3-8)、顶板(3-9)进行施工，最后进行回填(3-10-2、3-10-3，其中，前2个数字含义同上，第三个数字代表回填土施工区域)施工。四箱异型结构施工工序见 图3 图3 。先对左右线底板(4-1)进行施工，并将左右线侧墙模筑至出入线底板标高处，再依次对出入场线底板(4-2)、出入场线边侧墙(4-4)、左右线侧墙(4-3)与顶板(4-5)进行施工，然后浇筑出入场线中墙(4-6)与顶板(4-7)，最后进行覆土回填(4-8-1和4-8-2)。 数据单位：mm。 数据单位：mm。 2 现场测试方案 1 综合考虑主体结构形式，选取如 图1 图1 (b)所示的三箱异型断面T1(YSK13+790)和T2(YSK13+800)及四箱异型断面T3(YSK13+859)和T4(YSK13+870)共4个典型断面进行测试。T1与T2测试断面的结构形式相同，T3与T4测试断面的结构形式相同，其不同之处在于随着桩号的改变，测试断面的埋深不同，左/右线与出入场线的接合部位不同。为掌握三箱异型结构顶板与接头位置受力特征及其沿纵向变化，在T1和T2测试断面对应位置埋设7对混凝土应变计，具体布置见 图4 图4 (图中W代表结构外侧，N代表结构内侧)。为研究四箱异型结构整体受力特征，同时考虑结构本身的几何对称性，选取T4断面为测试主断面，仅对右半断面结构的应变进行测试，共埋设21对混凝土应变计，具体布置见 图5 图5 。为了分析四箱异型结构顶板及接头位置受力沿纵向的变化规律，选取T3断面为测试断面，在与T4测试主断面相对应测点位置(测点7、10、12、15、16和20)共布设6对混凝土应变计，如 图6 图6 所示。 数据单位：mm。 数据单位：mm。 数据单位：mm。 3 明挖异型结构受力随工序变化特征 1 3.1 　三箱异型结构受力特征分析 2 根据结构内、外侧测点的应变值，可计算得到该测点处的结构内力。 图7 图7 所示为三箱异型YSK13+790断面内力计算结果，其中，轴力以受压为正，弯矩以截面内侧受拉为正，以下分别在接头位置与顶板位置分析三箱异型YSK13+790的断面内力。 (a) 接头位置轴力；(b) 接头位置弯矩；(c) 顶板位置轴力；(d) 顶板位置弯矩 3.1.1　接头位置的三箱异型YSK13+790断面内力 3 接头位置内力计算结果如 图7 图7 (a)和 图7 图7 (b)所示。从 图7 图7 (a)和 图7 图7 (b)可见： 1) 在右线顶板施工阶段(3-7)，右线结构实现封闭，主要承受自重荷载，测点1和2的内力急剧增大。 2) 在出入场线侧墙施工阶段(3-8)，主要增加侧墙自重，测点2、3与4的内力均出现一定幅度增加，而测点1的内力均急剧减小。 3) 在出入场线顶板施工阶段(3-9)，三箱异型主体结构完全封闭成为受力整体，测点轴力均出现小幅度增加；除测点4弯矩受临时堆载影响表现出短期波动外，其他测点弯矩变化较小。 4) 在覆土回填阶段(3-10)，测点1、2和3的轴力均表现为大幅度增加，弯矩变化较小；而测点4的轴力平稳变化，弯矩由正变负且不断增长。 3.1.2　顶板位置的三箱异型YSK13+790断面内力 3 顶板内力计算结果如 图7 图7 (c)和 图7 图7 (d)所示。从7(c)和 图7 图7 (d)可见： 1) 测点5轴力在覆土回填施工阶段之前各个施工阶段(3-8和3-9)稳定增大；而弯矩在顶板拆模施工时急剧增大，随后保持平稳变化。 2) 在覆土回填阶段(3-10)，测点5由于承受过大施工荷载，弯矩急剧增大，导致结构局部内侧混凝土开裂，在现场观察到明显水迹，间接证明了测试数据的准确性，施工后期需进行注浆堵漏处理。 