超大直徑盾構(gòu)施工對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響分析

黃夏寅

【摘 要】隨著城市地下空間的拓展，城市地下道路作為城市車行交通的必要組成逐漸興起。城市地下道路的某些區(qū)段不可避免地進入了地鐵運營線的安全保護區(qū)范圍。地下道路建設(shè)過程中確保地鐵的安全運營成為關(guān)鍵。論文以深圳春風隧道旁穿地鐵9號線鹿丹村站為背景，運用MIDAS-NX軟件建立三維計算模型，對超大直徑盾構(gòu)隧道旁穿、下穿地鐵結(jié)構(gòu)的變形位移及應(yīng)力進行了分析研究。分析結(jié)果表明：盾構(gòu)隧道與地鐵結(jié)構(gòu)距離合適，地鐵車站及出入口結(jié)構(gòu)的最大變形位移符合控制要求。最后對保障地鐵安全的措施提出了建議。

【Abstract】With the expansion of underground space， as an indispensable component of urban traffic， urban underground road gradually sprung up. Some sections of the urban underground road inevitably enter into the safety protection area of subway line. During the construction of underground roads， it is the key to ensure the safe operation of the subway. This thesis takes Shenzhen Spring Tunnel passing through beside the Ludan village station of Metro Line 9 as background， applies MIDAS-NX software to set up a three-dimension calculation model， and makes analysis on the deformation shift and stress of subway structure passing through beside and under the shield tunnel of super large diameter. The analysis result shows that the distance between shield tunnel and subway structure is proper， the maximum deformation and displacement of the subway station and its entrance and exit meet the control requirements. In the final part， measures to ensure the safety of the subway are put forward.

【關(guān)鍵詞】超大直徑盾構(gòu)；地鐵；變形位移

【Keywords】super large diameter shield； subway； deformation displacement

【中圖分類號】U455.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）08-0153-03

1 引言

隨著城市化的發(fā)展，交通擁堵成為當今城市發(fā)展所面臨的普遍問題，構(gòu)建城市立體交通、倡導(dǎo)公共交通，對緩解交通擁堵、改善環(huán)境等具有重要作用。在交通建設(shè)方面除新建軌道交通外，深圳也越來越重視城市地下車行設(shè)施的建設(shè)[1]。城市地下道路的某些區(qū)段臨近地鐵運營線，地鐵地下結(jié)構(gòu)的受力平衡狀態(tài)被打破，使地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形位移。地鐵運營對結(jié)構(gòu)變形要求極其嚴格，深圳地鐵地下結(jié)構(gòu)的安全控制指標值為10mm。地下道路盾構(gòu)隧道開挖過程中地應(yīng)力的釋放對于地鐵結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，必須合理地選擇地下道路大型盾構(gòu)隧道的豎向標高、施工措施，確保地鐵的安全運營[2]。本文使用MIDAS-NX軟件建立三維數(shù)值模型，分析了超大直徑盾構(gòu)施工對臨近地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響，提出了大型盾構(gòu)隧道施工對地鐵結(jié)構(gòu)保護措施的建議。

2 工程背景

2.1 項目簡介

春風隧道工程跨越深圳市福田、羅湖兩區(qū)，起于濱河大道上步立交，終于沿河南路新秀立交以南，全線長約5.16km。項目為城市快速路，雙向四車道，設(shè)計車速為60km/h。隧道擬采用單洞雙層構(gòu)造，上下雙向通行，單方向設(shè)置2車道及應(yīng)急車道。隧道采用開挖直徑15.6m的超大直徑盾構(gòu)，盾構(gòu)隧道外徑15.2m，預(yù)制盾構(gòu)管片為C60混凝土厚0.65m。

春風隧道臨近9號線鹿丹村站結(jié)構(gòu)，平行近接段長約255m，結(jié)構(gòu)最小水平距離約18m，并且下穿A出入口結(jié)構(gòu)。隧道結(jié)構(gòu)與出入口結(jié)構(gòu)豎向距離約為13.1m。隧道主要處于中～微風化碎裂巖層，覆土深度約為27.6m。春風隧道與地鐵車站位置關(guān)系如圖1、圖2。

2.2 工程地質(zhì)

場地內(nèi)地層如圖2所示，自上而下依次為：素填土、淤泥、黏土、中砂、構(gòu)造角礫、強～微風化碎裂巖。地下水位位于地面以下約1m。

根據(jù)勘察報告的巖土體物理力學指標建議值與鉆孔資料，結(jié)合工程實際情況，對計算中所用到的巖土體物理力學參數(shù)進行取值，見表1。

3 理論計算分析

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）理論分析計算春風隧道深埋淺埋特征，并分析計算其塌落拱范圍和隧道開挖完成后自平衡的影響范圍。

