盾構(gòu)區(qū)間下穿既有結(jié)構(gòu)施工過(guò)程模擬

何 福 渤

(天津港航工程有限公司，天津 300457)

盾構(gòu)區(qū)間下穿既有結(jié)構(gòu)施工過(guò)程模擬

何 福 渤

(天津港航工程有限公司，天津 300457)

以某新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有地鐵明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)施工為例，為研究盾構(gòu)施工對(duì)既有區(qū)間的影響，建立三維有限元模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，模擬計(jì)算中考慮了施工中的開(kāi)挖、施加掌子面及施作管片過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明盾構(gòu)施工不會(huì)影響既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的正常使用及運(yùn)營(yíng)。

地鐵，盾構(gòu)區(qū)間，下穿，數(shù)值模擬

隨著我國(guó)城市建設(shè)的迅速發(fā)展，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用率越來(lái)越高，規(guī)模越來(lái)越大，地鐵網(wǎng)絡(luò)也在不斷的延伸和完善。地鐵區(qū)間施工中的盾構(gòu)法具有振動(dòng)小、噪聲低、施工速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是在軟土地區(qū)進(jìn)行區(qū)間隧道施工的常見(jiàn)工法，在其不斷普及和高速發(fā)展的同時(shí)，也面臨著更大的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷加密，目前新建區(qū)間隧道近距離穿越既有建筑物、地鐵車(chē)站或區(qū)間的現(xiàn)象越來(lái)越普遍。因此，進(jìn)行盾構(gòu)施工過(guò)程模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的正常使用產(chǎn)生的影響，已經(jīng)成為了一個(gè)地鐵工程界的重點(diǎn)研究課題[1-5]。

本文對(duì)某地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有明挖區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬計(jì)算，以期預(yù)測(cè)盾構(gòu)施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，保證工程質(zhì)量以及減小對(duì)周邊結(jié)構(gòu)、環(huán)境的影響。

1 工程概況

1)新建盾構(gòu)區(qū)間。此段區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，左右線(xiàn)路中線(xiàn)間距約19 m，拱頂覆土厚度約28.60 m，距既有明挖區(qū)間箱體約16.10 m，距既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)底約6.10 m。主體結(jié)構(gòu)為由管片錯(cuò)縫拼裝而成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為5.50 m，管片厚度為0.35 m，環(huán)寬1.20 m，環(huán)間通過(guò)螺栓連接。下穿段主要位于粉砂、粉土層，屬微承壓水層，最大水頭約為33.2 m。

2)既有明挖區(qū)間。既有地鐵線(xiàn)目前正常運(yùn)營(yíng)，B型車(chē)，整體道床，正線(xiàn)采用60 kg/m鋼軌，采用明挖法施工，為兩跨箱形結(jié)構(gòu)，中間設(shè)中隔墻。箱體采用C30防水鋼筋混凝土，寬9.70 m，高5.40 m，頂板厚550 mm，底板厚650 mm，側(cè)墻厚550 mm，中隔墻厚400 mm。下穿段既有箱體覆土厚度為6.88 m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁(φ800@1 000)+攪拌樁止水帷幕(φ800@600)。

3)下穿段新舊區(qū)間位置關(guān)系。下穿段范圍內(nèi)新線(xiàn)長(zhǎng)度約50 m，既有線(xiàn)長(zhǎng)度約55 m，下穿段距既有結(jié)構(gòu)最近變形縫為29.8 m，距區(qū)間風(fēng)道約44 m。二者結(jié)構(gòu)凈距約16.10 m，距既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)底約6.10 m。具體位置關(guān)系見(jiàn)圖1，圖2。

2 建立三維計(jì)算模型

目前適用于地下結(jié)構(gòu)工程計(jì)算的軟件很多，如ANSYS，ABAQUS，F(xiàn)LAC3D，GTS等等。本文中選取了GTS有限元計(jì)算軟件，該軟件建模操作簡(jiǎn)便快捷，支持彈性、彈塑性等多種巖土本構(gòu)模型，并且具有支持施工階段計(jì)算的模塊，可以方便的進(jìn)行施工階段模擬，得到位移、應(yīng)變等參數(shù)隨施工階段變化的曲線(xiàn)。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)隧道開(kāi)挖施工的影響范圍為3倍隧道直徑范圍以?xún)?nèi)。因此確定計(jì)算模型選取范圍為上至地面，下至盾構(gòu)隧道底部以下3倍隧道直徑，盾構(gòu)隧道左右兩側(cè)各取3倍隧道直徑，盾構(gòu)前進(jìn)方向取60 m。盾構(gòu)區(qū)間雙線(xiàn)中心線(xiàn)間距19.11 m，大于3倍的隧道直徑，可以忽略雙線(xiàn)隧道施工之間的相互影響，僅研究單線(xiàn)隧道施工時(shí)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響。

計(jì)算模型共劃分了15 371個(gè)節(jié)點(diǎn)和79 822個(gè)單元，見(jiàn)圖3。

其中土體采用摩爾庫(kù)侖理想彈塑性本構(gòu)模型，實(shí)體單元(見(jiàn)圖4)。從上至下土體劃分為6層，其計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 各土層計(jì)算參數(shù)表

土層厚度/m彈性模量/MPa容重/kN·m-3泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)土層①21019．30．314．1926．26土層②61590．317．0318．49土層③8．71219．40．311．1330．8土層④9．11420．60．316．4624．55土層⑤16．44020．30．310．2133．79土層⑥7．85020．20．321．6921．63