3) 测点6和7主要承受覆土竖向荷载与侧向土压力，故两者内力有相同变化趋势，即轴力急剧增大，弯矩先受临时堆载影响出现短期波动而后快速增大，但测点7所受内力更大，这主要是隧道左线顶板覆土荷载大于右线顶板覆土荷载所致。 3.2 　四箱异型结构受力特征分析 2 图8 图8 所示为四箱异型YSK13+870断面内力计算结果。以下分右线底板、出场线底板、右线顶板、出场线顶板、右线侧墙与出入场线侧墙共6个部位进行分析。 (a) 右线底板轴力；(b) 右线底板弯矩；(c) 出场线底板轴力；(d) 出场线底板弯矩；(e) 右线顶板轴力； (f) 右线顶板弯矩；(g) 出场线顶板轴力；(h) 出场线顶板弯矩；(i) 右线侧墙轴力；(j) 右线侧墙弯矩； (k) 出入场线侧墙轴力；(l) 出入场线侧墙弯矩 3.2.1　右线底板的四箱异型结构受力特性 3 由 图8 图8 (a)和 图8 图8 (b)可知：右线底板测点轴力在各个施工阶段基本表现为压力，受结构自重及上覆土荷载作用呈现稳定增大趋势，测点3的轴力最大，测点1的轴力最小；右线底板测点弯矩在出入场线底板、出入场线边侧墙施工阶段(4-2、4-3)，表现出快速增大趋势；而后随着左右线侧墙、左右线顶板、出入场线中墙、出入场线顶板施工进行(4-4、4-5、4-6、4-7)，弯矩总体上呈现一定减小趋势，但期间受临时堆载影响表现出短期波动变化，最后随覆土回填施工进行出现剧烈变化。 3.2.2　出场线底板的四箱异型结构受力特性 3 由 图8 图8 (c)和 图8 图8 (d)可知： 1) 在出入场线边侧墙施工阶段(4-3)，测点7承受较小压力，而测点8和9的轴力出现较大增幅；测点弯矩均呈现增大趋势。 2) 在左右线边墙施工阶段(4-4)，测点9轴力出现一定程度减小，测点7轴力由压变拉，转而承受较小拉力，测点8轴力继续增大；底板弯矩变化较大，测点7与9正弯矩减小，而测点8弯矩由正变负且快速增大。 3) 在左右线顶板施工阶段(4-5)，测点7和8的轴力增大，但测点7轴力增幅较大，测点9轴力变化较小；测点8弯矩出现大幅度增大，测点7和9的弯矩变化较小。 4) 在出入场线中墙(4-6)、出入场线顶板(4-7)与覆土回填施工阶段(4-8)，测点8轴力继续稳定增大，而测点7和9的轴力变化不大；所有测点弯矩变化幅度较小。 综上可知，出场线底板内力受出入场线边侧墙(4-3)，左右线边墙(4-4)、左右线顶板(4-5)施工影响较大，受覆土回填影响较小。 3.2.3　右线顶板的四箱异型结构受力特性 3 由 图8 图8 (e)和 图8 图8 (f)可知： 1) 在出入场线中墙施工阶段(4-6)，由于右线顶板拆模导致右线顶板测点内力均急剧增大。 2) 在出入场线顶板施工阶段(4-7)，测点15和16的轴力增幅较大，测点14轴力变化较小；而测点弯矩受临时堆载影响在一定范围内呈现短期波动。 3) 在左右线顶板覆土回填阶段(4-8-1)与四线顶板覆土回填阶段(4-8-2)，测点15由于承受过大施工荷载，轴力大幅度降低，弯矩急剧增大，导致测点内侧混凝土开裂，现场存在明显水迹，间接证明了测试数据的准确性，施工后期需进行注浆堵漏处理；其他测点内力均表现为轴力增长，弯矩减小。 3.2.4　出场线顶板的四箱异型结构受力特性 3 由 图8 图8 (g)和(h)可知：在覆土回填阶段(4-8-1、4-8-2)，出场线顶板内力急剧增大，并最终趋于稳定。 3.2.5　右线侧墙四箱异型结构的受力特性 3 右线侧墙测点内力计算结果如 图8 图8 (i)和 图8 图8 (j)所示。从8(i)和 图8 图8 (j)可见： 1) 在出入场线底板施工阶段(4-2)，由于底板自重荷载通过侧墙向下传递导致测点4内力急剧增大；测点5处于拉弯受力状态，且内力表现出先快速增长而后减小趋势。 