依規(guī)范，等效荷載高度hq=q/γ=0.45×2s-1ω=0.45×2s-1×（（1+i（Bt-5））=14.83m

淺埋和深埋隧道分界深度 Hp=（2～2.5）hq。根據(jù)勘察報告，該段隧道處在Ⅴ級圍巖，故取Hp=2.5hq=2.5×14.83=37.1m。隧道埋深均大于hq而小于Hp。根據(jù)規(guī)定，隧道開挖后影響擾動范圍計算模型如圖3。根據(jù)公式tanβ=tanψc+■計算開挖擾動產(chǎn)生的滑動面破裂角。其中ψc為計算摩擦角，θ為滑動面摩擦角。根據(jù)規(guī)范取值并計算得tanβ=2.3、β=66.5°。春風隧道旁穿地鐵9號線車站及下穿出入口結(jié)構(gòu)，從圖4可知車站結(jié)構(gòu)在計算擾動范圍之外，而A出入口則處于計算擾動范圍內(nèi)。endprint

4 有限元數(shù)值模擬

為了減少邊界效應(yīng)的影響，三維模型尺寸需要在地鐵車站及春風隧道結(jié)構(gòu)尺寸上作一定延伸。根據(jù)有限元分析原理和一般處理經(jīng)驗，水平向的影響范圍為車站結(jié)構(gòu)邊界外3～5倍結(jié)構(gòu)埋深，而豎向的影響范圍則為盾構(gòu)隧道底2～4倍的盾構(gòu)埋深。綜合考慮地鐵結(jié)構(gòu)的位置以及春風隧道埋深，整體三維模型尺寸為350m×150m×80m（長×寬×高）。模型邊界采用法向位移約束，地面為自由面。在春風隧道施工過程模擬中，巖土體采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型，地鐵結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)隧道采用彈性本構(gòu)模型。

5 春風隧道盾構(gòu)施工對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響分析

盾構(gòu)隧道的施工對地應(yīng)力分布影響較大，隧道上方土層應(yīng)力變化較大，盾構(gòu)隧道開挖面四周逐步出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，見圖5。結(jié)合位移圖6可以看出，上部土層形成了明顯的沉降槽。計算過程中，盾構(gòu)施工步數(shù)增加但隧道拱頂位移最大值沒有變化，說明巖土體位移趨于穩(wěn)定，表明隧道所處的中、微風化碎裂巖地層具有一定的自穩(wěn)能力。最終春風隧道拱頂沉降值為4.36mm。

車站結(jié)構(gòu)計算結(jié)果顯示，春風隧道施工完成后對地鐵結(jié)構(gòu)的影響最大。整個施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)x方向最大位移為0.636mm（圖7），y方向最大位移為0.034mm，最大豎向位移為-2.01mm（圖8）。

通過數(shù)值計算與理論計算的綜合分析，得出結(jié)論如下：

①春風隧道采用超大直徑盾構(gòu)，施工引起的巖土體應(yīng)力與位移變化及影響不容忽視。

②春風隧道開挖施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響主要為下穿區(qū)段的地鐵結(jié)構(gòu)沉降變形。

③盾構(gòu)隧道該區(qū)段穿越的巖土體主要為中、微風化碎裂巖層，地質(zhì)條件相對較好。春風隧道旁穿地鐵車站主體結(jié)構(gòu)，最小凈距約18m，大于1倍開挖洞徑，與車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)施距離較遠。因此，該節(jié)點超大直徑盾構(gòu)開挖施工對地鐵車站主體結(jié)構(gòu)擾動影響有限。

④春風隧道施工完畢后地鐵結(jié)構(gòu)累計最大變形值為

-2.01mm（豎向），符合地鐵地下結(jié)構(gòu)變形值≤10mm的要求。

6 建議

擬建春風隧道為深圳首座穿越復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域的超大型盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道旁穿、下穿地鐵結(jié)構(gòu)，使地鐵運營存在一定的安全風險。

因此，施工中應(yīng)特別關(guān)注地鐵結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。建議如下：

①春風隧道超大直徑盾構(gòu)采用泥水平衡盾構(gòu)，便于掌子面壓力的精準控制。

②春風隧道旁穿、下穿地鐵結(jié)構(gòu)過程中必須嚴格控制掌子面壓力，同時嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)旁穿、下穿地鐵結(jié)構(gòu)施工時，盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過大、過頻，以減少土體損失，降低對周圍土體的擾動。

③春風隧道盾構(gòu)旁穿、下穿地鐵結(jié)構(gòu)時應(yīng)保證施工的連續(xù)、穩(wěn)定，使盾構(gòu)在最短時間內(nèi)穿越影響段。

④盾構(gòu)開挖后應(yīng)及時拼裝管片并進行填充注漿。

⑤委托第三方開展施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的監(jiān)測工作，與施工監(jiān)測相互校核。信息化施工，監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析并反饋指導(dǎo)施工。

【參考文獻】

【1】俞明健.城市地下道路設(shè)計理論與實踐[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

【2】沈輝，羅先啟，李野，等.深基坑施工對地鐵車站影響的數(shù)值仿真分析[J].地下空間與工程學報，2011，7（5）：1018-1028.endprint