地鐵盾構(gòu)下穿地下結(jié)構(gòu)物變形及應(yīng)力計(jì)算分析

唐明明 劉 淼 趙陽豪

地鐵盾構(gòu)下穿地下結(jié)構(gòu)物變形及應(yīng)力計(jì)算分析

唐明明 劉 淼 趙陽豪

以常州地鐵1號線盾構(gòu)下穿十字形的中防花園商貿(mào)城為工程背景，運(yùn)用Flac3D模擬研究其受施工影響下的結(jié)構(gòu)沉降和應(yīng)力分布情況及其安全性。研究表明，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)受盾構(gòu)施工影響的沉降變化較為明顯，商貿(mào)城結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)掘進(jìn)入口的位置沉降值最大，約為6.27 mm；商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力為8.74 MPa，出現(xiàn)在隧道上方的支撐柱位置；最大拉應(yīng)力為1.11 MPa，出現(xiàn)在商貿(mào)城側(cè)墻拐角靠上位置；商貿(mào)城結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)下穿施工的影響下其安全系數(shù)為1.41，總體上處于安全狀態(tài)。

地鐵盾構(gòu)；下穿結(jié)構(gòu)物；變形分析

1 工程概況

常州市中防花園商貿(mào)城位于花園街與廣電路交會街口，沿花園街南北全長317 m，沿廣電路東西沿線全長236 m，呈十字形排列。中防花園商貿(mào)城為地下1層板柱框架結(jié)構(gòu)，頂板厚度約為0.4 m，底板埋深約5 m，上部為廣電路與花園街行車通道。中防花園商貿(mào)城的內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間設(shè)置有支撐柱，支撐柱采用C35鋼筋混凝土，直徑為0.5 m，間距約為6.9 m。新建常州地鐵1號線南北向下穿中防花園商貿(mào)城，穿越段長度約為258 m，隧道距中防花園商貿(mào)城底板的距離為9.8～11.1 m，盾構(gòu)隧道與中防花園商貿(mào)城的橫剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與商貿(mào)城橫剖面圖 （單位：m）

工程場地地處長江三角洲太湖沖湖積平原，地形較為平坦，區(qū)間沿線場地地基土以黏性土、粉土及砂土為主，地層分布較平順、穩(wěn)定。場地地下潛水水位埋深約為地面下1.2～3 m，水位標(biāo)高約1.3～3.6 m，平均水位標(biāo)高約2.7 m，水位季節(jié)性變化幅度為1～2 m，場地施工范圍內(nèi)未涉及承壓水。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

中防花園商貿(mào)城采用現(xiàn)澆板柱結(jié)構(gòu)體系，蓋挖逆作法施工，無梁構(gòu)件，頂板受力主要依靠內(nèi)部的支撐柱維持平衡。因板柱結(jié)構(gòu)抗剪能力較弱，故將支撐柱與頂板和底板接頭位置擴(kuò)大為柱帽，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。為更真實(shí)地模擬支撐柱對結(jié)構(gòu)的作用，在計(jì)算模型中全部采用實(shí)體單元，支撐柱身與柱帽參照實(shí)際尺寸建模。

盾構(gòu)推進(jìn)過程的模擬方法采用剛度遷移法，模型中預(yù)留注漿區(qū)單元以及管片單元，在計(jì)算過程中逐步更換材料參數(shù)。盾構(gòu)采用泥水平衡方式，掌子面施加與所在地層的壓力相平衡的推進(jìn)壓力。

計(jì)算模型共劃分395 170個實(shí)體單元，管片單元采用線彈性模型模擬，土體材料的屈服采用摩爾庫倫準(zhǔn)則。模型尺寸長260 m，寬238 m，高52.1 m。模型側(cè)面和底面為位移邊界，模型頂面取為自由邊界，底面采用固定約束，側(cè)面采用法向約束（圖2）。

圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)場地勘察資料以及設(shè)計(jì)施工說明，計(jì)算模型中的材料參數(shù)見表1。計(jì)算荷載考慮中防花園商貿(mào)城顧客、貨物等極限均布載荷3 kPa，廣電路、花園街的車輛均布極限荷載20 kPa。

表1 地層及隧道材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 土體沉降分析

圖3 左側(cè)隧道施工完畢后的沉降云圖

圖4 右側(cè)隧道施工完畢后的沉降云圖

根據(jù)圖3土體沉降云圖可以看出，左側(cè)隧道盾構(gòu)施工時，隧道上方的土體出現(xiàn)了較為明顯的沉降，土體沉降值隨距隧道水平距離的增加而減小，沉降影響范圍約為2～3倍隧道直徑。盾構(gòu)施工引起的土體沉降值在盾構(gòu)入口處相對較大，最大值約為5.15 mm。