既有區(qū)間結(jié)構(gòu)采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型、實(shí)體單元。其彈性模量為3×104MPa，容重25 kN/m3，泊松比0.2。既有區(qū)間結(jié)構(gòu)單元及圍護(hù)單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖5，圖6，盾構(gòu)襯砌板單元見(jiàn)圖7。

鉆孔灌注樁及止水帷幕采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型、實(shí)體單元。其彈性模量為2.55×104MPa，容重25 kN/m3，泊松比0.2。

盾構(gòu)管片采用線(xiàn)彈性本構(gòu)模型、板單元模擬。盾構(gòu)管片材料為C50混凝土，考慮其采用拼裝方式施工，對(duì)其剛度進(jìn)行一定的折減，取彈性模量為3×104MPa，容重25 kN/m3，泊松比0.2。

2.2 荷載

在實(shí)際施工過(guò)程中存在的外界荷載有：土體、盾構(gòu)襯砌及既有結(jié)構(gòu)的重力荷載，既有區(qū)間結(jié)構(gòu)中的地鐵列車(chē)荷載，盾構(gòu)區(qū)間開(kāi)挖過(guò)程中掌子面壓力，盾構(gòu)機(jī)的重力荷載。

在本次模擬計(jì)算中，考慮了土體、盾構(gòu)襯砌及既有結(jié)構(gòu)的重力荷載，盾構(gòu)區(qū)間開(kāi)挖過(guò)程中掌子面壓力，未考慮既有區(qū)間結(jié)構(gòu)中的地鐵列車(chē)荷載和盾構(gòu)機(jī)的重力荷載。

2.3 邊界條件

計(jì)算模型中的6個(gè)邊界面，除地面為自由邊界條件外，其他5個(gè)邊界面均施加法向位移約束。

3 模擬計(jì)算

3.1 施工過(guò)程

1)沿全盾構(gòu)區(qū)間斷面開(kāi)挖，采用鈍化相應(yīng)的土體單元模擬開(kāi)挖過(guò)程(見(jiàn)圖8)。2)開(kāi)挖后施作盾構(gòu)襯砌管片，采用激活相應(yīng)的襯砌單元模擬施作管片(見(jiàn)圖9)。3)開(kāi)挖土體的同時(shí)，施加掌子面壓力，為0.3 MPa(見(jiàn)圖10)。4)每個(gè)施工步驟為沿線(xiàn)路方向開(kāi)挖1.2 m，模擬拼裝一環(huán)管片，整個(gè)計(jì)算過(guò)程，劃分為50個(gè)施工步驟。

3.2 計(jì)算分析

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，單線(xiàn)區(qū)間完成后，既有線(xiàn)路豎向位移云圖如圖11所示。既有結(jié)構(gòu)沉降最大值約為6.4 mm，最小值約為3.1 mm，不均勻沉降差值最大約為3.3 mm。

圖12為位于既有結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)區(qū)間相交叉處的點(diǎn)的豎向位移隨施工步驟的變化曲線(xiàn)?？煽闯黾扔薪Y(jié)構(gòu)隨著盾構(gòu)區(qū)間的施工，其沉降值逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。

根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范、運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路維修規(guī)則及相關(guān)工程實(shí)例等[6,7]，下穿既有結(jié)構(gòu)的施工控制標(biāo)準(zhǔn)如下：引起既有地鐵結(jié)構(gòu)絕對(duì)沉降量和水平位移不大于20 mm，車(chē)站變形的曲率半徑不大于1 500 m，相對(duì)彎曲不大于1/2 500。模擬計(jì)算表明，盾構(gòu)區(qū)間施工對(duì)既有區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響滿(mǎn)足控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 總結(jié)及展望

1)通過(guò)對(duì)盾構(gòu)下穿施工的模擬計(jì)算，可知下穿工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響是在安全范圍內(nèi)的，不會(huì)造成結(jié)構(gòu)的破壞或影響正常使用。2)在得到實(shí)際施工過(guò)程的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，應(yīng)與本次模擬計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整相關(guān)的計(jì)算參數(shù)，使實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果相吻合，尋找其擬合規(guī)律，為今后提高模擬計(jì)算精度打下基礎(chǔ)。3)在盾構(gòu)機(jī)實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，由于盾構(gòu)機(jī)外殼與土體、管片與土體存在間隙，以及注漿的不及時(shí)和漿液自身的收縮，均會(huì)導(dǎo)致土體產(chǎn)生地層損失，引起地層產(chǎn)生沉降。另外，盾構(gòu)機(jī)對(duì)掌子面的預(yù)壓力和土層的水土壓力不一致，盾構(gòu)機(jī)的低頭和抬頭，以及施工過(guò)程中對(duì)地層的擾動(dòng)等亦會(huì)引起地層的沉降或隆起。本文模擬計(jì)算中未考慮上述因素的影響，在今后的設(shè)計(jì)科研工作中，應(yīng)加強(qiáng)這方面研究，以更好的模擬預(yù)測(cè)施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，保證工程質(zhì)量。

[1] 張成平，張頂立，吳介普，等.暗挖地鐵車(chē)站下穿既有地鐵隧道施工控制[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30(1)：69-73．

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Simulation of metro shield zone construction passing through existing structures

He Fubo

(TianjinPort&ChannelEngineeringCo.,Ltd,Tianjin300457,China)

Take a new metro shield zone is passing through the existing metro open-cut zone as example. To study the impact on the shield zone construction, a three-dimensional finite element model was simulated. Simulation takes into account the construction of excavation, the tunnel face and facilities for applying segments process. The results show that shield construction will not affect the normal use and operation of the existing structure.

metro, shield zone, passing through, numerical simulation

2015-06-28

何福渤(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)25-0166-02

U455

A