地鐵盾構(gòu)下穿立交危險斷面的數(shù)值模擬

張守領(lǐng)，黃勝方

淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽淮北 235000

地鐵盾構(gòu)下穿立交危險斷面的數(shù)值模擬

張守領(lǐng)，黃勝方

淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽淮北 235000

依托合肥地鐵盾構(gòu)下穿五里墩立交工程項(xiàng)目，結(jié)合有限差分軟件計算，分析施工過程中4個危險斷面的地表變形及樁基變形規(guī)律.研究表明：右線隧洞盾構(gòu)引起地表沉降槽呈單峰型，左線隧洞盾構(gòu)后沉降槽呈雙峰型；當(dāng)左右線隧洞距離較近時沉降量變化仍呈現(xiàn)單峰型，當(dāng)左右線隧洞距離較遠(yuǎn)時，地表沉降量變化則呈現(xiàn)雙峰型；樁基距離隧洞越近，其沉降變形越大，實(shí)際情況也會越危險；地鐵近距左右線隧道盾構(gòu)依次開挖對土體產(chǎn)生的擾動具有疊加效應(yīng)，且疊加效應(yīng)明顯.以數(shù)值分析來考慮區(qū)間變形，方法簡潔可行，從思路上為類似工程分析提供參考.

盾構(gòu)掘進(jìn)；下穿立交；剖面分析；數(shù)值模擬；地面沉降；樁基變形

現(xiàn)在軌道交通已經(jīng)成為現(xiàn)代城市重要的公共交通方式，軌道交通成為衡量一個國家或城市現(xiàn)代化、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人們生活水平甚至綜合競爭力的重要標(biāo)志［1］.城市軌道區(qū)間隧道大多采用盾構(gòu)掘進(jìn)，盾構(gòu)施工不可避免地會對周圍地層產(chǎn)生擾動，引起地層變形和沉降.地層的變形又會引起鄰近建筑物、結(jié)構(gòu)物的一系列反應(yīng)，如沉降、側(cè)向位移、附加應(yīng)力等，產(chǎn)生所謂的“近接施工問題”.國內(nèi)外學(xué)者［2-4］對建筑結(jié)構(gòu)近接施工問題做了很多研究，得到了很多成果.目前，有限元法蓬勃發(fā)展并應(yīng)用于工程中，有限元法能夠模擬各種工況以及施工因素，通過有限元對盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表及鄰近建筑物變形研究很多，也取得了不少成果［5-12］.

筆者依托合肥地鐵盾構(gòu)下穿五里墩立交工程，基于FLAC3D軟件，實(shí)現(xiàn)對危險斷面盾構(gòu)掘進(jìn)施工的模擬，定量分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程所引起地面以及與鄰近立交樁基的變形規(guī)律.

1 工程概況

合肥地鐵2號線青陽路站到西園站區(qū)間在SK26+050～SK26+450處需下穿五里墩立交橋，五里墩立交橋?yàn)楹戏适兄匾煌屑~橋梁，其上部為多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用直徑1.2 m～1.5 m人工挖孔灌注樁.在隧道通過五里墩立交橋段，盾構(gòu)隧道側(cè)穿樁基.縱斷面上該穿越段隧道平均埋深約27 m，樁基底部平均埋深約19 m.區(qū)間范圍上覆第四系人工填土、硬塑性黏土，向下分別為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖.

盾構(gòu)下穿五里墩大型立交橋施工安全需要綜合考慮地面及樁基礎(chǔ)的變形，復(fù)雜性和綜合性更強(qiáng).根據(jù)《地鐵穿越五里墩專項(xiàng)設(shè)計》可知工程有4個危險剖面，分別為A-A、B-B、C-C及D-D，各剖面位置與五里墩立交橋樁基關(guān)系如圖1所示.在空間上，盾構(gòu)隧道與橋梁樁基礎(chǔ)距離較近，施工對樁基周圍地層擾動過大，從而引起樁基變形，施工風(fēng)險較大.

圖1 危險斷面（a）A-A，（b）B-B，（b）C-C，（d）D-D隧道與立交橋樁基關(guān)系（單位：m）Fig.1Position relationships between tunnel and pile foundation of flyovers in the dangerous section of（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C and（d）D-D（unit：m）

2 計算模型

2.1 數(shù)值網(wǎng)格模型

筆者采用近似平面的模型來模擬各斷面的盾構(gòu)掘進(jìn)，模型尺寸200 m×120 m×6 m.基樁與土層之間設(shè)置無厚度的接觸單元來模擬樁土之間的接觸［13-15］.各危險斷面的數(shù)值模型如圖2所示.