根據(jù)圖4土體沉降云圖可以看出，左側(cè)隧道盾構(gòu)施工完畢后右側(cè)隧道盾構(gòu)施工時，隧道上方土體的繼續(xù)沉降，且隨距隧道水平距離的增加而減小，沉降影響范圍約為2～3倍隧道直徑。右側(cè)隧道盾構(gòu)施工完畢后引起的土體沉降最大值出現(xiàn)在左側(cè)隧道和右側(cè)隧道中間線上方的盾構(gòu)掘進(jìn)入口位置，其最大沉降值為6.27 mm。

本計(jì)算中，盾構(gòu)施工由左側(cè)隧道開始，左側(cè)施工完畢之后再施工右側(cè)隧道，2個隧道分別施工完畢后的土體沉降云圖如圖3、4所示。

可見，中防花園商貿(mào)城受施工開挖的影響沉降較為明顯，并且沉降分布不均勻，在隧道上方的沉降量要明顯高于周圍區(qū)域。

3.2 結(jié)構(gòu)沉降分析

結(jié)構(gòu)的沉降主要是由于土體不均勻沉降引起的，包括結(jié)構(gòu)下部土體沉降和結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的土體壓縮（含地基基礎(chǔ)切入土體量）。由此可見，結(jié)構(gòu)沉降大于結(jié)構(gòu)下部土體沉降。但是，由于二者的差值即結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的土體壓縮量是極其有限的，可以忽略不計(jì)，因此，可近似地將土體沉降作為結(jié)構(gòu)沉降來考慮。

由圖5可以看出，受左側(cè)隧道盾構(gòu)施工的影響，隧道上方建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了比較明顯的沉降，結(jié)構(gòu)最大沉降區(qū)域如圖5藍(lán)色區(qū)域所示，最大值為4.3 mm，且結(jié)構(gòu)最大沉降和土體最大沉降位置不在同一豎直刻度線上（圖6）。

圖5 左側(cè)隧道施工完畢后結(jié)構(gòu)沉降云圖

圖6 左側(cè)隧道施工完畢后結(jié)構(gòu)和土體最大沉降位置圖

由圖7可以看出，右側(cè)隧道施工完畢后，在左側(cè)隧道施工影響結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更大的沉降，結(jié)構(gòu)沉降最大區(qū)域如圖7藍(lán)色區(qū)域所示，最大值為5.55 mm，且結(jié)構(gòu)最大沉降和土體最大沉降位置不在同一豎直刻度線上（圖8）。

圖7 右側(cè)隧道施工完畢后結(jié)構(gòu)沉降云圖

圖8 右側(cè)隧道施工完畢后結(jié)構(gòu)和土體最大沉降位置圖

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

從中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)變形分析可知，受隧道盾構(gòu)施工的影響，商貿(mào)城結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不均勻沉降，這種不均勻沉降可能導(dǎo)致框架混凝土出現(xiàn)開裂。因此，需要對施工影響后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果對應(yīng)力較大的位置提出加固處理措施。2條隧道分別施工完畢后的商貿(mào)城結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖9、10所示。

從圖9壓應(yīng)力云圖可以看出，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力主要分布在隧道上方的支撐柱位置，其最大值約為8.74 MPa；商貿(mào)城結(jié)構(gòu)框架底板位置的最大壓應(yīng)力在1～2 MPa之間。

從圖10拉應(yīng)力云圖可以看出，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力主要分布在商貿(mào)城側(cè)墻拐角靠上位置，其最大值為1.11 MPa；商貿(mào)城結(jié)構(gòu)框架底板位置的最大拉應(yīng)力在0.2～0.4 MPa之間。

圖9 商貿(mào)城結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力云圖

圖10 商貿(mào)城結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力云圖

由以上結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果可知，在壓應(yīng)力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的危險位置出現(xiàn)在隧道上方的支撐柱附近；在拉應(yīng)力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的危險位置出現(xiàn)在側(cè)墻拐角靠上位置。

3.4 結(jié)構(gòu)安全性分析

為了解盾構(gòu)施工對中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)安全性的影響，現(xiàn)以前述中防花園商貿(mào)城沉降以及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合鋼筋混凝土材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，確定其結(jié)構(gòu)安全度。

由結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果可知，中防花園商貿(mào)城柱結(jié)構(gòu)受到的最大壓應(yīng)力為8.74 MPa，低于該標(biāo)號（C35）的混凝土抗壓強(qiáng)度（容許應(yīng)力）16.7 MPa；商貿(mào)城側(cè)墻受到的拉應(yīng)力最大值為1.11 MPa，同樣低于其混凝土抗拉強(qiáng)度（容許應(yīng)力）1.57 MPa。