2) 在出入场线边侧墙与左右线边墙施工阶段(4-3、4-4)，受侧墙自重作用，测点4和5的轴力继续增大，且测点5轴力由拉变压转换；测点弯矩变化较小。 3) 在左右线顶板施工阶段(4-5)，结构自重荷载增加明显，测点4和5的轴力继续增长，但弯矩总体较小；测点6内力表现出先快速增长而后减小趋势，且轴力由拉变压转换。 4) 在出入场线中墙、出入场线顶板与左右线顶板覆土回填施工阶段(4-6、4-7/4-8-1)，测点4和5的轴力继续增大，测点6和11的承受较小轴力；所有测点弯矩均出现一定程度增大，其中测点5弯矩增幅最大。 5) 在四线顶板覆土回填阶段(4-8-2)，由于大面积覆土回填施工，导致测点5，6和11的内力剧烈变化，而测点4内力变化幅度较小。 3.2.6　出入场线侧墙的四箱异型结构受力特性 3 出入场线侧墙测点内力计算结果如 图8 图8 (k)和 图8 图8 (l)所示。从 图8 图8 (k)和 图8 图8 (l)可见： 1) 测点10轴力在各个施工阶段期间基本保持增大趋势，在施工工序4-5与4-8-2期间出现较大增幅；测点10弯矩在出场线边侧墙施工阶段(4-3)急剧增大，而后在各个施工阶段(4-4、4-5、4-6和4-7)平稳变化，最后在覆盖回填(4-8)施工期间剧烈变化。测点12内力变化趋势与测点10的变化趋势类似。 2) 测点13和18的轴力在出场线顶板及覆土回填施工阶段(4-7、4-8)明显增大，承受弯矩较小，表明出入场线中墙以受压为主构件。 3) 测点17内力在四线顶板覆土回填施工阶段(4-8-2)增幅较大。 图9 图9 所示为四箱异型测试断面YSK13+870内力分布。由 图9 图9 可知：1) 四箱异型结构受力均处于压弯状态，在结构转角加腋位置往往内力剧增，最大截面压力出现在右线底板靠近右线右侧墙位置，最大截面弯矩出现在出场线底板跨中位置；2) 对于侧墙，越靠近侧墙底部位置所受轴力越大；除右线右侧墙承受较大负弯矩外，其他侧墙承受弯矩基本较小；3) 对于出场线底板与顶板，内力呈中间大、两端小的变化趋势。 (a) 轴力(数据单位：kN)；(b) 弯矩(数据单位：kN·m) 4 明挖异型结构受力沿纵向变化特征 1 为了解主体结构受力沿纵向变化特征，针对三箱异型与四箱异型两类结构形式，各选取2个测试断面最终稳定内力进行比较，对比部位为结构顶板及接合位置，对比结果见 表1 表1 与 表2 表2 。 2 测点 2 YSK13+790断面 2 YSK13+800断面 轴力/kN 弯矩/(kN·m) 轴力/kN 弯矩/(kN·m) 1 1 401.1 80.6 1 387.3 78.5 2 1 945.6 112.5 1 980.3 59.8 3 1 319.1 -37.4 966.7 -27.8 4 761.5 -77.8 813.9 -167.4 6 2 872.3 197.2 2 849.6 238 7 3 428.5 264.5 3 332.4 271.4 2 测点 2 YSK13+859断面 2 YSK13+870断面 轴力/kN 弯矩/(kN·m) 轴力/kN 弯矩/(kN·m) 7 1 084.1 22.6 1 510.9 84.8 10 2 132.3 17.2 2 127.1 -18.6 12 1 695.8 -20.5 1 686.1 30.2 16 2 692.6 74.9 2 613.7 93.8 20 1 447.0 62.9 1 609.2 230.8 由 表1 表1 可知：对于三箱异型结构，两测试断面的测点受力均处于压弯状态，受力较大部位均为出场线顶板跨中位置，但内力存在差异；对于测点6和7，其内力主要来源于上覆土重与结构自重，而两测试断面埋深仅相差0.2 m，故内力差异较小；测点2位于以受压为主的结构侧墙，其轴力主要来源于竖向荷载，相差较小，而测点3轴力差异较大。