盾構(gòu)施工對(duì)鄰近既有隧道的影響分析

文/張吉華 中鐵十一局城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430000

隨著各行各業(yè)的快速發(fā)展，為研究基坑對(duì)鄰近既有地鐵盾構(gòu)隧道的影響，本文以上海桃浦路-真南路下穿立交B區(qū)基坑工程為案例，通過(guò)有限元數(shù)值模擬，對(duì)既有地鐵盾構(gòu)隧道的雙基坑工程施工進(jìn)行仿真分析，得到基坑卸荷對(duì)鄰近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，可確保其安全正常運(yùn)行，可為類(lèi)似基坑工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1、盾構(gòu)法簡(jiǎn)述

盾構(gòu)法是利用盾構(gòu)機(jī)在地下作業(yè)的暗挖法的一種施工方式，全程施工屬于全自動(dòng)機(jī)械化施工，它的主要工作特點(diǎn)是在土層中緩慢向前推進(jìn)，一邊推進(jìn)一邊將推進(jìn)后的空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，圍繞盾構(gòu)機(jī)的土體則通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的外殼來(lái)支撐防止發(fā)生坍塌。盾構(gòu)機(jī)前段通過(guò)刀片切割土體，然后通過(guò)機(jī)內(nèi)的運(yùn)輸裝置將切割的土體進(jìn)行外送，每推進(jìn)一段距離，盾構(gòu)機(jī)尾部通過(guò)加壓裝置將預(yù)制的管片進(jìn)行拼裝進(jìn)而形成隧道的一種施工方法。盾構(gòu)法施工越來(lái)越得到人們的關(guān)注，盾構(gòu)法施工有其獨(dú)特的施工條件、施工優(yōu)點(diǎn)；盾構(gòu)法施工主要運(yùn)用在地下設(shè)施埋深較深的地方或者地層松軟的含水層。符合以下幾點(diǎn)可采用盾構(gòu)法施工：（1）有相應(yīng)適合盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出場(chǎng)地的條件，且所開(kāi)挖的線位上有相應(yīng)的工作井。（2）埋深較大的土層，上部覆土厚度不小于盾構(gòu)直徑且不小于6m。（3）需要使用盾構(gòu)開(kāi)挖的地層與相對(duì)均質(zhì)的地質(zhì)條件；（4）洞室與建（構(gòu)）筑物及洞室與洞室之間的間距滿(mǎn)足水平間距1m,豎直方向1.5m。（5）考慮經(jīng)濟(jì)效益，連續(xù)的施工長(zhǎng)度不應(yīng)小于300m。

2、三維數(shù)值模型的建立

三維數(shù)值模型的建立是在對(duì)實(shí)際施工概況的基礎(chǔ)上，針對(duì)具體施工參數(shù)設(shè)置參數(shù)，軟件模擬按照嚴(yán)格的施工工序進(jìn)行，土層劃分，土層類(lèi)別，土層參數(shù)。還有一些施工中盾構(gòu)的先后順序，盾構(gòu)注漿等等都要與實(shí)際工況相符合。該模型的建立過(guò)程主要是通過(guò)有限元分析軟件MidasGTSNX對(duì)合肥地鐵5號(hào)線下穿1號(hào)線左線的工程實(shí)例進(jìn)行模擬豎向空間交叉時(shí)，1號(hào)線的變形及受力情況以及盾構(gòu)區(qū)間上方地表沉降變化的規(guī)律。實(shí)際工程工況中上下交叉隧道的距離為3m，現(xiàn)以盾構(gòu)隧道與既有隧道垂直距離的不同為工況，研究不同距離盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)既有的1號(hào)線的影響分析，然后與實(shí)際的盾構(gòu)隧道引起的變化作對(duì)比分析。根據(jù)實(shí)際的施工地質(zhì)條件及施工工況，利用有限元分析軟件建立數(shù)值分析模型，其相應(yīng)的參數(shù)如下：模型大小為110＊130＊50，上部覆土厚度依次為1.5m、3.5m、28m、7m、10m,1號(hào)線隧道頂部距離上部土層厚度為8.8m，5號(hào)線拱頂距離1號(hào)線拱頂距離為3m，距離上部土層距離為17m，盾構(gòu)隧道半徑為3m，襯砌的厚度為0.3m，距離左右邊界的距離約為18m。

3、有限元模型的建立

為驗(yàn)證基坑支護(hù)方案的合理性以及基坑施工過(guò)程中對(duì)軌道交通R11#線的影響，對(duì)此進(jìn)行了大型有限元三維數(shù)值模擬。