分別以中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)支撐柱的最大壓應(yīng)力和側(cè)墻的最大拉應(yīng)力作為判斷指標(biāo)，計(jì)算商貿(mào)城結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)最終的安全系數(shù)則為其較小值。表2給出了受施工影響下商貿(mào)城結(jié)構(gòu)危險截面位置及相應(yīng)的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表2 商貿(mào)城結(jié)構(gòu)危險截面位置及安全系數(shù)

由表2商貿(mào)城結(jié)構(gòu)安全性系數(shù)計(jì)算結(jié)果可知，在極限壓應(yīng)力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)最危險截面出現(xiàn)在隧道上方的支撐住附近，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算最大壓應(yīng)力8.74 MPa、容許應(yīng)力16.7 MPa，計(jì)算可得其安全系數(shù)為1.91；在極限拉應(yīng)力狀態(tài)下，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)最危險截面出現(xiàn)在側(cè)墻拐角靠上處，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算最大拉應(yīng)力1.11 MPa、容許應(yīng)力1.57 MPa，計(jì)算可得其安全系數(shù)為1.41。

綜上所述，中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)最危險截面為位于側(cè)墻拐角靠上位置，商貿(mào)城結(jié)構(gòu)總體安全系數(shù)為1.41。

4 結(jié)論

根據(jù)中防花園商貿(mào)城的結(jié)構(gòu)特征和盾構(gòu)施工資料，建立了三維分析模型，對中防花園商貿(mào)城結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變形與內(nèi)力分析，并對其受盾構(gòu)下穿施工影響的安全性進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

（1）受盾構(gòu)下穿施工的影響，商貿(mào)城結(jié)構(gòu)沉降在靠近隧道頂端位置較大，遠(yuǎn)離隧道位置則相對較?。唤Y(jié)構(gòu)最大沉降出現(xiàn)在盾構(gòu)掘進(jìn)入口的位置，最大沉降為6.27 mm；

（2）商貿(mào)城結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在隧道上方的商貿(mào)城結(jié)構(gòu)支撐柱位置，最大壓應(yīng)力為8.74 MPa,；

（3）商貿(mào)城結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在商貿(mào)城結(jié)構(gòu)側(cè)墻拐角靠上位置，最大拉應(yīng)力為1.11 MPa；

（4）商貿(mào)城結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)，其總體安全系數(shù)為1.41。

[1] 任建喜，李慶園，鄭贊贊，等.盾構(gòu)誘發(fā)的地表及鄰近建筑物變形規(guī)律研究[J]. 鐵道工程學(xué)報，2014（1）.

[2] 劉建航，候?qū)W淵. 盾構(gòu)法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[3] 朱合華，丁文其，李曉軍. 盾構(gòu)隧道施工力學(xué)性態(tài)模擬及工程應(yīng)用[J]. 土木工程學(xué)報， 2000（3）.

[4] 張玉軍，熊傳義. 擬建武漢地鐵盾構(gòu)法施工的有限元數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué)，2001（1）.

[5] 王敏強(qiáng)，陳勝宏. 盾構(gòu)推進(jìn)隧道結(jié)構(gòu)三維非線性有限元仿真[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002（2）.

[6] 于寧，朱合華. 盾構(gòu)施工仿真及其相鄰影響的數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué)，2004（4）.

[7] 于寧，朱合華. 盾構(gòu)隧道施工地表變形分析與三維有限元模擬[J]. 巖土力學(xué)，2004（8）.

[8] 邱明明，姜安龍，舒勇. 城市地鐵盾構(gòu)施工地層變形三維數(shù)值模擬分析[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2014（2）.

[9] GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 2010.

責(zé)任編輯 朱開明

Analysis of Deformation and Stress Calculation of Underground Structures Under-passing by Metro Shield Tunneling

Tang Mingming, Liu Miao, Zhao Yanghao

Taking Changzhou metro line 1 shield under-passing engineering as an example, the paper uses Flac3D simulation to study the structure settlement and stress distribution under construction infl uence and its safety. The studies have shown that structure settlement changes of Zhongfang Garden Trade Center affected by impact of shield construction are rather big, maximum settlement value of trade center structure occurs at the portal position of shield tunneling entrance, the maximum pressure stress appears at the top of support column position in tunnel, and the maximum tensile stress appears in the corner on upper part of Trade Center side wall, The paper makes conclusion that safety factors of Trade Center structure under the influence of shield construction under-passing engineering are overall in the safe state.

metro shield, under-passing structure, deformation analysis

TU94

2014-09-23

唐明明： 北京安捷工程咨詢有限公司，博士，北京 100037