2.2 本構(gòu)模型和屈服準(zhǔn)則

本次三維數(shù)值模擬計算分析過程中，巖土體的本構(gòu)模型為理想彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則.

圖2 剖面（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C，（d）D-D數(shù)值模型Fig.2Numerical models of section（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C and（d）D-D

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)《合肥市軌道交通2號線工程青陽路站至西園路站區(qū)間巖土工程勘察報告》，現(xiàn)場監(jiān)測資料反演及類似的研究成果［10-11］類比，綜合確定各材料的物理力學(xué)參數(shù)，具體見表1和表2所示.

表1 樁土接觸面基本力學(xué)參數(shù)Tab.1Basic mechanical parameters of the contact surface of pile and soil

表2 材料基本物理力學(xué)參數(shù)Tab.2Basic physical and mechanical parameters of materials

3 變形分析

3.1 監(jiān)控點(diǎn)布置

為研究盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地面沉降，在兩隧道中心連線的中點(diǎn)左右各30 m范圍內(nèi)，每間隔2 m布置監(jiān)控點(diǎn)；為研究盾構(gòu)掘進(jìn)引起的樁基沉降及其側(cè)移，沿樁基布置監(jiān)控點(diǎn)，如圖3所示.

圖3 地表監(jiān)控點(diǎn)及樁基監(jiān)控點(diǎn)布置（單位：米）Fig.3Arrangement of monitoring points on surface of earth and pile foundation（unit：m）

3.2 地表沉降變形分析

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，在土體開挖卸荷作用的影響下地表會產(chǎn)生一定的沉降變形.根據(jù)各個斷面的地表監(jiān)控點(diǎn)位移值來分析整個五里墩立交橋的地表變形規(guī)律，圖4為四個危險斷面地表位移變形曲線圖.

圖4 危險斷面剖面（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C，（d）D-D地表沉降位移變形曲線Fig.4Curves of surface settlement in dangerous section of（a）A-A，（b）B-B，（c）C-C and（d）D-D

分析各斷面地表沉降曲線可以發(fā)現(xiàn)：

1）各斷面地表沉降的規(guī)律基本相同，在盾構(gòu)隧洞線上方產(chǎn)生較大的地表沉降，即監(jiān)控點(diǎn)越靠近盾構(gòu)開挖區(qū)域的沉降量越大.

2）從地表沉降曲線的形狀來看，在右線隧道開挖過程中，地表沉降呈單峰型，左線隧道施工后，因左線隧道盾構(gòu)施工引起的沉降峰值會向左線隧道方向偏移.若左右線隧道距離小于7 m時，沉降曲線仍然呈現(xiàn)單峰型，而當(dāng)兩隧道距離較遠(yuǎn)時，則會呈現(xiàn)雙峰型的沉降曲線.

3）通過對左右線同一位置的沉降值對比，易發(fā)現(xiàn)左線盾構(gòu)對右線施工已產(chǎn)生的沉降有影響，使得已有沉降進(jìn)一步增大，這說明左線開挖對右線已經(jīng)擾動的土體產(chǎn)生疊加效應(yīng).

從圖4可以看出：左線和右線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)引起最大地表沉降均在剖面C-C，最大值分別為3.791 mm和10.93 mm，除此之外，另外三個危險斷面A-A、B-B和D-D的沉降值也比較大.

3.3 樁基沉降變形分析

按照圖3中樁基監(jiān)控點(diǎn)布置，通過有限差分軟件模擬計算得到樁基的整體沉降值如圖5～圖12所示.

圖5 樁A1-4沉降變形Fig.5Settlement of pile A1-4

圖6 樁A1-5沉降變形Fig.6Settlement of pile A1-5

圖7 樁A1-6沉降變形Fig.7Settlement of pile A1-6

圖8 樁A2-4沉降變形Fig.8Settlement of pile A2-4

圖9 樁A2-5沉降變形Fig.9Settlement of pile A2-5

圖10 樁A2-6沉降變形Fig.10Settlement of pile A2-6

圖11 樁A4-7沉降變形Fig.11Settlement of pile A4-7

圖12 樁A4-8沉降變形Fig.12Settlement of pile A4-8

從圖5～圖12中各樁基沉降變形曲線可以看出：由于地鐵隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)，立交橋樁基均有不同程度的沉降；地表承臺處的沉降值最大，整個樁基礎(chǔ)沉降自地表向下逐漸減小，這說明隧道盾構(gòu)開挖引起圍巖變形，而在樁底附近的土體位移為零，隧道圍巖確實(shí)形成壓力拱.同時，地表承受車輛動荷載，承臺承受立交橋上部結(jié)構(gòu)重力及車輛荷載.在荷載及拱效應(yīng)的作用下，樁基變形呈現(xiàn)上大下小，即樁基壓縮變形.