由于YSK13+800断面的隧道顶板覆土厚度比YSK13+790断面大，因而YSK13+800断面的测点4所受内力较大，而位于出场线底板测点1内力差异较小。 由 表2 表2 可知：对于四箱异型结构，两测试断面的测点受力也均处于压弯状态，受力较大部位均出现在右线顶板与出场线侧墙接合部位测点16，但内力存在差异；对于测点7，YSK13+859断面所受内力小于YSK13+870断面测点所受内力；接合处测点10、12和16所受内力沿纵向变化不大，而出场线顶板测点20在YSK13+870断面受力较大，主要是覆土厚度不同所致。 5 讨论 1 三箱异型结构与四箱异型结构受力存在明显差异，对于三箱异型结构，出场线顶板受力较大；而对于四箱异型结构相对应测点，位于右线顶板且与出场线侧墙接合部位受力较大。这主要是由于三箱异型结构本身呈几何不对称性，上覆土荷载不能传递到接合处部位，从而导致顶板受力过大，而四箱异型结构由于呈几何对称性，从而使顶板上覆土与自重荷载能够有效传递到接合处侧墙，使接合处侧墙承受大部分荷载。因此，对于三箱异型结构，建议将顶板作为配筋重点部位，而对于四箱异型结构，应加强接合部位配筋。 从施工过程中结构的内力变化特征来看，不论是三箱异型结构还是四箱异型结构，结构内力均表现出短期波动现象，这与施工期间的临时堆载(如重型碾压机械与临时堆放大型钢管支撑等)密切相关。尤其在后期大面积回填施工阶段，结构受力变化最剧烈，在三箱和四箱结构右线顶板跨中位置，内侧混凝土因承受过大拉应变均出现局部开裂现象，且在现场出现明显水迹，这会极大降低结构的承载能力和防水性能，不利于异型结构安全稳定。因此，在施工后期需进行注浆处理，并保证注浆浆液有效填充裂缝，同时，应注意避免结构施工过程中承受过大临时荷载。 6 结论 1 1) 从主体结构受力与施工工序转换之间的联系来看，主体结构基本均处于压弯状态，受结构自重及上覆回填土荷载影响大，在上覆土大面积回填施工完成后结构处于最不利的受力。 2) 在结构转角加腋位置内力往往剧增，隧道右线底板靠近右侧边墙部位承受最大轴力，出场线底板跨中位置承受最大弯矩，因此，需重视隧道结构底板配筋设计，有效保证底板施作质量。 3) 相同类型异型结构测点的受力变化规律类似，但由于结构覆土埋深、结构几何特性与现场施工因素等导致内力存在差异；对于三箱异型结构，右线顶板与出场线接合部位内力沿隧道纵向变化较大，而出入场线顶板及出场线与右线接合部位受力沿隧道纵向变化不大；对于四箱异型结构，结构底板与顶板受力随纵向变化较大，而结构交接处受力变化不大。 4) 对于三箱异型结构，出场线顶板受力较大；而对于四箱异型结构，位于右线顶板且与出场线侧墙接合的部位受力较大。 5) 施工中，需重视重型碾压机械等临时荷载对结构产生的影响，尽量将这种临时荷载带来的影响降到最低程度；当混凝土结构出现开裂、渗水时要及时采取注浆等处理措施，以保证结构的稳定与安全。 参考文献 方晓慧 , 王星华 . 盾构隧道近距离正交下穿复杂地下结构的影响分析 [J]. 铁道科学与工程学报 , 2014 , 11 ( 1 ): 60 - 66 . 盾构隧道近距离正交下穿复杂地下结构的影响分析 FANG Xiaohui , WANG Xinghua . 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