3.1 模型基本假設(shè)

該基坑工程分多種支護(hù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖過(guò)程由6個(gè)工況組成，其中基坑上穿R11#軌道線，故整個(gè)三維計(jì)算模型非常復(fù)雜。

3.2 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土層的實(shí)景情況對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行劃分，并建立基坑工程的數(shù)值計(jì)算模型。模型長(zhǎng)寬高分別為300、200、100m，在模型中分別是X、Y、Z坐標(biāo)軸，共計(jì)32564個(gè)8節(jié)點(diǎn)四面體單元。

3.3 材料參數(shù)

該模型采用Drucker-Prager模型計(jì)算土體材料，隨著材料的逐漸屈服，土層的屈服面并未發(fā)生明顯改變；真正影響其屈服強(qiáng)度的是土體的側(cè)壓力。

3.4 荷載與邊界條件

（1）荷載條件。土體的自重荷載為模型上的荷載條件。重力加速度取9.8m·s-2。（2）邊界條件。模型的邊界約束條件包括底面約束，側(cè)面四個(gè)邊界約束以及上表面約束。其中由于基坑頂部為開(kāi)挖部分，故上表面自由邊界；四周為土體圍壓所以只需限制水平位移；底面則需要同時(shí)限制水平和豎向位移。

4、計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 基坑的變形分析

基于對(duì)基坑安全性與穩(wěn)定性的考慮，使用ANSYS軟件對(duì)基坑的變形進(jìn)行分析。（1）X方向基坑位移。基坑沿X方向的最大位移發(fā)生在基坑兩側(cè)端部，變形最大值為10.487mm，滿(mǎn)足基坑的最大變形要求。（2）Y方向基坑位移。右線基坑最外側(cè)的位移量最大，位移最大值為9.12mm，小于基坑的允許最大變形要求。

4.2 支撐結(jié)構(gòu)受力分析

由支撐結(jié)構(gòu)的剪力、軸力、彎矩圖可知，A基坑的第四根支撐與B基坑第一根支撐處出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力為0.028MN；A基坑的第二根支撐和B基坑的第三根支撐處出現(xiàn)最大軸應(yīng)力，最大軸力值為3.21MN；A基坑的第四根支撐和B基坑的第一根支撐出現(xiàn)最大彎矩，最大彎矩值為0.143MN·m。

4.3 隧道位移分析

為確保盾構(gòu)隧道在基坑開(kāi)挖過(guò)程中不受基坑土體凸起的影響，確保盾構(gòu)隧道位移量符合要求，不至于影響隧道的穩(wěn)定性以及正常安全運(yùn)營(yíng)，必須對(duì)下方地鐵盾構(gòu)隧道進(jìn)行位移分析。由隧道Z方向的距離與位移關(guān)系，可以做出左線隧道和右線隧道在基坑開(kāi)挖的影響作用下，隧道頂部的豎向位移曲線圖。相同于沿X、Y方向的位移圖，左、右線隧道的兩端所產(chǎn)生的位移量也極小，可以忽略不計(jì)，從80～150m區(qū)域范圍內(nèi)，隧道的豎向位移開(kāi)始顯著增大并達(dá)到峰值，150～200m區(qū)域范圍內(nèi)，隧道頂部豎向位移由峰值回落至相對(duì)穩(wěn)定的位移量。左右線隧道豎向位移最大值出現(xiàn)在左側(cè)隧道頂部，最大豎向位移為17.589mm。

結(jié)語(yǔ)：

（1）基坑底部有土體凸起現(xiàn)象發(fā)生，但沿X、Y、Z三個(gè)方向的最大變形均在合理范圍之內(nèi)，符合安全、穩(wěn)定的要求。（2）A基坑的第四根支撐與B基坑第一根支撐處出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力為0.028MN；A基坑的第二根支撐和B基坑的第三根支撐處出現(xiàn)最大軸應(yīng)力，最大軸力值為3.21MN；A基坑的第四根支撐和B基坑的第一根支撐出現(xiàn)最大彎矩，最大彎矩值為0.143MN·m。（3）由于受到基坑施工的影響，地鐵盾構(gòu)隧道沉降量、水平方向位移均小于20mm，滿(mǎn)足規(guī)定的要求。同時(shí)地鐵盾構(gòu)隧道的管片（C50）滿(mǎn)足混凝土的抗拉、抗壓強(qiáng)度要求。

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