各樁最大沉降量見表3，從數(shù)據(jù)來看，右線盾構(gòu)過程中，樁A1-5的沉降量最大，為6.390 mm；左線盾構(gòu)引起的疊加變形中，樁A2-5沉降最大，16.916 mm.樁A1-4、A1-6在右線開挖過程中的沉降量較大，都在4 mm以上，且在左線開挖過程中的沉降量也較大，均在10 mm以上.

表3 各樁基最大沉降值Tab.3Maximum subsidence values of the pile foundations

從增長率來看，隧道左線盾構(gòu)掘進(jìn)誘發(fā)的樁基礎(chǔ)沉降與右線盾構(gòu)掘進(jìn)中的樁基沉降值相比，增加50%以上，這說明右線盾構(gòu)掘進(jìn)對左線的影響比較大.

4 結(jié)語

采用數(shù)值模擬分析方法對合肥地鐵盾構(gòu)隧道施工過程數(shù)值模擬計算，得到如下結(jié)論：

1）右線隧洞盾構(gòu)掘進(jìn)施工時，地表沉降量變化特征呈單峰型曲線，沉降峰值位于右線隧洞上方；左線盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的地表沉降變形要高于先前右線開挖施工擾動產(chǎn)生的沉降，沉降峰值向左線偏移；當(dāng)左右線隧洞距離較近時沉降量變化仍呈現(xiàn)單峰型，當(dāng)左右線隧洞距離較遠(yuǎn)時，地表沉降量變化則呈現(xiàn)雙峰型.

2）在右線盾構(gòu)過程中，樁基沉降最大值達(dá)到6.390 mm，左線盾構(gòu)掘進(jìn)引起樁基沉降峰值為16.916 mm，都比較危險；樁基距離隧洞越近，其沉降變形越大，實(shí)際情況也會越危險.

3）從左右線隧洞盾構(gòu)引起的地表沉降以及樁基變形可以得到，地鐵近距雙線隧道盾構(gòu)依次開挖對土體產(chǎn)生的擾動具有疊加效應(yīng)，且疊加效果十分明顯.

本次地鐵盾構(gòu)下穿立交危險斷面數(shù)值模擬中，主要從位移上進(jìn)行規(guī)律分析和闡述，地鐵盾構(gòu)下樁基的力學(xué)行為，有待進(jìn)一步研究.

致謝

合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院為本研究提供軟件支持，在此表示感謝！

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本文編輯：苗變

Numerical Simulation of Dangerous Sections of Shield Tunnel Under-Passing Flyover Bridges

ZHANG Shouling，HUANG Shengfang
Department of Civil Engineering，Huaibei Vocational and Technical College，Huaibei 235000，China

The deformation of ground and pile foundation of four critical fracture surface in constructing Hefei subway shield under passing the Wulidun flyover bridges was analyzed by the finite difference calculation software.The result shows that the tunnel shield on the right-side brings the ground subside to be unimodal，and the left-side one causes the ground subside to be bimodal；the variation of ground deformation is still of unimodal pattern when the distance between two tunnels is relative short，and the variation of ground deformation becomes bimodal when the distance is longer；the actual situation is more dangerous when the variation of ground deformation is larger and the distance between pile foundation and tunnel is shorter.The construction of short-gap tunnels in turn has a broadly apparent superimposed effect on soil mass.The method is concise and practicable，providing a reference for similar projects'analysis.

shield jacking；under-passing；profile analysis；numerical simulation；land subsidence；pile defor-mation

U455.43

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.02.013

1674-2869（2017）02-0175-07

2016-03-27

2016年高校優(yōu)秀青年人才支持計劃重點(diǎn)項(xiàng)目（gxyqZD2016551）；淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目—工程監(jiān)理教學(xué)團(tuán)隊(duì)（2015jxtd-01）

張守領(lǐng)，碩士，講師.E-mail：zhangshouling1967@126.com

張守領(lǐng)，黃勝方.地鐵盾構(gòu)下穿立交危險斷面的數(shù)值模擬［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（2）：175-181.

ZHANG S L，HUANG S F.Numerical simulation of dangerous sections of shield tunnel under-passing flyover bridges［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（2）：175-181.